Selenium-dependent Structural and Optoelectronic Properties of Mo-Free Cu 2 ZnSn(S,Se) 2 Solar Cells Prepared from Elemental Precursors
Cette étude rapporte la fabrication réussie de cellules solaires de type Cu2ZnSn(S,Se)2 sans Mo en utilisant des précurseurs élémentaires et une méthode de traitement en solution, démontrant que l'incorporation de sélénium réduit la taille des grains et la bande interdite tout en atteignant une efficacité de pointe de 0,166 % pour l'échantillon CZTSSe N.
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Le monde fonctionne grâce à l'énergie, mais les sources sur lesquelles nous comptons aujourd'hui sont finies et nuisibles pour la planète. Les combustibles fossiles comme le charbon et le pétrole finiront par s'épuiser, et leur combustion réchauffe l'atmosphère. Cette réalité a poussé les scientifiques à chercher des alternatives plus propres, la lumière du soleil offrant la promesse la plus abondante. Le défi ne réside pas dans la capture de la lumière du soleil, mais dans la transformation de celle-ci en électricité de manière efficace et abordable. Pendant des décennies, le silicium a été le matériau standard pour les panneaux solaires, mais il est coûteux à affiner et nécessite une fabrication complexe. Une nouvelle génération de cellules solaires utilise des couches minces de cristaux spéciaux appelés kesterites. Ces matériaux sont composés d'éléments communs et non toxiques, tels que le cuivre, le zinc, l'étain et le soufre. Ils ont le potentiel d'être moins chers et plus respectueux de l'environnement que le silicium traditionnel, à condition que les chercheurs parviennent à les faire fonctionner aussi bien que les meilleures technologies existantes.
Une équipe de chercheurs en Indonésie a récemment exploré une nouvelle façon de construire ces cellules solaires, en se concentant sur un type spécifique de cristal de kesterite qui inclut le sélénium, un élément chimique apparenté au soufre. Leur objectif était de créer une cellule solaire complète en utilisant uniquement des matériaux de base disponibles localement et un processus liquide simple, évitant ainsi les chambres à vide coûteuses habituellement requises pour la fabrication de haute technologie. Ils ont construit un dispositif composé de couches de verre transparent, d'un revêtement d'oxyde spécial et d'une fine couche de leur cristal sur mesure, pris en sandwich entre d'autres couches conductrices. En remplaçant une partie du soufre de leur mélange par du sélénium, ils visaient à ajuster la capacité du matériau à absorber la lumière et à conduire l'électricité. L'équipe a comparé des cellules fabriquées à partir de produits chimiques de laboratoire standards avec celles fabriquées à partir de poudres brutes sourcées localement pour voir si la voie la moins coûteuse pouvait donner des résultats similaires.
Les chercheurs ont découvert qu'ils pouvaient synthétiser avec succès la structure cristalline souhaitée en utilisant leur méthode liquide, créant un matériau riche en zinc et légèrement pauvre en cuivre, un équilibre spécifique connu pour améliorer les performances. Lorsqu'ils ont examiné les cristaux sous des microscopes puissants et analysé leur structure interne, ils ont découvert que l'ajout de sélénium modifiait considérablement la forme physique du matériau. Les atomes de sélénium ont provoqué une réduction spectaculaire de la taille des minuscules grains du cristal. Dans les échantillons fabriqués à partir de produits chimiques standards, les grains sont passés d'une taille d'environ 32,8 nanomètres à seulement 10,7 nanomètres. De même, les grains des échantillons sourcés localement sont passés d'environ 195,9 nanomètres à 98,1 nanomètres. Cette réduction de taille a créé une surface plus poreuse, ce qui, selon les chercheurs, aide le matériau à piéger davantage de lumière et réduit la quantité de lumière qui rebondit sur la surface.
Des tests optiques ont révélé que ce changement de taille et de composition avait un effet direct sur la façon dont le matériau interagit avec la lumière. L'ajout de sélénium a déplacé l'absorption du matériau vers des longueurs d'onde plus longues, un phénomène connu sous le nom de décalage vers le rouge (redshift), ce qui a effectivement abaissé le gap énergétique que le matériau doit franchir pour générer de l'électricité. Le meilleur échantillon, fabriqué à partir de produits chimiques standards et contenant du sélénium, a atteint un gap d'énergie de 1,16 électron volt, le plus bas de tous les échantillons testés. Ce gap d'énergie plus faible a permis à la cellule de récolter un spectre plus large de la lumière solaire, entraînant une efficacité de collecte de lumière de 88,12 pour cent. En revanche, les échantillons sans sélénium présentaient des gaps d'énergie plus élevés et récoltaient moins de lumière. L'étude a également montré que les échantillons contenant du sélénium présentaient moins d'impuretés indésirables, connues sous le nom de phases secondaires, qui peuvent bloquer le flux d'électricité. Le meilleur échantillon présentait un contenu de phase secondaire de seulement 16,2 pour cent, le plus bas de tous les groupes testés.
Lorsque l'équipe a testé l'électricité réellement générée par ces cellules, les résultats ont confirmé les avantages de l'ajout de sélénium. La cellule solaire fabriquée à partir du mélange de sélénium standard a produit l'efficacité globale la plus élevée de 0,166 pour cent. Bien que ce chiffre soit encore bien en dessous de l'efficacité des panneaux de silicium commerciaux, il représente une étape significative pour ce type spécifique de fabrication à faible coût sans vide. La cellule a également atteint la tension la plus élevée et le meilleur facteur de forme, une mesure de l'efficacité avec laquelle la cellule délivre de la puissance. Curieusement, la cellule fabriquée à partir de matériaux sourcés localement a presque aussi bien performé que celle fabriquée à partir de produits chimiques standards, atteignant 92 pour cent de l'efficacité du meilleur échantillon. Cela suggère que les produits chimiques importés et coûteux ne sont pas strictement nécessaires pour obtenir de bons résultats, à condition que le processus de synthèse soit soigneusement contrôlé.
Les chercheurs ont noté que la performance était limitée par la quantité élevée de matériau amorphe, ou non cristallin, dans leurs films, car ils n'ont pas utilisé un traitement gazeux spécifique pendant le processus de chauffage. Ce manque de structure cristalline parfaite signifie que les cellules ne peuvent pas encore atteindre leur plein potentiel. Cependant, l'étude a démontré avec succès un nouveau design de cellule solaire qui n'utilise pas de couche de support en molybdène, un matériau difficile à se procurer et coûteux. Au lieu de cela, ils ont utilisé une couche conductrice transparente qui est beaucoup moins chère et plus facile à obtenir. Ce travail prouve qu'il est possible de construire une cellule solaire fonctionnelle en utilisant une méthode simple basée sur une solution et des matières premières disponibles localement. En démontrant que le sélénium peut réduire la taille des grains, abaisser le gap d'énergie et minimiser les impuretés, l'étude offre une voie claire pour améliorer l'efficacité de ces cellules solaires abondantes sur Terre à l'avenir.
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