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

O mundo funciona à base de energia, mas as fontes das quais dependemos hoje são finitas e prejudiciais ao planeta. Os combustíveis fósseis, como o carvão e o petróleo, acabarão eventualmente, e a sua queima aquece a atmosfera. Esta realidade impulsionou os cientistas a procurar alternativas mais limpas, sendo que a luz solar oferece a promessa mais abundante. O desafio não reside em capturar a luz do sol, mas em transformá-la em eletricidade de forma eficiente e económica. Durante décadas, o silício tem sido o material padrão para painéis solares, mas é caro de refinar e requer uma fabricação complexa. Uma nova geração de células solares utiliza filmes finos de cristais especiais chamados kesterites. Estes materiais são feitos de elementos que são comuns e não tóxicos, tais como cobre, zinco, estanho e enxofre. Eles têm o potencial de serem mais baratos e ambientalmente mais amigáveis do que o silício tradicional, desde que os investigadores consigam descobrir como fazê-los funcionar tão bem quanto as melhores tecnologias existentes.

Uma equipa de investigadores na Indonésia explorou recentemente uma nova forma de construir estas células solares, focando-se num tipo específico de cristal de kesterite que inclui selénio, um elemento químico relacionado com o enxofre. O seu objetivo era criar uma célula solar completa utilizando apenas materiais básicos disponíveis localmente e um processo simples baseado em líquidos, evitando as caras câmaras de vácuo normalmente exigidas para a fabricação de alta tecnologia. Eles construíram um dispositivo com camadas de vidro transparente, um revestimento de óxido especial e um filme fino do seu cristal personalizado, intercalado entre outras camadas condutoras. Ao substituir parte do enxofre na sua mistura por selénio, procuraram ajustar a capacidade do material para absorver luz e conduzir eletricidade. A equipa comparou células feitas de produtos químicos laboratoriais padrão contra aquelas feitas de pós puras, obtidas localmente, para ver se o caminho mais barato poderia produzir resultados semelhantes.

Os investigadores descobriram que conseguiam sintetizar com sucesso a estrutura de cristal desejada utilizando o seu método líquido, criando um material que é rico em zinco e ligeiramente pobre em cobre, um equilíbrio específico conhecido por melhorar o desempenho. Quando examinaram os cristais sob microscópios poderosos e analisaram a sua estrutura interna, descobriram que a adição de selénio alterou significativamente a forma física do material. Os átomos de selénio fizeram com que os pequenos grãos do cristal encolhessem dramaticamente. Nas amostras feitas com produtos químicos padrão, os grãos diminuíram de um tamanho de cerca de 32,8 nanómetros para apenas 10,7 nanómetros. Da mesma forma, os grãos nas amostras de origem local encolheram de aproximadamente 195,9 nanómetros para 98,1 nanómetros. Esta redução de tamanho criou uma superfície mais porosa, o que os investigadores acreditam ajudar o material a capturar mais luz e reduz a quantidade de luz que ricocheteia na superfície.

Testes óticos revelaram que esta mudança de tamanho e composição teve um efeito direto na forma como o material interage com a luz. A adição de selénio deslocou a absorção do material para comprimentos de onda mais longos, um fenómeno conhecido como desvio para o vermelho (redshift), o que efetivamente baixou o intervalo de energia que o material precisa de superar para gerar eletricidade. A amostra de melhor desempenho, feita com produtos químicos padrão e contendo selénio, alcançou um bandgap de 1,16 elétron-volts, o mais baixo entre todas as amostras testadas. Este intervalo de energia mais baixo permitiu que a célula colhesse um espectro mais amplo de luz solar, resultando numa eficiência de colheita de luz de 88,12 por cento. Em contraste, as amostras sem selénio tinham intervalos de energia mais elevados e colhiam menos luz. O estudo também mostrou que as amostras contendo selénio tinham menos impurezas indesejadas, conhecidas como fases secundárias, que podem bloquear o fluxo de eletricidade. A melhor amostra tinha um conteúdo de fase secundária de apenas 16,2 por cento, o mais baixo de todos os grupos testados.

Quando a equipa testou a eletricidade real gerada por estas células, os resultados confirmaram os benefícios da adição de selénio. A célula solar feita com a mistura de selénio padrão produziu a eficiência global mais elevada de 0,166 por cento. Embora este número ainda esteja muito abaixo da eficiência dos painéis de silício comerciais, representa um passo significativo para este tipo específico de fabricação de baixo custo e sem vácuo. A célula também alcançou a voltagem mais alta e o melhor fator de preenchimento, uma medida de quão eficazmente a célula entrega energia. Curiosamente, a célula feita com os materiais de origem local desempenhou quase tão bem como a feita com produtos químicos padrão, atingindo 92 por cento da eficiência da melhor amostra. Isto sugere que os produtos químicos caros e importados não são estritamente necessários para alcançar bons resultados, desde que o processo de síntese seja cuidadosamente controlado.

Os investigadores observaram que o desempenho foi limitado pela elevada quantidade de material amorfo, ou não cristalino, nos seus filmes, o que ocorreu porque não utilizaram um tratamento gasoso específico durante o processo de aquecimento. Esta falta de uma estrutura cristalina perfeita significou que as células ainda não podiam atingir o seu pleno potencial. No entanto, o estudo demonstrou com sucesso um novo design de célula solar que não utiliza uma camada de suporte de molibdénio, um material que é difícil de obter e caro. Em vez disso, utilizaram uma camada condutora transparente que é muito mais barata e fácil de obter. O trabalho prova que é possível construir uma célula solar funcional utilizando um método simples baseado em solução e materiais brutos disponíveis localmente. Ao mostrar que o selénio pode reduzir o tamanho do grão, baixar o intervalo de energia e minimizar as impurezas, o estudo fornece um caminho claro para melhorar a eficiência destas células solares de abundância terrestre no futuro.