Kesteriet Cu₂ ZnSn(S,Se)₄ is een opkomend en veelbelovend groen fotovoltaïsch materiaal, omdat het overvloedig aanwezig is op aarde, het milieu niet schaadt en een stabiele structuur, een grote afstembaarheid en voordelige opto-elektronische eigenschappen heeft. Ondanks hun kwaliteiten hebben zonnecellen op basis van kesteriet doorgaans een slechte energieconversie-efficiëntie, wat hun commercialisering en grootschalige implementatie belemmert.

Onderzoekers van de Universiteit van New South Wales in Sydney hebben onlangs een onderzoek uitgevoerd om de mechanismen die microscopisch kleine dragerverliezen in kesterite-zonnecellen bevorderen, beter te begrijpen, waardoor hun efficiëntie wordt verminderd. Hun bevindingen, gepubliceerd in Nature Energy , zou uiteindelijk kunnen helpen om de grootschalige implementatie van deze veelbelovende klasse van zonnecellen te vergemakkelijken.

"De onderzoeksgemeenschap is een grote uitdaging tegengekomen bij het verbeteren van de prestaties van kesterite-zonnecellen, wat wordt geassocieerd met de ongekende complexiteit van het materiële systeem en de mechanismen voor het verlies van dragers," Jianjun Li, een van de onderzoekers die het onderzoek uitvoerde, vertelde TechXplore. "Er is lang gediscussieerd over welk mechanisme voor het verlies van dragers domineert in de huidige state-of-the-art kesterite-zonnecellen."

Het begrijpen van de mechanismen die ten grondslag liggen aan het verlies van dragers in specifieke soorten zonnecellen is een essentiële stap in hun ontwikkeling en commercialisering. Het belangrijkste doel van het recente werk van Li en zijn collega's was het identificeren van de dominante verliesmechanismen in ultramoderne kesterite-zonnecellen. De onderzoekers wilden ook een raamwerk bedenken dat hen en andere teams in staat zou stellen om de dominante verliesmechanismen in zonnecellen dynamisch te analyseren op basis van verschillende opkomende polykristallijne dunne films, waaronder kesteriet en antimoon-chalcogeniden, perovskieten en andere materialen.

"Ondanks de grote belofte, moet het volledige potentieel van kesterite nog lang worden benut", vertelde Xiaojing Hao, een andere onderzoeker die bij het onderzoek betrokken was, aan TechXplore. "De huidige hoogste efficiëntie is 13,6% op cellen op laboratoriumschaal, wat veel lager is dan de efficiëntie van>22% van hun gecommercialiseerde tegenhangers (voor CIGS (CuInGa(S,Se)₂ ) en CdTe-zonnecellen). Desalniettemin, volgens theoretische voorspellingen, zou de efficiëntie zo hoog moeten zijn als>30%."

Verschillende eerdere studies hebben energieverliezen in op kesterite gebaseerde zonnecellen in verband gebracht met bulkpuntdefecten en grensvlakdefecten. Dit heeft geleid tot de ontwikkeling van verschillende strategieën om deze energieverliezen te verminderen, waardoor de efficiëntie van kesterietcellen is verbeterd tot meer dan 12%.

"Een belangrijk feit dat in eerdere onderzoeken grotendeels is genegeerd, is dat er grote inhomogeniteit op microschaal zou kunnen bestaan ​​​​in de polykristallijne dunne film", legt Hao uit. "De korrelgrens en het korreloppervlak zouden bijvoorbeeld een veel grotere recombinatiesnelheid kunnen hebben dan die in het binnenste van de korrels. Daarom is het noodzakelijk om de mechanismen voor het verlies van dragers in deze microscopische regio's te begrijpen om te bepalen waar de onderzoeksinspanningen op gericht moeten zijn."

Li, Hao en hun collega's wilden het begrip van kesterite-zonnecellen verbeteren, zodat ze CdTe- en chalcopyriet-CIGSSe-cellen kunnen inhalen, die nu op de markt zijn. Hiervoor combineerden ze een theoretisch kader met driedimensionale (3D) zonnecelsimulaties.

"Hoewel sommige eigenschappen van de korrelinterieurs en korrelgrenzen, zoals intragrain kristalliniteitsdefecten en bandverbuiging aan de korrelgrenzen, in het verleden zijn onderzocht met behulp van respectievelijk structurele en elektrische analyse met hoge resolutie, gedetailleerde verliesmechanismen in deze microscopische gebieden, met name de recombinatie van de korrelgrens en de levensduur van de interne drager van het graan en hun impact op de prestaties van het apparaat, blijven onbekend," zei Hao. "In ons recente werk onthullen we de microscopische mechanismen voor het verlies van dragers in onze recordefficiëntie (>12%) Cu₂ ZnSnSe₄ (CZTSe) zonnecellen door een raamwerk tot stand te brengen dat structurele, elektrische en foto-elektrische karakteriseringen op micro-tot-macroschaal koppelt aan driedimensionale simulaties van zonnecellen."

De simulaties die door de onderzoekers werden uitgevoerd, waren gebaseerd op een 3D-eenheidscel die de vorm van kesterite-zonnecellen repliceerde die ze hadden gemaakt, met behulp van SEM- en STEM-afbeeldingen van de cellen. De onderzoekers hebben experimenteel foto-elektronische parameters van de cellen verkregen, waaronder hun vrije dragerdichtheid, potentiële fluctuatie, bandgap-grading en statistisch gemiddelde S_GB (niet-stralingsrecombinatiesnelheid aan de korrelgrenzen). Al deze parameters werden geïntegreerd in hun simulatiemodel.

