Koreaanse onderzoekers hebben voor het eerst ontrafeld welke verborgen defecten het rendement van SHJ-zonnecellen beperken. Hun nieuwe analysemethode heeft mogelijk grote gevolgen voor efficiëntere zonnecellen en toekomstige tandemarchitecturen.
Silicium-heterojunctiezonnecellen (SHJ) behoren vandaag tot de meest efficiënte zonneceltechnologieën op basis van silicium. Toch blijven zelfs deze high-end cellen beperkt door microscopische defecten die ladingdragers vasthouden en zo het totale rendement drukken.
Volgens de studie, gepubliceerd in Advanced Functional Materials, blijken die defecten bovendien niet één fenomeen te vormen, maar twee verschillende typen met elk hun eigen gedrag en impact.
De doorbraak komt van een onderzoeksteam van het Korea Institute of Energy Research (KIER) en Chungbuk National University. Onder leiding van Hee-Eun Song (KIER) en fysicus Ka-Hyun Kim (Chungbuk) werd een nieuwe analysemethode ontwikkeld die eindelijk helderheid schept in een probleem waar de zonnecelindustrie al jaren tegenaan loopt.
Moeilijk te doorgronden
SHJ-technologie combineert kristallijn silicium met ultradunne lagen amorf silicium. Die combinatie biedt uitzonderlijke passivatie-eigenschappen en hoge spanningen, en vormt daarom de basis voor veelbelovende silicon-perovskiettandems.
Maar vanwege de mix van kristallijne en amorfe structuren, de aanwezigheid van verschillende interfaces en een sterk waterstofrijk milieu is het defectlandschap in SHJ-cellen bijzonder ingewikkeld. Traditionele karakterisatietechnieken schieten daardoor tekort.
Grote blinde vlek
Om defecten in halfgeleiders te meten vertrouwen onderzoekers al decennia op Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS). De methode volgt hoe een materiaal terugvalt naar zijn evenwicht nadat er een spanningpuls is aangelegd.
Alleen gebeurt die relaxatie in milliseconden, dat is te snel om gedetailleerde informatie te verzamelen. Tot nu toe leverde DLTS vooral twee meetpunten op: direct na de puls en op het moment dat de cel weer in stabiele toestand is. Dat werkte acceptabel voor simpele structuren, maar maakt inzicht in complexe SHJ-architecturen praktisch onmogelijk.
Koreanen breken de code
De onderzoekers ontwikkelden een nieuwe interpretatiemethode die het volledige transientsignaal analyseert, dus niet slechts twee meetpunten maar de volledige tijdsevolutie. Door deze granulariteit te introduceren, konden ze signalen uit verschillende defecttypen ontkoppelen.
Waar eerdere studies dachten één breed defectsignaal te zien, bleken het in werkelijkheid twee volledig onafhankelijke defecten te zijn:
- Eén traag, diep-energieniveau-defect
- Eén snel, ondiep defect
Elk defect bleek een eigen energie-niveau, locatie in de cel en zelfs unieke atomaire bindingsconfiguratie te hebben.
Waterstof speelt een verrassende rol
Een belangrijke conclusie uit het onderzoek: de defecten kunnen van configuratie veranderen onder invloed van fabricageparameters én bedrijfscondities. Waterstof is ruim aanwezig in SHJ-processen, en blijkt een drijvende factor in die configuratiewisselingen.
Voor de industrie is dat belangrijk nieuws. Het betekent dat betere passivatie niet alleen draait om hoeveel defecten aanwezig zijn, maar vooral om wat ze doen en hoe ze zich gedragen tijdens gebruik. Dat opent de deur naar procesoptimalisaties die tot nu toe onmogelijk waren omdat het onderliggende mechanisme onbekend bleef.
Ontwikkeling kan nu enorm versnellen
Volgens Song kan deze doorbraak de ontwikkeling van high-efficiency SHJ-cellen sterk versnellen. Zeker nu de strijd om topprestaties verschuift naar tandemzonnecellen, waar SHJ-silicium vaak dient als basiscell voor perovskiet-tandems.
Daarnaast verwacht Kim dat de nieuwe analysemethode veel breder inzetbaar is, onder meer in CMOS-elektronica, sensoren, LED’s en zelfs displaytechnologie. Defectkarakterisatie is namelijk een universeel probleem binnen de halfgeleiderwereld.
Waarom dit zo belangrijk is
De kloof tussen theoretisch en praktisch haalbare efficiëntie bij SHJ-cellen ligt al jaren op tafel. Fabrikanten boeken incrementele verbeteringen door betere passivatie, optimalisatie van waterstofdiffusie en geavanceerde depositietechnieken, maar zonder een fundamenteel begrip van waarom bepaalde processen werken of falen blijft het vooral trial-and-error.
Deze studie biedt voor het eerst een mechanistisch model dat verklaart waarom bepaalde defecten opduiken, hoe ze zich gedragen en hoe ze te beheersen zijn. Voor een industrie die richting 30% efficiënte silicium-perovskiet-tandems wil, kan dit het verschil maken tussen stagneren en doorbreken.
Doorbraak met grote praktische betekenis
De identificatie van twee onafhankelijke defecttypen in SHJ-cellen markeert een wetenschappelijke doorbraak met grote praktische betekenis. De vernieuwde DLTS-analyse lost een decenniaoud meetprobleem op en geeft fabrikanten een krachtig nieuw instrument om hun cellen efficiënter te maken.
Het is een zeldzaam voorbeeld van fundamentele fysica die direct toepasbaar is in de snel evoluerende zonnecelindustrie. En het brengt de droom van commercieel haalbare tandemzonnecellen met wereldrecord-efficiënties een flinke stap dichterbij.
