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Modelling of interfaces for high performance solar cell materials

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Neues Modell der atomaren Wechselwirkungen in Solarzellen

Forscher haben ein ausgeklügeltes Modellierungssystem entwickelt, das zur Verbesserung der Solarzellenleistung beitragen wird.

Energie

Bei Solarzellen geht große Menge an Energie an den beiden Grenzflächen innerhalb des Siliziumhalbleiters verloren. Das betrifft die Passivierungsschicht, welche elektronische Verluste am Silizium verhindert, und die Metallkontaktschicht, welche die Ladung von der Solarzelle wegführt. Die derzeit üblichen Modelle beschreiben die Wechselwirkungen auf atomarer Ebene nicht hinreichend und dieses begrenzte Wissen verhindert Verbesserungen der Effizienz. Das EU-finanzierte Projekt 'Modelling of interfaces for high performance solar cell materials' (HIPERSOL) wurde ins Leben gerufen, um die Entwicklung und Umsetzung eines Modellierungssystems zur Lösung dieses Problems voranzutreiben. Dieses System soll die Modellierung in Größenordnungen von der atomaren Ebene bis hin zur vollen Größe einer Solarzelle und somit erhebliche technologische Fortschritte ermöglichen. Die Projektmitglieder bezogen Quantenmechanikmodelle der Metall-Silizium-Grenzflächen und erforschten einen neuen Weg zur Skalierung von Modellen für wenige Atome auf über 100 000 Atome. Hier wurde erstmals ein Einzelmodell zur vollständigen Prognose der Lebensdauer von Silizium und anderen Halbleitern in einer Solarzelle verwendet. Einen weiteren bedeutenden Fortschritt stellte die Messung von Rekombinationsprozessen an den Grenzflächen dar, die eine Hauptursache für die Verkürzung der Lebensdauer von Solarzellen ist. Diese Messungen wurden sowohl theoretisch durch Berechnungen als auch experimentell unter Einsatz von Fluoreszenz realisiert. Sie erbrachten sehr ähnliche Resultate und dienten somit der Validierung des Modells. Zur Analyse mehrerer Kombinationen von Verfahren und Materialien wurde die Multiskalenmodellierungsumgebung verwendet. Man ermittelte geschwindigkeitsbestimmende Schritte beim Elektronentransport, die bei den Solarzellen der Zukunft zu Effizienzsteigerungen hinführen werden. Das HIPERSOL-Modellierungssystem unterstützt unser Verständnis der Rekombination und konnte die Vorhersage von Wechselwirkungen auf atomarer Ebene verbessern. Hier bieten sich bereits mehrere potenzielle Möglichkeiten zur Verbesserung von Solarzellsystemen. Es kann überdies generell in der komplexen Grenzflächenmodellierung in anderen Bereichen angewandt werden.

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