Unerwartete Kristallstruktur erklärt den Mechanismus der Behandlung lang verwendeter Solarzellen und deutet darauf hin, dass weitere Materialentdeckungen auf uns warten
Seit mehr als drei Jahrzehnten wissen Photovoltaikforscher, dass die Zugabe einer einzigen Chemikalie – Cadmiumchlorid – leistungsstärkere Cadmiumtellurid (CdTe)-Solarzellen erzeugt. Aber sie haben nicht genau verstanden, warum – bis jetzt. Die Antwort hat Auswirkungen auf die Materialwissenschaft, die weit über Solarzellen hinausgehen.
Die lichtabsorbierenden Schichten in CdTe-Solarzellen bestehen aus einem dünnen Materialfilm, der etwa 10- bis 100-mal dünner ist als ein menschliches Haar. Viele moderne Geräte, von Solarzellen über katalytische Materialien bis hin zu Fernsehern mit organischen Leuchtdioden, basieren auf Dünnschichtmaterialien. Die Oberflächen, an denen diese dünnen Schichten aufeinandertreffen, sind noch dünner – 100.000 Mal dünner als ein menschliches Haar – und spielen eine entscheidende Rolle für die Funktionen der Geräte. Ein besseres Verständnis von Dünnschichtgrenzflächen könnte die Herstellung vieler verschiedener Materialien verbessern, aber die genaue Struktur von Grenzflächen auf atomarer Ebene ist oft schwer zu untersuchen.
Ein bewährter, aber ungeklärter Boost für Solarzellen
In CdTe-Solarzellen können die durch ein absorbiertes Photon erzeugten elektrischen Ladungen eingefangen werden und an den Grenzflächen zwischen der lichtabsorbierenden Schicht und den Schichten, die diese Ladungen in elektrische Schaltkreise transportieren, verloren gehen. Bereits in den 1980er Jahren erkannten CdTe-Forscher, dass die Behandlung der Grenzflächen in der Solarzelle mit einer kleinen Menge Cadmiumchlorid (CdCl2) den Ladungsverlust an den Grenzflächen verringern und die Leistungsumwandlungseffizienz der Solarzelle verbessern könnte.
Offensichtlich veränderte die Zugabe von CdCl2 die Grenzfläche entscheidend. Aber weitere Experimente konnten die Struktur der Grenzfläche nicht bis auf atomare Ebene auflösen, um zu erklären, warum die CdCl2-Behandlung so effektiv war. Diese Herausforderung gilt nicht nur für CdTe-Solarzellen. Grenzflächen sind bekanntermaßen auf atomarer Ebene schwer zu untersuchen und zu verstehen, insbesondere bei nicht idealen Grenzflächen zwischen Materialien mit unterschiedlichen Kristallstrukturen.
Modellierung bietet neue Einblicke in Schnittstellen
Ein neuer Ansatz eines Teams von Forschern des National Renewable Energy Laboratory (NREL) und Kollegen von der Khalifa University, der Bowling Green State University und First Solar – einem amerikanischen CdTe-Solarhersteller – hat die Details der CdCl2-Grenzflächenbehandlung entlarvt. Durch die Modellierung des Verhaltens einzelner Atome und Elektronen simulierte das Team mögliche Anordnungen für CdCl2-behandelte Grenzflächen.
Um die elektronische Struktur einer CdTe-Solarzelle zu berechnen – und damit ihre Ladungssammlung zu bestimmen – mussten die Forscher zunächst die atomare Anordnung der CdCl2-Grenzfläche bestimmen, was noch nie zuvor für CdTe-Solarzellen durchgeführt worden war. Um dies zu erreichen, implementierte das Team einen Strukturvorhersagealgorithmus für Schnittstellen. Der Algorithmus begann mit einer zufälligen Anordnung von Atomen und erlaubte ihnen dann, sich zu beruhigen, wobei eine Methode namens Dichtefunktionaltheorie zur Berechnung der atomaren Kräfte verwendet wurde. Der Algorithmus nahm wiederholt kleine, aber realistische Änderungen an den Positionen der Atome an der Grenzfläche vor, wodurch das Team die energieärmsten (stabilsten) Strukturen identifizieren konnte.
