В новом исследовании физики использовали метод, известный как кросс-корреляционная шумовая спектроскопия, для измерения мельчайших флуктуаций электрического тока, протекающего между материалами внутри кремниевых солнечных элементов. Исследователи определили важные электрические шумовые сигналы, которые полностью невидимы для обычных методов измерения шума. Они также смогли точно определить вероятные физические процессы, вызывающие шум, который часто приводит к потере энергии и снижению эффективности.
"Измерение шума на объекте относительно просто.
Вы можете просто купить устройства, которые это делают. Но проблема, которая беспокоит нас, заключается в том, что эти устройства также имеют шум ", – сказал Кевин Дэвенпорт, младший преподаватель физики в Университете штата Калифорния и ведущий автор статьи. «Этот метод взаимной корреляции позволяет нам не только измерять шум устройства, но также измерять шум нашего детектора и удалять его, чтобы мы могли видеть намного, намного меньшие шумовые сигналы."
Методика, опубликованная 24 июня в журнале Scientific Reports, является важным новым инструментом для улучшения взаимодействия материалов с солнечными элементами или для анализа неэффективности других сложных устройств.
"Удивительно, насколько важны крошечные улучшения эффективности для промышленности. Всего лишь доля процента улучшения превращается в миллиарды долларов из-за масштабов производства », – сказал соавтор Клаус Липс, профессор физики Freie Universitat Berlin и руководитель отдела в Helmholtz-Zentrum Berlin, где были спроектированы солнечные элементы и сфабрикованный.
«Раньше мы использовали метод кросс-корреляции для изучения довольно простых светодиодов исследовательского уровня, но преимущества этого метода действительно раскрылись в этой работе», – сказал Андрей Рогачев, профессор физики Университета и соавтор исследования. "И это выходит за рамки солнечной энергетики. В любом устройстве с большим количеством слоев каждый интерфейс между материалами может каким-то образом снизить эффективность. Это настолько сложно, что вы должны быть очень осторожными, чтобы сказать, что происходит, и, что более важно, где именно происходит шум.
Оказывается, эта техника позволяет нам делать именно это."
Как это часто бывает в современных исследованиях, одного метода было недостаточно для понимания сложных устройств. Интерпретации даты шума в значительной степени помогли моделирование солнечных элементов, проведенное C.Т. Трин, научный сотрудник Helmholtz-Zentrum Berlin и соавтор исследования.
Последний соавтор – Марк Хейворд, в то время учившийся на бакалавриате в университете, а теперь аспирант Калифорнийского университета в Ирвине.
Анализ шума
В ходе исследования были проанализированы кремниевые солнечные элементы с гетеропереходом (HSC), высокопроизводительный тип солнечных элементов из одного материала, который в настоящее время является наиболее эффективным в своем роде на рынке – 26.7% света, попадающего в клетку, преобразуется в электричество.
Напротив, элементы, из которых состоят солнечные панели в жилом доме, имеют КПД от 15% до 20%.
В HSC генерация электричества начинается, когда отдельные частицы света, называемые фотонами, поглощаются фотоактивным слоем из кристаллического кремния и создают пары отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных дырок, которые являются зарядами, вызванными отсутствующими электронами. Затем электроны и дырки притягиваются в противоположных направлениях электрическим полем, создаваемым двумя селективными контактами из гидрогенизированного аморфного кремния, модифицированного примесями.
Этот процесс производит ток, который мы используем как электричество. Проблема в том, что селективный электрод и фотоактивный кремний несовместимы друг с другом, создавая дефекты, которые захватывают электроны. Чтобы устранить эти дефекты в солнечных элементах исследовательского уровня, подобных исследованным, ученые помещают между ними ультратонкий слой чистого аморфного кремния. Наконец, все эти пять слоев зажаты между двумя слоями прозрачного проводящего материала, известного как ITO, и золотыми электродами.
Эффективность HSC зависит от того, насколько хорошо разные слои связаны друг с другом. Небольшое несоответствие между двумя слоями может затруднить попадание электронов туда, куда им нужно, – проблема, которая приведет к возникновению шумового сигнала.
"Эта проблема как бы скрыта внутри этих интерфейсов, и очень сложно обнаружить какой-либо сигнал.
Но используемый нами шумовой метод очень чувствителен к действительно очень маленьким индивидуальным сигналам ", – сказал Давенпорт. – Это похоже на прослушивание ноты, сыгранной разными инструментами, – продолжил он. До-нота на скрипке такая же, как до-нота на виолончели, но звучит иначе. Если вы проанализируете эту ноту, вы можете извлечь информацию, чтобы узнать что-нибудь об инструменте, который ее создал, например о длине или материале струн.
"Мы делаем что-то подобное. Мы видим этот широкий спектр различных шумовых сигналов и разные положения по оси частот. Мы можем сказать: «Хорошо, эту часть заметки, которую мы видим, мы можем приписать этому физическому процессу, и эта часть является другим физическим процессом», – сказал Давенпорт. "Но устройство наполнено этими процессами, которые генерируют шум, и их действительно сложно распутать – например, вытащить один голос в припеве из 200 человек. Этот метод позволяет нам удалить большую часть нежелательной части сигнала."
Отображение неэффективности
Кремниевые HSC великолепны сами по себе, но у них все еще есть ограничения.
Новая методика исследовательской группы определила ключевые области устройства, в которых определенные физические процессы производят электрические сигналы. В будущем небольшие изменения на этих этапах могут повысить эффективность этих элементов и солнечных элементов будущего.
Просеяв электрическую какофонию, чтобы обнаружить соответствующие сигналы, физики провели моделирование, чтобы точно определить, какие физические процессы происходили в месте нахождения сигнала.
Следующее поколение солнечных элементов известно как тандемные элементы, которые представляют собой стопки различных фотоэлектрических материалов, каждый из которых чувствителен к разным частям солнечного света, что дает такому устройству возможность генерировать больше энергии. Одним из предлагаемых слоев устройства является перовскитовый материал для горячего тикета.
«Вместе новый солнечный элемент может самостоятельно преодолеть предел кремниевых устройств, КПД которого превышает 30%», – сказал Липс.
На этом пределе эффективности малые потери имеют значение. Одна такая потеря была замечена учеными-материаловедами; осаждение прозрачного ITO каким-то образом модифицирует нижележащие слои кремния, создавая дефекты, снижающие эффективность устройства. Один из основных сигналов электрического шума, который исследователи определили в этом исследовании, был на этом интерфейсе, где заряды захватываются и высвобождаются.
Другой важный сигнал возник, когда отверстия прошли через аналогичный барьер на задней стороне устройства.
«Способность обнаруживать эти сигналы означает, что мы можем понять их источники и смягчить их», – сказал Давенпорт.
Исследование Университета Юты было поддержано NSF, а исследование Helmholtz-Zentrum – DFG.