ENERGIX-Stort program energi

I løpet av HeteroSolar prosjektet har vi opparbeidet oss betydelig kunnskap og innsikt og jobbet med ulike materialproblemstillinger og utfordringer knyttet til Cu-oksider i solcellestrukturer som for tiden skaper hodebry for det internasjonale PV forskningsmiljøet. Mer spesifikt har vi oppnådd å gro høykvalitets filmer av Cu2O og ZnO. Elektron og atom-strukturen til de tynne filmene og deres grenseflater ble studert dyptgående og ga ny innsikt publisert i internasjonalt svært anerkjente tidsskrifter. Videre hare en PhD avhandling blitt fullført (forsvar planlagt tidlig ? 2017). En viktig oppdagelse er veksten nanometer tykke CuO filmer på Cu2O-ZnO grenseflater som vokser til tross for optimaliserte vekstbetingelser for Cu2O og er uavhengig av deponeringssekvensene benyttet. Tidligere har røntgendiffraksjon (XRD) data, hvor sammenfallende vekstorienteringer av Cu2O og ZnO er observert, blitt tolket som en indikasjon på at grenseflaten er av høy kvalitet. Våre omfattende studier har vist at denne konklusjonen ikke er gyldig. Tynne CuO filmer ble ikke detektert ved hjelp av XRD. Derimot ble sammenfallende vekst, som tidligere rapportert av andre, fremdeles observert med tilstedeværelse av CuO. Våre eksperimentelle og teoretiske studier har vist at tilstedeværelsen av CuO resulterer i epitaksielle forhold til både ZnO og Cu2O som gir bedre gittertilpassinger og dermed senker grenseflateenergien. Eksistensen av CuO på grenseflatene er kritisk for de elektroniske egenskapene til strukturen og blir sett på som en medvirkende faktor til det store forskjellen i PV effektiviteten estimert teoretiske og oppnådd eksperimentelt. Elektronstrukturen til CuO filmen er påvirket av nærheten til Zn-atomer i ZnO filmen. Nærværet av CuO resulterer en båndforskyvning som er avgjørende for åpen krets spenningen og rektifisering av Cu2O/ZnO koblingen og derfor PV effektiviteten til en slik struktur. Vi viet en betydelig innsats på å prøve å løse problemer da vi hadde som ultimat mål å demonstrere suksess ved å utvikle "proof of concept" enheter. Med ny forståelse og økt kunnskap om struktur og innsikt i forhold til optiske egenskaper, ble alternative strukturer grodd hvor direkte kontakt mellom Cu2O og ZnO ble unngått. Et stort utvalg av enheter og strukturer ble fremstilt og testet. De viste ikke høy PV effektivitet (under 2%) og som sådan er i samsvarer med hva som er kommet fra hele det internasjonale forskningssamfunnet som arbeider med tynn-film Cu-O-celler. ? Mot slutten av prosjektet har det vært en intens innsats mot å oppnå rektifisering ved doping av Cu2O filmen. Faktisk har vi oppnådd en betydelig forbedret rektifisering i strukturer med Cu2O hvor vi har vist at den oppnådde forbedringen skyldes moderat doping av ZnO og Si. Energibåndopplinjeringen i disse strukturene er slik at utarmingsområdet i koblingsområdet ekspanderer inn i ZnO og Si i stedet for inn i Cu2O. Dette forklarer den lave PV effekten til strukturene. Funnene anses å være av stor betydning. Den siste delen av studiet har vist lovende resultater, men er ikke rukket å bli sluttført innenfor prosjektperioden.

This project aims to contribute towards developing a new generation solar cell with reduced cost and improved energy conversion efficiency. The main focus is on implementation of micro-engineering and nanotechnology for formation of heterostructures based on oxide thin films and metal-oxide nanostructures with properties optimized for PV. Besides the bulk of the thin films, interfaces within such solar cells play a crucial role both during manufacturing and operation. Their complex structure demands syner gy between processing, characterisation and theory and should be probed at the atomic level in order to understand the mechanisms governing their formation and function. We intend to address the local atomic arrangement of the materials by high resolution electron microscopy and nanoscale electron diffraction. Their electronic structure will be probed by high spatial resolution electron energy loss spectroscopy and electron holography together with x-ray and ultraviolet photoelectron spectroscopy. These t echniques have high spatial and/or energy resolution, and are able to probe both the bulk film and the interfaces. The materials will be also fully characterised optoelectronically. The main theoretical tool to be used is density functional theory (DFT), which can predict atomistic structures and electronic structures without any adjustable parameters. This will be complemented with more accurate methods like hybrid functional and GW if e.g. precise predictions of band gaps are required. We intend to star t our studies with the ZnO/Al and ZnO/Ag systems by exploiting consortiums experience in both processing and characterisation of similar systems. Studies of the novel ZnO/Ag2O and ZnO/Cu2O structures will follow. The results will be demonstrated by develo ping first a Si-based solar cell with ZnO(Al) antireflective coating followed by the development of a multijunction solar cell with oxide-based front cell and Si-based back cell.