Новое исследование проливает свет на проблему дефицита напряжения в селеновых солнечных батареях

Основные выводы исследования

Группа датских и швейцарских исследователей пришла к важным выводам относительно природы дефектов в тонких пленках селеновых (Se) солнечных элементов. Ранее считалось, что основным источником проблем с эффективностью и снижением напряжения холостого хода (VOCVOC) в этих устройствах являются внутренние точечные дефекты. Однако новое исследование показало, что точечные дефекты сами по себе не играют определяющей роли, а причина кроется скорее в границах зерен и распространении дефектов структуры на больших масштабах.

Ключевые моменты исследования:

• Точечные дефекты: Исследователи обнаружили, что традиционные точечные дефекты, такие как вакансии и междоузлия, формируют глубокие уровни дефектов внутри запрещенной зоны, однако структура селена оказывается устойчивой к этим дефектам.
• Устойчивость к дефектам: Эта устойчивость обусловлена уникальной способностью цепей тригонального селена перестраиваться, минимизируя негативное воздействие дефектов.
• Экспериментальные методы: Чтобы подтвердить свои выводы, ученые провели ряд экспериментов, включая использование техники времяпролетной масс-спектрометрии вторичных ионов (TOF-SIMS), позволяющей определить распределение примесей в образце.
• Расчеты на основе теории функционала плотности (DFT): Совместно с коллегами из Гарварда, исследователями проведены расчеты дефектов, показавшие, что точка роста цепи селена способствует формированию стабильных дефектов, менее опасных для рабочих характеристик устройства.
• Примеси: Помимо традиционных дефектов, обнаружены дополнительные примеси, такие как галогены (фтор и хлор), присутствие которых пока недостаточно изучено.

Значение результатов

Исследование подтверждает важную гипотезу о том, что тонкие пленки селена демонстрируют высокую толерантность к внутренним точечным дефектам. Этот факт открывает перспективы дальнейшего развития технологии, основанной на селене, включая создание высокоэффективных тандемных и встроенных фотоэлементов.

Последствия выводов:

• Повышение потенциала разработки селена как абсорбционного материала в фотоэлектрических устройствах.
• Необходимость сосредоточиться на изучении границ зерен и крупных дефектов структуры, которые оказывают большее влияние на эффективность.
• Дальнейшие исследования будут направлены на разработку методик устранения дефектов, улучшение качества поверхности и снижение паразитных эффектов.

Примечания и важные дополнения

В публикации также упоминается другая работа группы ученых, представивших в декабре 2022 года солнечный элемент на основе селена площадью 0,30 см² с рекордным значением напряжения холостого хода — 0,99 В. Спустя несколько месяцев эта же группа создала образец с рекордным коэффициентом заполнения — 63,7%.

Заключение

Исследование подтвердило, что внутренние точечные дефекты в тонких пленках селена не ограничивают потенциал материала в производстве высокоэффективных солнечных элементов. Основными проблемами становятся границы зерен и большие масштабы дефектов, что ставит новую задачу перед учеными — изучить способы управления этими факторами для дальнейшей оптимизации характеристик фотоэлементов.‍2‍

Статья опубликована в журнале Energy & Environmental Science, среди авторов представлены специалисты из Гарвардского университета, Технического университета Дании и Швейцарской федеральной лаборатории материаловедения и технологий (Empa).