Microscopía electrónica de barrido (SEM) e imagen de corriente inducida por haz de electrones (EBIC) de una sección transversal de la celda solar CZTSe. Los granos dentro de los marcos punteados no muestran colección de portadores. Crédito:Li et al.
Kesterita Cu2 ZnSn(S,Se)4 es un material fotovoltaico verde emergente y prometedor, ya que es abundante en la Tierra, no daña el medio ambiente y tiene una estructura estable, una gran capacidad de ajuste y propiedades optoelectrónicas ventajosas. A pesar de sus cualidades, las células solares basadas en kesterita suelen tener una baja eficiencia de conversión de energía, lo que dificulta su comercialización e implementación a gran escala.
Investigadores de la Universidad de Nueva Gales del Sur en Sydney han llevado a cabo recientemente un estudio destinado a comprender mejor los mecanismos que promueven pérdidas microscópicas de portadores en las células solares de kesterita, reduciendo su eficiencia. Sus hallazgos, publicados en Nature Energy , en última instancia, podría ayudar a facilitar la implementación a gran escala de esta prometedora clase de células solares.
"La comunidad de investigación se ha enfrentado a un gran desafío para mejorar el rendimiento de las células solares de kesterita, que está asociado con la complejidad sin precedentes del sistema de materiales, así como con los mecanismos de pérdida de la portadora", dijo Jianjun Li, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio. le dijo a TechXplore. "Ha habido un largo debate sobre qué mecanismo de pérdida de portador domina en las células solares de kesterita de última generación".
Comprender los mecanismos que sustentan la pérdida de portadores en tipos específicos de células solares es un paso esencial en su desarrollo y comercialización. El objetivo clave del trabajo reciente de Li y sus colegas fue identificar los mecanismos de pérdida dominantes en las células solares de kesterita de última generación. Los investigadores también querían diseñar un marco que les permitiera a ellos y a otros equipos analizar dinámicamente los mecanismos de pérdida dominantes en las células solares en función de diferentes películas delgadas policristalinas emergentes, incluida la kesterita, así como los calcogenuros de antimonio, las perovskitas y otros materiales.
Imagen de mapeo de catodoluminiscencia (CL) de una muestra de CZTSe de sección transversal. Los límites de grano muestran una intensidad de CL baja en comparación con los interiores de grano. Crédito:Li et al.
"A pesar de la gran promesa, todo el potencial de la kesterita está lejos de ser aprovechado", dijo a TechXplore Xiaojing Hao, otro investigador involucrado en el estudio. "La eficiencia más alta actual es del 13,6 % en celdas a escala de laboratorio, que es mucho más baja que la eficiencia del>22 % de sus contrapartes comercializadas (para CIGS (CuInGa(S,Se)2 ) y células solares de CdTe). No obstante, de acuerdo con las predicciones teóricas, su eficiencia debería ser>30 %".
Varios estudios anteriores han relacionado las pérdidas de energía en las células solares basadas en kesterita con defectos de puntos de volumen y defectos interfaciales. Esto ha llevado al desarrollo de diferentes estrategias para reducir estas pérdidas de energía, mejorando la eficiencia de las células de kesterita por encima del 12%.
"Un hecho importante que se ha ignorado en gran medida en estudios anteriores es que podría existir una gran falta de homogeneidad a microescala en la película delgada policristalina", explicó Hao. "Por ejemplo, el límite del grano y la superficie del grano podrían tener una velocidad de recombinación mucho mayor que la del interior del grano. Por lo tanto, es imperativo comprender los mecanismos de pérdida de portadores en estas regiones microscópicas para determinar hacia dónde deben dirigirse los esfuerzos de investigación".
Li, Hao y sus colegas querían mejorar la comprensión de las células solares de kesterita, de modo que pudieran ponerse al día con las células CdTe y calcopirita CIGSSe, que ahora están en el mercado. Para ello, combinaron un marco teórico con simulaciones tridimensionales (3D) de células solares.
La imagen EBIC de un dispositivo CZTSe escindido. Crédito:Li et al.
"Aunque algunas propiedades del interior de los granos y los límites de los granos, como los defectos de cristalinidad intragrano y la flexión de la banda en los límites de los granos, se han investigado en el pasado, usando análisis estructural y eléctrico de alta resolución respectivamente, mecanismos de pérdida detallados en estas regiones microscópicas, especialmente la recombinación de límites de grano y la vida útil del interior del grano y su impacto en el rendimiento del dispositivo, siguen siendo desconocidos", dijo Hao. "En nuestro trabajo reciente, revelamos los mecanismos microscópicos de pérdida de portadores en nuestra eficiencia récord (>12 %) Cu2 ZnSnSe4 (CZTSe) mediante el establecimiento de un marco que vincula las caracterizaciones estructurales, eléctricas y fotoeléctricas a escala micro y macro con simulaciones tridimensionales de dispositivos de células solares".
Las simulaciones realizadas por los investigadores se basaron en una celda unitaria 3D que replicaba la forma de las celdas solares de kesterita que habían creado, usando imágenes SEM y STEM de las celdas. Los investigadores obtuvieron de forma experimental parámetros fotoelectrónicos de las células, incluida la densidad de portadores libres, la fluctuación potencial, la clasificación de banda prohibida y el SGB medio estadístico. (velocidad de recombinación no radiativa en los límites de grano). Todos estos parámetros se integraron en su modelo de simulación.
