Band Alignment Engineering of Non-Toxic Nb 2 O 5 /MnS Transport Layers for High- Performance Sb 2 (S,Se) 3 Thin-Film Solar Cells: A Combined DFT and SCAPS-1D Investigation

De zoektocht naar schone energie heeft lang gewend gericht op het vinden van materialen die zonlicht efficiënt, goedkoop en zonder de omgeving te schaden in elektriciteit kunnen omzetten. Hoewel silicium zonnepanelen vandaag de dag de markt domineren, vereisen zij energie-intensieve productieprocessen. Dit heeft wetenschappers gedreven om te kijken naar dunne-film alternatieven, die veel minder materiaal gebruiken. Onder de meest veelbelovende kandidaten behoren verbindingen gemaakt van antimoon, zwavel en selenium. Deze materialen zijn overvloedig aanwezig in de aardkorst, niet-toxisch en uitstekend in het absorberen van licht. Het is echter moeilijk geweest om hiervan hoogwaardige zonnecellen te maken. De belangrijkste hindernissen betreffen hoe goed de verschillende lagen van het apparaat energetisch op elkaar aansluiten en hoeveel defecten, of imperfecties, er binnen het materiaal aanwezig zijn die de elektriciteit vangen voordat deze verzameld kan worden.

In een recente studie probeerden onderzoekers deze problemen op te lossen met een krachtige combinatie van computermodelleringstechnieken. Ze hebben voor deze specifieke onderzoeksinstelling geen fysieke zonnecel in een laboratorium gebouwd; in plaats daarvan hebben ze een zeer gedetailleerde virtuele versie van een apparaat geconstrueerd om te testen hoe verschillende materialen en ontwerpen zouden reageren. Hun doel was om de perfecte combinatie van lagen te vinden waarmee een antimoon-gebaseerde zonnecel haar volledige potentieel kan bereiken. Door de stroom van elektriciteit en het gedrag van atomen te simuleren, identificeerden ze een specifieke set niet-toxische materialen die de huidige toxische of dure componenten in soortgelijke apparaten kunnen vervangen. Het resultaat is een theoretisch blauwdruk voor een zonnecel die een efficiëntie van 25,30 procent kan bereiken, een significante sprong voorwaarts voor dit type technologie.

De onderzoekers begonnen door te verifiëren dat het kernmateriaal, een verbinding van antimoon, zwavel en selenium, inderdaad geschikt is voor de taak. Met geavanceerde simulaties op atomair niveau bevestigden ze dat het materiaal stabiel is, niet uit elkaar valt onder normale omstandigheden en de juiste elektronische eigenschappen bezit om het hart van een zonnecel te vormen. Ze ontdekten dat het zeer sterk licht absorbeert, wat betekent dat een dunne laag voldoende is om het grootste deel van de zonne-energie op te vangen. Dit bevestigde dat het materiaal zelf niet het probleem was; het probleem lag eerder in de vraag hoe het met de rest van het apparaat verbonden moest worden.

Om de doorstroming van elektriciteit te verbeteren, moest het team de standaardlagen die in deze cellen worden gebruikt, vervangen. Traditionele ontwerpen gebruiken vaak een laag die cadmium bevat, een toxisch zwaar metaal, om elektronen te helpen bewegen, en een duur organisch materiaal om gaten te verplaatsen, wat de positieve ladingen zijn. De onderzoekers testten systematisch een breed scala aan niet-toxische, anorganische alternatieven. Ze simuleerden de energieniveaus op de grensvlakken waar deze lagen samenkomen met de centrale absorber. Als deze energieniveaus niet correct zijn uitgelijnd, blijft de elektriciteit steken of lekt deze weg. Door dit proces van digitale trial-and-error ontdekten ze dat een materiaal genaamd niobiumpentoxide het beste werkt voor het verplaatsen van elektronen, terwijl een materiaal genaamd mangaanzuifsulfide ideaal is voor het verplaatsen van gaten. Deze twee materialen creëerden een soepel pad voor de ladingen om te reizen, waardoor de energieverliezen die deze apparaten gewoonlijk teisteren, werden geminimaliseerd.

Met de beste materialen geselecteerd, verfijnde het team vervolgens de fysieke afmetingen en interne eigenschappen van de virtuele zonnecel. Ze pasten de dikte van elke laag aan, de concentratie van elektrische ladingen binnen hen, en de dichtheid van defecten, die kleine imperfecties zijn die de prestaties kunnen ruïneren. Ze ontdekten dat een specifieke dikte voor de belangrijkste lichtabsorberende laag, gecombineerd met een laag aantal defecten, het toestel in staat stelde om op zijn piek te presteren. Ze optimaliseerden ook de elektrische weerstand en de eigenschappen van de metalen contacten die de stroom verzamelen. Elke aanpassing werd gedaan om ervoor te zorgen dat de elektronen en gaten de draden konden bereiken zonder verloren te gaan of voortijdig te recombineren.

Het uiteindelijke gesimuleerde apparaat toonde een opmerkelijke belofte. Het bereikte een energieconversie-efficiëntie van 25,30 procent, wat veel hoger is dan de huidige experimentele records voor dit type zonnecel. De studie testte ook hoe het apparaat zou standhouden onder verschillende omstandigheden. De virtuele cel bleef stabiel over een breed scala aan temperaturen, van koel tot behoorlijk warm, waarbij slechts een fractie van de efficiëntie verloren ging. Het presteerde ook consistent onder variërende niveaus van zonne-intensiteit. Deze resultaten suggereren dat als een echt apparaat gebouwd zou kunnen worden met dezelfde hoge kwaliteit en lage defectgraad als de simulatie veronderstelt, het een robuuste en zeer efficiënte bron van schone energie zou zijn.

De auteurs merken echter voorzichtig op dat deze resultaten een voorspelling zijn op basis van computermodellen, en geen meting van een fysiek object. De hoge efficiëntie berust op de aanname dat de materialen geproduceerd kunnen worden met een extreem hoge zuiverheid en dat de grensvlakken tussen de lagen bijna perfect gemaakt kunnen worden. Hoewel recente vooruitgang in laboratoriumtechnieken heeft aangetoond dat dergelijke hoogwaardige materialen mogelijk zijn, is de specifieke combinatie van niobiumpentoxide en mangaanzuifsulfide nog niet gebouwd en getest in een echte zonnecel. De studie dient als een gedetailleerde gids voor experimenteel onderzoekers, die hen precies laat zien welke materialen ze moeten gebruiken en hoe ze deze moeten configureren om de best mogelijke prestaties te behalen. Door dit duidelijke traject te bieden, biedt het onderzoek een realistisch pad naar de creatie van de volgende generatie veilige, overvloedige en hoog-efficiënte zonne-energie.