Kesterite Cu₂ ZnSn(S,Se)₄ är ett framväxande och lovande grönt fotovoltaiskt material, eftersom det finns rikligt på jorden, inte skadar miljön och har en stabil struktur, en stor avstämbarhet och fördelaktiga optoelektroniska egenskaper. Trots sina egenskaper har solceller baserade på kesterit vanligtvis dålig effektomvandlingseffektivitet, vilket hindrar deras kommersialisering och storskaliga implementering.

Forskare vid University of New South Wales i Sydney har nyligen genomfört en studie som syftar till att bättre förstå mekanismerna som främjar mikroskopiska bärarförluster i kesteritsolceller, vilket minskar deras effektivitet. Deras resultat, publicerade i Nature Energy , skulle i slutändan kunna hjälpa till att underlätta den storskaliga implementeringen av denna lovande klass av solceller.

"Forskarsamhället har stött på en stor utmaning när det gäller att förbättra prestandan hos kesteritsolceller, vilket är förknippat med materialsystemets oöverträffade komplexitet såväl som bärarförlustmekanismerna," Jianjun Li, en av forskarna som genomförde studien, berättade för TechXplore. "Det har varit en lång debatt om vilken bärarförlustmekanism som dominerar i nuvarande toppmoderna kesteritsolceller."

Att förstå mekanismerna bakom bärarförlust i specifika typer av solceller är ett viktigt steg i deras utveckling och kommersialisering. Huvudsyftet med det senaste arbetet av Li och hans kollegor var att identifiera de dominerande förlustmekanismerna i toppmoderna kesteritsolceller. Forskarna ville också ta fram ett ramverk som skulle tillåta dem och andra team att dynamiskt analysera de dominerande förlustmekanismerna i solceller baserat på olika framväxande polykristallina tunna filmer, inklusive kesterit såväl som antimonkalkogenider, perovskiter och andra material.

"Trots det stora löftet är den fulla potentialen av kesterit långt kvar att utnyttja," sa Xiaojing Hao, en annan forskare som är involverad i studien, till TechXplore. "Den nuvarande högsta effektiviteten är 13,6 % på celler i labbskala, vilket är mycket lägre än deras kommersialiserade motsvarigheters effektivitet på>22 % (för CIGS (CuInGa(S,Se)₂ ) och CdTe solceller). Icke desto mindre, enligt teoretiska förutsägelser, bör dess effektivitet vara så hög som>30 %."

Flera tidigare studier har kopplat energiförluster i kesteritbaserade solceller till bulkpunktsdefekter och gränssnittsdefekter. Detta har lett till utvecklingen av olika strategier för att minska dessa energiförluster, vilket förbättrar effektiviteten hos kesteritceller till över 12 %.

"Ett viktigt faktum som till stor del har ignorerats i tidigare studier är att stor inhomogenitet i mikroskala kan existera i den polykristallina tunnfilmen," förklarade Hao. "Till exempel kan korngräns och kornyta ha mycket högre rekombinationshastighet än den i korninteriörer. Därför är det absolut nödvändigt att förstå bärarförlustmekanismerna i dessa mikroskopiska regioner för att avgöra vart forskningsinsatserna ska riktas."

Li, Hao och deras kollegor ville förbättra förståelsen för kesteritsolceller, så att de kan komma ikapp med CdTe- och chalcopyrit-CIGSSe-celler, som nu finns på marknaden. För att göra detta kombinerade de ett teoretiskt ramverk med tredimensionella (3D) solcellssimuleringar.

"Även om vissa egenskaper hos korninteriörerna och korngränserna, såsom kristallinitetsdefekter i kornen och bandböjning vid korngränserna, har undersökts tidigare, med hjälp av högupplöst strukturell respektive elektrisk analys, detaljerade förlustmekanismer i dessa mikroskopiska regioner, Speciellt korngränsrekombination och korns inre bärares livslängd och deras inverkan på enhetens prestanda är fortfarande okända," sa Hao. "I vårt senaste arbete avslöjar vi de mikroskopiska bärarförlustmekanismerna i vår rekordeffektivitet (>12 %) Cu₂ ZnSnSe₄ (CZTSe) solceller genom att etablera ett ramverk som länkar samman mikro-till-makro-skala strukturella, elektriska och fotoelektriska karakteriseringar med tredimensionella simuleringar av solcellsenheter."

Simuleringarna som utfördes av forskarna baserades på en 3D-enhetscell som replikerade formen på kesteritsolceller som de hade skapat, med hjälp av SEM- och STEM-bilder av cellerna. Forskarna erhöll experimentellt fotoelektroniska parametrar för cellerna, inklusive deras fria bärardensitet, potentiella fluktuationer, bandgap-gradering och statistiskt genomsnitt S_GB (icke-strålningsrekombinationshastighet vid korngränserna). Alla dessa parametrar integrerades i deras simuleringsmodell.

