Кестерит (Cu 2 ZnSnS 4 , CZTS) — сульфидный минерал с уникальной структурой решетки, который можно рассматривать как производный от халькопирита CuInSe 2 (CIS) путем замещения в халькопирите двух атомов In 3+ одним атомом Zn 2+ и один атом Sn 4+ . Элементы, входящие в состав этого минерала и его производных Cu 2 ZnSn(S,Se) 4 (CZTSSe), менее токсичны и распространены на Земле, что может быть очень выгодно для разработки более устойчивых и недорогих технологий.
За последние несколько десятилетий ученые и инженеры-материаловеды изучают возможность использования кестеритовых материалов для создания более доступных и устойчивых солнечных элементов. Несмотря на активные усилия в этом направлении, максимальная энергоэффективность , достигнутая кестеритовыми солнечными элементами, составляет 12,6%, о чем впервые было сообщено в 2013 году.
Исследователи из Нанкинского университета почты и телекоммуникаций, Фуданьского университета, Китайской академии наук и Вашингтонского университета недавно побили этот десятилетний рекорд, разработав более эффективный интерфейс кестерит/CdS, который может позволить создавать солнечные элементы с 13% эффективность. Этот интерфейс, представленный в статье, опубликованной в журнале Nature Energy, может позволить создавать более эффективные и более производительные кестеритовые солнечные элементы.
«Документ Nature Energy основан на нашей предыдущей работе, которая показала, что поглотители кестеритов Cu 2 ZnSn(S,Se) 4 (CZTSSe) и (Ag,Cu) 2 ZnSn(S,Se) 4 (ACZTSSe), изготовленные из SnCl 4 Решение на основе ДМСО показывает улучшенную производительность устройства с уменьшенной рекомбинацией вблизи границы раздела кестерит / CdS», — сказал TechXplore Хао Синь, один из исследователей, проводивших исследование. «Основная цель статьи в Nature состояла в том, чтобы понять оригинал дефектного интерфейса гетероперехода кестерита / CdS и то, как термический отжиг значительно снижает концентрацию дефектов».
В своих экспериментах Xin и его коллеги показали, что гетеропереход кестерит/CdS строится на поверхности с низким содержанием цинка, поскольку Zn 2+ растворяется в процессе осаждения в химической ванне. В результате Cd 2+ занимает положение, ранее занятое Zn, а Zn 2+ повторно откладывается в CdS, что приводит к дефектному интерфейсу с несогласованной решеткой.
Чтобы восстановить эпитаксиальный интерфейс, исследователи применили метод, известный как низкотемпературный отжиг на переходе кестерит/CdS. Этот метод позволил им управлять миграцией Cd 2+ из слоя поглотителя обратно в место CdS и Zn 2+ из объема поглотителя на поверхность материала.
«Пленки-предшественники (изготовленные из раствора ДМСО на основе SnCl 4 ) имеют уже сформированные структуры кестерита (Cu 2 ZnSnS 4 , CZTS), которые используют механизм роста зерен прямого фазового превращения для формирования поглощающих пленок CZTSSe/ACZTSSe во время селенизации», — сказал Синь. «Наш подход позволяет избежать вторичных фаз и, таким образом, создает однородный и менее дефектный поглотитель».
Исследователи оценили созданный ими интерфейс кестерит/CdS в серии тестов и обнаружили, что он превосходит ранее созданные интерфейсы кестерита. Было обнаружено, что их первоначальный метод изготовления значительно улучшил напряжение холостого хода и коэффициент заполнения устройств на солнечных элементах, достигнув сертифицированной эффективности 12,96 % на небольшой площади (0,11 см 2 ) и 11,7 % на большой площади ( 1,1 см 2 ).
В будущем экспериментальные методы, разработанные Синь и его коллегами, могут позволить разработать интерфейсы кестерит / CdS с более однородными поглощающими пленками. Эти интерфейсы, в свою очередь, могут быть использованы для разработки более эффективных солнечных элементов из кестерита.
«Впервые мы раскрываем, как устроен гетеропереход кестерит/CdS (на основе поверхности с низким содержанием Zn) и почему он дефектен (из-за заполнения Cd 2+ на вакансии Zn), что контрастирует с CIGS, из которого кестерит передается по наследству», — добавил Синь. «В наших следующих работах мы планируем дополнительно разработать дефекты кестеритов».
