Selenium-dependent Structural and Optoelectronic Properties of Mo-Free Cu 2 ZnSn(S,Se) 2 Solar Cells Prepared from Elemental Precursors

Die Welt wird von Energie angetrieben, doch die Quellen, auf die wir heute angewiesen sind, sind endlich und schädigen den Planeten. Fossile Brennstoffe wie Kohle und Öl werden schließlich zur Neige gehen, und ihre Verbrennung erwärmt die Atmosphäre. Diese Realität hat Wissenschaftler dazu veranlasst, nach saubereren Alternativen zu suchen, wobei das Sonnenlicht das vielversprechendste Angebot an Abundanz bietet. Die Herausforderung liegt nicht darin, das Licht der Sonne einzufangen, sondern darin, es effizient und kostengünstig in Elektrizität umzuwandeln. Jahrzehntelang war Silizium das Standardmaterial für Solarzellen, aber es ist teuer zu raffinieren und erfordert eine komplexe Herstellung. Eine neuere Generation von Solarzellen verwendet dünne Schichten spezieller Kristalle, die Kesterite genannt werden. Diese Materialien bestehen aus Elementen, die häufig vorkommen und ungiftig sind, wie etwa Kupfer, Zink, Zinn und Schwefel. Sie haben das Potenzial, kostengünstiger und umweltfreundlicher als herkömmliches Silizium zu sein, vorausgesetzt, es gelingt den Forschern, sie so leistungsfähig wie die besten bestehenden Technologien zu machen.

Ein Forschungsteam in Indonesien untersuchte kürzlich einen neuen Weg zum Bau dieser Solarzellen und konzentrierte sich dabei auf eine spezifische Art von Kesterit-Kristall, der Selen enthält – ein chemisches Element, das mit Schwefel verwandt ist. Ihr Ziel war es, eine vollständige Solarzelle ausschließlich unter Verwendung lokal verfügbarer, einfacher Materialien und eines einfachen flüssigkeitsbasierten Prozesses zu erstellen, wobei sie die teuren Vakuumkammern vermeideten, die normalerweise für die High-Tech-Fertigung erforderlich sind. Sie konstruierten eine Vorrichtung mit Schichten aus transparentem Glas, einer speziellen Oxidschicht und einer dünnen Schicht ihres maßgeschneiderten Kristalls, die zwischen andere leitfähige Schichten eingebettet war. Durch den Austausch eines Teils des Schwefels in ihrer Mischung gegen Selen wollten sie die Fähigkeit des Materials zur Lichtabsorption und zur Stromleitung abstimmen. Das Team verglich Zellen, die aus Standard-Laborchemikalien hergestellt wurden, mit solchen, die aus rohen, lokal bezogenen Pulvern gefertigt wurden, um zu sehen, ob der günstigere Weg ähnliche Ergebnisse liefern könnte.

Die Forscher fanden heraus, dass sie die gewünschte Kristallstruktur erfolgreich mit ihrer Flüssigmethode synthetisieren konnten, wobei ein Material entstand, das reich an Zink und leicht arm an Kupfer ist – ein spezifisches Gleichgewicht, das als verbessernd für die Leistung bekannt ist. Als sie die Kristalle unter leistungsstarken Mikroskopen untersuchten und ihre interne Struktur analysierten, entdeckten sie, dass das Hinzufügen von Selen die physikalische Form des Materials signifikant veränderte. Die Selenatome bewirkten, dass die winzigen Kristallkörner drastisch schrumpften. In den Proben, die aus Standardchemikalien hergestellt wurden, sank die Korngröße von etwa 32,8 Nanometern auf nur 10,7 Nanometer. Ähnlich verhielt es sich bei den Proben aus lokal bezogenen Materialien, deren Körner von etwa 195,9 Nanometern auf 98,1 Nanometer schrumpften. Diese Reduktion der Größe erzeugte eine porösere Oberfläche, von der die Forscher glauben, dass sie hilft, mehr Licht einzufangen und die Menge des von der Oberfläche reflektierten Lichts zu reduzieren.

Optische Tests zeigten, dass diese Änderung der Größe und Zusammensetzung eine direkte Auswirkung darauf hatte, wie das Material mit Licht interagiert. Die Zugabe von Selen verschob die Absorption des Materials zu längeren Wellenlängen, ein Phänomen, das als Rotverschiebung bekannt ist, was effektiv die Energielücke senkte, die das Material überwinden muss, um Elektrizität zu erzeugen. Die leistungsfähigste Probe, die aus Standardchemikalien hergestellt wurde und Selen enthielt, erreichte eine Bandlücke von 1,16 Elektronenvolt, den niedrigsten Wert aller getesteten Proben. Diese geringere Energielücke ermöglichte es der Zelle, ein breiteres Lichtspektrum zu nutzen, was zu einem Lichtausbeute-Effizienzgrad von 88,12 Prozent führte. Im Gegensatz dazu hatten die Proben ohne Selen höhere Energielücken und fingen weniger Licht ein. Die Studie zeigte auch, dass die selenhaltigen Proben weniger unerwünschte Verunreinigungen, sogenannte Sekundärphasen, aufwiesen, die den Stromfluss blockieren können. Die beste Probe wies einen Sekundärphasengehalt von nur 16,2 Prozent auf, den niedrigsten Wert aller getesteten Gruppen.

Als das Team die tatsächlich durch diese Zellen erzeugte Elektrizität testete, bestätigten die Ergebnisse die Vorteile der Selenzugabe. Die Solarzelle, die aus der Standard-Selenmischung hergestellt wurde, lieferte die höchste Gesamteffizienz von 0,166 Prozent. Obwohl diese Zahl noch weit unter der Effizienz kommerzieller Siliziumpanels liegt, stellt sie einen bedeutenden Schritt nach vorn für diese spezielle Art der kostengünstigen Fertigung ohne Vakuum dar. Die Zelle erreichte zudem die höchste Spannung und den besten Füllfaktor, ein Maß dafür, wie effektiv die Zelle Leistung abgibt. Interessanterweise performte die aus lokal bezogenen Materialien hergestellte Zelle fast so gut wie die aus Standardchemikalien, wobei sie 92 Prozent der Effizienz der besten Probe erreichte. Dies deutet darauf hin, dass teure, importierte Chemikalien nicht zwingend notwendig sind, um gute Ergebnisse zu erzielen, sofern der Syntheseprozess sorgfältig kontrolliert wird.

Die Forscher merkten an, dass die Leistung durch den hohen Anteil an amorphem, also nicht-kristallinem Material in ihren Filmen begrenzt wurde, was darauf zurückzuführen war, dass sie während des Erhitzungsprozesses keine spezifische Gasbehandlung anwandten. Dieser Mangel an einer perfekten Kristallstruktur bedeutete, dass die Zellen ihr volles Potenzial noch nicht ausschöpfen konnten. Dennoch demonstrierte die Studie erfolgreich ein neues Solarzellendesign, das keine Molybdän-Rückschicht verwendet – ein Material, das schwer zu beschaffen und teuer ist. Stattdessen verwendeten sie eine transparente leitfähige Schicht, die viel günstiger und leichter zu erhalten ist. Die Arbeit beweist, dass es möglich ist, eine funktionale Solarzelle mit einer einfachen lösungsbasierten Methode und lokal verfügbaren Rohstoffen zu bauen. Indem sie zeigten, dass Selen die Korngröße reduzieren, die Energielücke senken und Verunreinigungen minimieren kann, weist die Studie einen klaren Weg zur Verbesserung der Effizienz dieser reichlich vorhandenen Erdkristall-Solarzellen in der Zukunft auf.