Międzynarodowy zespół badawczy opracował nową konstrukcję ogniwa słonecznego z kesterytu, która obiecuje przełomową efektywność na poziomie 29,37 proc. Opierając się na innowacyjnych rozwiązaniach w zakresie materiałów i struktury ogniwa (domieszkowanie srebrem), badacze znacznie poprawili wydajność tradycyjnych ogniw kesterytowych, przekraczając dotychczasowe bariery w ich rozwoju. Szczegóły opisano w czasopiśmie Energy & Environmental Science.
Ogniwa kesterytowe przyszłością fotowoltaiki
Kesteryt to rodzaj minerału należący do grupy chalkopirytów, który charakteryzują się wysoką zawartością miedzi, cynku, cyny i siarki. W składzie chemicznym najczęściej występują jako Cu2ZnSnS4, a jego struktura krystaliczna pozwala na skuteczne absorbowanie światła. Z tego powodu kesteryt wzbudza duże zainteresowanie w badaniach nad fotowoltaiką.
Czytaj też:Ogniwa perowskitowe już niedługo na dachach domów! Pokonano największą przeszkodę
W odróżnieniu od innych materiałów stosowanych w ogniwach słonecznych, takich jak perowskity, kesteryty nie zawierają toksycznych pierwiastków, np. ołowiu lub kadmu. To sprawia, że są bardziej przyjazne dla środowiska i mogą być bezpieczniej stosowane na szeroką skalę. Dodatkowo, ich składniki, jak miedź, cynk i cyna, są szerzej dostępne i tańsze niż te wykorzystywane w klasycznych ogniwach z krzemu, co czyni je potencjalnie bardziej opłacalnym rozwiązaniem w przyszłościowych technologiach energii słonecznej.
Ale tradycyjne ogniwa kesterytowe zmagają się z niską wydajnością i dużymi stratami prądu z powodu rekombinacji elektronów i dziur, co utrudnia ich komercjalizacje. Aby rozwiązać te problemy, naukowcy domieszkowali prekursor ogniwa słonecznego srebrem (Ag), co pomaga zapobiegać utracie cyny (Sn) i poprawia mieszanie materiałów w niższych temperaturach. W rezultacie kryształy rosną większe i szybciej, redukując defekty i poprawiając wydajność ogniwa słonecznego.
Kiedy umieszczono srebro w prekursorze, okazało się, że pierwiastek ten może znacznie poprawić wydajność ogniwa słonecznego poprzez zmniejszenie utraty cyny i skuteczną minimalizację defektów. Naukowcy odkryli również, że nieprawidłowe umieszczenie srebra może zakłócić powstawanie stopu cynku i miedzi, powodując, że cynk pozostaje w masie i tworzy skupiska defektów. Ta interferencja może zwiększyć straty rekombinacji elektronowo-dziurowej i obniżyć wydajność. Odkrycie to podkreśla ważną kwestię: wydajność ogniwa słonecznego jest znacząco zależna od lokalizacji domieszkowania srebra.
Zespół badawczy odkrył również, że materiał płynny utworzony przez domieszkowanie srebrem (Ag) sprzyja wzrostowi kryształów, znacznie zwiększając gęstość i krystaliczność warstwy absorbującej. Ta poprawa prowadzi do lepszej struktury pasma energetycznego i mniejszej liczby defektów, ułatwiając płynniejszy transport ładunku w ogniwie. Odkrycia te mogą również znacznie pomóc w produkcji wysokowydajnych ogniw słonecznych przy niższych kosztach.