Specifieke veranderingen in de samenstelling van kesterite-type halfgeleiders maken het mogelijk om hun geschiktheid als absorberende lagen in zonnecellen te verbeteren. Zoals een team op het Helmholtz-Zentrum Berlin liet zien, dit geldt met name voor kesterieten waarin tin werd vervangen door germanium. De wetenschappers onderzochten de monsters met behulp van neutronendiffractie bij BER II en andere methoden. Het werk werd geselecteerd voor de omslag van het tijdschrift CrystEngComm .

Kesterieten zijn halfgeleiderverbindingen gemaakt van de elementen koper, blik, zink, en selenium. Deze halfgeleiders kunnen worden gebruikt als optisch absorptiemateriaal in zonnecellen, maar hebben tot nu toe slechts een maximale efficiëntie van 12,6 procent behaald, terwijl zonnecellen gemaakt van koper-indium-gallium-selenide (CIGS) al een efficiëntie van meer dan 20 procent halen. Hoe dan ook, kesterieten worden beschouwd als interessante alternatieven voor CIGS-zonnecellen omdat ze bestaan ​​uit gemeenschappelijke elementen, zodat er geen knelpunten in de bevoorrading te verwachten zijn. Een team onder leiding van professor Susan Schorr van de HZB heeft nu een reeks niet-stoichiometrische kesterietmonsters onderzocht en licht geworpen op de relatie tussen compositie en de opto-elektronische eigenschappen. Tijdens de synthese van de samples bij de HZB, de tinatomen werden vervangen door germanium.

Neutronendiffractie bij BER II

De onderzoekers onderzochten deze monsters vervolgens met behulp van neutronendiffractie op BER II. Koper, zink, en germanium zijn met deze methode bijzonder goed van elkaar te onderscheiden, en hun posities kunnen zich in het kristalrooster bevinden. Het resultaat:kesterieten met een enigszins koperarme en zinkrijke samenstelling die in zonnecellen met de hoogste efficiëntie worden aangetroffen, hebben ook de laagste concentratie aan puntdefecten en de laagste stoornis van koper-zink. Hoe meer de compositie werd verrijkt met koper, hoe hoger de concentratie was van andere puntdefecten die als nadelig werden beschouwd voor de prestaties van zonnecellen. Verder onderzoek toonde aan hoe de energiebandkloof, zoals het bekend is, hangt af van de samenstelling van de kesterietpoedermonsters.

De effecten van Germanium

"Deze band gap is een kenmerk van halfgeleiders en bepaalt welke frequenties van licht ladingsdragers in het materiaal vrijgeven, " legt René Gunder uit, eerste auteur van het werk. "We weten nu dat germanium de optische bandafstand vergroot, waardoor het materiaal een groter deel van het zonlicht kan omzetten in elektrische energie."

Kesterieten:kandidaat voor zonnecellen en fotokatalysatoren

“We zijn ervan overtuigd dat dit soort kesterieten niet alleen geschikt zijn voor zonnecellen, maar kan ook voor andere toepassingen in aanmerking komen. Kesterieten die als fotokatalysatoren werken, kunnen mogelijk water in waterstof en zuurstof splitsen met behulp van zonlicht, en om zonne-energie op te slaan in de vorm van chemische energie, ", legt Schorr uit.