Courant induit par faisceau d'électrons (rouge) superposé à une micrographie électronique à balayage (gris). Un contraste brillant au voisinage des joints de grains indique que ces régions ont une efficacité de collecte de porteurs plus élevée que les intérieurs de grains. L'utilisation du courant induit par faisceau d'électrons pour visualiser le comportement des cellules photovoltaïques à ces échelles de longueur fournit un outil précieux pour comprendre à la fois les mécanismes de perte dans les matériaux photovoltaïques ainsi que les structures internes de ces matériaux qui peuvent conduire à une efficacité globale des cellules plus élevée.
(Phys.org) — Des chercheurs du NIST Center for Nanoscale Science and Technology (CNST) ont démontré une nouvelle technique de faisceau d'électrons à basse énergie et l'ont utilisée pour sonder les propriétés électroniques à l'échelle nanométrique des joints de grains et de l'intérieur des grains dans le tellurure de cadmium (CdTe) solaire cellules. Leurs résultats suggèrent que le contrôle des propriétés des matériaux près des joints de grains pourrait fournir une voie pour augmenter l'efficacité de ces cellules solaires.
Parmi les cellules solaires photovoltaïques en couches minces, ceux fabriqués à partir de tellurure de cadmium sont parmi les plus réussis sur le marché. Cependant, le rendement des cellules commerciales est encore inférieur à la moitié du maximum théorique, et les mécanismes sous-jacents de la déficience ne sont pas bien compris. On pense que les cellules CdTe perdent du courant au niveau de leurs joints de grains matériels ; cependant, il a également été suggéré que ces joints de grains ont des propriétés qui pourraient en fait améliorer la collecte des porteurs si elles étaient mieux comprises.
Les techniques de caractérisation utilisant des faisceaux d'électrons focalisés pour induire des courants sont de plus en plus utilisées pour étudier les propriétés des cellules solaires à couche mince. Les mesures sont plus faciles à l'aide d'électrons de haute énergie, mais l'énergie plus élevée réduit la résolution spatiale. Les chercheurs ont étendu les mesures traditionnelles de courant induit par faisceau d'électrons en utilisant des faisceaux de faible énergie pour exciter localement le CdTe et créer du courant. Ces faisceaux ont une résolution spatiale d'environ 20 nm, assez petit pour cartographier la réponse photocourante à l'intérieur des grains ou aux joints de grains.
Les mesures ont été effectuées sur des fragments extraits d'une cellule solaire à couche mince commerciale. Des contacts électriques à l'échelle nanométrique ont été préparés avec des tailles comparables à un seul ou à quelques grains, confiner le chemin actuel aux tailles pertinentes pour comprendre la production et les pertes actuelles.
Les mesures montrent qu'une grande partie des joints de grains présentent une collecte de courant plus élevée que les intérieurs de grains, apparemment améliorant les performances de l'appareil. Cependant, à l'aide de simulations par éléments finis 2D, les chercheurs ont démontré que ces joints de grains créent également une large voie pour le courant de fuite, ce qui annule complètement les gains d'efficacité de la collection photocourante améliorée.
Les chercheurs pensent que leur technique fournit un outil précieux pour visualiser le comportement des cellules photovoltaïques aux échelles de longueur nécessaires pour comprendre à la fois les mécanismes de perte dans les matériaux photovoltaïques ainsi que les structures internes de ces matériaux qui peuvent conduire à une efficacité globale des cellules plus élevée.
