Kesterita Cu₂ ZnSn(S,Se)₄ é um material fotovoltaico verde emergente e promissor, pois é abundante na Terra, não agride o meio ambiente, possui estrutura estável, grande sintonização e propriedades optoeletrônicas vantajosas. Apesar de suas qualidades, as células solares baseadas em kesterita normalmente apresentam baixa eficiência de conversão de energia, o que dificulta sua comercialização e implementação em larga escala.
Pesquisadores da Universidade de Nova Gales do Sul, em Sydney, realizaram recentemente um estudo com o objetivo de entender melhor os mecanismos que promovem perdas microscópicas de portadores em células solares de kesterita, reduzindo suas eficiências. Suas descobertas, publicadas em Nature Energy , poderia ajudar a facilitar a implementação em larga escala dessa classe promissora de células solares.

"A comunidade de pesquisa encontrou um grande desafio para melhorar o desempenho das células solares de kesterita, que está associado à complexidade sem precedentes do sistema de materiais, bem como aos mecanismos de perda de portadores", Jianjun Li, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse TechXplore. “Tem sido um longo debate sobre qual mecanismo de perda de portadora está dominando nas atuais células solares de kesterita de última geração”.

Compreender os mecanismos subjacentes à perda de portadores em tipos específicos de células solares é um passo essencial no seu desenvolvimento e comercialização. O objetivo principal do trabalho recente de Li e seus colegas foi identificar os mecanismos de perda dominantes em células solares de kesterita de última geração. Os pesquisadores também queriam criar uma estrutura que permitisse que eles e outras equipes analisassem dinamicamente os mecanismos de perda dominantes em células solares com base em diferentes filmes finos policristalinos emergentes, incluindo kesterita, bem como calcogenetos de antimônio, perovskitas e outros materiais.

“Apesar da grande promessa, todo o potencial da kesterita está longe de ser explorado”, disse Xiaojing Hao, outro pesquisador envolvido no estudo, ao TechXplore. "A eficiência mais alta atual é de 13,6% em células de escala de laboratório, que é muito menor do que a eficiência de>22% de suas contrapartes comercializadas (para CIGS (CuInGa(S,Se)₂ ) e células solares de CdTe). No entanto, de acordo com as previsões teóricas, sua eficiência deve ser tão alta quanto> 30%."

Vários estudos anteriores ligaram as perdas de energia em células solares baseadas em kesterita a defeitos de ponto de massa e defeitos interfaciais. Isso levou ao desenvolvimento de diferentes estratégias para reduzir essas perdas de energia, melhorando a eficiência das células de kesterita para mais de 12%.

"Um fato importante que foi amplamente ignorado em estudos anteriores é que uma grande heterogeneidade em microescala pode existir no filme fino policristalino", explicou Hao. "Por exemplo, o contorno de grão e a superfície de grão podem ter uma velocidade de recombinação muito maior do que nos interiores de grão. Portanto, entender os mecanismos de perda de portadores nessas regiões microscópicas é imperativo para determinar para onde os esforços de pesquisa devem ser direcionados".

Li, Hao e seus colegas queriam melhorar a compreensão das células solares de kesterita, para que pudessem alcançar as células CdTe e calcopirita CIGSSe, que agora estão no mercado. Para fazer isso, eles combinaram uma estrutura teórica com simulações de células solares tridimensionais (3D).

"Embora algumas propriedades dos interiores de grãos e contornos de grão, como defeitos de cristalinidade intragrãos e flexão de banda nos contornos de grão, tenham sido investigadas no passado, usando análise estrutural e elétrica de alta resolução, respectivamente, mecanismos de perda detalhados nessas regiões microscópicas, especialmente a recombinação do contorno de grão e a vida útil do interior do grão e seu impacto no desempenho do dispositivo, permanecem desconhecidos", disse Hao. "Em nosso trabalho recente, revelamos os mecanismos microscópicos de perda de portadora em nossa eficiência recorde (>12%) Cu₂ ZnSnSe₄ (CZTSe) células solares, estabelecendo uma estrutura que liga caracterizações estruturais, elétricas e fotoelétricas em escala micro a macro com simulações tridimensionais de dispositivos de células solares."

As simulações realizadas pelos pesquisadores foram baseadas em uma célula unitária 3D que replicava a forma das células solares de kesterita que eles criaram, usando imagens SEM e STEM das células. Os pesquisadores obtiveram experimentalmente parâmetros fotoeletrônicos das células, incluindo sua densidade de portadores livres, flutuação de potencial, classificação de bandgap e média estatística S_GB (velocidade de recombinação não radiativa nos contornos de grão). Todos esses parâmetros foram integrados em seu modelo de simulação.

