Effect of thiourea/metal ratio on the properties of MOE based Cu2ZnSn(S,Se)4 thin films and solar cells

Stel je de wereld van zonne-energie voor als een bruisende stad waar zonlicht de munteenheid is. Decennialang hebben we geprobeerd betere "banken" te bouwen om deze munteenheid op te vangen en op te slaan, maar de materialen die we gebruiken zijn vaak te duur of gemaakt van zeldzame elementen die opraken. Maak kennis met een nieuwe uitdager voor de job: een materiaal genaamd CZTSSe. Denk aan dit materiaal als een superefficiënte, milieuvriendelijke spons gemaakt van veelvoorkomende elementen zoals koper, zink, tin, zwavel en selenium. Het is goedkoop te maken en overvloedig aanwezig in de aarde, wat het een perfecte kandidaat maakt om onze toekomst van stroom te voorzien. Het maken van een perfecte spons is echter lastig. Als de spons te dicht is, kan de "munteenheid" (het zonlicht) niet diep genoeg naar binnen om verzameld te worden. Als hij te vol gaten zit, stort de structuur in. Het geheim van een geweldige zonnecel ligt in de "precursor" — de vloeibare soep die je gebruikt om de spons te bouwen voordat deze uithardt. Wetenschappers weten al lang dat het recept ertoe doet, maar de exacte balans van ingrediënten om de perfecte interne structuur te creëren, is een beetje een mysterie geweest.

In dit onderzoek besloten onderzoekers van de Hebei Universiteit te experimenteren met het recept van deze vloeibare soep, waarbij ze zich specifiek concentreerden op de hoeveelheid van een chemische stof genaamd thiourea die ze toevoegden in verhouding tot de metalen ingrediënten. Ze gebruikten een oplosmiddel genaamd 2-methoxyethanol (MOE), wat als een soort zachte, laag-toxische lijm werkt die helpt alles goed te mengen. Hun doel was om te zien of het veranderen van de hoeveelheid thiourea de "porositeit" (het aantal kleine gaatjes) in de film kon veranderen voordat deze werd gebakken. Ze ontdekten dat ze door de verhouding zorgvuldig aan te passen, een dichte, trage film konden veranderen in een losse, poreuze film die fungeerde als een snelweg voor de volgende stap in het proces: selenisatie. Dit is waar seleniumgas wordt geïntroduceerd om de vaste film om te zetten in het uiteindelijke zonnomateriaal. De resultaten waren opmerkelijk: door de "Goldilocks"-verhouding te vinden, maakten ze niet alleen een betere film; ze verhoogden de efficiëntie van de zonnecel van een bescheiden 8,1% naar een veel indrukwekkendere 12,1%, zonder dat daar extra fancy coatings of dopingtrucs voor nodig waren.

Het Recept voor een Betere Zonne-Spons

Het verhaal begint bij de "precursor", wat in essentie het vloeibare mengsel is dat wetenschappers op een glazen plaat spinnen om de dunne film te creëren die uiteindelijk de zonnecel zal worden. De onderzoekers bereidden vier verschillende batches van deze vloeistof voor, elk met een iets andere verhouding van thiourea tot metaal. Ze noemden deze batches S-1.6, S-1.8, S-2.0 en S-2.2, gebaseerd op de specifieke verhoudingscijfers. Wanneer ze naar deze films keken onder een microscoop voordat ze werden gebakken, zagen ze iets fascinerends. De films met lagere hoeveelheden thiourea (zoals S-1.6) waren dicht en compact, bijna als een stevig opeengepakte bakstenen muur. Maar naarmate ze meer thiourea toevoegden, werden de films losser en poreuzer, lijkend op een spons met kleine, onderling verbonden tunnels.

Waarom is dit belangrijk? Denk aan het selenisatieproces (waarbij de film wordt verhit met seleniumgas) als een race. Het seleniumgas moet de film in racen om met de metalen te reageren en de uiteindelijke kristalstructuur te vormen. Als de film een dichte bakstenen muur is, moet het gas er moeite voor doen om erdoorheen te komen, wat leidt tot een trage, ongelijkmatige reactie. Maar als de film een poreuze spons is, kan het gas zo de kern in zoemen, waardoor de hele film gelijkmatig en snel transformeert. De onderzoekers ontdekten dat de S-2.0-batch, met zijn perfect afgestemde porositeit, de ideale "snelweg" creëerde voor het seleniumgas.

