Dunnelaag zonnecellen zullen volgens veel experts in de toekomst een groot aandeel hebben in de fotovoltaïsche markt. De cellen van koper-indium-gallium-selenide of –sulfide (CIGSe, CIS) onderscheiden zich in veel opzichten van klassieke zonnecellen. In kristallijne silicium zonnecellen dragen de korrelgrenzen substantieel bij aan het energieverlies. Met CIGSe-absorptie worden echter rendementen gehaald van meer dan 20%, hoewel de polykristallijn dunnelaag materialen een grote dichtheid aan korrelgrenzen heeft.
Waaraan dat ligt is tot nog toe onbekend. Onderzoekers van het Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) konden experimenteel aantonen, hoe de korrelgrenzen binnen een koper-indium-gallium -seleen-dunne laag zonnecel er atomair in werkelijkheid uitzien. Deze inzichten zijn verkregen in samenwerking met Britse collega’s van EPSRC National Facility for Aberration Corrected STEM (SuperSTEM)).
Met hoge resolutie microscopie hebben wetenschappers delen langs de grenzen van de korrels geïdentificeerd, die in vergelijking tot het inwendige een andere chemische samenstelling hebben. Het speciale daaraan is, dat dergelijke gebieden met een veranderde compositie voor een deel maar enkele nanometers breed zijn.
Herschikken
De onderzoekers kunnen de resolutie-informatie over de structuur en samenstelling van korrelgrenzen van CIGSe-materiaal zien, omdat in de atoomlagen direct aan de grens van de korrels atomen gaan herschikken. Koperatomen bijvoorbeeld diffunderen weg en daarvoor nemen de indiumatomen deze plaatsen in het kristal rooster in en omgekeerd. Ook kunnen seleenatomen verdwijnen en worden vervangen door zuurstofatomen, die als verontreiniging uit het glassubstraat diffunderen in de koper-indium-gallium-seleen-laag.
Opbouw van een CIGSe-zonnecel.
Een dergelijke atomaire reconstructie in beide grensgebieden van de korrels is al enige jaren een controversieel discussiepunt. De onderzoekers konden dit voor het eerst met resoluties in het sub-nanometergebied experimenteel vastleggen. Ze willen de nieuwe kennis gebruiken om zinvolle simulaties aan componenten voor zonnecellen uit te voeren.
Het is allemaal nog fundamenteel onderzoek maar het brengt de wetenschap verder om functionele werking van koper-indium-gallium-seleen zonnecellen beter te begrijpen.
