Команда под руководством Джонатана Поплавски из Центра науки о нанофазных материалах использовала передовые методы микроскопии для обнаружения различий в эффективности кристаллических структур различных смесей кадмия, теллура и селена. Фактически, селен является неотъемлемой частью рецептуры, которая привела к мировому рекорду эффективности солнечных элементов.
Статья команды опубликована в Nature Communications.В то время как некоторые современные солнечные элементы используют смесь кадмия и теллура для преобразования света в электричество, добавление оптимального количества селена в нужных местах может помочь повысить эффективность с нынешней отметки примерно в 22 процента до уровней, приближающихся к теоретическому пределу 30%. 33 процента. Уловка состоит в том, чтобы определить наилучшее соотношение селена.
«Используя различные методы микроскопии, мы смогли лучше понять фазы, состав и кристаллические структуры, которые позволяют этим материалам более эффективно преобразовывать свет в электричество», — сказал Поплавски, добавив, что доступность данных ограничена. «В некоторых случаях добавление слишком большого количества селена изменяет кристаллическую структуру теллура кадмия и резко снижает эффективность преобразования».Для этого исследования исследователи изучили четыре солнечных элемента с разным содержанием селена — и соответствующими изменениями в кристаллической структуре — и выяснили, что один с самым высоким уровнем селена не работает должным образом.
То же самое с самым низким содержанием селена. Состав сплава, который работал лучше всего, состоял примерно из 50 процентов кадмия, 25 процентов теллура и 25 процентов селена.Чтобы сделать свое определение, исследователи использовали комбинацию аналитических методов, включая атомно-зондовую томографию, просвечивающую электронную микроскопию и ток, индуцированный электронным пучком. Эти возможности существуют в CNMS, учреждении для пользователей Управления науки Министерства энергетики США.
«Мы показали, что количество селена, включенного в кадмий-теллур, определяет, образуются ли маленькие кристаллы внутри солнечного элемента в виде кристаллической структуры A или кристаллической структуры B», — сказал Поплавски. «Эта информация может быть использована в качестве плана для производителей солнечных элементов по созданию улучшенных кадмиево-теллуровых солнечных элементов, в которых используются добавки селена, и, как мы надеемся, повысит общую эффективность».Поплавски отметил, что солнечные панели обычно используют кремний в качестве материала для преобразования солнечного света в электричество. Теллурид кадмия, однако, имеет преимущество перед кремнием, поскольку он может поглощать такое же количество солнечного света, используя на 98 процентов меньше полупроводникового материала, что снижает общую стоимость солнечной панели. Это также делает солнечные панели, состоящие из кадмия, теллура и селена, более конкурентоспособными по сравнению с другими формами производства электроэнергии.
Соавторами ORNL статьи, озаглавленной «Зависимость структуры и состава от фотоактивности слоя сплава CdTexSe1-x в солнечных элементах на основе CdTe», являются Вэй Гуо, Каррен Мор и Донован Леонард.Это исследование финансировалось Министерством энергетики США SunShot Initiative в сотрудничестве с Национальным научным фондом.