Die Forscher bestimmten die stabilste Anordnung von Cadmium- und Chloratomen an der Grenzfläche von Zinnoxid (SnO2) und CdTe-Kristallen durch einen Strukturvorhersagealgorithmus. Der Algorithmus erzeugte anfänglich zufällige Anordnungen von Atomen an der Grenzfläche (links), aktualisierte diese Anordnungen dann viele Male und erlaubte ihnen, sich zu ihrer stabilsten Anordnung zu entspannen (rechts). Dies zeigte, dass CdCl2 in der Grenzfläche eine einzigartige Anordnung annimmt, die in größeren Kristallen des Materials nicht zu finden ist. Diese grenzflächenspezifische Atomstruktur erklärt, wie die CdCl2-Behandlung die Leistung von CdTe-Solarzellen verbessert. https://www.nrel.gov/news/program/2023/in-ultrathin-layers-nrel-researchers-find-a-path-to-better-materials.html
„Was uns überraschte, war, dass das an der Grenzfläche gebildete CdCl2 eine andere Struktur annahm als als Schüttgut“, sagt er Stephan LANY, ein NREL-Computermaterialwissenschaftler und Autor des Papiers. „Es bildet eine 2D-Struktur, die zu beiden Seiten der Grenzfläche passt, mit anderen Randbedingungen als bei einer eigenständigen Bildung. Das bedeutet, dass Materialien und Strukturen, die wir nicht kennen oder erwarten, auch für andere Schnittstellen existieren könnten.“
Die Ergebnisse, veröffentlicht in Angewandte Physik Bewertungen, erklären, wie die CdCl2-Behandlung zu leistungsfähigeren CdTe-Solarzellen führt. Durch die reibungslose Verbindung mit der Kristallstruktur auf beiden Seiten der Grenzfläche reduziert CdCl2 die Defekte in der Kristallstruktur, die Ladungen einfangen und die Solarzellenleistung verringern. Ein solches Verständnis sollte weitere Verbesserungen an CdTe-Solarzellen unterstützen.
Neue Erkenntnisse deuten darauf hin, dass weitere Entdeckungen warten
Aber Lany und seine Forscherkollegen sind am meisten von den breiteren Implikationen ihrer Ergebnisse begeistert. Die an der Grenzfläche modellierte CdCl2-Struktur existiert nicht in größeren Volumenkristallen des Materials. Die ultradünne Zwischenschicht lässt eine bisher unbekannte Form des Materials mit einzigartigen Eigenschaften entstehen. Könnte das auch für andere Materialien gelten?
„Am meisten begeistert mich die Erkenntnis, dass Materialien etwas anderes tun, wenn sie als atomar dünne Schichten auf oder zwischen anderen Materialien vorliegen, als wenn sie in der Masse vorliegen“, sagte Lany. „Zum Beispiel könnten dünne Funktionsschichten auf einem Substrat einzigartige zweidimensionale Kristallstrukturen mit anderen Eigenschaften als das Bulk-Material annehmen. Dadurch könnten sie beispielsweise in der Katalyse neue Funktionalitäten erhalten.“
NREL-Forscher planen, weiter zu untersuchen, wie sich Materialien an Grenzflächen verhalten. Die potenziellen Anwendungen erstrecken sich über die Photovoltaik hinaus auf katalytische Materialien, Mikroelektronik, Elektrochemie (wie die Wasserspaltung, die häufig zur Herstellung von Wasserstoff verwendet wird) und Detektormaterialien.
„Da Halbleiterbauelemente zunehmend auf die Integration verschiedener Materialien über Grenzflächen hinweg angewiesen sind, wird uns diese verbesserte Fähigkeit, ihre Strukturen zu modellieren und abzustimmen, ermöglichen, sie bewusster für eine bessere Leistung zu entwerfen“, sagte er Kirstin AlberiDirektor der Materialwissenschaftliches Zentrum bei NREL. „Solche Erkenntnisse könnten Türen öffnen, um eine breitere Palette von Materialien zu verwenden, als bisher für praktikabel gehalten wurde.“
Die Forschung wurde vom Büro für Solarenergietechnologien des US-Energieministeriums finanziert.
Lesen Sie das vollständige Papier unter Angewandte Physik Review.
Erfahren Sie mehr über die Grenzflächen- und Oberflächenwissenschaften von NREL
Ursprünglich herausgegeben von Nationales Labor für erneuerbare Energien (NREL).
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