Các nhà khoa học đang nghiên cứu làm tăng hiệu quả chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng của các tế bào năng lượng mặt trời màng mỏng. Các nhà khoa học từ Phòng thí nghiệm năng lượng quốc gia Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) đã xây dựng cách sử dụng kính hiển vi quang học để lập bản đồ các tế bào năng lượng mặt trời màng mỏng ở dạng 3-D khi chúng hấp thụ photon.

Phương pháp mô tả động lực quang điện tử trong vật liệu ở quy mô micron, hoặc mỏng hơn nhiều so với đường kính của một sợi tóc người. Chúng đủ nhỏ để xem ranh giới hạt cá nhân, giao diện bề mặt, và khó khăn nội tại khác có thể bẫy electron kích thích và ngăn cản chúng đạt đến một điện cực, vốn làm tiêu hao mất hiệu quả của một tế bào năng lượng mặt trời. 

Cho đến nay, các nhà khoa học đã sử dụng kỹ thuật này để hiểu rõ hơn tại sao thêm một hóa chất cụ thể vào các tế bào năng lượng mặt trời làm từ cadmium telluride (CdTe) - vật liệu màng mỏng phổ biến nhất – lại cải thiện hiệu năng của các tế bào năng lượng mặt trời ".

"Để giúp hiệu quả quang điện tốt hơn, chúng ta cần phải xem những gì đang xảy ra trong chất quang điện làm việc ở quy mô micron, cả trên bề mặt và dưới, và cách tiếp cận mới của chúng tôi cho phép chúng ta làm điều đó," Edward Barnard, một khoa học chính nói sư kỹ thuật tại các Foundry phân tử. Ông dẫn đầu nỗ lực với James Schuck, giám đốc hình ảnh và thao tác của cơ sở cấu trúc nano tại Foundry phân tử.

Các phương pháp tạo ảnh được sinh ra từ một sự hợp tác giữa các nhà khoa học phân tử Foundry và người dùng đúc từ PLANT PV Inc., một công ty Alameda, California dựa trên. Trong khi chế tạo vật liệu tế bào năng lượng mặt trời mới tại Foundry phân tử, nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng các kỹ thuật quang tiêu chuẩn không thể hình ảnh các hoạt động bên trong của vật liệu, vì vậy họ đã phát triển kỹ thuật mới để có được quan điểm này. Tiếp theo, các nhà khoa học thuộc Phòng thí nghiệm Năng lượng tái tạo quốc gia đã đến Foundry phân tử và sử dụng các phương pháp mới để nghiên cứu các tế bào năng lượng mặt trời CdTe.

Để phát triển các phương pháp này, các nhà khoa học thay đổi một kỹ thuật gọi là hai photon kính hiển vi (được sử dụng bởi các nhà sinh học để xem các mẫu bên trong dày như mô sống) để nó có thể được áp dụng cho các vật liệu bán dẫn số lượng lớn.

Phương pháp này sử dụng một chùm tia laser tập trung cao của các photon hồng ngoại thâm nhập bên trong vật liệu quang điện. Khi hai photon năng lượng thấp hội tụ tại pinpoint giống nhau, có đủ năng lượng để kích thích các electron. Những electron này có thể được theo dõi để xem họ kéo dài bao lâu trong trạng thái kích thích của họ, với các điện tử lâu đời xuất hiện như là điểm sáng trong hình ảnh kính hiển vi. Trong một tế bào năng lượng mặt trời, điện tử lâu đời có nhiều khả năng đạt được một điện cực.

Ngoài ra, các tia laser có thể được thay đổi vị trí một cách hệ thống trong suốt một tế bào năng lượng mặt trời thử nghiệm nhỏ, tạo ra một bản đồ 3-D của toàn bộ động lực quang điện một tế bào năng lượng mặt trời của.

Phương pháp này đã làm sáng tỏ về những lợi ích của việc điều trị các tế bào năng lượng mặt trời CdTe với cadmium chloride, thường được thêm vào trong quá trình chế tạo.

Các nhà khoa học biết cadmium chloride cải thiện hiệu quả của các tế bào năng lượng mặt trời CdTe, nhưng ảnh hưởng của nó trên các electron kích thích ở quy mô micron chưa được hiểu rõ. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng các ion clo có xu hướng để chồng chất lên ở ranh giới hạt, nhưng nó làm thay đổi cuộc đời của các electron kích thích không rõ ràng.

Nhờ kỹ thuật chụp ảnh mới, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra điều trị cadmium chloride làm tăng tuổi thọ của các electron kích thích tại biên giới hạt, cũng như trong các loại ngũ cốc chính mình. Điều này có thể dễ dàng nhìn thấy trong hình ảnh 3-D của các tế bào năng lượng mặt trời CdTe có và không có điều trị. Việc điều trị tế bào năng lượng mặt trời "sáng lên" nhiều đồng đều trên khắp vật liệu, cả hai trong các loại ngũ cốc và các không gian ở giữa.

"Các nhà khoa học đã biết rằng cadmium chloride thụ động cải thiện tuổi thọ của các điện tử trong các tế bào CdTe, nhưng bây giờ chúng tôi đã lập bản đồ ở quy mô micron nơi cải thiện điều này xảy ra," Barnard nói.

Kỹ thuật chụp ảnh mới này có thể giúp các nhà khoa học đưa ra quyết định nhiều thông tin hơn về việc cải thiện một loạt các màng mỏng vật liệu tế bào năng lượng mặt trời ngoài CdTe, như perovskite và các hợp chất hữu cơ.

"Các nhà nghiên cứu đang cố gắng để thúc đẩy hiệu quả quang điện có thể sử dụng kỹ thuật của chúng tôi để xem nếu chiến lược của họ đang làm việc tại các micro, mà sẽ giúp họ thiết kế các tế bào năng lượng mặt trời thử nghiệm quy mô tốt hơn - và các tế bào năng lượng mặt trời cuối cùng đầy đủ kích cỡ cho mái nhà và các ứng dụng thực thế giới khác, "ông nói.