Breaking the 800 mV open-circuit voltage barrier in antimony sulfide photovoltaics

Zonnecellen zijn de werkpaarden van de energietransitie naar hernieuwbare energie, omdat ze zonlicht opvangen en dit omzetten in elektriciteit. Decennialang hebben de meest efficiënte panelen vertrouwd op silicium, maar wetenschappers zoeken voortdurend naar nieuwe materialen die goedkoper te maken zijn, minder giftig zijn en die op flexibele oppervlakken geprint kunnen worden. Onder de meest veelbelovende kandidaten zijn verbindingen gemaakt van antimoon en zwavel, bekend als antimoon sulfide. Deze materialen zijn overvloedig aanwezig, niet-giftig en absorberen licht uitzonderlijk goed. Ondanks hun potentieel zijn ze echter tegen een frustrerende muur aangelopen. Jarenlang konden de beste zonnecellen gemaakt van dit materiaal geen elektrische druk, ook wel spanning genoemd, genereren die hoger was dan ongeveer 800 millivolt. Dit plafond hield hun efficiëntie tegen, waardoor ze ver achterbleven bij hun theoretische potentieel en minder concurrerend waren met gevestigde technologieën.

De wetenschappelijke gemeenschap debatteert al lang over de vraag waarom deze spanningslimiet bestaat. Eén heersende theorie suggereerde dat het materiaal zelf fundamenteel gebrekkig was. Er werd voorgesteld dat wanneer licht de antimoon sulfide raakt, de energie binnen de kristalstructuur vast komt te zitten op een manier die het verspilt voordat het in elektriciteit kan worden omgezet. Dit idee, genaamd zelf-trapping (self-trapping), impliceerde dat de spanning nooit de barrière van 800 millivolt zou kunnen overschrijden, ongeacht hoe perfect het materiaal werd gemaakt, omdat het verlies ingebakken zat in de fysica van de atomen. Als dit waar zou zijn, zou de weg vooruit zijn om het materiaal op te geven of de beperkingen te accepteren. Een concurrerend standpunt suggereerde echter dat het probleem niet het materiaal zelf was, maar de imperfecties in de wijze waarop de dunne films werden vervaardigd. Als het spanningsverlies werd veroorzaakt door defecten — minuscule fouten in de kristalstructuur — dan zou zorgvuldige engineering in staat kunnen zijn dit te repareren en de prestaties te verhogen.

Een team van onderzoekers heeft dit debat nu beslecht door de barrière te doorbreken. Ze slaagden erin om antimoon sulfide zonnecellen te creëren die een spanning genereren van 824 millivolt, waarmee ze de langdurige limiet doorbraken en een nieuw record vestigden voor dit type technologie. Hun werk demonstreert dat het materiaal niet fundamenteel kapot is; het werd eerder tegengehouden door de manier waarop het werd gekweekt. Door het chemische recept te veranderen dat wordt gebruikt voor het deponeren van de dunne films, hebben de wetenschappers het aantal defecten en korrelgrenzen — in essentie de naden waar kleine kristallen elkaar ontmoeten — binnen het materiaal verminderd. Deze vermindering van imperfecties stelde de zonnecellen in staat om veel dichter bij hun theoretische maximum te opereren, wat bewees dat de spanningsplafond een engineering-uitdaging was, en geen natuurkundige wet.

De doorbraak kwam voort uit een techniek genaamd chemische baddepositie (chemical bath deposition), een methode waarbij een substraat in een oplossing wordt ondergedompeld om een dunne film van het gewenste materiaal te laten groeien. De onderzoekers voegden een specif kind ingrediënt toe, een verbinding bekend als citraat, aan de oplossing. Dit additief fungeerde als een regulator, waardoor de reactie vertraagde en de manier waarop de kristallen vormden veranderde. Zonder dit additief groeiden de kristallen op een chaotische manier, waarbij veel kleine korrels met talrijke grenzen tussen hen ontstonden. Deze grenzen zijn problematisch omdat ze fungeren als vallen waar elektronen en gaten — de ladingsdragers die elektriciteit creëren — in vast kunnen komen te zitten en kunnen recombineren, waardoor ze hun energie als warmte verliezen. Door de introductie van citraat moedigden de onderzoekers de kristallen aan om groter en ordelijker te groeien, waardoor het interne landschap van de film effectief werd gladgestreken.

