Солнечные батареи на базе кремниевого гетероперехода (SHJ) сегодня считаются одной из самых эффективных кремниевых технологий. Их часто используют в перспективных тандемных конструкциях — когда несколько типов солнечных элементов накладываются друг на друга, чтобы выжать максимум энергии из света. Но даже эта «верхушка эволюции» сталкивается с тем, что эффективность упирается в микроскопические дефекты внутри структуры. До сих пор ученые знали, что дефекты существуют, но не могли точно определить, какие именно мешают работе. И вот впервые корейские исследователи смогли назвать их поименно — и даже разделить на два разных типа.
Работу провела совместная команда Института энергетических исследований Кореи (KIER) в Тэджоне и Национального университета Чхунбука в Чхонджу. Исследованием руководили доктор Хи Ын Сон и профессор Ка Хён Ким. Их цель была проста по формулировке, но невероятно сложна по исполнению: понять, какие конкретные дефекты ограничивают КПД SHJ-элементов и как с ними бороться.
Как устроены SHJ-элементы
Гетеропереходные солнечные батареи объединяют монокристаллический кремний и тонкие слои аморфного кремния. Такое сочетание снижает потери и позволяет использовать SHJ в тандемных архитектурах. Однако внутри этих многослойных структур возникают ловушки — микродефекты, которые «захватывают» носители заряда и тем самым понижают эффективность. Даже пассивирующие покрытия, которые сглаживают многие дефекты, не справляются со всеми.
Обычно для изучения дефектов применяют метод глубокого уровня — Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS). Он подает короткий импульс напряжения и измеряет, как устройство возвращается в равновесие. Проблема в том, что процесс длится всего миллисекунды, и предыдущие подходы фиксировали лишь два состояния — сразу после импульса и в конце. Такой «фотографический» метод подходит для простых структур, но SHJ — это целый «многослойный пирог», где переплетены различные интерфейсы и области, богатые водородом.
Новый взгляд на дефекты
Корейские ученые предложили обновленную методику интерпретации DLTS, которая позволяет отслеживать полную динамику сигнала — буквально «развернуть пленку» во времени. Анализируя различные участки отклика, исследователи выяснили: то, что раньше считалось единым дефектом, на самом деле представляет собой наложение сигналов сразу от двух независимых дефектных состояний.
Два типа ограничений
Команда обнаружила, что один дефект работает как «медленный» глубокий уровень, а второй — как «быстрый» мелкий. Разделив их, ученые смогли определить:
- энергетические уровни,
- расположение внутри структуры,
- атомные конфигурации связей.
Ранее получить такую информацию было невозможно. Это открытие подчеркивает: для улучшения пассивации важно не только знать количество дефектов, но и понимать, как именно они влияют на работу устройства.
Исследование также показало, что дефекты могут менять конфигурацию связей в зависимости от условий производства и режима работы батареи. Водород — ключевой элемент в изготовлении SHJ — играет решающую роль в этих переходах. Это значит, что оптимизация технологии может управлять дефектами буквально на атомном уровне.
По словам исследователей, новая методика открывает путь к созданию более эффективных SHJ-элементов и, в перспективе, к солнечным батареям мирового класса на основе тандемных технологий. Более того, подход можно применить и к другим полупроводниковым устройствам — от сенсоров и светодиодов до CMOS-электроники.
Корейские ученые сделали важный шаг в понимании того, что именно ограничивает работу самых продвинутых кремниевых солнечных элементов. Разделив дефекты на два независимых типа и описав их свойства, они заложили фундамент для дальнейшего повышения эффективности солнечных технологий. В мире, где каждый процент КПД на счету, такое открытие может стать началом новой эпохи в солнечной энергетике.
Исследование опубликовано в журнале Advanced Functional Materials.
