Команда из Университета Нового Южного Уэльса (UNSW) разработала солнечный элемент на основе CZTS с эффективностью 12,6%

Репортаж от Wedoany，Исследовательская группа Университета Нового Южного Уэльса (UNSW) применила стратегию регулирования дефектов для создания широкозонного солнечного элемента на основе меди-цинк-олово-серы (CZTS), достигнув эффективности преобразования мощности 12,6% и напряжения холостого хода 852,8 мВ. Данная стратегия снижает потери напряжения холостого хода в элементах CZTS за счёт стабилизации меди в прекурсоре и ограничения её внешней диффузии.

Фотоэлектрическая технология CZTS основана на элементах, широко распространённых в земной коре, однако исторически характеризуется значительными потерями напряжения. Исследователи отмечают, что напряжение является прямым показателем внутренних потерь энергии в солнечном элементе: вредные дефекты снижают напряжение, а контроль дефектов определяет конечную эффективность и количество энергии, преобразуемой из солнечного света. Повышение напряжения холостого хода CZTS выше текущего уровня имеет решающее значение для раскрытия его полного потенциала.

Предыдущие исследования показали, что химическая среда с дефицитом меди (Cu) и избытком цинка (Zn) способствует образованию полезных дефектов в CZTS, одновременно подавляя дефекты, вызывающие рекомбинацию носителей заряда. Однако формирование областей, богатых медью и бедных цинком, в тонких плёнках CZTS изменяет локальную химическую среду, способствуя образованию неблагоприятных дефектов и вторичных фаз. Для контроля этого процесса исследовательская группа попыталась усилить связи Cu–S в прекурсоре, чтобы стабилизировать медь и ограничить её внешнюю диффузию.

В первоначальном подходе исследователи заменили металлическую медь на сульфид меди(I) (Cu₂S) в процессе совместного распыления. Измерения рамановской спектроскопии и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS) показали, что модифицированный прекурсор обладает более прочными связями Cu–S, более высокой структурной упорядоченностью и меньшей степенью катионного беспорядка. Однако использование Cu₂S на протяжении всего процесса осаждения увеличило потери олова (Sn) при сульфуризации, что привело к появлению дефектов и микроотверстий в поглощающем слое, делая его непригодным для изготовления солнечных элементов. Впоследствии исследовательская группа использовала металлическую медь на начальном этапе осаждения прекурсора, а в последние минуты переключалась на Cu₂S, чтобы стабилизировать медь вблизи поверхности и ограничить потери олова при последующей сульфуризации.

Оптимизированный процесс значительно снизил внешнюю диффузию меди, обеспечил более равномерное распределение элементов и способствовал поддержанию локальной среды с дефицитом меди и избытком цинка на ранних стадиях кристаллизации CZTS — когда формируется дефектная структура поглощающего слоя. Низкотемпературные катодолюминесцентные измерения показали, что по сравнению с эталонным образцом оптимизированный поглощающий слой характеризуется более низкой безызлучательной рекомбинацией и меньшим количеством глубоких локализованных дефектных состояний, а вклад мелких дефектов в переходы более выражен, что свидетельствует об улучшении качества дефектов.

Солнечный элемент CZTS, изготовленный с применением данного метода инженерии дефектов, достиг эффективности преобразования мощности 12,6%, напряжения холостого хода 852,8 мВ, плотности тока короткого замыкания 21,0 мА/см² и коэффициента заполнения 70,1%. Сертифицированная эффективность составила 12,36%, а напряжение холостого хода, измеренное при апертурной площади 0,2021 см², — 846,7 мВ. Устройство сохраняло стабильные характеристики после 231 дня хранения в сушильном шкафу с азотной атмосферой.

Исследователи отмечают, что данная работа демонстрирует напряжение холостого хода, эквивалентное 65,3% предела Шокли–Квайссера (SQ), тогда как широкозонные устройства на основе CZTS обычно достигают напряжения холостого хода около 60% соответствующего предела SQ. Исследователь UNSW Сяоцзин Хао (Xiaojing Hao) указала, что данная стратегия контроля дефектов имеет справочную ценность для проектирования и оптимизации других соединений-полупроводников, а её принципы не ограничиваются материалом CZTS и применимы к разработке кандидатов на роль верхнего элемента тандемных солнечных батарей — где необходимо проектирование с этапа смешивания исходных материалов и поддержание равномерного распределения; исходные материалы могут различаться в зависимости от полупроводника, но принципы проектирования остаются одинаковыми.

Результаты данного исследования опубликованы в журнале Nature Energy под названием «Early-stage local chemistry regulation enabling open-circuit voltage of 847 mV in wide-bandgap Cu2ZnSnS4 solar cells».