Ett strukturdiagram av ZnO/Se0.7 Te0,3 solceller som kartlagts för att visa JV-kurvan, eller ström-spänningsförhållandet, visar att ZnO/Se0,7 Te0,3 solceller uppnår en överlägsen verkningsgrad på 1,85 %. Kredit:Jiajia Zheng et al
Med de globala energirelaterade koldioxidutsläppen som når sin högsta nivå 2021, är behovet av ren energi mer pressande än någonsin. Ett sådant alternativ till fossila bränslen är solenergi. Solceller har utvecklats med en mängd olika material, men selen (Se) är ett önskvärt alternativ eftersom det är billigt, stabilt och giftfritt, enligt Chao Chen från Wuhan National Laboratory for Optoelectronics (WNLO) och School of Optical Electronic Information vid Huazhong University of Science and Technology, Kina.
Dess effektivitet begränsas dock av dess låga smältpunkt och breda bandgap - intervallet där inga elektroniska tillstånd kan existera. Nu har Chen och andra forskare övervunnit dessa begränsningar genom att legera selen med tellur (Te), vilket gör selensolceller till ett mer attraktivt alternativ.
Forskarna publicerade sina resultat i Frontiers of Optoelectronics .
Det optimala bandgapområdet för solceller med en korsning är 1-1,5 eV, enligt forskarna, men Se:s bandgap är cirka 1,8 eV, vilket gör det bredare än idealiskt för användning i solceller. Forskarna kunde ställa in solcellerna till Shockley-Queisser-gränsen, som är den maximala teoretiska effektiviteten för en solcell med en enda korsning, genom att para selen med tellur.
"Att legera [selen] med tellur, som har samma kristallstruktur och [har ett] smalt bandgap, kan justera bandgapet och öka smältpunkten, vilket utökar absorptionsspektrumet och förbättrar kvaliteten på [selensolcellens] filmer, " sa Chen, docent vid School of Optical Electronic Information vid Huazhong University of Science and Technology, som är motsvarande författare. "Därför Se1 - x Tex legering förväntas uppnå en förbättring av solcellseffektiviteten."
Forskarna använde också zinkoxid (ZnO) som ett elektrontransportskikt i tillverkningen av solcellerna på grund av den korrekta bandinriktningen och milda reaktionen vid gränsytan mellan zinkoxiden och selen/tellur.
"Zinkoxid valdes som elektrontransportskiktet, som kan reagera något med Se för att förbättra dess gränsytevidhäftning och för att minska hängande bindningar och därmed minska gränsytdefekter," sa Chen.
Chen sa att denna användning av zinkoxid var en av de nya delarna av den här forskningen, tillsammans med analysen som forskarna gjorde av vissa aspekter av selentellur solceller.
"Rekombinationsmekanismen och defekttypen för Se1 - x Tex legerade solceller analyserades genom karakteriseringar av ljusintensitetsberoende ström-spänning, kapacitans-spänning och temperaturberoende admittans, vilket kommer att bidra till att ytterligare optimera Se1 - x Tex legeringssystem," sa Chen.
Efter att ha tillverkat de nya selentellur-solcellerna med zinkoxidelektrontransportskikt fann forskarna att det nya materialet behåller de tidigare kända positiva egenskaperna att ha en stor absorptionskoefficient och vara mycket fotokonduktivt samtidigt som det förbättrar effektiviteten.
"Effektiviteten hos ZnO/Se0.7 Te0,3 solceller har mer än fördubblats efter nio månader i luften", sa Chen. "ZnO/Se0,7 Te0,3 [är bevisat som] en överlägsen koppling med energibandsmatchning och tät vidhäftning, och effektiviteten på 1,85 % har uppnåtts preliminärt."
Forskarna försöker nu förbättra sin tillverkning av solceller och sedan skala tekniken.
"Nästa steg blir att förbereda Se1 av hög kvalitet - x Tex legeringsfilmer – eliminera hål och vakansdefekter och så vidare – och optimera enhetens struktur – lägga till håltransportskiktet och så vidare – för att ytterligare förbättra effektiviteten hos Se1 - x Tex legerade solceller och uppnå massproduktion." + Utforska vidare
