Совместная группа исследователей из США и Швейцарии изготовила новый тип солнечного элемента на основе кремниевого гетероперехода, позволяющий легко разделить потоки образованных электронов и дырок, не используя методику допинга. Устройство работает, благодаря контакту из оксида молибдена, который селективно пропускает дырки проводимости из кремния, но блокирует свободные электроны. Созданная таким образом учеными солнечная ячейка, которая далеко не полностью оптимизирована, уже может похвастаться эффективностью преобразования солнечной энергии в электричество на уровне 18,8%. Причем, КПД ячейки может быть еще улучшен, так что фотоэлектрические модули с контактами из оксида молибдена могут появиться на рынке менее чем через год.

Традиционно солнечный элемент состоит из поглощающего свет полупроводникового слоя, с одной стороны соединенного с селективным контактом, который пропускает дырки проводимости и блокирует свободные электроны. С другой стороны полупроводниковый слой связан с дополнительным селективным контактом, выполняющим обратную функцию (т.е. блокирующим дырки проводимости и передающим электроны).

Когда солнечный свет попадает на такое устройство, селективные контакты действуют, как фильтры для электронов и дырок. В рамках каждого контакта устанавливается градиент химического потенциала, который, в свою очередь, генерирует ток диффузии.

Для достижения высокой эффективности преобразования энергии в солнечных батареях, поверхностные дефекты полупроводника должны быть пассивированы, так чтобы они не мешали потоку сгенерированных электронов и дырок проводимости. Это позволяет носителям тока пройти через контакты и таким образом обеспечить вклад в полезный ток, прежде чем они рекомбинируют.

Солнечные батареи на основе так называемых кремниевых гетеропереходов, имеющие КПД более 24,7%, обычно используются в качестве «образцовой модели» этого класса солнечных ячеек. Эти устройства содержат тонкий слой гидрогенизированного аморфного кремния, а также поверхностно-пассивирующий слой.

Проблема в том, что аморфный кремний имеет запрещенную зону шириной всего 1,7 – 1,8 эВ. Кроме того, сам по себе он содержит очень много дефектов. Более того, даже если пассивирующий слой имеет толщину всего в несколько нанометров, он, увы, поглощает свет в видимой части солнечного спектра и УФ-диапазоне. Если устранить эту проблему, результат не улучшится, поскольку поглощающие свет полупроводниковые слои в солнечных элементах стараются делать все тоньше в целях повышения напряжения. Хотя исследователи пытались решить эту проблему, заменяя аморфный кремний на другие модификации с широкой запрещенной зоной, стратегия в целом оказалась не особо успешной.

Теперь совместная группа ученых из University of California, Lawrence Berkeley National Lab (США) и Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL, Швейцария) предложила радикально иной способ усовершенствования контактной схемы для солнечных элементов на основе кремниевого гетероперехода.

Метод подразумевает использование в качестве пассивирующего слоя тонких пленок из оксида молибдена. Надо отметить, что оксид молибдена традиционно используется в качестве контактного слоя в органической электронике и фотовольтаике.

Однако до сих пор никто не пытался применить этот материал к наиболее распространенным полупроводникам на основе кремния. Группа ученых решилась на такую проверку и обнаружила, что материал функционирует даже лучше, чем они ожидали.

Как считают ученые,

их технология может быть легко реализована в рамках существующих производственных линий. Таким образом, первые солнечные элементы, содержащие слой оксида молибдена, могут появиться на рынке уже менее чем через год.

Подробные результаты работы опубликованы в журнале Applied Physics Letters.