Датские исследователи проанализировали фундаментальные свойства селеновых солнечных батарей и обнаружили, что их потенциал выше, чем принято считать. Они использовали фотоэффект Холла с разрешением по носителям заряда, чтобы устранить расхождения и воспроизвести экспериментальные измерения зависимости силы тока от напряжения и внешней квантовой эффективности.
Группа учёных из Датского технического университета провела серию симуляций, чтобы понять оптоэлектронные свойства и динамику носителей заряда селеновых солнечных батарей, и обнаружила, что подвижность носителей заряда в селене значительно выше, чем принято считать.
«На этот раз мы сделали ещё один шаг вперёд, пытаясь объяснить, в чём заключаются фотоэлектрические потери и внутренние ограничения, — рассказал журналу PV ведущий автор исследования Расмус Нильсен. — Для этого мы использовали недавно разработанный фотоэлектрический анализ с разрешением по носителям заряда, чтобы понять, как меняется подвижность носителей заряда, время жизни и плотность дырок и носителей заряда, когда мы направляем свет на поглотитель элемента».
Исследовательская группа использовала этот новый метод в сочетании с широким спектром различных передовых методов характеризации с одной главной целью: воспроизвести экспериментальные измерения плотности тока (JV) и внешней квантовой эффективности (EQE) с помощью моделирования устройств.
«Но для того, чтобы это было успешным, нам нужно достоверно получить информацию об обоих носителях заряда, — заявил Нильсен. «В конце концов, нам это удалось, и результаты показали, что подвижность носителей заряда в селене значительно выше, чем предполагалось ранее, что говорит о том, что внутренние оптоэлектронные свойства действительно намного лучше, чем предполагалось в предыдущих исследованиях. Это повышает потенциал фотоэлектрических свойств этого простого поглощающего материала, который действительно сложно полностью понять».
В исследовании «Фотоэлектрические измерения высокопроизводительных тонкоплёночных солнечных элементов из селена с переменными температурой и концентрацией носителей заряда», которое было недавно опубликовано в APS, Нильсен и его коллеги объяснили, что метод фотоэлектрических измерений с разделением по носителям заряда позволяет одновременно определять подвижность и концентрацию как основных, так и неосновных носителей заряда, что особенно полезно для оптимизации новых материалов для солнечных элементов или оптоэлектронных устройств.
Для своего эксперимента исследовательская группа использовала стержень Холла с шестью выводами с активной площадью 2 мм × 4 мм и толщиной пленки 0,30 мкмм. Планка была задумана таким образом, чтобы свести к минимуму влияние перепадов напряжения и повысить точность измерений напряжения Холла. “Стержень selenium Hall был изготовлен на подложках из плавленого кварца с использованием собственного технологического процесса, оптимизированного для высокопроизводительных селеновых тонкопленочных солнечных элементов”, - поясняется далее. “Полученная тонкая пленка поликристаллического селена содержит крупные кристаллические зерна”.
Анализ показал, что на свойства носителей заряда могут влиять сильные поверхностные эффекты локализации, а время рекомбинации «кажется» большим. Эти результаты были подтверждены серией симуляций, проведённых с использованием стандартных методов электрофизической характеристики тонкоплёночного солнечного элемента на основе селена, который учёные создали параллельно с пластиной Холла.
«Наше моделирование показывает, что эффективное время жизни носителей заряда, необходимое для работы фотоэлектрических элементов, находится в диапазоне пикосекунд, а не в диапазоне наносекунд, как сообщалось ранее, а подвижность основных носителей заряда значительно выше, чем оценки, полученные с помощью переходной терагерцовой спектроскопии, — подчеркнули они. — Мы объясняем это несоответствие задержкой в 0,5 нс между накачкой и зондированием в терагерцовом эксперименте, который, следовательно, измеряет суммарную подвижность уже локализованных носителей заряда с коротким временем жизни».
Они добавили, что это открытие указывает на высокий внутренний потенциал фотоэлектрических свойств селеновых фотопоглотителей, и что для уменьшения потерь из-за безызлучательной рекомбинации и повышения эффективности селеновых солнечных батарей потребуется устранение дефектов.
Та же исследовательская группа в декабре 2022 года представила селеновый солнечный элемент площадью 0.30 см2 с мировым рекордным напряжением холостого хода 0,99 В. Несколько месяцев спустя она продемонстрировала селеновый солнечный элемент, изготовленный с помощью лазерного отжига с рекордным коэффициентом заполнения 63,7%