Kesterite Cu₂ ZnSn(S,Se)₄ è un materiale fotovoltaico verde emergente e promettente, in quanto è abbondante sulla Terra, non danneggia l'ambiente, ha una struttura stabile, una grande sintonizzabilità e vantaggiose proprietà optoelettroniche. Nonostante le loro qualità, le celle solari basate sulla kesterite hanno in genere scarse efficienze di conversione dell'energia, che ne ostacolano la commercializzazione e l'implementazione su larga scala.

I ricercatori dell'Università del New South Wales a Sydney hanno recentemente condotto uno studio volto a comprendere meglio i meccanismi che promuovono le perdite microscopiche di carrier nelle celle solari di kesterite, riducendone l'efficienza. Le loro scoperte, pubblicate su Nature Energy , potrebbe in definitiva contribuire a facilitare l'implementazione su larga scala di questa promettente classe di celle solari.

"La comunità di ricerca ha affrontato una grande sfida nel migliorare le prestazioni delle celle solari di kesterite, che è associata alla complessità senza precedenti del sistema materiale e ai meccanismi di perdita del vettore", Jianjun Li, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a TechXplore. "È stato un lungo dibattito su quale meccanismo di perdita del vettore stia dominando nelle attuali celle solari a kesterite all'avanguardia."

Comprendere i meccanismi alla base della perdita del vettore in tipi specifici di celle solari è un passo essenziale nel loro sviluppo e commercializzazione. L'obiettivo chiave del recente lavoro di Li e dei suoi colleghi era identificare i meccanismi di perdita dominanti nelle celle solari di kesterite all'avanguardia. I ricercatori volevano anche ideare una struttura che consentisse a loro e ad altri team di analizzare dinamicamente i meccanismi di perdita dominanti nelle celle solari sulla base di diversi film sottili policristallini emergenti, tra cui la kesterite, nonché i calcogenuri di antimonio, le perovskiti e altri materiali.

"Nonostante la grande promessa, il pieno potenziale della kesterite è lontano da sfruttare", ha detto a TechXplore Xiaojing Hao, un altro ricercatore coinvolto nello studio. "L'attuale efficienza massima è del 13,6% su celle di laboratorio, che è molto inferiore all'efficienza>22% delle loro controparti commercializzate (per CIGS (CuInGa(S,Se)₂ ) e celle solari CdTe). Tuttavia, secondo le previsioni teoriche, la sua efficienza dovrebbe raggiungere il>30%."

Diversi studi precedenti hanno collegato le perdite di energia nelle celle solari a base di kesterite a difetti di massa e difetti interfacciali. Ciò ha portato allo sviluppo di diverse strategie per ridurre queste perdite di energia, migliorando l'efficienza delle celle di kesterite a oltre il 12%.

"Un fatto importante che è stato ampiamente ignorato negli studi precedenti è che potrebbe esistere una grande disomogeneità su microscala nel film sottile policristallino", ha spiegato Hao. "Ad esempio, il bordo del grano e la superficie del grano potrebbero avere una velocità di ricombinazione molto maggiore rispetto a quella all'interno del grano. Pertanto, la comprensione dei meccanismi di perdita del vettore in queste regioni microscopiche è fondamentale per determinare dove dovrebbero essere diretti gli sforzi di ricerca".

Li, Hao e i loro colleghi volevano migliorare la comprensione delle celle solari di kesterite, in modo che possano raggiungere il CdTe e le celle CIGSe a calcopirite, che sono ora sul mercato. Per fare ciò, hanno combinato un quadro teorico con simulazioni di celle solari tridimensionali (3D).

"Sebbene alcune proprietà degli interni del grano e dei bordi del grano, come i difetti di cristallinità intragrain e la flessione della banda ai bordi del grano, siano state studiate in passato, utilizzando rispettivamente analisi strutturali ed elettriche ad alta risoluzione, meccanismi di perdita dettagliati in queste regioni microscopiche, in particolare la ricombinazione del bordo del grano e la durata del supporto interno del grano e il loro impatto sulle prestazioni del dispositivo, rimangono sconosciuti", ha affermato Hao. "Nel nostro recente lavoro, sveliamo i meccanismi microscopici di perdita del vettore nella nostra efficienza record (>12%) Cu₂ ZnSnSe₄ celle solari (CZTSe) stabilendo un quadro che collega le caratterizzazioni strutturali, elettriche e fotoelettriche su scala micro e macro con simulazioni di dispositivi a celle solari tridimensionali."

Le simulazioni effettuate dai ricercatori erano basate su una cella unitaria 3D che replicava la forma delle celle solari di kesterite che avevano creato, utilizzando immagini SEM e STEM delle celle. I ricercatori hanno ottenuto sperimentalmente parametri fotoelettronici delle cellule, inclusa la loro densità del vettore libero, potenziale fluttuazione, classificazione del gap di banda e media statistica S_GB (velocità di ricombinazione non radiativa ai bordi del grano). Tutti questi parametri sono stati integrati nel loro modello di simulazione.

