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

Il mondo funziona grazie all'energia, ma le fonti su cui facciamo affidamento oggi sono finite e dannose per il pianeta. I combustibili fossili come il carbone e il petrolio finiranno inevitabilmente, e la loro combustione riscalda l'atmosfera. Questa realtà ha spinto gli scienziati a cercare alternative più pulite, con la luce solare che offre la promessa più abbondante. La sfida non risiede nel catturare la luce del sole, ma nel trasformarla in elettricità in modo efficiente ed economico. Per decenni, il silicio è stato il materiale standard per i pannelli solari, ma è costoso da raffinare e richiede una produzione complessa. Una nuova generazione di celle solari utilizza sottili film di speciali cristalli chiamati kesteriti. Questi materiali sono composti da elementi comuni e non tossici, come rame, zinco, stagno e zolfo. Essi hanno il potere di essere più economici e rispettosi dell'ambiente rispetto al tradizionale silicio, a patto che i ricercatori riescano a capire come farli funzionare bene quanto le migliori tecnologie esistenti.

Un team di ricercatori in Indonesia ha recentemente esplorato un nuovo modo per costruire queste celle solari, concentrandosi su un tipo specifico di cristallo kesterite che include il selenio, un elemento chimico correlato allo zolfo. Il loro obiettivo era quello di creare una cella solare completa utilizzando solo materiali di base disponibili localmente e un semplice processo basato su liquidi, evitando le costose camere a vuoto solitamente necessarie per la produzione high-tech. Hanno costruito un dispositivo con strati di vetro trasparente, un rivestimento speciale a ossido e un sottile film del loro cristallo personalizzato, racchiuso tra altri strati conduttivi. Sostituendo parte dello zolfo nella loro miscela con il selenio, miravano a regolare la capacità del materiale di assorbire la luce e condurre l'elettricità. Il team ha confrontato le celle realizzate con prodotti chimici standard da laboratorio con quelle realizzate partendo da polveri grezze reperite localmente, per vedere se la via più economica potesse produrre risultati simili.

I ricercatori hanno scoperto di poter sintetizzare con successo la struttura cristallina desiderata utilizzando il loro metodo liquido, creando un materiale ricco di zinco e leggermente povero di rame, un equilibrio specifico noto per migliorare le prestazioni. Esaminando i cristalli sotto potenti microscopi e analizzando la loro struttura interna, hanno scoperto che l'aggiunta di selenio cambia significativamente la forma fisica del materiale. Gli atomi di selenio hanno causato una contrazione drammatica dei minuscoli grani del cristallo. Nei campioni realizzati con prodotti chimici standard, i grani sono passati da una dimensione di circa 32,8 nanometri a soli 10,7 nanometri. Allo stesso modo, i grani nei campioni di origine locale si sono rimpiccioliti da circa 195,9 nanometri a 98,1 nanometri. Questa riduzione di dimensioni ha creato una superficie più porosa, che i ricercatori ritengono aiuti il materiale a intrappolare più luce e riduca la quantità di luce che rimbalza sulla superficie.

I test ottici hanno rivelato che questo cambiamento di dimensione e composizione ha un effetto diretto su come il materiale interagisce con la luce. L'aggiunta di selenio ha spostato l'assorbimento del materiale verso lunghezze d'onda più lunghe, un fenomeno noto come redshift, che ha effettivamente abbassato il gap energetico che il materiale deve superare per generare elettricità. Il campione con le migliori prestazioni, realizzato con prodotti chimici standard e contenente selenio, ha raggiunto un bandgap di 1,16 elettronvolt, il più basso tra tutti i campioni testati. Questo gap energetico inferiore ha permesso alla cella di raccogliere uno spettro più ampio di luce solare, risultando in un'efficienza di raccolta della luce dell'88,12 percento. Al contrario, i campioni senza selenio presentavano gap energetici più elevati e raccoglievano meno luce. Lo studio ha anche dimostrato che i campioni contenenti selenio avevano meno impurità indesiderate, note come fasi secondarie, che possono bloccare il flusso di elettricità. Il miglior campione aveva un contenuto di fase secondaria di solo 16,2 percento, il più basso di tutti i gruppi testati.

Quando il team ha testato l'elettricità effettivamente generata da queste celle, i risultati hanno confermato i benefici dell'aggiunta di selenio. La cella solare realizzata con la miscela di selenio standard ha prodotto l'efficienza complessiva più alta dello 0,166 percento. Sebbene questa cifra sia ancora molto lontana dall'efficienza dei pannelli di silicio commerciali, rappresenta un passo avanti significativo per questo specifico tipo di produzione a basso costo e senza vuoto. La cella ha inoltre raggiunto la tensione più alta e il miglior fattore di riempimento, una misura di quanto efficacemente la cella eroga energia. Curiosamente, la cella realizzata con i materiali di origine locale ha ottenuto prestazioni quasi pari a quella realizzata con i prodotti chimici standard, raggiungendo il 92 percento dell'efficienza del miglior campione. Ciò suggerisce che i prodotti chimici costosi e importati non sono strettamente necessari per ottenere buoni risultati, a patto che il processo di sintesi sia controllato con cura.

I ricercatori hanno osservato che le prestazioni erano limitate dall'elevata quantità di materiale amorfo, o non cristallino, nei loro film, il che è accaduto perché non hanno utilizzato un trattamento gassoso specifico durante il processo di riscaldamento. Questa mancanza di una struttura cristallina perfetta ha impedito alle celle di raggiungere ancora il loro pieno potenziale. Tuttavia, lo studio ha dimostrato con successo un nuovo design di cella solare che non utilizza uno strato posteriore di molibdeno, un materiale difficile da reperire e costoso. Al suo posto, hanno utilizzato uno strato conduttivo trasparente molto più economico e facile da ottenere. Il lavoro prova che è possibile costruire una cella solare funzionale utilizzando un semplice metodo basato su soluzioni e materie prime disponibili localmente. Dimostrando che il selenio può ridurre la dimensione dei grani, abbassare il gap energetico e minimizzare le impurità, lo studio fornisce una strada chiara per migliorare l'efficienza di queste celle solari a base di elementi abbondanti in futuro.