Las células solares hechas de silicio cristalino logran eficiencias máximas, especialmente en combinación con contactos selectivos hechos de silicio amorfo (a-Si:H). Sin embargo, su eficacia está limitada por pérdidas en estas capas de contacto. Ahora, por primera vez, un equipo de Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) y la Universidad de Utah, ESTADOS UNIDOS, ha demostrado experimentalmente cómo estas capas de contacto generan corrientes de pérdida a escala nanométrica y cuál es su origen físico.

Las células solares de silicio son ahora tan baratas y eficientes que pueden generar electricidad a precios de menos de 2 centavos / kWh. Las células solares de silicio más eficientes de la actualidad están fabricadas con capas de contacto delgadas de silicio amorfo (a-Si:H) delgadas y selectivas de 10 nanómetros, que se encargan de separar las cargas generadas por la luz. Se logran eficiencias de más del 24% en HZB con tales células solares de heterounión de silicio y también son parte de una célula solar en tándem que conducen a un récord de eficiencia recientemente informado del 29,15% (A. Al-Ashouri, et al. Ciencias 370, (2020)). El récord mundial actual de Japón para una célula solar de silicio de unión única también se basa en este heterocontacto (26,6%:K. Yoshikawa, et al. Energía de la naturaleza 2, (2017)).

Todavía existe un potencial de eficiencia considerable relacionado con tales sistemas de heterocontacto, sin embargo, todavía no se comprende en detalle cómo estas capas permiten la separación de los portadores de carga y cuáles son sus mecanismos de pérdida nanoscópica. Las capas de contacto a-Si:H se caracterizan por su desorden intrínseco, que, por un lado, permite un excelente recubrimiento de la superficie de silicio y, por lo tanto, minimiza el número de defectos interfaciales, pero por otro lado también tiene una pequeña desventaja:puede conducir a corrientes de recombinación locales y a la formación de barreras de transporte.

Por primera vez, un equipo de HZB y la Universidad de Utah ha medido experimentalmente a nivel atómico cómo se forman tales corrientes de fuga entre c-Si y a-Si:H, y cómo influyen en el rendimiento de la célula solar. En un esfuerzo conjunto, un equipo dirigido por el profesor Christoph Boehme en la Universidad de Utah, y por el Prof.Dr. Klaus Lips en HZB, pudieron resolver el mecanismo de pérdida en la interfaz del heterocontacto de silicio mencionado anteriormente en la escala nanométrica utilizando microscopía de fuerza atómica conductora de vacío ultra alto (cAFM).

Los físicos pudieron determinar con una resolución casi atómica dónde penetra la corriente de fuga en el contacto selectivo a-Si:H y crea un proceso de pérdida en la célula solar. En cAFM, estas corrientes de pérdida aparecen como canales de corriente de tamaño nanométrico y son la huella de los defectos asociados con el desorden de la red de silicio amorfo. "Estos defectos actúan como trampolines para que las cargas penetren en el contacto selectivo e induzcan la recombinación, nos referimos a esto como "túnel mecánico cuántico asistido por trampa", explica Lips. "Esta es la primera vez que tales estados se han hecho visibles en a-Si:H y que pudimos desentrañar el mecanismo de pérdida en las condiciones de trabajo de una celda solar de la más alta calidad, "El físico informa con entusiasmo.

El equipo de Utah / Berlín también pudo demostrar que la corriente oscura canalizada fluctúa estocásticamente con el tiempo. Los resultados indican que existe un bloqueo actual a corto plazo, que es causado por la carga local que está atrapada en los defectos vecinos que cambia el posicionamiento energético de los estados de tunelización (escalones). Esta carga atrapada también puede hacer que el fotovoltaje local en un canal de corriente se eleve por encima de 1 V, que está muy por encima de lo que se podría utilizar con un contacto macroscópico. "En esta transición del mundo nano al macro, encontramos la apasionante física de las heterouniones y la clave sobre cómo mejorar aún más la eficiencia de las células solares de silicio de una manera aún más específica, "dice el Dr. Bernd Stannowski, responsable del desarrollo de células solares industriales de heterounión de silicio en HZB.