Equipe da UNSW, Austrália, desenvolve célula solar CZTS com eficiência de 12,6%

De acordo com pt.wedoany.com-A equipe de pesquisa da Universidade de Nova Gales do Sul (UNSW) adotou uma estratégia de regulação de defeitos para fabricar células solares de sulfeto de cobre-zinco-estanho (CZTS) de banda larga, alcançando uma eficiência de conversão de potência de 12,6% e uma tensão de circuito aberto de 852,8 mV. Essa estratégia reduz a perda de tensão de circuito aberto nas células CZTS ao estabilizar o elemento cobre no precursor e limitar sua difusão externa.

A tecnologia fotovoltaica CZTS é baseada em elementos abundantes na crosta terrestre, mas historicamente apresenta um grande problema de déficit de tensão. Os pesquisadores afirmam que a tensão é um indicador direto da perda de energia interna em uma célula solar; defeitos prejudiciais reduzem a tensão, e o controle de defeitos determina a eficiência final e a quantidade de energia convertida da luz solar. Elevar a tensão de circuito aberto do CZTS acima dos níveis atuais é crucial para liberar todo o seu potencial.

Estudos anteriores mostraram que um ambiente químico pobre em cobre (Cu) e rico em zinco (Zn) pode promover a formação de defeitos benéficos no CZTS, ao mesmo tempo em que suprime defeitos que causam recombinação de portadores. No entanto, a formação de regiões ricas em cobre e pobres em zinco no filme fino de CZTS altera o ambiente químico local, promovendo a geração de defeitos desfavoráveis e fases secundárias. Para controlar esse processo, a equipe de pesquisa tentou fortalecer as ligações Cu–S no precursor, a fim de estabilizar o cobre e limitar sua difusão externa.

No método inicial, os pesquisadores substituíram o cobre metálico por sulfeto de cobre (Cu₂S) durante o processo de co-sputtering. Medidas de espectroscopia Raman e espectroscopia fotoelétrica de raios X (XPS) mostraram que o precursor modificado apresentava ligações Cu–S mais fortes, maior ordem estrutural e menor desordem catiônica. No entanto, o uso de Cu₂S durante todo o processo de deposição aumentou a perda de estanho (Sn) durante a sulfurização, resultando em defeitos e buracos na camada absorvedora, tornando-a inadequada para a fabricação de células solares. A equipe de pesquisa então usou cobre metálico no início da deposição do precursor e trocou para Cu₂S nos últimos minutos, a fim de estabilizar o cobre próximo à superfície e limitar a perda de estanho durante a sulfurização subsequente.

O processo otimizado reduziu significativamente a difusão externa do cobre, produziu uma distribuição elementar mais uniforme e ajudou a manter o ambiente local pobre em cobre e rico em zinco durante o estágio inicial de cristalização do CZTS — momento em que a estrutura de defeitos da camada absorvedora é formada. Medidas de catodoluminescência em baixa temperatura mostraram que, em comparação com a amostra de referência, a camada absorvedora otimizada apresentou menor recombinação não radiativa e menos estados de defeitos profundos localizados, com uma contribuição mais forte de transições envolvendo defeitos rasos, indicando uma melhoria na qualidade dos defeitos.

A célula solar CZTS fabricada com esse método de engenharia de defeitos alcançou uma eficiência de conversão de potência de 12,6%, tensão de circuito aberto de 852,8 mV, densidade de corrente de curto-circuito de 21,0 mA/cm² e fator de preenchimento de 70,1%. A eficiência certificada foi de 12,36%, com tensão de circuito aberto de 846,7 mV medida em uma área de abertura de 0,2021 cm². O dispositivo manteve desempenho estável após 231 dias de armazenamento em um dessecador preenchido com nitrogênio.

Os pesquisadores afirmam que este trabalho demonstra uma tensão de circuito aberto equivalente a 65,3% do limite Shockley–Queisser (SQ), enquanto dispositivos de sulfeto de cobre-zinco-estanho de banda larga normalmente alcançam cerca de 60% do limite SQ correspondente. A pesquisadora da UNSW, Xiaojing Hao, destacou que essa estratégia de controle de defeitos tem valor de referência para o design e a otimização de outros semicondutores compostos, e que seus princípios de design não se limitam ao material CZTS, sendo aplicáveis ao desenvolvimento de materiais candidatos para células topo em células solares tandem — é necessário projetar desde o estágio de mistura de matérias-primas e manter uma distribuição uniforme; as matérias-primas podem variar conforme o semicondutor, mas os princípios de design são os mesmos.

Os resultados desta pesquisa foram publicados na Nature Energy sob o título "Early-stage local chemistry regulation enabling open-circuit voltage of 847 mV in wide-bandgap Cu2ZnSnS4 solar cells".