De Transformatie: Van Soep naar Kristal

Zodra de films werden gebakken, gebeurde de magie. Het team volgde de transformatie met röntgenmachines en microscopen om te zien hoe de kristallen groeiden. De S-2.0-sample, die de optimale porositeit had, veranderde in een prachtige, grofkorrelige structuur met zeer weinig gaten of scheuren. Het was alsof je zag hoe een rommelige hoop zand plotseling zichzelf organiseerde tot één groot, glad kristal. In contrast hiermee had de S-1.6-sample (de dichte variant) moeite om grote kristallen te laten groeien en eindigde het met veel kleine, losstaande korrels en holtes.

De onderzoekers merkten ook een interessant bijeffect op van de poreuze structuur. Tijdens de vroege stadia van het bakken vormde zich een tijdelijke fase genaamd Cu2-xSe. Denk aan dit als een "bouwploeg" die vroeg arriveert om te helpen bij het bouwen van de uiteindelijke structuur. In de S-2.0-sample arriveerde deze ploeg sneller en werkte zij efficiënter omdat de poreuze film hen gemakkelijk binnenliet. Deze vroege hulp resulteerde in een veel hogere kwaliteit kristalstructuur tegen de tijd dat het bakken voltooid was.

De Elektrische Opbrengst

Een betere kristalstructuur betekent een betere zonnecel, en de cijfers bewijzen het. Het team bouwde zonnecellen met behulp van deze verschillende films en testte hoe goed ze werkten. De S-2.0-device was de duidelijke winnaar. Het slaagde erin om 12,1% van het invallende zonlicht om te zetten in elektriciteit, een aanzienlijke sprong ten opzichte van de 8,1% behaald door de S-1.6-device.

Waarom was S-2.0 zo veel beter? De poreuze structuur leidde tot een film met minder "defecten". In de wereld van zonnecellen zijn defecten als kuilen in een weg die ervoor zorgen dat elektronen (de dragers van elektriciteit) crashen en energie verliezen. De S-2.0-film had minder kuilen, wat betekende dat de elektronen soepel konden stromen. Dit verminderde de hoeveelheid energie die verloren ging als warmte en maakte het mogelijk dat de cel een hogere spanning genereerde. Bovendien zorgde de verbeterde structuur voor een lagere weerstand aan de achterkant van de cel, waardoor het makkelijker werd voor de elektriciteit om de device te verlaten en je gadgets van stroom te voorzien.

De onderzoekers keken ook naar de "barrière" aan de achterkant van de cel. In de S-1.6-sample was deze barrière hoog (80,1 meV), wat fungeerde als een steile heuvel waar elektronen overheen moesten klimmen. In de S-2.0-sample daalde de barrière naar 60,3 meV, waardoor het een flauwe helling werd waar elektronen moeiteloos langs konden glijden. Deze verbetering, gecombineerd met een vermindering van de interne recombinatie (waarbij elektronen en gaten elkaar opheffen voordat ze werk kunnen verrichten), was de sleutel tot de efficiëntiewinst.

De Conclusie

Dit onderzoek laat zien dat het geheim van een technologische doorbraak soms niet ligt in het toevoegen van complexere ingrediënten, maar simpelweg in het aanpassen van de balans van wat je al hebt. Door de verhouding tussen thiourea en metaal aan te passen om een poreuze precursor-film te creëren, stelden de onderzoekers het mogelijk voor het seleniumgas om dieper en sneller door te dringen, wat leidde tot een superieure kristalstructuur. Deze eenvoudige aanpassing verbeterde de kwaliteit van de zonnecel, verminderde de energieverliezen en tilde de efficiëntie naar 12,1%. Hoewel dit niet de hoogste efficiëntie ooit geregistreerd is voor dit type zonnecel, demonstreert het een krachtige en eenvoudige strategie: als je een betere zonne-spons wilt bouwen, zorg dan dat deze de juiste hoeveelheid gaat heeft om de magie te laten gebeuren.