p (Phys.org) - Pela primeira vez, uma equipe de pesquisadores do HZB liderada pelo Dr. Roland Mainz e Dr. Christian Kaufmann conseguiu observar o crescimento de células solares de filme fino de calcopirita de alta eficiência em tempo real e estudar a formação e degradação de defeitos que comprometem a eficiência. p Para este fim, os cientistas montaram uma nova câmara de medição no anel de armazenamento de elétrons de Berlim BESSY II, o que lhes permite combinar vários tipos diferentes de técnicas de medição. Seus resultados mostram em quais etapas do processo o crescimento pode ser acelerado e quando é necessário mais tempo para reduzir os defeitos. Seu trabalho já foi publicado online em Materiais de energia avançados .

p As células de filme fino de calcopirita de hoje baseadas em seleneto de cobre, índio e gálio já estão atingindo eficiências de mais de 20 por cento. Para a fabricação de camadas policristalinas extremamente finas, o processo de coevaporação levou aos melhores resultados até agora:Durante a coevaporação, dois elementos separados são evaporados simultaneamente, primeiro índio (ou gálio) e selênio, então cobre e selênio, e, finalmente, índio (ou gálio) e selênio novamente. Por aqui, uma fina película de cristais se forma, que apresentam apenas um pequeno número de defeitos. "Até recentemente, não entendemos totalmente o que exatamente acontece durante este processo de coevaporação, "diz o Dr. Roland Mainz do Instituto de Tecnologia do HZB. A equipe de físicos trabalhou por três anos usando medições no local e em tempo real para encontrar uma resposta para essa pergunta.

p Nova câmara experimental construída

p Para essas medições, eles construíram um novo tipo de câmara experimental, que permite uma análise da formação do filme de calcopirita policristalina durante a coevaporação quando exposto à luz síncrotron em BESSY II. Além das fontes de evaporação dos elementos, esta câmara de vácuo contém elementos de aquecimento e resfriamento para controlar o processo evaporativo. De acordo com Mainz, “um dos principais desafios foi ajustar a câmara, que pesa cerca de 250 quilos, com uma precisão de 10 micrômetros. "Por causa da expansão térmica durante a evaporação, a altura deve ser reajustada automaticamente a cada poucos segundos.

p Combinação de difração de raios-x e análise de fluorescência

p Com esta configuração, pela primeira vez em todo o mundo, eles puderam observar o crescimento do filme policristalino usando difração de raios-X in situ e análise de fluorescência durante a coevaporação em tempo real. "Agora podemos ver como as fases cristalinas se formam e se transformam e quando os defeitos se formam durante os diferentes estágios de evaporação." Mas também podemos dizer quando esses defeitos desaparecem novamente. "Isso ocorre no segundo estágio do processo, quando o cobre e o selênio são evaporados. Excesso de cobre, cujos depósitos na superfície na forma de seleneto de cobre ajudam a remover os defeitos. "Isso já era conhecido antes por experiências anteriores. Mas agora, usando sinais de fluorescência e cálculos de modelo numérico, somos capazes de mostrar como o seleneto de cobre penetra na camada de seleneto de cobre e índio, "Mainz explica. Aqui as diferenças nítidas entre as camadas de seleneto de cobre e índio e seleneto de cobre e gálio tornaram-se aparentes:embora o cobre seja capaz de penetrar na camada de cobre-índio-seleneto, no caso do seleneto de cobre-gálio, que de outra forma é muito semelhante, ele permanece na superfície. Esta pode ser uma possível razão para que o uso de seleneto de cobre e gálio puro não produza células solares de alta eficiência.

p Etapas concretas para otimização

p "Agora sabemos que para uma maior otimização do processo é importante se concentrar no ponto de transição para a fase rica em cobre. Até agora, o processo era executado muito lentamente em todas as etapas para dar aos defeitos tempo suficiente para desaparecerem. Nossos resultados sugerem que o processo pode ser acelerado em alguns estágios e que é suficiente desacelerá-lo apenas nos pontos onde os defeitos são eliminados de forma eficiente, "explica Mainz. Mainz já está ansioso para o futuro projeto EMIL, que atualmente está sendo instalado em BESSY II. Aqui, ferramentas ainda mais poderosas estarão disponíveis para o estudo de processos complexos durante o crescimento de novos tipos de células solares in situ e em tempo real.