Кестерит Cu 2 ZnSn(S,Se) 4 является новым и многообещающим зеленым фотогальваническим материалом, так как он распространен на Земле, не наносит вреда окружающей среде и имеет стабильную структуру, большую настраиваемость и выгодные оптоэлектронные свойства. Несмотря на свои качества, солнечные элементы на основе кестерита обычно имеют низкую эффективность преобразования энергии, что препятствует их коммерциализации и крупномасштабному внедрению.
Исследователи из Университета Нового Южного Уэльса в Сиднее недавно провели исследование, направленное на лучшее понимание механизмов, которые способствуют микроскопическим потерям носителей в кестеритовых солнечных элементах , снижая их эффективность. Их результаты, опубликованные в журнале Nature Energy , в конечном итоге могут помочь в крупномасштабном внедрении этого многообещающего класса солнечных элементов.
« Исследовательское сообщество столкнулось с серьезной проблемой улучшения характеристик кестеритовых солнечных элементов, что связано с беспрецедентной сложностью системы материалов, а также с механизмами потери носителей», — сказал Цзяньцзюнь Ли, один из ученых, проводивших исследование. «Велись долгие споры о том, какой механизм потери носителей доминирует в современных кестеритовых солнечных элементах».
Понимание механизмов, лежащих в основе потери носителей в конкретных типах солнечных элементов, является важным шагом в их разработке и коммерциализации. Ключевой целью недавней работы Ли и его коллег было определение доминирующих механизмов потерь в современных кестеритовых солнечных элементах. Исследователи также хотели разработать структуру, которая позволила бы им и другим командам динамически анализировать основные механизмы потерь в солнечных элементах на основе различных новых поликристаллических тонких пленок, включая кестерит, а также халькогениды сурьмы, перовскиты и другие материалы.
«Несмотря на большие перспективы, весь потенциал кестерита еще далеко не раскрыт», — сказал TechXplore Сяоцзин Хао, другой исследователь, участвовавший в исследовании. «Наибольшая в настоящее время эффективность составляет 13,6% для элементов лабораторного масштаба, что намного ниже, чем эффективность их коммерческих аналогов > 22% (для солнечных элементов CIGS (CuInGa(S,Se) 2 ) и CdTe). Тем не менее, согласно теоретическим предсказаниям , его эффективность должна быть выше >30%.
Несколько прошлых исследований связывали потери энергии в солнечных элементах на основе кестерита с объемными точечными дефектами и межфазными дефектами. Это привело к разработке различных стратегий для снижения этих потерь энергии, повышения эффективности кестеритовых ячеек до более чем 12%.
«Важным фактом, который в значительной степени игнорировался в предыдущих исследованиях, является то, что в поликристаллической тонкой пленке может существовать большая микромасштабная неоднородность», — пояснил Хао. «Например, на границе зерен и на поверхности зерен скорость рекомбинации может быть намного выше, чем внутри зерен. Поэтому понимание механизмов потери носителей в этих микроскопических областях необходимо для определения того, куда следует направить исследовательские усилия».
Ли, Хао и их коллеги хотели улучшить понимание кестеритовых солнечных элементов, чтобы они могли догнать CdTe и халькопиритные элементы CIGSSe, которые сейчас представлены на рынке. Для этого они объединили теоретическую основу с трехмерным (3D) моделированием солнечных элементов.
«Хотя некоторые свойства внутренней части зерен и границ зерен, такие как дефекты кристалличности внутри зерен и изгиб полос на границах зерен, были исследованы в прошлом с использованием соответственно структурного и электрического анализа с высоким разрешением, подробные механизмы потерь в этих микроскопических областях, особенно рекомбинация границ зерен и срок службы носителя внутри зерна и их влияние на производительность устройства остаются неизвестными», — сказал Хао. «В нашей недавней работе мы раскрываем микроскопические механизмы потери носителей в наших солнечных элементах с рекордной эффективностью (> 12%) Cu 2 ZnSnSe 4 (CZTSe) путем создания структуры, которая связывает структурные, электрические и фотоэлектрические характеристики на микро- и макроуровне. с трехмерным моделированием солнечных батарей».
Моделирование, проведенное исследователями, было основано на трехмерной элементарной ячейке, которая воспроизводила форму кестеритовых солнечных элементов, созданных ими, с использованием изображений ячеек SEM и STEM. Исследователи экспериментально получили фотоэлектронные параметры ячеек, в том числе их плотность свободных носителей, флуктуации потенциала, градацию ширины запрещенной зоны и статистическое среднее значение S GB (скорость безызлучательной рекомбинации на границах зерен). Все эти параметры были интегрированы в их имитационную модель.
