Mikroskopiske bærertabsmekanismer i kesteritbaserede solceller med en effektivitet på 12 %

Kesterite Cu₂ ZnSn(S,Se)₄ er et fremvoksende og lovende grønt fotovoltaisk materiale, da det er rigeligt på Jorden, ikke skader miljøet og har en stabil struktur, en stor afstembarhed og fordelagtige optoelektroniske egenskaber. På trods af deres egenskaber har solceller baseret på kesterit typisk dårlig effektkonverteringseffektivitet, hvilket hindrer deres kommercialisering og storskalaimplementering.

Forskere ved University of New South Wales i Sydney har for nylig udført en undersøgelse, der har til formål bedre at forstå de mekanismer, der fremmer mikroskopiske bærertab i kesterit-solceller, hvilket reducerer deres effektivitet. Deres resultater, offentliggjort i Nature Energy , kunne i sidste ende være med til at lette implementeringen i stor skala af denne lovende klasse af solceller.

"Forskersamfundet er stødt på en stor udfordring i at forbedre ydeevnen af ​​kesterit-solceller, som er forbundet med den hidtil usete kompleksitet af materialesystemet såvel som bærertabsmekanismerne," Jianjun Li, en af ​​forskerne, der udførte undersøgelsen, fortalte TechXplore. "Det har været en lang debat om, hvilken bærertabsmekanisme, der dominerer i den nuværende state-of-the-art kesterit solceller."

At forstå de mekanismer, der ligger til grund for tab af bærer i specifikke typer solceller, er et væsentligt skridt i deres udvikling og kommercialisering. Hovedformålet med det seneste arbejde af Li og hans kolleger var at identificere de dominerende tabsmekanismer i avancerede kesterit-solceller. Forskerne ønskede også at udtænke en ramme, der ville give dem og andre teams mulighed for dynamisk at analysere de dominerende tabsmekanismer i solceller baseret på forskellige fremkommende polykrystallinske tynde film, herunder kesterit samt antimonchalcogenider, perovskiter og andre materialer.

"På trods af det store løfte, er det fulde potentiale af kesterit langt at blive udnyttet," sagde Xiaojing Hao, en anden forsker involveret i undersøgelsen, til TechXplore. "Den nuværende højeste effektivitet er 13,6 % på celler i laboratorieskala, hvilket er meget lavere end deres kommercialiserede modparters effektivitet på>22 % (for CIGS (CuInGa(S,Se)₂ ) og CdTe solceller). Ikke desto mindre burde dens effektivitet ifølge teoretiske forudsigelser være så høj som>30 %."

Adskillige tidligere undersøgelser har forbundet energitab i kesterit-baserede solceller til bulk point-defekter og grænsefladedefekter. Dette har ført til udviklingen af ​​forskellige strategier til at reducere disse energitab, hvilket forbedrer effektiviteten af ​​kesteritceller til over 12 %.

"En vigtig kendsgerning, der i vid udstrækning er blevet ignoreret i tidligere undersøgelser, er, at der kunne eksistere en stor mikroskala inhomogenitet i den polykrystallinske tyndfilm," forklarede Hao. "For eksempel kunne korngrænse og kornoverflade have meget større rekombinationshastighed end i korninteriør. Derfor er det bydende nødvendigt at forstå bærertabsmekanismerne i disse mikroskopiske områder for at bestemme, hvor forskningsindsatsen skal rettes."

Li, Hao og deres kolleger ønskede at forbedre forståelsen af ​​kesterit-solceller, så de kan indhente CdTe- og chalcopyrit-CIGSSe-celler, som nu er på markedet. For at gøre dette kombinerede de en teoretisk ramme med tredimensionelle (3D) solcellesimuleringer.

"Selvom nogle egenskaber ved korninteriøret og korngrænser, såsom intrarain krystallinitetsdefekter og båndbøjning ved korngrænserne, tidligere er blevet undersøgt ved hjælp af højopløsnings strukturel og elektrisk analyse, detaljerede tabsmekanismer i disse mikroskopiske områder, især korngrænserekombination og korninteriørbærers levetid og deres indvirkning på enhedens ydeevne forbliver ukendt," sagde Hao. "I vores seneste arbejde afslører vi de mikroskopiske bærertabsmekanismer i vores rekordeffektivitet (>12 %) Cu₂ ZnSnSe₄ (CZTSe) solceller ved at etablere en ramme, der forbinder mikro-til-makro-skala strukturelle, elektriske og fotoelektriske karakteriseringer med tredimensionelle solcelle-enhedssimuleringer."

Simuleringerne udført af forskerne var baseret på en 3D-enhedscelle, der replikerede formen af ​​kesterit-solceller, de havde skabt, ved hjælp af SEM- og STEM-billeder af cellerne. Forskerne opnåede eksperimentelt fotoelektroniske parametre for cellerne, herunder deres frie bærertæthed, potentielle fluktuationer, båndgab-gradering og statistisk gennemsnitlig S_GB (ikke-strålende rekombinationshastighed ved korngrænserne). Alle disse parametre blev integreret i deres simuleringsmodel.