"Le vite e le mobilità di elettroni e lacune intragrano possono essere ottenute abbinando J-V ed EQE sperimentali", ha affermato Hao "In particolare, la velocità di ricombinazione non radiativa ai bordi del grano e all'interno del grano viene prima confrontata qualitativamente eseguendo la catodoluminescenza (CL) mappatura su un dispositivo CZTSSe a sezione trasversale tagliata direttamente."

I ricercatori hanno utilizzato diverse caratterizzazioni microscopiche e macroscopiche delle celle solari che avevano creato per stimare il trasporto del vettore alle interfacce anteriore e posteriore del dispositivo. Ciò ha permesso loro di determinare i meccanismi di ricombinazione dei portatori sia all'interno del grano che ai bordi del grano, ma anche di stimare la concentrazione e la fluttuazione dei portatori.

Nelle loro misurazioni, il team ha scoperto che nella regione che hanno misurato tutti i bordi di grano esibiva un'intensità CL nettamente inferiore rispetto a quella trovata negli interni del guadagno. Ciò suggerisce che i bordi del grano hanno una velocità di ricombinazione non radiativa molto maggiore rispetto agli interni del grano.

"Apparentemente, la ricombinazione del bordo del grano sta dominando la perdita di vettore che abbiamo osservato dalle immagini EBIC (corrente indotta da fascio di elettroni)", ha detto Hao. "Questo è un risultato eccitante, soppressivo e tuttavia ragionevole. In realtà è l'incentivo per il quadro complessivo sopra menzionato che combina le caratterizzazioni e la simulazione del dispositivo fotovoltaico 3D per ottenere la velocità di ricombinazione del vettore al bordo del grano e la durata dell'interno del grano e successiva percorso verso oltre il 20% di efficienza."

In sostanza, utilizzando misurazioni, simulazioni e calcoli, Li, Hao e i loro colleghi sono stati in grado di creare un modello simulato 3D del loro dispositivo. Questo modello li ha aiutati a svelare i meccanismi primari del vettore su microscala che influenzano le prestazioni delle celle solari.

Il team ha dimostrato che la ricombinazione del bordo del grano limita la durata effettiva del vettore della kesterite sfusa. Hanno scoperto che la velocità di ricombinazione del bordo del grano associata alla kesterite, a un livello di 10 ⁴ cm s ⁻¹ , è di uno o due ordini di grandezza maggiore di quello di CIGSe e CdTe; mentre la vita del portatore di minoranza intracereale è stimata in 10–30 ns e la densità del portatore netto intorno a 1,8 × 10 ¹⁵ cm ⁻³ .

"Sembra che la ben riconosciuta tensione a circuito aperto (V_OC ) le perdite dovute alla fluttuazione del gap di banda e/o alla fluttuazione del potenziale elettrostatico sono piccole", ha affermato Hao. "Invece, i meccanismi di perdita dominanti delle attuali celle solari CZTSe all'avanguardia sono associati alla grave ricombinazione non radiativa ai bordi del grano . Questi risultati indicano che i meccanismi di perdita del vettore della kesterite CZTSe sono più simili al CdTe storico piuttosto che alla calcopirite a lungo creduto (CIGS)."

Il recente lavoro di questo team di ricercatori mostra che la kesterite potrebbe avere una durata degli elettroni intragrain sorprendentemente ampia di 10 ^-30 ns e grande mobilità del foro intracereale di 30–50 cm ² V ^-1 s ^-1 . Questi valori evidenziano l'enorme potenziale del materiale per la creazione di celle solari efficienti e altri dispositivi optoelettronici, inclusi fotorilevatori e fotocatodi per dispositivi fotoelettrochimici (PEC).

"Abbiamo dimostrato che la qualità di massa dei nostri materiali di kesterite è molto migliore di quanto ci si aspetta dalla comunità e che il problema chiave delle celle solari di kesterite a basso bandgap sono le interfacce interne (confini del grano), che è una scoperta molto sorprendente ma ragionevole". disse Li. "Ora speriamo di saperne di più sui bordi di grano dei materiali di kesterite e di escogitare un metodo adeguato per curare i bordi di grano dei materiali di kesterite come la storica passivazione del bordo di grano delle celle solari a film sottile Calcopirite (CIGS) e CdTe commercializzate ."

In futuro, i risultati raccolti da Hao, Li e dai loro colleghi potrebbero aprire la strada allo sviluppo di dispositivi basati sulla kesterite con efficienze superiori al 20%. Inoltre, il modello che hanno creato potrebbe essere utilizzato per comprendere meglio le basi di complesse tecnologie solari basate su film sottili di altri materiali emergenti.

"Sulla base di questo lavoro, un ulteriore miglioramento dell'efficienza oltre il 20% richiede una sostanziale passivazione del bordo del grano e un aumento della densità del vettore netto", ha aggiunto Hao. "I nostri prossimi studi si concentreranno sulla comprensione dei difetti al bordo del grano delle kesteriti e sullo sviluppo di strategie di passivazione del bordo del grano". + Esplora ulteriormente

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