Как повысить эффективность солнечных элементов?

Работая с металлическими электродами, помещенными в раствор электролита, французский физик Александр-Эдмон Беккерель в далеком 1839 году открыл фотоэлектрический эффект, когда обнаружил возникновение слабых электрических токов при воздействии света на электроды, имеющие покрытие из хлорида или бромида серебра и находящиеся в растворе электролита. В течение следующего столетия ученые продолжали эксперименты с электрохимическими материалами, реагирующими на свет, что в конечном счете позволило разработать солнечные элементы, которые сегодня обещают помочь устранить зависимость человека от ископаемых, таких как нефть и газ.

Высокоэффективные солнечные элементы

Чтобы повысить эффективность солнечных элементов, важно хорошо понимать электрические свойства материалов, из которых они выполнены. Фундаментальным свойством химических элементов является ширина запрещенной зоны, которая представляет собой минимальную энергию, необходимую электронам во внешней оболочке атома, чтобы покинуть атом. Ширина запрещенной зоны металлов и других проводников, таких как медь, стремится к нулю. Изоляторы имеют очень большую ширину запрещенной зоны. Промежуточным случаем являются полупроводники со средней шириной запрещенной зоны, измеряемыми в электрон-вольтах (эВ), где 1 эВ - это количество кинетической энергии, получаемой одним электроном, ускоряющимся от состояния покоя. Например, кремний имеет ширину запрещенной зоны 1,1 эВ.

Солнечные элементы на основе кремния, широко используемые на протяжении последних десятилетий, имеют ряд недостатков. По сравнению с более новыми технологиями, кристаллический кремний подходящего для солнечной энергетики качества является тяжелым и негибким материалом. Было разработано несколько новых форм кремния, но ни один из этих материалов не может улучшить параметры запрещенной зоны кремния.

Тонкопленочные солнечные элементы

Второе поколение солнечных элементов - это тонкопленочные элементы, состоящие из очень тонких слоев поглощающего фотоны материала, нанесенных на гибкую подложку. Слои имеют толщину от нескольких единиц до десятков нанометров и состоят из материалов с высокими значениями ширины запрещенной зоны. Такие солнечные элементы могут включать в себя металлические контакты, такие как оксид цинка и молибден, окружающие более мягкий материал, например, пленку селенида меди-индия-галлия (CIGS) и сульфид кадмия (CdS). Для таких структур необходимы технологии исследования тонких пленок, которые позволяют разделять и анализировать параметры и характеристики отдельных слоев таких структур.

В стремлении повысить эффективность тонкопленочных солнечных элементов второго поколения исследователи все чаще обращаются к методам рентгеновской и ультрафиолетовой фотоэлектронной спектроскопии (XPS, UPS).

Сегодня ученые, работая над повышением КПД тонкопленочных солнечных элементов, все чаще обращаются к следующим методам:

• Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС, XPS - X-ray photoelectron spectroscopy) обладает высокой чувствительностью к атомному составу поверхностей, позволяя проанализировать элементный и химический состав материалов, например, информацию о химических связях, которая помогает описать электрохимические свойства солнечных элементов. Получая информацию о фотоэлектронах с максимально возможной в условиях эксперимента кинетической энергией, мы сможем исследовать валентные электроны, которые определяют электрические свойства материала солнечного элемента. Помимо анализа исходной поверхности солнечных элементов, РФЭ-спектрометры Thermo Scientific (Escalab Xi+, Nexsa, K-Alpha) позволяют проводить ионное травление материалов, удаляя материалы с поверхности изделия слой за слоем, но при этом не нарушая их химических и электрических свойств.
• Ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия (УФЭС, UPS - Ultraviolet photoelectron spectroscopy) позволяет отслеживать ширину запрещенной зоны в зависимости от количества легирующей примеси, присутствующей в материале, а при определении разницы между максимальной и минимальной кинетической энергией образца - определить минимальную энергию, необходимую для выхода электрона из твердого тела в точку, находящуюся непосредственно за пределами поверхности твердого тела (работу выхода материала).

По мере того как исследователи будут изучать все более современные материалы для повышения эффективности, стоимости и безопасности солнечных элементов, РФЭС и УФЭС станут ведущими аналитическими методами в исследованиях и разработках солнечных элементов.

Чтобы узнать больше о солнечных элементах и аналитических возможностях оборудования Thermo Scientific, посмотрите веб-семинар производителя «Анализ материалов тонкопленочных солнечных элементов» (на английском языке).