"La vida útil y las movilidades de los electrones y los huecos dentro de los granos se pueden obtener haciendo coincidir el J–V y el EQE experimentales", dijo Hao. mapeo en un dispositivo CZTSSe de sección transversal cortado directamente".
Los investigadores utilizaron diferentes caracterizaciones microscópicas y macroscópicas de las células solares que habían creado para estimar el transporte de portadores en las interfaces delantera y trasera del dispositivo. Esto les permitió determinar los mecanismos de recombinación de portadores tanto en el interior de los granos como en los límites de los granos, pero también estimar la concentración y la fluctuación de los portadores.
Imagen SEM transversal codificada por colores de un dispositivo CZTSe. La estructura del dispositivo de abajo hacia arriba es vidrio sodocálcico (SLG)/Mo/MoSe2/CZTSe/CdS/i-ZnO/ZnO:Al. Crédito:Li et al.
En sus mediciones, el equipo encontró que en la región que midieron, todos los límites de grano exhibían una intensidad CL pronunciadamente más baja que la encontrada en los interiores de ganancia. Esto sugiere que los límites de los granos tienen una velocidad de recombinación no radiativa mucho mayor que el interior de los granos.
"Aparentemente, la recombinación del límite de grano está dominando la pérdida de portador que observamos en las imágenes EBIC (corriente inducida por haz de electrones)", dijo Hao. "Este es un resultado emocionante, supresor y, sin embargo, razonable. En realidad, es el incentivo para el marco de diseño general mencionado anteriormente que combina las caracterizaciones y la simulación de dispositivos fotovoltaicos en 3D para alcanzar la velocidad de recombinación del portador en el límite del grano y la vida útil del interior del grano y posterior". camino hacia más allá del 20% de eficiencia".
Esencialmente, usando medidas, simulaciones y cálculos, Li, Hao y sus colegas pudieron crear un modelo simulado en 3D de su dispositivo. Este modelo les ayudó a revelar los principales mecanismos portadores a microescala que afectan el rendimiento de las células solares.
El equipo demostró que la recombinación de límites de grano limita la vida útil efectiva del portador de kesterita a granel. Descubrieron que la velocidad de recombinación del límite de grano asociado de la kesterita, a un nivel de 10 4 cm s −1 , es de uno a dos órdenes de magnitud mayor que la de CIGSSe y CdTe; mientras que la vida útil de los portadores minoritarios intragranos se estima en 10–30 ns y la densidad neta de portadores en torno a 1,8 × 10 15 cm −3 .
Mapeo de catodoluminiscencia hiperespectral y de intensidad combinada adquirido a 10 keV de una muestra de sección transversal preparada por FIB de absorbedor de CZTSe. Crédito:Li et al.
"Parece que el voltaje de circuito abierto bien reconocido (VOC ) debido a la fluctuación de la banda prohibida y/o la fluctuación del potencial electrostático son pequeñas”, dijo Hao. “En cambio, los mecanismos de pérdida dominantes de las celdas solares CZTSe de última generación están asociados con la recombinación severa no radiativa en los límites de los granos. . Estos hallazgos significan que los mecanismos de pérdida de portadores de la kesterita CZTSe se parecen más al CdTe histórico que a la calcopirita (CIGS) que se cree desde hace mucho tiempo".
El trabajo reciente de este equipo de investigadores muestra que la kesterita podría tener una vida útil de electrones intragrano sorprendentemente grande de 10 -30 ns y gran movilidad del orificio intragrano de 30–50 cm 2 V -1 s -1 . Estos valores destacan el enorme potencial del material para la creación de células solares eficientes y otros dispositivos optoelectrónicos, incluidos fotodetectores y fotocátodos para dispositivos fotoelectroquímicos (PEC).
"Demostramos que la calidad a granel de nuestros materiales de kesterita es mucho mejor de lo esperado por la comunidad y que el problema clave de las células solares de kesterita de baja banda prohibida son las interfaces internas (límites de grano), lo cual es un hallazgo muy sorprendente pero razonable". dijo Li. "Ahora esperamos obtener más información sobre los límites de grano de los materiales de kesterita y diseñar un método adecuado para curar los límites de grano de los materiales de kesterita como la pasivación histórica del límite de grano de las células solares de película fina de calcopirita (CIGS) y CdTe comercializadas. ."
En el futuro, los hallazgos recopilados por Hao, Li y sus colegas podrían allanar el camino hacia el desarrollo de dispositivos basados en kesterita con eficiencias superiores al 20 %. Además, el modelo que crearon podría usarse para comprender mejor los fundamentos de tecnologías solares complejas basadas en películas delgadas de otros materiales emergentes.
"Con base en este trabajo, una mayor mejora de la eficiencia hacia una eficiencia superior al 20% requiere una pasivación sustancial del límite de grano y un aumento de la densidad neta del portador", agregó Hao. "Nuestros próximos estudios se centrarán en la comprensión de los defectos en el límite de grano de las kesteritas y en el desarrollo de estrategias de pasivación del límite de grano".
© 2022 Red Ciencia X La ingeniería de fluoroetilamina para una pasivación efectiva mejora la eficiencia de las células solares de perovskita
