Um grupo de cientistas liderado pelo Korea Institute of Energy Research (KIER) realizou pesquisas extensas sobre defeitos em células solares de heterojunção de silício e encontrou uma correlação direta entre esses defeitos e a qualidade da passivação.
“A análise convencional de defeitos em células solares e dispositivos semicondutores tem se concentrado principalmente na medição da concentração de defeitos”, disse o autor principal da pesquisa, Ka-Hyun Kim, à pv magazine. “Essa abordagem simplifica demais os defeitos como simplesmente ‘mais’ ou ‘menos’, ignorando a importância da qualidade dos defeitos. Além disso, a maioria dos métodos de caracterização investiga apenas respostas macroscópicas, então não podem resolver as contribuições dos tipos individuais de defeito, dificultando o entendimento de como defeitos mistos influenciam as propriedades do material.”
“Em nosso estudo, mostramos que defeitos em células solares de heterojunção de silício se transformam dinamicamente em vez de permanecerem em um único estado estático”, ele continuou. “Por meio da decomposição do transiente de capacitância bifásica em componentes lentos e rápidos, separamos defeitos mistos que antes eram interpretados como um só. Essas duas fases refletem configurações distintas de defeitos que evoluem em diferentes escalas de tempo e se reconfiguram dependendo das condições de deposição, empilhamento de camadas e recozimento.”
A equipe de pesquisa descobriu que a qualidade da passivação é determinada não apenas pela concentração de defeitos, mas também pelas configurações de ligação dos defeitos. Essas configurações podem se deslocar para níveis mais profundos ou superficiais, e tais transformações influenciam diretamente o comportamento de recombinação na heterointerface. “A principal novidade deste trabalho é que ele fornece uma estrutura clara conectando transformações de defeito à qualidade de passivação. Essa nova perspectiva permite um controle mais preciso do estado dos defeitos e oferece orientações práticas para otimização de processos em heteroestruturas semicondutoras, incluindo células solares de próxima geração HJT e tandem”, continuou Kim.
Imagem: KIER
No artigo “Unraveling Mixed-Defect Transformations and Passivation Dynamics in Silicon Heterojunction Solar Cells“, publicado na Advanced Functional Materials, os pesquisadores demonstraram, pela primeira vez, que os tipos específicos de defeitos responsáveis pela perda de eficiência em células HJT exibem um comportamento de dupla fase, compreendendo uma fase lenta e uma fase rápida, correspondendo a duas configurações diferentes de defeitos relacionados à passivação: ligações pendentes (DBs) e ligações fracas silício-silício (Si–Si).
Ligações pendentes (DBs) são conhecidas por causar perdas por recombinação em dispositivos HJT, reduzindo principalmente a tensão de circuito aberto da célula. Eles agem como pequenas conexões “quebradas” na superfície do silício, servindo como armadilhas para elétrons. De forma semelhante, ligações fracas de Si–Si podem se romper durante processos como sputtering, gravação ou recozimento, criando sítios frágeis na interface do silício. Quando quebram, formam defeitos que retêm cargas e, em última análise, reduzem a eficiência e estabilidade da célula.
Antes desse trabalho, os defeitos em células solares de heterojunção eram amplamente considerados pertencentes a uma única categoria.
Usando espectroscopia transitória de nível profundo (DLTS), os pesquisadores descobriram, em particular, que os defeitos induzidos pelo sputtering de óxido de índio-estanho (ITO) continuam a evoluir após o recozimento, transformando-se em estados de energia mais rasos que afetam as propriedades do material. Eles também verificaram que o recozimento executado após o sputtering ITO não elimina defeitos profundos induzidos pelo sputtering.
“Essa descoberta explica ainda mais por que o silício amorfo hidrogenado (a-Si:H), especialmente quando rico em silício-hidrogênio (Si–H2) e livre de crescimento parasita epitaxial, potencializa a passivação e apresenta recuperação de danos por sputtering”, enfatizou o grupo de pesquisa. “Nossas descobertas demonstram que múltiplos tipos de defeitos coexistem e evoluem dinamicamente sob processos de deposição e térmicos.”
“Esperamos que este estudo acelere o desenvolvimento de células solares de silício de heterojunção de alta eficiência e, além disso, nos permita realizar células solares em tandem de classe mundial usando as tecnologias proprietárias da KIER”, disse a coautora Hee-Eun Song.
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