来自ORNL，托莱多大学和美国能源部国家可再生能源实验室的研究小组使用电子显微镜和计算机模拟来探索不明原因的处理过程的物理起源。结果发表在PhysicalReviewLetters(PRL)上。

薄膜CdTe太阳能电池被认为是硅基光伏系统的潜在竞争对手，因为它们理论上每个功率输出的成本低且易于制造。然而，它们将太阳光转化为能量的相对较低的历史效率限制了该技术的广泛使用，特别是对于家庭系统。

20世纪80年代的研究表明，用氯化镉处理CdTe薄膜可显着提高细胞的效率，但科学家们无法确定其根本原因。ORLL的PRL研究的第一作者陈力解释说，答案在于调查原子水平的材料。

“我们知道氯是造成这种神奇效果的原因，但我们需要找出它在材料结构中的位置，”李说。“只有了解结构才能理解这个太阳能电池的问题-为什么效率不够高，我们怎样才能进一步推动它。”

通过比较氯处理前后的太阳能电池，研究人员意识到原子级晶界与增强性能有关。晶界是微小的缺陷，通常会成为提高效率的障碍，因为它们会抑制载流子的收集，从而大大降低太阳能电池的功率。

利用最先进的电子显微镜技术研究处理后薄膜的结构和化学成分，研究人员发现氯原子取代了晶界内的碲原子。这种原子取代在晶界处产生局部电场，从而提高材料的光伏性能，而不是损坏它。

研究小组的发现除了提供期待已久的解释外，还可用于指导高效CdTe太阳能电池的工程设计。李说，控制晶界结构是一个新的方向，可以帮助提高电池效率接近理论最大值32%的光能转换。目前，创纪录的CdTe电池效率仅为20.4%。

“我们认为，如果薄膜材料中的所有晶界都可以在同一方向上排列，那么它可以进一步提高电池效率，”Li说。