"As vidas e mobilidades de elétrons e buracos intragrãos podem ser obtidas combinando o J-V experimental e o EQE", disse Hao "Em particular, a velocidade de recombinação não radiativa nos limites de grãos e no interior dos grãos é comparada qualitativamente pela realização de catodoluminescência (CL) mapeamento em um dispositivo CZTSSe transversal diretamente clivado."

Os pesquisadores usaram diferentes caracterizações microscópicas e macroscópicas de células solares que eles criaram para estimar o transporte da transportadora nas interfaces frontal e traseira do dispositivo. Isso permitiu que eles determinassem mecanismos de recombinação de carreadores tanto no interior dos grãos quanto nos contornos de grão, mas também para estimar a concentração e flutuação dos carreadores.

Em suas medições, a equipe descobriu que na região em que mediram todos os contornos de grão exibiam uma intensidade de CL pronunciadamente menor do que a encontrada nos interiores de ganho. Isso sugere que os contornos de grão têm uma velocidade de recombinação não radiativa muito maior do que os interiores de grão.

"Aparentemente, a recombinação do contorno de grão está dominando a perda de portadora que observamos nas imagens EBIC (corrente induzida por feixe de elétrons)", disse Hao. "Este é um resultado empolgante, supressor e ainda razoável. Na verdade, é o incentivo para a estrutura geral projetada acima mencionada, combinando as caracterizações e a simulação de dispositivos fotovoltaicos 3D para atingir a velocidade de recombinação da portadora no limite do grão e a vida útil do interior do grão e subsequente caminho para além de 20% de eficiência."

Essencialmente, usando medições, simulações e cálculos, Li, Hao e seus colegas conseguiram criar um modelo simulado em 3D de seu dispositivo. Este modelo os ajudou a desvendar os principais mecanismos de transporte em microescala que afetam o desempenho das células solares.

A equipe mostrou que a recombinação do contorno de grão limita a vida útil efetiva da kesterita a granel. Eles descobriram que a velocidade de recombinação do contorno de grão associada da kesterita, em um nível de 10 ⁴ cm s ⁻¹ , é uma a duas ordens de grandeza maior que a de CIGSSe e CdTe; enquanto a vida útil do portador minoritário intragrão é estimada em 10–30 ns e a densidade líquida do portador em torno de 1,8 × 10 ¹⁵ cm ⁻³ .

"Parece que a tensão de circuito aberto bem reconhecida (V_OC ) as perdas devido à flutuação do bandgap e/ou flutuação do potencial eletrostático são pequenas", disse Hao. . Essas descobertas significam que os mecanismos de perda de transportadores da kesterita CZTSe são mais parecidos com o histórico CdTe do que com a calcopirita há muito tempo acreditada (CIGS).

O trabalho recente dessa equipe de pesquisadores mostra que a kesterita pode ter um tempo de vida do elétron intragrão surpreendentemente grande de 10 ^-30 ns e grande mobilidade de orifícios intragrãos de 30 a 50 cm ² V ^-1 s ^-1 . Esses valores destacam o enorme potencial do material para a criação de células solares eficientes e outros dispositivos optoeletrônicos, incluindo fotodetectores e fotocátodos para dispositivos fotoeletroquímicos (PEC).

“Mostramos que a qualidade em massa de nossos materiais de kesterita é muito melhor do que o esperado da comunidade e que o principal problema das células solares de kesterita de baixo bandgap são as interfaces internas (limites de grão), o que é uma descoberta muito surpreendente, mas razoável”, disse. disse Li. "Esperamos agora descobrir mais sobre os contornos de grão de materiais de kesterita e desenvolver um método adequado para curar os contornos de grão de materiais de kesterita como a passivação histórica de contorno de grão das células solares de filme fino de Calcopirita (CIGS) e CdTe comercializadas ."

No futuro, as descobertas coletadas por Hao, Li e seus colegas podem abrir caminho para o desenvolvimento de dispositivos baseados em kesterita com eficiência de mais de 20%. Além disso, o modelo que eles criaram pode ser usado para entender melhor os fundamentos de tecnologias solares complexas baseadas em filmes finos de outros materiais emergentes.

"Com base neste trabalho, a melhoria da eficiência para além de 20% de eficiência requer uma passivação substancial do contorno de grão e aumento da densidade da rede de transporte", acrescentou Hao. "Nossos próximos estudos serão focados na compreensão dos defeitos no contorno de grão das kesteritas e no desenvolvimento de estratégias de passivação do contorno de grão". + Explorar mais

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