Nas últimas décadas, as células solares têm se tornado cada vez mais populares, e um número crescente de indivíduos e empresas em todo o mundo vêm dependendo da energia solar para abastecer suas residências ou operações diárias. Por isso, os engenheiros de energia em todo o mundo têm se esforçado para encontrar materiais que sejam favoráveis ao desenvolvimento da fotovoltaica, sejam ambientalmente amigáveis e não tóxicos, e sejam fáceis de serem adquiridos e processados.

Esses materiais incluem os baseados em esfalerita, como o Cu₂ZnSnS₄ (CZTS), que é um material semicondutor cuja estrutura cristalina é semelhante à do mineral de esfalerita existente na natureza. Em comparação com as células fotovoltaicas de silício tradicionais, as mais usadas atualmente, as células solares de esfalerita apresentam várias vantagens, incluindo um custo de fabricação mais baixo, uma composição menos tóxica e uma maior flexibilidade.

Embora tenham grande potencial, a eficiência de conversão de energia (PCE) das células solares de esfalerita desenvolvidas até o momento é muito inferior à das células solares de silício. Isso se deve, em grande parte, à existência de defeitos em nível atômico nos materiais baseados em esfalerita, que capturam os portadores de carga e provocam a recombinação não radiativa, um processo que causa perda de energia e, consequentemente, reduz a performance das células solares.

Pesquisadores da Universidade de Shenzhen e da Universidade de Rennes recentemente lançaram uma nova técnica de passivação que pode ajudar a suprimir os defeitos em CZTS e outros materiais de esfalerita, melhorando assim a performance das células solares baseadas nesses materiais. A técnica proposta por eles foi publicada na revista "Nature Energy". Foi verificado que a técnica pode fazer com que a eficiência das células solares atinja 11,51%, sem a necessidade de usar quaisquer outros aditivos para melhorar as propriedades do material.

"O CZTS é um material fotovoltaico muito competitivo, especialmente para células solares multijunção", escreveram Wu Tong, Chen Shuo e seus colegas no artigo. "No entanto, a eficiência de conversão de potência do dispositivo permaneceu estagnada ao longo dos anos. Defeitos de nível profundo, como a lacuna de enxofre (V S ), causam uma séria recombinação não radiativa de portadores de carga. Proponemos uma estratégia para passivar V S por meio de tratamento térmico da heterojunção CdS/CZTS em um ambiente rico em oxigênio".

A estratégia de passivação desenvolvida pela equipe de pesquisa envolve o aquecimento da heterojunção CdS/CZTS em um ambiente rico em oxigênio, ou seja, a interface entre o material de esfalerita (ou seja, CZTS) e a camada de buffer de sulfeto de cádmio (CdS). A camada de buffer é uma camada intermediária em uma célula solar, localizada entre o material absorvente (no caso, o CZTS) e o material condutor transparente.

"Durante esse processo, V S é ocupado por átomos de oxigênio, suprimindo assim o defeito V S", explicam Wu, Chen e seus colegas. "Além disso, a difusão de íons de Cd para a camada absorvente de CZTS e a formação de complexos positivos de Na-O e Sn-O podem passivar os defeitos relacionados. Esses efeitos podem reduzir a recombinação de carga e permitir uma disposição mais favorável de bandas de energia".

Para demonstrar o potencial de seu método de passivação, os pesquisadores o aplicaram em células solares reais de CZTS e avaliaram a performance dessas células por meio de uma série de testes. Eles descobriram que a estratégia pode aumentar a PCE das células sem a necessidade de usar quaisquer aditivos ou estratégias de dopagem externa.

"Mostramos que, sem a necessidade de qualquer ligação de cátions externos, a eficiência certificada de células solares de CZTS tratadas em solução aérea (com uma banda proibida de 1,5 eV) atinge 11,51%", escreveram Wu, Chen e seus colegas. "Este estudo fornece insights sobre os mecanismos de passivação de defeitos e melhoria de performance das células solares de esfalerita".

No futuro, a última pesquisa de Wu, Chen e seus colegas, assim como a nova estratégia de passivação que eles desenvolveram, podem ser aprimorados e aplicados a outras células solares baseadas em esfalerita. Eventualmente, isso ajudará a avançar essas células solares e, consequentemente, a promover suas aplicações no mundo real.