Cientistas chineses aumentam eficiência de células CZTSe para 8,04% com fluoreto de potássio

De acordo com pt.wedoany.com-A equipe de pesquisa da Shandong Police College, na China, desenvolveu um novo método de tratamento químico suave para melhorar a eficiência das células solares de CZTSe (cobre-zinco-estanho-selênio).

A equipe de pesquisa afirma que o mecanismo do tratamento com metais alcalinos em células solares CZTSe ainda precisa ser investigado mais a fundo. O tratamento com sódio ou potássio pode melhorar significativamente o desempenho das células solares de filme fino, passivando a superfície da camada absorvedora, reduzindo defeitos nos contornos de grão, otimizando a qualidade cristalina e aumentando a concentração de portadores, exercendo um impacto importante nos dispositivos das células.

O método utiliza uma solução de fluoreto de potássio (KF) para tratar a camada absorvedora. A equipe preparou células CZTSe em substratos de vidro sodo-cálcico (SLG) revestidos com uma camada de contato traseiro de molibdênio (Mo). As camadas precursoras de cobre (Cu), zinco (Zn) e estanho (Sn) foram depositadas por pulverização catódica magnetrônica e ajustadas para uma composição pobre em cobre e rica em zinco. Em seguida, os precursores foram imersos em soluções de KF com concentrações de 0, 3, 6 ou 9 mmol/L por 20 minutos e secos a 80°C por 20 minutos.

As amostras foram então submetidas a um processo de selenização em atmosfera de selênio a 550°C para formar a camada absorvedora de CZTSe. A fabricação das células foi concluída com a deposição de uma camada tampão de sulfeto de cádmio (CdS) de 50 nm de espessura, além de óxido de zinco intrínseco (i-ZnO), óxido de zinco dopado com alumínio (AZO) e eletrodos de contato frontal de níquel/alumínio (Ni/Al). A estrutura final do dispositivo foi SLG/Mo/CZTSe/CdS/i-ZnO/AZO/Ni:Al.

Após a fabricação, a equipe caracterizou os dispositivos utilizando microscopia eletrônica de varredura, medições de densidade de corrente-tensão (J-V), medições de eficiência quântica externa (EQE) e medições de capacitância-tensão (C-V). Os resultados mostraram que o desempenho do CZTSe melhorou quando a concentração de KF foi aumentada até o valor ideal de 6 mmol/L, mas diminuiu quando a concentração foi aumentada para 9 mmol/L.

O dispositivo tratado com KF a 6 mmol/L alcançou uma eficiência de 8,04%, tensão de circuito aberto de 0,392 V, densidade de corrente de curto-circuito de 34,3 mA/cm² e fator de preenchimento de 59,7%. Em comparação, os valores do dispositivo de referência não tratado com KF foram de 6,59%, 0,332 V, 33,7 mA/cm² e 58,8%, respectivamente.

Para investigar o mecanismo intrínseco, a equipe utilizou o software de simulação wxAMPS para estudar o impacto dos defeitos na interface e da densidade de portadores no desempenho do dispositivo. Ao variar os parâmetros, descobriu-se que a redução dos defeitos na interface pode aumentar significativamente a eficiência e a tensão de circuito aberto ao suprimir a recombinação de portadores, enquanto o aumento da densidade de portadores reduz o desempenho.

A equipe de pesquisa concluiu que o potássio promove o crescimento dos grãos de CZTSe durante o processo de selenização em alta temperatura e reduz a formação de vazios no crescimento do filme. O tratamento suave com KF também fornece uma fonte excessiva de potássio, suprimindo efetivamente a decomposição superficial, especialmente reduzindo a perda de estanho ao diminuir a dessorção de SnSe(g), melhorando assim a interface CdS/CZTSe.

O resultado foi publicado na revista Materials Today Communications sob o título "Potassium processing interface engineering for carrier regulation of efficient CZTSe solar cells".