«Время жизни и подвижность внутризеренных электронов и дырок может быть получено путем сопоставления экспериментальных J – V и EQE, — сказал Хао. картирование на приборе CZTSSe прямого скола поперечного сечения».
Исследователи использовали различные микроскопические и макроскопические характеристики солнечных элементов, которые они создали, чтобы оценить транспорт носителей на переднем и заднем интерфейсах устройства. Это позволило им определить механизмы рекомбинации носителей как внутри зерен, так и на границах зерен, а также оценить концентрацию и флуктуации носителей.
В своих измерениях команда обнаружила, что в измеренной области все границы зерен демонстрируют явно более низкую интенсивность CL, чем внутри усиления. Это говорит о том, что границы зерен имеют гораздо большую скорость безызлучательной рекомбинации, чем внутренности зерен.
«Очевидно, рекомбинация границ зерен доминирует в потерях носителей, которые мы наблюдали на изображениях EBIC (ток, индуцированный электронным лучом)», — сказал Хао. «Это захватывающий, подавляющий и все же разумный результат. На самом деле это стимул для вышеупомянутой общей разработанной структуры, сочетающей характеристики и трехмерное моделирование фотоэлектрических устройств для достижения скорости рекомбинации носителей на границе зерна и времени жизни внутри зерна и последующих путь к эффективности выше 20%».
По сути, используя измерения, симуляции и расчеты, Ли, Хао и их коллеги смогли создать трехмерную смоделированную модель своего устройства. Эта модель помогла им раскрыть основные микромеханизмы носителей, влияющие на производительность солнечных элементов.
Команда показала, что рекомбинация границ зерен ограничивает эффективное время жизни носителей массивного кестерита. Они обнаружили, что связанная скорость рекомбинации границ зерен кестерита на уровне 10 4 см с -1 на один-два порядка больше, чем у CIGSSe и CdTe; в то время как время жизни неосновных носителей внутри зерна оценивается в 10–30 нс, а чистая плотность носителей составляет около 1,8 × 10 15 см -3 .
«Похоже, что общеизвестные потери напряжения холостого хода (V OC ) из-за флуктуаций ширины запрещенной зоны и/или флуктуаций электростатического потенциала невелики», — сказал Хао. «Вместо этого доминирующие механизмы потерь современных современных солнечных элементов CZTSe связаны с серьезной безызлучательной рекомбинацией на границах зерен. Эти результаты означают, что механизмы потери носителей в кестерите CZTSe больше похожи на исторический CdTe, чем на долго считавшийся халькопирит (CIGS)».
Недавняя работа этой группы исследователей показывает, что кестерит может иметь удивительно большое внутризеренное время жизни электронов, составляющее 10-30 нс , и большую подвижность внутризеренных дырок, составляющую 30-50 см 2 В -1 с -1 . Эти значения подчеркивают огромный потенциал материала для создания эффективных солнечных элементов и других оптоэлектронных устройств, включая фотодетекторы и фотокатоды для фотоэлектрохимических (PEC) устройств.
«Мы показали, что объемное качество наших кестеритовых материалов намного лучше, чем ожидалось от сообщества, и что ключевой проблемой кестеритовых солнечных элементов с малой шириной запрещенной зоны являются внутренние границы раздела (границы зерен), что является очень неожиданным, но разумным открытием». — сказал Ли. «Теперь мы надеемся узнать больше о границах зерен кестеритовых материалов и разработать надлежащий метод отверждения границ зерен кестеритовых материалов в качестве исторической пассивации границ зерен коммерческих халькопиритовых (CIGS) и тонкопленочных солнечных элементов CdTe. .»
В будущем результаты, полученные Хао, Ли и их коллегами, могут проложить путь к разработке устройств на основе кестерита с эффективностью более 20%. Кроме того, созданную ими модель можно использовать для лучшего понимания основ сложных солнечных технологий, основанных на тонких пленках других новых материалов.
«Основываясь на этой работе, дальнейшее повышение эффективности до более чем 20% требует существенной пассивации границ зерен и увеличения чистой плотности носителей», — добавил Хао. «Наши следующие исследования будут сосредоточены на понимании дефектов на границах зерен кестеритов и разработке стратегий пассивации границ зерен».