"Intrarain elektron- og hullevetider og mobiliteter kan opnås ved at matche den eksperimentelle J-V og EQE," sagde Hao, "Især den ikke-strålende rekombinationshastighed ved korngrænser og korninteriør sammenlignes først kvalitativt ved at udføre katodoluminescens (CL) kortlægning på en direkte kløvet tværsnits-CZTSSe-enhed."

Forskerne brugte forskellige mikroskopiske og makroskopiske karakteriseringer af solceller, de havde oprettet, til at estimere bærertransporten ved enhedens front- og baggrænseflader. Dette gjorde det muligt for dem at bestemme bærerekombinationsmekanismer i både kornets indre og ved korngrænser, men også at estimere koncentrationen og fluktuationen af ​​bærere.

I deres målinger fandt holdet, at i regionen, de målte alle korngrænser, udviste en udtalt lavere CL-intensitet end den, der blev fundet i forstærkningens indre. Dette tyder på, at korngrænserne har en langt større ikke-strålende rekombinationshastighed end kornets indre.

"Tilsyneladende dominerer korngrænserekombination det bærertab, som vi observerede fra EBIC (elektronstråleinduceret strøm) billeder," sagde Hao. "Dette er et spændende, undertrykkende og alligevel rimeligt resultat. Det er faktisk incitamentet til det ovennævnte overordnede designet rammeværk, der kombinerer karakteriseringerne og 3D fotovoltaisk enhedssimulering for at opnå bærerens rekombinationshastighed ved korngrænsen og levetiden af ​​kornets indre og efterfølgende vej mod mere end 20 % effektivitet."

I det væsentlige ved hjælp af målinger, simuleringer og beregninger var Li, Hao og deres kolleger i stand til at skabe en 3D-simuleret model af deres enhed. Denne model hjalp dem med at afsløre de primære bæremekanismer i mikroskala, der påvirker solcellernes ydeevne.

Holdet viste, at korngrænserekombination begrænser den effektive bærerlevetid for bulk-kesterit. De fandt, at den tilknyttede korngrænserekombinationshastighed af kesterit, på et niveau på 10 ⁴ cm s ⁻¹ , er en til to størrelsesordener større end den for CIGSSe og CdTe; mens intrarain minoritetsbærerens levetid er estimeret til at være 10-30 ns og nettobærertætheden omkring 1,8 × 10 ¹⁵ cm ⁻³ .

"Det ser ud til, at den velkendte åben kredsløbsspænding (V_OC ) tab på grund af båndgab-udsving og/eller elektrostatiske potentiale-udsving er små," sagde Hao. "I stedet er de dominerende tabsmekanismer for nuværende avancerede CZTSe-solceller forbundet med den alvorlige ikke-strålende rekombination ved korngrænser . Disse resultater betyder, at bærertabsmekanismerne for kesterit CZTSe er mere som den historiske CdTe snarere end den længe troede chalcopyrit (CIGS)."

Det nylige arbejde fra dette hold af forskere viser, at kesterit kan have en overraskende stor intrarain-elektronlevetid på 10 ^-30 ns og stort intrarain hul mobilitet på 30-50 cm ² V ^-1 s ^-1 . Disse værdier fremhæver materialets enorme potentiale til at skabe effektive solceller og andre optoelektroniske enheder, herunder fotodetektorer og fotokatoder til fotoelektrokemiske (PEC) enheder.

"Vi viste, at bulkkvaliteten af ​​vores kesteritmaterialer er meget bedre end forventet fra samfundet, og at nøgleproblemet med kesteritsolceller med lavt båndgab er de indre grænseflader (korngrænser), hvilket er et meget overraskende, men rimeligt fund." sagde Li. "Vi håber nu at finde ud af mere om korngrænserne for kesteritmaterialer og at udtænke en ordentlig metode til at helbrede korngrænserne for kesteritmaterialer som den historiske korngrænsepassivering af de kommercialiserede Chalcopyrite (CIGS) og CdTe tyndfilmsolceller ."

I fremtiden kan resultaterne indsamlet af Hao, Li og deres kolleger bane vejen for udviklingen af ​​kesterit-baserede enheder med effektivitet på over 20 %. Derudover kunne den model, de skabte, bruges til bedre at forstå grundlaget for komplekse solteknologier baseret på tynde film af andre nye materialer.

"Baseret på dette arbejde kræver yderligere effektivitetsforbedringer til mere end 20% effektivitet væsentlig korngrænsepassivering og forøgelse af nettobærertætheden," tilføjede Hao. "Vores næste undersøgelser vil være fokuseret på at forstå defekterne ved korngrænsen af ​​kesteritter og udvikle korngrænsepassiveringsstrategier." + Udforsk yderligere

Fluoroethylaminteknik til effektiv passivering forbedrer effektiviteten af ​​perovskit-solceller

© 2022 Science X Network