"Intrarain-elektron- och hållivslängder och mobiliteter kan erhållas genom att matcha den experimentella J–V och EQE," sa Hao, "Särskilt den icke-strålande rekombinationshastigheten vid korngränser och korninteriörer jämförs först kvalitativt genom att utföra katodoluminescens (CL) kartläggning på en direkt kluven tvärsnitts-CZTSSe-enhet."

Forskarna använde olika mikroskopiska och makroskopiska karakteriseringar av solceller de hade skapat för att uppskatta bärartransporten vid enhetens främre och bakre gränssnitt. Detta gjorde det möjligt för dem att bestämma bärarekombinationsmekanismer både i kornens inre och vid korngränserna, men också att uppskatta koncentrationen och fluktuationen av bärare.

I sina mätningar fann teamet att de i regionen mätte alla korngränser uppvisade en uttalat lägre CL-intensitet än den som finns i förstärkningens inre. Detta tyder på att korngränserna har en mycket större icke-strålningsrekombinationshastighet än kornens inre.

"Tydligen dominerar korngränsrekombination bärarförlusten som vi observerade från EBIC-bilder (elektronstråleinducerad ström)", sa Hao. "Detta är ett spännande, undertryckande och ändå rimligt resultat. Det är faktiskt incitamentet för ovannämnda övergripande designade ramverk som kombinerar karaktäriseringarna och 3D-fotovoltaisk enhetssimulering för att uppnå bärarrekombinationshastigheten vid korngränsen och livslängden för korninteriören och efterföljande väg mot mer än 20 % effektivitet."

Med hjälp av mätningar, simuleringar och beräkningar kunde Li, Hao och deras kollegor skapa en 3D-simulerad modell av sin enhet. Denna modell hjälpte dem att avslöja de primära mikroskala bärarmekanismerna som påverkar solcellernas prestanda.

Teamet visade att korngränsrekombination begränsar den effektiva bärarlivslängden för bulkkesterit. De fann att den associerade korngränsrekombinationshastigheten för kesterit, vid en nivå av 10 ⁴ cm s ⁻¹ , är en till två storleksordningar större än den för CIGSSe och CdTe; medan intratrain minoritetsbärares livslängd uppskattas till 10–30 ns och nettobärardensiteten runt 1,8 × 10 ¹⁵ cm ⁻³ .

"Det verkar som om den välkända öppen kretsspänningen (V_OC ) förluster på grund av bandgap-fluktuationer och/eller elektrostatiska potentialfluktuationer är små, säger Hao. . Dessa fynd betyder att bärarförlustmekanismerna för kesterit CZTSe är mer lik den historiska CdTe snarare än den sedan länge trodda chalcopyriten (CIGS)."

Det senaste arbetet av detta team av forskare visar att kesterit kan ha en förvånansvärt lång livslängd för elektronelektroner på 10 ^-30 ns och stora rörlighet i hålet på 30–50 cm ² V ^-1 s ^-1 . Dessa värden belyser materialets enorma potential för att skapa effektiva solceller och andra optoelektroniska enheter, inklusive fotodetektorer och fotokatoder för fotoelektrokemiska (PEC) enheter.

"Vi visade att bulkkvaliteten på våra kesteritmaterial är mycket bättre än förväntat från samhället och att nyckelproblemet med kesteritsolcellerna med låga bandgap är de inre gränssnitten (korngränser), vilket är ett mycket överraskande men rimligt fynd." sa Li. "Vi hoppas nu få reda på mer om korngränserna för kesteritmaterial och att ta fram en lämplig metod för att bota korngränserna för kesteritmaterial som den historiska korngränspassiveringen av de kommersialiserade Chalcopyrite (CIGS) och CdTe tunnfilmssolcellerna ."

I framtiden kan fynden som samlats in av Hao, Li och deras kollegor bana väg mot utvecklingen av kesteritbaserade enheter med effektivitet på över 20 %. Dessutom skulle modellen de skapade kunna användas för att bättre förstå grunderna för komplexa soltekniker baserade på tunna filmer av andra framväxande material.

"Baserat på detta arbete kräver ytterligare effektivitetsförbättringar mot mer än 20% verkningsgrad avsevärd passivering av korngränserna och ökning av nettobärartätheten," tillade Hao. "Våra nästa studier kommer att fokusera på att förstå defekterna vid korngränsen av kesteriter och utveckla korngränspassiveringsstrategier." + Utforska vidare

Fluoroetylaminteknik för effektiv passivering förbättrar effektiviteten hos perovskitsolceller

© 2022 Science X Network