As células solares de próxima geração feitas de filmes superfinos de material semicondutor são promissoras porque são relativamente baratas e flexíveis o suficiente para serem aplicadas em qualquer lugar.

Os pesquisadores estão trabalhando para aumentar drasticamente a eficiência com que as células solares de película fina convertem a luz do sol em eletricidade. Mas é um desafio difícil, em parte porque o reino subterrâneo de uma célula solar - onde acontece grande parte da ação de conversão de energia - é inacessível em tempo real, imagens não destrutivas. É difícil melhorar processos que você não consegue ver.

Agora, cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) desenvolveram uma maneira de usar microscopia óptica para mapear células solares de película fina em 3-D à medida que absorvem fótons.

O método, relatado em 15 de novembro no jornal Materiais avançados , foi desenvolvido na Molecular Foundry, uma instalação de usuário do DOE Office of Science localizada no Berkeley Lab. Ele imagina a dinâmica optoeletrônica em materiais na escala de mícron, ou muito mais fino que o diâmetro de um fio de cabelo humano. Isso é pequeno o suficiente para ver os limites de grãos individuais, interfaces de substrato, e outros obstáculos internos que podem prender elétrons excitados e impedi-los de alcançar um eletrodo, que mina a eficiência de uma célula solar.

Até aqui, os cientistas usaram a técnica para entender melhor por que adicionar um produto químico específico às células solares feitas de telureto de cádmio (CdTe) - o material de película fina mais comum - melhora o desempenho das células solares.

“Para obter grandes ganhos em eficiência fotovoltaica, precisamos ver o que está acontecendo ao longo de um material fotovoltaico em funcionamento na escala de mícron, tanto na superfície quanto abaixo, e nossa nova abordagem nos permite fazer isso, "diz Edward Barnard, um dos principais associados de engenharia científica da Molecular Foundry. Ele liderou o esforço com James Schuck, o diretor da instalação de Imagem e Manipulação de Nanoestruturas da Fundição Molecular.

O método de imagem nasceu de uma colaboração entre cientistas da Molecular Foundry e usuários da Foundry da PLANT PV Inc., uma Alameda, Empresa com sede na Califórnia. Ao fabricar novos materiais de células solares na Fundição Molecular, a equipe descobriu que as técnicas ópticas padrão não conseguiam visualizar o funcionamento interno dos materiais, então eles desenvolveram a nova técnica para obter essa visão. Próximo, cientistas do Laboratório Nacional de Energia Renovável foram até a Fundição Molecular e usaram o novo método para estudar células solares CdTe.

Para desenvolver a abordagem, os cientistas modificaram uma técnica chamada microscopia de dois fótons (que é usada por biólogos para ver dentro de amostras espessas, como tecido vivo) para que possa ser aplicada a materiais semicondutores a granel.

O método usa um feixe de laser altamente focalizado de fótons infravermelhos que penetram no interior do material fotovoltaico. Quando dois fótons de baixa energia convergem no mesmo ponto, há energia suficiente para excitar elétrons. Esses elétrons podem ser rastreados para ver quanto tempo eles duram em seu estado excitado, com elétrons de longa vida aparecendo como pontos brilhantes em imagens microscópicas. Em uma célula solar, elétrons de longa vida têm maior probabilidade de atingir um eletrodo.

Além disso, o feixe de laser pode ser reposicionado sistematicamente ao longo de uma célula solar de tamanho de teste, criando um mapa 3-D de toda a dinâmica optoeletrônica de uma célula solar.

O método já lançou luz sobre os benefícios do tratamento de células solares de CdTe com cloreto de cádmio, que geralmente é adicionado durante o processo de fabricação.

Os cientistas sabem que o cloreto de cádmio melhora a eficiência das células solares CdTe, mas seu efeito sobre os elétrons excitados na escala de mícron não é bem compreendido. Estudos têm mostrado que os íons de cloro tendem a se acumular nos limites dos grãos, mas como isso muda o tempo de vida dos elétrons excitados não está claro.

Graças à nova técnica de imagem, os pesquisadores descobriram que o tratamento com cloreto de cádmio aumenta a vida útil dos elétrons excitados nas fronteiras dos grãos, bem como dentro dos próprios grãos. Isso é facilmente visto em imagens 3-D de células solares CdTe com e sem o tratamento. A célula solar tratada "acende" muito mais uniformemente em todo o material, tanto nos grãos quanto nos espaços intermediários.

"Os cientistas sabem que a passivação do cloreto de cádmio melhora a vida útil dos elétrons nas células CdTe, mas agora mapeamos na escala de mícron onde ocorre essa melhoria, "diz Barnard.

A nova técnica de imagem pode ajudar os cientistas a tomar decisões mais informadas sobre como melhorar uma série de materiais de células solares de película fina, além de CdTe, como perovskita e compostos orgânicos.

"Os pesquisadores que tentam impulsionar a eficiência fotovoltaica podem usar nossa técnica para ver se suas estratégias estão funcionando em microescala, que os ajudará a projetar células solares em escala de teste melhor - e, eventualmente, células solares em tamanho real para telhados e outras aplicações do mundo real, " ele diz.