Les scientifiques du HZB ont construit un nouveau type de chambre expérimentale, qui permet l'analyse de la formation de films de chalcopyrite polycristalline lors de la coévaporation lorsqu'elle est exposée à la lumière synchrotron à BESSY I. Crédit :Figure :R. Mainz/HZB
(Phys.org) —Pour la première fois, une équipe de chercheurs du HZB dirigée par le Dr Roland Mainz et le Dr Christian Kaufmann a réussi à observer la croissance de cellules solaires à couche mince de chalcopyrite à haute efficacité en temps réel et à étudier la formation et la dégradation de défauts qui compromettent l'efficacité.
À cette fin, les scientifiques ont installé une nouvelle chambre de mesure à l'anneau de stockage d'électrons de Berlin BESSY II, ce qui leur permet de combiner plusieurs types de techniques de mesure. Leurs résultats montrent à quelles étapes du processus la croissance peut être accélérée et quand un temps supplémentaire est nécessaire pour réduire les défauts. Leurs travaux sont désormais publiés en ligne dans Matériaux énergétiques avancés .
Les cellules à couche mince de chalcopyrite d'aujourd'hui à base de séléniure de cuivre, d'indium et de gallium atteignent déjà des rendements de plus de 20 %. Pour la fabrication des couches polycristallines extrêmement minces, le processus de co-évaporation a conduit aux meilleurs résultats jusqu'à présent :Pendant la co-évaporation, deux éléments distincts sont évaporés simultanément, d'abord l'indium (ou gallium) et le sélénium, puis cuivre et sélénium, et, finalement, l'indium (ou le gallium) et le sélénium à nouveau. Par ici, une fine pellicule de cristaux se forme, qui ne présentent qu'un petit nombre de défauts. "Jusque récemment, nous n'avons pas bien compris ce qui se passe exactement pendant ce processus de co-évaporation, ", explique le Dr Roland Mainz de l'Institut de technologie du HZB. L'équipe de physiciens a travaillé pendant trois ans en utilisant des mesures sur site et en temps réel pour trouver une réponse à cette question.
Il s'agit d'une croissance de film polycristallin pendant la co-évaporation en temps réel en utilisant la diffraction des rayons X et l'analyse de fluorescence in situ. Crédit :Figure :R. Mainz/C.Kaufmann/HZB
Nouvelle chambre expérimentale construite
Pour ces mesures, ils ont construit un nouveau type de chambre expérimentale, qui permet une analyse de la formation d'un film de chalcopyrite polycristalline pendant la coévaporation lorsqu'elle est exposée à la lumière synchrotron à BESSY II. En plus des sources d'évaporation des éléments, cette chambre à vide contient des éléments de chauffage et de refroidissement pour contrôler le processus d'évaporation. Selon Mayence, "l'un des principaux défis était d'ajuster la chambre, qui pèse environ 250 kilogrammes, avec une précision de 10 micromètres." En raison de la dilatation thermique lors de l'évaporation, la hauteur doit être automatiquement réajustée toutes les quelques secondes.
Combinaison de la diffraction des rayons X et de l'analyse de fluorescence
Avec cette configuration, pour la première fois au monde, ils ont pu observer la croissance d'un film polycristallin en utilisant la diffraction des rayons X in situ et l'analyse de fluorescence pendant la coévaporation en temps réel. "Nous sommes maintenant en mesure de voir comment les phases cristallines se forment et se transforment et quand les défauts se forment au cours des différentes étapes d'évaporation. Mais nous sommes également capables de dire quand ces défauts disparaissent à nouveau." Cela a lieu dans la deuxième étape du processus, lorsque le cuivre et le sélénium sont évaporés. excès de cuivre, qui se dépose en surface sous forme de séléniure de cuivre aide à éliminer les défauts. « Cela était déjà connu des expériences précédentes. Mais maintenant, en utilisant des signaux de fluorescence et des calculs de modèles numériques, nous sommes en mesure de montrer comment le séléniure de cuivre pénètre dans la couche de séléniure de cuivre et d'indium, ", explique Mayence. Ici, des différences nettes entre les couches de séléniure de cuivre-indium et de séléniure de cuivre et de gallium sont devenues apparentes :alors que le cuivre est capable de pénétrer la couche de cuivre-indium-séléniure, dans le cas du cuivre-gallium-séléniure, qui est par ailleurs assez similaire, il reste à la surface. Cela pourrait être l'une des raisons possibles pour lesquelles l'utilisation de séléniure de gallium et de cuivre pur ne produit pas de cellules solaires à haut rendement.
Des mesures concrètes pour l'optimisation
« Nous savons maintenant que pour optimiser davantage le processus, il est important de se concentrer sur le point de transition vers la phase riche en cuivre. Jusqu'à présent, le processus était exécuté très lentement à toutes les étapes pour donner aux défauts suffisamment de temps pour disparaître. Nos résultats suggèrent que le processus peut être accéléré à certaines étapes et qu'il suffit de le ralentir uniquement aux points où les défauts sont efficacement éliminés, " explique Mayence. Mayence attend déjà avec impatience le futur projet EMIL, qui est en cours d'installation à BESSY II. Ici, des outils encore plus puissants deviendront disponibles pour l'étude de processus complexes lors de la croissance de nouveaux types de cellules solaires in situ et en temps réel.