De resultaten van deze verandering waren spectaculair. De dichtheid van deze korrelgrenzen werd bijna gehalveerd, van meer dan 1.100 per vierkante millimeter in de standaard films naar ongeveer 585 in de verbeterde versies. Deze structurele verbetering had een directe impact op de elektrische prestaties. De onderzoekers gebruikten een gevoelige techniek genaamd deep-level transient spectroscopy om in de apparaten te kijken en de specifieke soorten defecten te identificeren die het spanningsverlies veroorzaakten. Ze vonden twee hoofdtypen diepe vallen (deep traps), wat energietoestanden zijn die ladingsdragers vangen en voorkomen dat ze bijdragen aan de stroom. Door gedetailleerde computersimulaties bepaalden zij dat deze vallen waarschijnlijk werden veroorzaakt door ontbrekende zwavelatomen of antimoonatomen die op de verkeerde plekken in het kristalrooster zaten.

Door het aantal van deze defecten te verminderen, lieten de nieuwe zonnecellen een aanzienlijke verbetering zien in hoe ze met lading omgingen. De spanning nam gestaag toe naarmate de concentratie van het citraat-additief werd geoptimaliseerd, met een piek van 824 millivolt. Deze waarde is niet slechts een kleine toename; het is een definitieve doorbraak van de 800-millivolt barrière die onbreekbaar leek. De onderzoekers bevestigden ook dat het materiaal zelf niet leed onder het zelf-trapping effect waar zij voor gevreesd hadden. Als zelf-trapping de primaire boosdoener zou zijn, zou de spanning onveranderd gebleven zijn, ongeacht hoe perfect de film werd gemaakt. Het feit dat zij de spanning hoger konden drijven door simpelweg de defecten op te ruimen, bewijst dat het materiaal in staat is tot veel hogere prestaties.

De implicaties van deze bevinding strekken zich uit voorbij slechts één getal. De studie biedt een duidelijk stappenplan voor het verbeteren van antimoon sulfide zonnecellen. Het laat zien dat de weg naar een hogere efficiëntie ligt in defect-engineering: het zorgvuldig controleren van het groeiproces om imperfecties te minimaliseren. De nieuwe cellen behielden ook een uitstekende stabiliteit, waarbij ze het grootste deel van hun efficiëntie behielden na een maand opslag onder normale omstandigheden, wat een cruciale vereiste is voor praktische toepassingen. Bovendien testten de onderzoekers de cellen onder binnenverlichting, waarbij ze een efficiëntie van bijna 19 procent bereikten, wat hen een sterke kandidaat maakt voor het voeden van het groeiende aantal laagvermogen elektronische apparaten die op binnenlicht werken.

Dit werk lost een langlopende onzekerheid in het vakgebied van de fotovoltaïca op. Het verlegt de discussie van het idee dat antimoon sulfide een intrinsiek, onherstelbaar defect heeft, naar de realiteit dat de beperkingen te wijten waren aan het productieproces. Door aan te tonen dat de spanning kan worden verhoogd door defecten te verminderen, hebben de onderzoekers de deur geopend voor verdere optimalisatie. De weg vooruit is nu duidelijk: blijf de groeimethoden verfijnen om defecten verder te verminderen, en de efficiëntie van deze zonnecellen zal blijven stijgen richting hun theoretische limieten. De barrière was geen muur van fysica, maar een hindernis van chemie, en die is overwonnen.