Chiến lược chế tạo pin mặt trời kesterite với hiệu suất 13%

Chiến lược chế tạo pin mặt trời kesterite với hiệu suất 13%

    Chiến lược chế tạo pin mặt trời kesterite với hiệu suất 13%

    A strategy to fabricate kesterite solar cells with a 13% efficiency

    Sơ đồ minh họa sự di chuyển của nguyên tố tại bề mặt kesterit và giao diện kesterit / CdS trong quá trình lắng đọng hóa học (CBD) của CdS và xử lý nhiệt ở nhiệt độ thấp của dị liên kết (JHT) (trên cùng). Các đường cong điện áp mật độ dòng điện (J – V) và hiệu suất lượng tử bên ngoài (EQE) của pin mặt trời kesterite hiệu quả 12,96% được chứng nhận NREL (dưới cùng). Nhà cung cấp hình ảnh: Gong et al, Nature Energy (2022). DOI: 10.1038 / s41560-022-01132-4


    Kesterit (Cu2ZnSnS4, CZTS) là một khoáng chất sulfua có cấu trúc mạng tinh thể độc đáo có thể được coi là có nguồn gốc từ chalcopyrit CuInSe2 (CIS) bằng cách thay thế hai nguyên tử In3 + trong chalcopyrit bằng một nguyên tử Zn2 + và một nguyên tử Sn4 +. Các nguyên tố có trong khoáng chất này và các dẫn xuất của nó Cu2ZnSn (S, Se) 4 (CZTSSe) ít độc hơn và có nhiều trên Trái đất, có thể rất thuận lợi cho việc phát triển các công nghệ bền vững hơn và chi phí thấp.

    Trong vài thập kỷ qua, các nhà khoa học và kỹ sư vật liệu đã khám phá khả năng sử dụng vật liệu kesterite để tạo ra các pin mặt trời bền vững và giá cả phải chăng hơn. Mặc dù có nhiều nỗ lực theo hướng này, hiệu suất điện năng cao nhất mà pin mặt trời kesterite đạt được là 12,6%, được báo cáo lần đầu tiên vào năm 2013.

    Các nhà nghiên cứu tại Đại học Bưu chính Viễn thông Nam Kinh, Đại học Phúc Đán, Học viện Khoa học Trung Quốc và Đại học Washington gần đây đã vượt qua kỷ lục kéo dài hàng thập kỷ này, phát triển một giao diện kesterite / CdS hoạt động tốt hơn có thể cho phép tạo ra các tế bào năng lượng mặt trời với 13% hiệu quả. Giao diện này, được trình bày trong một bài báo đăng trên Nature Energy, có thể cho phép tạo ra các tế bào năng lượng mặt trời kesterite hiệu quả hơn và hoạt động tốt hơn.

    "Bài báo Năng lượng tự nhiên được xây dựng dựa trên công trình trước đây của chúng tôi, cho thấy các chất hấp thụ kesterit Cu2ZnSn (S, Se) 4 (CZTSSe) và (Ag, Cu) 2ZnSn (S, Se) 4 (ACZTSSe) được chế tạo từ dung dịch DMSO dựa trên SnCl4. Hao Xin, một trong những nhà nghiên cứu thực hiện nghiên cứu, nói với TechXplore, đã cải thiện hiệu suất của thiết bị với việc giảm khả năng tái kết hợp gần giao diện kesterite / CdS. "Mục tiêu chính của bài báo Nature là tìm hiểu nguyên bản của giao diện dị liên kết bị lỗi của kesterite / CdS và cách ủ nhiệt làm giảm đáng kể nồng độ của các khuyết tật."

    Trong các thí nghiệm của họ, Xin và các đồng nghiệp của ông đã chỉ ra rằng dị liên kết kesterit / CdS được cấu tạo trên bề mặt nghèo Zn, vì Zn2 + hòa tan trong quá trình lắng đọng bể hóa học. Kết quả là, Cd2 + chiếm vị trí mà Zn đã chiếm trước đó và Zn2 + được lắng đọng lại thành CdS, dẫn đến một giao diện bị lỗi với một mạng tinh thể không khớp.

    Để tái tạo lại giao diện biểu mô, các nhà nghiên cứu đã áp dụng một kỹ thuật được gọi là ủ nhiệt độ thấp trên tiếp giáp kesterite / CdS. Kỹ thuật này cho phép họ điều khiển sự di chuyển của Cd2 + từ lớp hấp thụ trở lại vị trí CdS và Zn2 + từ khối hấp thụ đến bề mặt vật liệu.

    Xin cho biết: “Các màng tiền thân (được chế tạo từ dung dịch DMSO dựa trên SnCl4) có cấu trúc kesterit (Cu2ZnSnS4, CZTS). "Cách tiếp cận của chúng tôi tránh các pha thứ cấp và do đó tạo ra một chất hấp thụ đồng nhất và ít bị lỗi hơn."

    Các nhà nghiên cứu đã đánh giá giao diện kesterite / CdS mà họ tạo ra trong một loạt các thử nghiệm và nhận thấy rằng nó hoạt động tốt hơn các giao diện kesterite đã tạo trước đó. Phương pháp chế tạo ban đầu của họ đã được phát hiện để cải thiện đáng kể điện áp mạch hở và hệ số lấp đầy của các thiết bị pin mặt trời, đạt được hiệu suất được chứng nhận là 12,96% trên diện tích nhỏ (0,11cm2) và 11,7% trên diện tích lớn (1,1cm2).

    Trong tương lai, các phương pháp thử nghiệm do Xin và các đồng nghiệp của ông nghĩ ra có thể cho phép phát triển các giao diện kesterite / CdS với các màng hấp thụ đồng đều hơn. Đến lượt nó, những giao diện này có thể được sử dụng để phát triển các tế bào năng lượng mặt trời kesterite hoạt động tốt hơn.

    "Lần đầu tiên, chúng tôi tiết lộ cách cấu tạo của dị liên kết kesterite / CdS (dựa trên bề mặt nghèo Zn) và tại sao nó bị lỗi (do chiếm chỗ của Cd2 + trên chỗ trống của Zn), tương phản với CIGS, từ đó kesterite được kế thừa ", Xin nói thêm. "Trong các tác phẩm tiếp theo của chúng tôi, chúng tôi dự định sẽ cải tiến thêm các khuyết tật của kesterit."

    Zalo
    Hotline