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

De wereld draait op energie, maar de bronnen waar we vandaag de dag op vertrouwen zijn eindig en schadelijk voor de planeet. Fossiele brandstoffen zoals steenkool en olie zullen uiteindelijk opraken, en het verbranden ervan warmt de atmosfeer op. Deze realiteit heeft wetenschappers gedreven om te zoeken naar schonere alternatieven, waarbij zonlicht de meest overvloedige belofte biedt. De uitdaging ligt niet in het opvangen van het zonlicht, maar in het efficiënt en betaalbaar omzetten ervan in elektriciteit. Decennialang is silicium de standaard geworden voor zonnepanelen, maar het is duur om te verfijnen en vereist complexe fabricage. Een nieuwere generatie zonnecellen maakt gebruik van dunne films van speciale kristallen die kesterieten worden genoemd. Deze materialen zijn gemaakt van elementen die algemeen voorkomend en niet-toxisch zijn, zoals koper, zink, tin en zwavel. Ze hebben het potentieel om goedkoper en milieuvriendelijker te zijn dan traditioneel silicium, mits onderzoekers erin slagen om ze net zo goed te laten werken als de beste bestaande technologieën.

Een team van onderzoekers in Indonesië onderzocht onlangs een nieuwe manier om deze zonnecellen te bouwen, waarbij de focus lag op een specifiek type kesterietkristal dat selenium bevat, een chemisch element dat verwant is aan zwavel. Hun doel was om een complete zonnecel te creëren met behulp van uitsluitend lokaal beschikbare, basisgrondstoffen en een eenvoudig vloeistofgebaseerd proces, waarbij de dure vacuümkamers die gewoonlijk nodig zijn voor hoogwaardige fabricage werden vermeden. Ze construeerden een apparaat met lagen van transparant glas, een speciale oxidecoating en een dunne film van hun op maat gemaakte kristal, ingesloten tussen andere geleidende lagen. Door een deel van de zwavel in hun mengsel te vervangen door selenium, beoogden ze het vermogen van het materiaal om licht te absorberen en elektriciteit te geleiden af te stemmen. Het team vergeleken cellen gemaakt van standaard laboratoriumchemicaliën met die gemaakt van ruwe, lokaal gewonnen poeders om te zien of de goedkopere route vergelijkbare resultaten zou opleveren.

De onderzoekers ontdekten dat ze de gewenste kristalstructuur succesvol konden synthetiseren met hun vloeibare methode, waarbij een materiaal werd gecreëerd dat rijk is aan zink en iets arm aan koper, een specifieke balans die bekend staat om de prestaties te verbeteren. Wanneer ze de kristallen onder krachtige microscopen onderzochten en hun interne structuur analyseerden, ontdekten ze dat het toevoegen van selenium de fysieke vorm van het materiaal aanzienlijk veranderde. De seleniumatomen zorgden ervoor dat de minuscule korrels van het kristal drastisch krompen. In de monsters gemaakt van standaardchemicaliën daalden de korrels van een grootte van ongeveer 32,8 nanometer naar slechts 10,7 nanometer. Op dezelfde manier krompen de korrels in de lokaal gewonnen monsters van ongeveer 195,9 nanometer naar 98,1 nanometer. Deze reductie in grootte creëerde een poreuzer oppervlak, wat de onderzoekers helpt meer licht te vangen en de hoeveelheid licht die van het oppervlak terugkaatst te verminderen.

Optische tests toonden aan dat deze verandering in grootte en samenstelling een direct effect had op de interactie van het materiaal met licht. De toevoeging van selenium verschoof de absorptie van het materiaal naar langere golflengten, een fenomeen dat een roodverschuiving wordt genoemd, wat effectief de energieafstand (bandgap) verlaagde die het materiaal moet overwinnen om elektriciteit te genereren. Het best presterende monster, gemaakt van standaardchemicaliën en bevattende selenium, bereikte een bandgap van 1,16 elektronvolt, de laagste van alle geteste monsters. Deze lagere energieafstand stelde de cel in staat om een breder spectrum van het zonlicht te oogsten, wat resulteerde in een lichtopvangefficiëntie van 88,12 procent. In contrast hiermee hadden de monsters zonder selenium hogere energieafstanden en oogstten minder licht. De studie toonde ook aan dat de seleniumhoudende monsters minder ongewenste onzuiverheden hadden, bekend als secundaire fasen, die de stroom van elektriciteit kunnen blokkeren. Het beste monster had een gehalte aan secundaire fasen van slechts 16,2 procent, het laagste van alle geteste groepen.

Wanneer het team de daadwerkelijk gegenereerde elektriciteit van deze cellen testte, bevestigden de resultaten de voordelen van de seleniumtoevoeging. De zonnecel gemaakt van het standaard seleniummengsel produceerde de hoogste algehele efficiëntie van 0,166 procent. Hoewel dit getal nog ver onder de efficiëntie van commerciële siliciumpanelen ligt, vertegenwoordigt het een betekenende stap vooruit voor dit specifieke type laagkosten, niet-vacuüm gebaseerde fabricage. De cel bereikte ook de hoogste spanning en de beste vulfactor, een maatstaf voor hoe effectief de cel vermogen levert. Interessant genoeg presteerde de cel gemaakt van de lokaal gewonnen materialen bijna even goed als die gemaakt van standaardchemicaliën, waarbij hij 92 procent van de efficiëntie van het beste monster bereikte. Dit suggereert dat de dure, geïmporteerde chemicaliën niet strikt noodzakelijk zijn om goede resultaten te behalen, mits het syntheseproces zorgvuldig wordt gecontroleerd.

De onderzoekers merkten op dat de prestaties werden beperkt door de hoge hoeveelheid amorf, of niet-kristallijn materiaal in hun films, wat gebeurde omdat ze geen specifieke gasbehandeling tijdens het verhittingsproces gebruikten. Dit gebrek aan een perfecte kristalstructuur betekende dat de cellen hun volledige potentieel nog niet konden bereiken. Desalniettemin bewees de studie succesvol een nieuw zonnecelontwerp dat geen molybdeendeklaag gebruikt, een materiaal dat moeilijk te verkrijgen en duur is. In plaats daarvan gebruikten ze een transparante geleidende laag die veel goedkoper en gemakkelijker te verkrijgen is. Het werk bewijst dat het mogelijk is om een functionele zonnecel te bouwen met behulp van een eenvoudige oplossing-gebaseerde methode en lokaal beschikbare grondstoffen. Door aan te tonen dat selenium de korrelgrootte kan verkleinen, de energieafstand kan verlagen en onzuiverheden kan minimaliseren, biedt de studie een duidelijk pad voor het verbeteren van de efficiëntie van deze overvloedig aanwezige zonnecellen in de toekomst.