Кестерит (Cu2ZnSnS4, CZTS) представляет собой сульфидный минерал с уникальной структурой решетки, который можно рассматривать как производный от халькопирита CuInSe2 (CIS) путем замены двух атомов In3+ в халькопирите на один атом Zn2+ и один атом Sn4+. Элементы, входящие в состав этого минерала и его производных Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTSSe), менее токсичны и распространены на Земле, что может быть очень выгодно для разработки более устойчивых и недорогих технологий.

В течение последних нескольких десятилетий ученые-материаловеды и инженеры изучали возможность использования кестеритовых материалов для создания более доступных и устойчивых солнечных элементов. Несмотря на обширные усилия в этом направлении, самая высокая энергоэффективность, достигнутая солнечными элементами kesterite, составляет 12,6%, о чем впервые было сообщено в 2013 году.

Исследователи из Нанкинского университета почты и телекоммуникаций, Университета Фудань, Китайской академии наук и Вашингтонского университета недавно превзошли этот десятилетний рекорд, разработав более производительный интерфейс kesterite / CdS, который может позволить создавать солнечные элементы с эффективностью 13%. Этот интерфейс, представленный в статье, опубликованной в журнале Nature Energy, может позволить создать более эффективные и высокопроизводительные солнечные элементы из кестерита.

"Статья Nature Energy основана на нашей предыдущей работе, которая показала, что поглотители кестеритов Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTSSe) и (Ag, Cu)2ZnSn(S,Se)4 (ACZTSSe), изготовленные из раствора ДМСО на основе SnCl4, демонстрируют улучшенную производительность устройства с уменьшенной рекомбинацией вблизи кестерита /Интерфейс CdS", - сказал TechXplore Хао Синь, один из исследователей, проводивших исследование. "Основная цель статьи Nature состояла в том, чтобы понять происхождение дефектной гетеропереходной границы раздела кестерит / CdS и то, как термический отжиг значительно снижает концентрацию дефектов".

В своих экспериментах Синь и его коллеги показали, что гетеропереход кестерит / CdS строится на поверхности, бедной Zn, поскольку Zn2+ растворяется в процессе химического осаждения в ванне. В результате Cd2+ занимает участок, ранее занятый Zn, и Zn2+ повторно осаждается в CdS, что приводит к дефектному интерфейсу с несоответствующей решеткой.

Чтобы восстановить эпитаксиальную границу раздела, исследователи применили метод, известный как низкотемпературный отжиг на стыке кестерит /CdS. Этот метод позволил им стимулировать миграцию Cd2+ из слоя поглотителя обратно в сайт CdS и Zn2+ из объема поглотителя на поверхность материала.

"Пленки-предшественники (изготовленные из раствора ДМСО на основе SnCl4) имеют уже сформированные структуры кестерита (Cu2ZnSnS4, CZTS), которые используют механизм роста зерен прямого фазового превращения для образования пленок-поглотителей CZTSSe / ACZTSSe во время селенизации", - сказал Синь. "Наш подход позволяет избежать вторичных фаз и, таким образом, создает однородный и менее дефектный поглотитель".

Исследователи оценили созданный ими интерфейс kesterite / CdS в серии тестов и обнаружили, что он превосходит ранее созданные интерфейсы kesterite. Было обнаружено, что их первоначальный метод изготовления значительно улучшает напряжение холостого хода и коэффициент заполнения устройств на солнечных элементах, достигая сертифицированной эффективности 12,96% на небольшой площади (0,11 см2) и 11,7% на большой площади (1,1 см2).

В будущем экспериментальные методы, разработанные Синем и его коллегами, могут позволить разработать интерфейсы кестерит / CdS с более однородными пленками-поглотителями. Эти интерфейсы, в свою очередь, могут быть использованы для разработки более производительных солнечных элементов из кестерита.

"Впервые мы раскрываем, как устроен гетеропереход кестерит / CdS (на основе поверхности, бедной Zn) и почему он дефектен (из-за занятия Cd2+ на вакансии Zn), что контрастирует с CIGS, от которого унаследован кестерит", - добавил Синь. "В наших следующих работах мы планируем продолжить разработку дефектов кестеритов".