A eficiência das células solares pode ser aumentada por contatos de película fina desenvolvidos por pesquisadores da KAUST.

Melhorar o desempenho das células solares exige o exame minucioso de todos os aspectos de seu design. Primeiro, isso significa melhorar a qualidade cristalina do material absorvente para maximizar a conversão de fótons em elétrons carregados negativamente e buracos carregados positivamente. Próximo, a arquitetura do dispositivo deve ser otimizada para garantir que esses portadores de carga possam se mover com eficiência pelo material. Finalmente, os contatos elétricos que extraem os portadores do dispositivo e em um circuito externo precisam ser aperfeiçoados.

Xinbo Yang e seus colegas do KAUST Solar Center e do KAUST Core Lab, junto com colegas de trabalho da Australian National University, concentre-se nesta terceira etapa desenvolvendo contatos de filme fino de nitreto de tântalo seletivos para elétrons para células solares de silício.

A interface entre um contato de silício e metal pode criar uma barreira de alta resistência que interrompe o fluxo de corrente. Adicionalmente, os estados eletrônicos induzidos por metal na superfície do silício permitem que o portador de carga se recombine, o que reduz a eficiência de conversão. Tradicionalmente, processos de alto custo, como difusão e deposição de vapor químico de camadas adicionais foram adotados para reduzir a resistência de contato e recombinação de portadores.

Yang e a equipe combatem esses problemas colocando nitreto de tântalo no silício usando um método conhecido como deposição de camada atômica:eles fazem isso expondo a superfície a um gás, fazendo com que um filme fino de alta qualidade se acumule um átomo de cada vez.

"Contatos seletivos de elétrons de tântalo-nitreto podem reduzir simultaneamente a recombinação do portador de carga e a resistência de contato, "explica Yang." Isso pode simplificar a complexidade da fabricação do dispositivo e reduzir o custo de produção. "

Ao investigar experimentalmente as propriedades elétricas da interface nitreto de tântalo-silício, os pesquisadores mostraram que a camada intermediária de nitreto de tântalo foi capaz de reduzir a resistência de contato ao fluxo de elétrons do silício e dos contatos metálicos de prata ou alumínio. Mas, simultaneamente bloqueou o fluxo de buracos, reduzindo a recombinação do portador.

A equipe criou uma célula solar de silício que usava um contato de tântalo-nitreto-metal com seleção de elétrons. Eles mostraram que isso melhorou a eficiência de conversão de energia - a relação entre a saída de energia elétrica e a entrada de energia óptica - em mais de 20 por cento em relação a um dispositivo de controle construído sem nitreto de tântalo. Eles também descobriram que isso simplificou a sequência de fabricação do dispositivo, e custo, eliminando processos de dopagem e abertura de contato.

"Também estamos investigando o potencial de aplicação de camadas de transporte de elétrons de nitreto de tântalo para células solares orgânicas e de perovskita, "explica o cientista e investigador principal da KAUST, Stefaan De Wolf.