Cambiamenti specifici nella composizione dei semiconduttori di tipo kesterite consentono di migliorare la loro idoneità come strati assorbenti nelle celle solari. Come ha dimostrato un team dell'Helmholtz-Zentrum di Berlino, questo è particolarmente vero per le kesteriti in cui lo stagno è stato sostituito dal germanio. Gli scienziati hanno esaminato i campioni utilizzando la diffrazione di neutroni al BER II e altri metodi. L'opera è stata selezionata per la copertina della rivista CrystEngComm .

Le kesteriti sono composti semiconduttori costituiti dagli elementi rame, lattina, zinco, e selenio. Questi semiconduttori possono essere utilizzati come materiale assorbente ottico nelle celle solari, ma finora hanno raggiunto solo un'efficienza massima del 12,6 per cento, mentre le celle solari realizzate in rame-indio-gallio-seleniuro (CIGS) raggiungono già efficienze superiori al 20%. Tuttavia, le kesteriti sono considerate alternative interessanti alle celle solari CIGS perché sono costituite da elementi comuni, in modo che non siano previsti colli di bottiglia nell'offerta. Un team guidato dalla professoressa Susan Schorr presso l'HZB ha ora studiato una serie di campioni di kesterite non stechiometrica e ha fatto luce sulla relazione tra composizione e proprietà optoelettroniche. Durante la sintesi dei campioni presso l'HZB, gli atomi di stagno sono stati sostituiti con germanio.

Diffrazione di neutroni a BER II

I ricercatori hanno quindi studiato questi campioni utilizzando la diffrazione di neutroni al BER II. Rame, zinco, e germanio possono essere distinti l'uno dall'altro particolarmente bene con questo metodo, e le loro posizioni possono essere localizzate nel reticolo cristallino. Il risultato:i kesteriti con una composizione leggermente povera di rame e ricca di zinco che si trova nelle celle solari con le più alte efficienze hanno anche la più bassa concentrazione di difetti puntiformi e il più basso disordine di rame-zinco. Quanto più la composizione si arricchiva di rame, maggiore era la concentrazione di altri difetti puntiformi considerati dannosi per le prestazioni delle celle solari. Ulteriori indagini hanno mostrato come il band gap energetico, come è noto, dipende dalla composizione dei campioni di polvere di kesterite.

Gli effetti del germanio

"Questo band gap è una caratteristica dei semiconduttori e determina quali frequenze di luce rilasciano portatori di carica all'interno del materiale, " spiega René Gunder, primo autore dell'opera. "Ora sappiamo che il germanio aumenta il gap di banda ottica, permettendo al materiale di convertire una proporzione maggiore di luce solare in energia elettrica."

Kesteriti:candidati per celle solari e fotocatalizzatori

"Siamo convinti che questo tipo di kesterite non sia adatto solo per le celle solari, ma può essere preso in considerazione anche per altre applicazioni. I kesteriti che agiscono come fotocatalizzatori potrebbero essere in grado di scindere l'acqua in idrogeno e ossigeno usando la luce solare, e per immagazzinare energia solare sotto forma di energia chimica, " spiega Schorr.