UNSW solenergiforskare och Scientia Fellow Dr. Xiaojing Hao och hennes team har uppnått två världsrekord i energieffektivitet för framtidens solcellsmaterial, sulfidkesterit.

Dr. Hao och hennes team bröt 10-procentig effektivitetsbarriär för inte bara sulfidkesterit utan även för en kesteritsolcell i standardstorlek, oavsett om det är rent sulfidmaterial eller innehåller mindre önskvärt selen.

Resultatet, som publiceras i en tidning i Naturenergi i dag, är det fjärde effektivitetsrekordet i rad som uppnåtts av gruppen ledd av Dr. Hao på två år.

Dr. Hao säger att även om energieffektiviteten ännu inte är på en nivå som kan användas inom industrin, resultaten är lovande för ett material som är rikligt och billigt att införskaffa.

"Sulfidkesterit är en förening som består av koppar, zink, tenn och svavel – fyra billiga och rikliga grundämnen i jordskorpan, " hon säger.

"Jag kallar dem gröna material, för förutom att det är rikligt, de är också giftfria."

Sulfidkesterit (Cu ₂ ZnSnS ₄ , även kallat CZTS) är ett tunnfilmshalvledarmaterial som härrör från fotovoltaiskt (PV) material CIGS (kopparindiumgallium(di)selenid) som är en kommersialiserad högeffektiv tunnfilms-PV-teknik som har den extra fördelen att kunna appliceras på flexibla ytor.

Dock, en nackdel med CIGS är att indium är relativt sällsynt och i hög efterfrågan för användning i platta skärmar (som tv-skärmar, anteckningsbok skärmar, och pekskärmar), vilket betyder att det är dyrt. En av utmaningarna med solceller är beroendet av sällsynta och giftiga material för användning i tunnfilmssolcellsproduktion.

"Priset på indium är redan högt och förväntas fortsätta stiga, eftersom marknaden för platta bildskärmar växer, " säger Dr Hao.

Ange CZTS. Genom att ersätta indium och gallium med rikligt med zink och tenn, du har en förening som uppfyller kriterierna för låg kostnad, flexibel, giftfri och riklig.

"Utöver det, som en fristående tunnfilms-PV, CZTS-relaterat material har en chans att användas i en tandemcell med kisel eftersom dess bandgap lätt kan ställas in över ett brett spektrum när det legeras med andra element, vilket gör den väl anpassad till de höga bandgapkraven för de övre cellerna i tandemstaplar, " förklarar Dr Hao.

"Nyckelförutsättningen för en sådan utveckling är att vi måste få effektiviteten hos CZTS till över 20 procent för att vi ska se en total energieffektivitet på mer än 30 procent, " säger Dr Hao.

En annan fördel med att använda sulfidkesterit är att tillverkningsprocesser för CIGS lätt kan anpassas till att producera CZTS. Att lägga till det faktum att den tunna filmen kan appliceras på flexibla ytor gör den till ett attraktivt alternativ.

"De flexibla PV-cellerna är lätta, utökar deras potentiella användning för byggnadsintegration och på andra ojämna ytor som bilar eller obemannade flygfarkoster (UAV)."

Så CZTS är billigt, rikligt hämtade, flexibel, giftfri och lätt integrerad i befintliga tillverkningsprocesser. Saknas är de energieffektivitetsnivåer som behövs för att materialet ska kunna användas kommersiellt.

Med tanke på de framsteg i effektivitet som gjorts under de senaste åren – från 7,6 procent till 11 procent – ​​tror Dr. Hao att hon och hennes team är på rätt väg för att uppnå effektivitetsnivåer på 15 eller 20 procent. Men hon har ingen illusion om att det kommer att hända över en natt.

"För varje effektivitetsförändring, vi behöver en stegvis förändringsteknik för att få det att hända, " säger Dr Hao.

"Med CZTS, det finns fortfarande så många saker som vi inte vet. Att reda ut dessa okända är det mest spännande äventyret."

Hon är ganska exalterad över de senaste opublicerade resultaten som kan medföra betydande förändringar. För att säkerställa att dessa nya rön utvecklas ytterligare, hon kommer att ansöka om medel för ett nytt projekt i slutet av året.