In letzter Zeit haben Dünnschichtsolarzellen wie CdTe und CIGSe aufgrund ihrer geringen Produktionskosten und ihres hohen Wirkungsgrades viel Aufmerksamkeit erregt. Die Toxizität und Seltenheit ihrer Bestandteile schränken jedoch ihre breite Anwendung ein. Vor diesem Hintergrund haben sich Cu₂SrSnS₄-Halbleiter aufgrund ihrer hervorragenden Absorptionseigenschaften, darunter Ungiftigkeit, hohe Verfügbarkeit auf der Erde und einstellbare Bandlücke, als vielversprechende Alternative erwiesen. Allerdings befindet sich dieses Material noch in der Entwicklungsphase, mit einem aktuellen Wirkungsgrad von nur 0,6 %, und es sind deutliche Leistungsverbesserungen erforderlich, um mit herkömmlichen Solarzellen konkurrieren zu können.

Derzeit ist der hohe Leerlaufspannungsverlust (VₒC) ein Schlüsselfaktor, der die Leistung von Cu₂SrSnS₄-Solarzellen begrenzt, hauptsächlich aufgrund ihrer unzureichenden Ausrichtung auf die Bandstruktur der Transportschicht. Daher ist die Optimierung der Gerätekonfiguration der beste Weg zur Verbesserung ihres Wirkungsgrades (PCE).

Die Simulationssoftware SCAPS-1D hat in den letzten Jahren aufgrund ihrer Zuverlässigkeit und der Möglichkeit, die Eigenschaften von Solarzellen in kurzer Zeit und ohne Materialverbrauch zu untersuchen, große Aufmerksamkeit erregt. In einer im Journal of Solid State Physics and Chemistry veröffentlichten Arbeit schlugen Kavya Tracy Arockiadoss et al. verschiedene Gerätekonfigurationen vor und nutzten SCAPS-1D, um die Leistung von Cu₂SrSnS₄-Solarzellen umfassend zu untersuchen.

Forscher entwickelten sechs Cu₂SrSnS₄-Supergitter-Solarzellen mit Chalkogenid- und Oxid-Lochtransportschichten (HTL). Als HTL-Materialien dienten Sb₂S₃, MoS₂, Cu₃BiS₃, NiO, CuAlO₂ und Cu₂O, während ZnMgO als Elektronentransportschicht (ETL) verwendet wurde. Zusätzlich wurden Solarzellen ohne HTL entworfen, um die Bedeutung der HTL für die Leistungssteigerung zu untersuchen.

Im Rahmen der Forschungsarbeiten führten die Wissenschaftler umfassende Analysen der Solarzellenleistung anhand fundamentaler Parameter jeder Schicht durch, darunter Dicke, Ladungsträgerdichte, Defektdichte und Grenzflächeneigenschaften. Die Optimierungsergebnisse waren signifikant; die Zugabe einer Lochtransportschicht (HTL) verbesserte den Wirkungsgrad (PCE) deutlich. Vergleichende Studien zeigten, dass Solarzellen mit oxidbasierter HTL Solarzellen mit chalkogenidbasierter HTL übertrafen, wobei die auf Cu₂O basierende Solarzelle mit einem Wirkungsgrad von 18,48 % den höchsten Wert erreichte.

Um zu untersuchen, warum Cu₂O HTL-Solarzellen anderen Zellen überlegen sind, verglichen und analysierten die Forscher darüber hinaus verschiedene HTL-Solarzellen. Dabei konzentrierten sie sich auf die Bandstruktur, das elektrische Feld, die Generationsrate, die Rekombinationsrate, das Nyquist-Diagramm und die Elektronenverteilung jeder Solarzelle, die aus SCAPS-1D extrahiert wurden.

Die Studie ergab, dass Cu₂O-Solarzellen eine perfekte Bandanpassung an der Grenzfläche zwischen Absorberschicht und Lochtransportschicht (HTL) aufweisen, mit Loch- und Elektronenbarrieren von -0,04 eV bzw. 0,46 eV. Darüber hinaus zeigen Cu₂O-Solarzellen im Vergleich zu anderen Materialien ein stärkeres negatives elektrisches Feld an der Elektrode, einen hohen Rekombinationswiderstand von 9,4 × 10⁵ Ω·cm² und eine geringere Leerlaufspannungs-Defizitrate (VₒC).

Zusammenfassend liefert die Arbeit der Forscher wertvolle Erkenntnisse zum Verständnis der Bedeutung der Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HTL) für die Verbesserung des Wirkungsgrads von Solarzellen im Bereich der Photovoltaik. Die Forscher sind überzeugt, dass die Herstellung von Cu₂SrSnS₄-Solarzellen mit der optimalen Gerätestruktur FTO/ZnMgO/Cu₂SrSnS₄/Cu₂O/Ni vielversprechend für die zukünftige Steigerung ihres photoelektrischen Wirkungsgrads ist.

Weitere Informationen: Kaviya Tracy Arockiadoss et al., A guide to Cu2SrSnS4 solar cell architectures based on SCAPS-1D simulations of chalcogenide and oxide hole transport layers, Journal of Solid State Physics and Chemistry (2025).