"Intragrain-elektronen- en gatlevensduren en mobiliteiten kunnen worden verkregen door de experimentele J-V en EQE te matchen," zei Hao. "In het bijzonder wordt de niet-stralingsrecombinatiesnelheid aan korrelgrenzen en korrelinterieurs eerst kwalitatief vergeleken door kathodoluminescentie (CL) uit te voeren) mapping op een direct gesplitst CZTSSe-apparaat in dwarsdoorsnede."

De onderzoekers gebruikten verschillende microscopische en macroscopische karakteriseringen van zonnecellen die ze hadden gemaakt om het vervoer van de drager aan de voor- en achterkant van het apparaat te schatten. Dit stelde hen in staat om recombinatiemechanismen van dragers te bepalen in zowel het binnenste van de korrels als aan de korrelgrenzen, maar ook om de concentratie en fluctuatie van dragers in te schatten.

In hun metingen ontdekte het team dat in de regio die ze maten alle korrelgrenzen een duidelijk lagere CL-intensiteit vertoonden dan die in de versterkingsinterieurs. Dit suggereert dat de korrelgrenzen een veel grotere niet-stralingsrecombinatiesnelheid hebben dan de korrelinterieurs.

"Blijkbaar domineert de recombinatie van de korrelgrens het dragerverlies dat we hebben waargenomen op basis van EBIC-beelden (elektronenbundel-geïnduceerde stroom)", zei Hao. "Dit is een opwindend, onderdrukkend en toch redelijk resultaat. Het is eigenlijk de stimulans voor het bovengenoemde algemeen ontworpen raamwerk dat de karakteriseringen en 3D-fotovoltaïsche apparaatsimulatie combineert om de recombinatiesnelheid van de drager aan de korrelgrens en levensduur van het graaninterieur en daaropvolgende weg naar meer dan 20% efficiëntie."

In wezen konden Li, Hao en hun collega's met behulp van metingen, simulaties en berekeningen een 3D-gesimuleerd model van hun apparaat maken. Dit model hielp hen de primaire mechanismen van microschaaldragers te onthullen die de prestaties van de zonnecellen beïnvloeden.

Het team toonde aan dat recombinatie van de korrelgrens de effectieve levensduur van de drager van kesteriet in bulk beperkt. Ze ontdekten dat de bijbehorende recombinatiesnelheid van de korrelgrens van kesteriet, op een niveau van 10 ⁴ cm s ⁻¹ , is één tot twee ordes van grootte groter dan die van CIGSse en CdTe; terwijl de levensduur van de intragrain minderheidsdrager wordt geschat op 10–30 ns en de netto dragerdichtheid rond 1,8 × 10 ¹⁵ cm ⁻³ .

"Het lijkt erop dat de algemeen erkende nullastspanning (V_OC ) verliezen als gevolg van bandgap-fluctuatie en/of elektrostatische potentiaalfluctuatie zijn klein, "zei Hao. "In plaats daarvan worden de dominante verliesmechanismen van de huidige state-of-the-art CZTSe-zonnecellen geassocieerd met de ernstige niet-stralingsrecombinatie bij korrelgrenzen . Deze bevindingen betekenen dat de mechanismen voor dragerverlies van kesteriet CZTSe meer lijken op het historische CdTe dan op het lang veronderstelde chalcopyriet (CIGS)."

Het recente werk van dit team van onderzoekers laat zien dat kesterite een verrassend lange intragraine elektronenlevensduur van 10 ^-30 kan hebben. ns en mobiliteit van grote intragrain-gaten van 30-50 cm ² V ^-1 s ^-1 . Deze waarden benadrukken het enorme potentieel van het materiaal voor het maken van efficiënte zonnecellen en andere opto-elektronische apparaten, waaronder fotodetectoren en fotokathoden voor foto-elektrochemische (PEC) apparaten.

"We hebben aangetoond dat de bulkkwaliteit van onze kesterite-materialen veel beter is dan verwacht van de gemeenschap en dat het belangrijkste probleem van de kesterite-zonnecellen met een lage bandgap de interne interfaces (korrelgrenzen) zijn, wat een zeer verrassende maar redelijke bevinding is," zei Li. "We hopen nu meer te weten te komen over de korrelgrenzen van kesterietmaterialen en een goede methode te bedenken om de korrelgrenzen van kesterietmaterialen te genezen als de historische korrelgrenspassivering van de gecommercialiseerde Chalcopyrite (CIGS) en CdTe dunne-film zonnecellen ."

In de toekomst kunnen de bevindingen van Hao, Li en hun collega's de weg vrijmaken voor de ontwikkeling van op kesterite gebaseerde apparaten met een efficiëntie van meer dan 20%. Bovendien kan het model dat ze hebben gemaakt, worden gebruikt om de basis van complexe zonnetechnologieën op basis van dunne films van andere opkomende materialen beter te begrijpen.

"Op basis van dit werk vereist verdere efficiëntieverbetering tot meer dan 20% efficiëntie een substantiële korrelgrenspassivering en een toename van de netto dragerdichtheid", voegde Hao eraan toe. "Onze volgende studies zullen gericht zijn op het begrijpen van de defecten aan de korrelgrens van kesterieten en het ontwikkelen van strategieën voor korrelgrenspassivering." + Verder verkennen

Fluoroethylamine-engineering voor effectieve passivering verbetert de efficiëntie van perovskiet-zonnecellen

© 2022 Science X Network