UNSW-Team in Australien entwickelt CZTS-Solarzelle mit 12,6 % Wirkungsgrad

de.wedoany.com-Bericht: Ein Forschungsteam der University of New South Wales (UNSW) hat mithilfe einer Defektkontrollstrategie eine Breitband-CZTS-Solarzelle (Kupfer-Zink-Zinn-Schwefel) hergestellt und eine Leistungsumwandlungseffizienz von 12,6 % sowie eine Leerlaufspannung von 852,8 mV erzielt. Diese Strategie reduziert den Leerlaufspannungsverlust der CZTS-Zelle, indem sie das Kupfer in der Vorstufe stabilisiert und dessen äußere Diffusion begrenzt.

Die CZTS-Photovoltaiktechnologie basiert auf in der Erdkruste reichlich vorhandenen Elementen, litt jedoch historisch unter erheblichen Spannungsverlusten. Die Forscher erklärten, dass die Spannung ein direkter Indikator für den internen Energieverlust einer Solarzelle ist; schädliche Defekte verringern die Spannung, und die Defektkontrolle bestimmt die endgültige Effizienz sowie die Menge der aus dem Sonnenlicht umgewandelten Energie. Die Erhöhung der Leerlaufspannung von CZTS über das aktuelle Niveau hinaus ist entscheidend, um sein volles Potenzial auszuschöpfen.

Frühere Studien zeigten, dass eine kupferarme (Cu-arme) und zinkreiche (Zn-reiche) chemische Umgebung die Bildung vorteilhafter Defekte in CZTS fördert und gleichzeitig Defekte unterdrückt, die zur Ladungsträgerrekombination führen. Allerdings kann die Bildung kupferreicher und zinkarmer Regionen in der CZTS-Dünnschicht die lokale chemische Umgebung verändern und die Entstehung ungünstiger Defekte und Sekundärphasen begünstigen. Um diesen Prozess zu kontrollieren, versuchte das Forschungsteam, die Cu–S-Bindungen in der Vorstufe zu verstärken, um das Kupfer zu stabilisieren und dessen äußere Diffusion zu begrenzen.

Im ersten Ansatz ersetzten die Forscher während des Ko-Sputterprozesses metallisches Kupfer durch Kupfersulfid (Cu₂S). Raman-Spektroskopie und Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS)-Messungen zeigten, dass die modifizierte Vorstufe stärkere Cu–S-Bindungen, eine höhere strukturelle Ordnung und eine geringere Kationen-Fehlordnung aufweist. Die durchgängige Verwendung von Cu₂S während des gesamten Abscheidungsprozesses erhöhte jedoch den Zinnverlust (Sn-Verlust) während der Sulfidisierung, was zu Defekten und Pinholes in der Absorberschicht führte und die Herstellung von Solarzellen ungeeignet machte. Das Forschungsteam verwendete anschließend in der Anfangsphase der Vorstufenabscheidung metallisches Kupfer und wechselte in den letzten Minuten zu Cu₂S, um das Kupfer nahe der Oberfläche zu stabilisieren und den Zinnverlust während der anschließenden Sulfidisierung zu begrenzen.

Der optimierte Prozess reduzierte die äußere Diffusion von Kupfer erheblich, erzeugte eine gleichmäßigere Elementverteilung und trug dazu bei, die kupferarme, zinkreiche lokale Umgebung in der frühen Kristallisationsphase von CZTS – also wenn sich die Defektstruktur der Absorberschicht bildet – aufrechtzuerhalten. Tieftemperatur-Kathodolumineszenzmessungen zeigten, dass die optimierte Absorberschicht im Vergleich zur Referenzprobe eine geringere nichtstrahlende Rekombination und weniger tiefe lokalisierte Defektzustände aufweist, während der Beitrag von Übergängen über flache Defekte stärker ist, was auf eine verbesserte Defektqualität hindeutet.

Die mit dieser Defekttechnik hergestellte CZTS-Solarzelle erreichte eine Leistungsumwandlungseffizienz von 12,6 %, eine Leerlaufspannung von 852,8 mV, eine Kurzschlussstromdichte von 21,0 mA/cm² und einen Füllfaktor von 70,1 %. Die zertifizierte Effizienz beträgt 12,36 %, gemessen mit einer Aperturfläche von 0,2021 cm² und einer Leerlaufspannung von 846,7 mV. Das Bauelement blieb nach 231 Tagen Lagerung in einem stickstoffgefüllten Trockenschrank stabil in seiner Leistung.

Die Forscher gaben an, dass diese Arbeit eine Leerlaufspannung demonstriert, die 65,3 % des Shockley–Queisser (SQ)-Limits entspricht, während Breitband-CZTS-Bauelemente typischerweise eine Leerlaufspannung von etwa 60 % des entsprechenden SQ-Limits erreichen. Die UNSW-Forscherin Xiaojing Hao wies darauf hin, dass diese Defektkontrollstrategie einen Referenzwert für das Design und die Optimierung anderer Verbindungshalbleiter darstellt. Das Designprinzip ist nicht auf das CZTS-Material beschränkt und eignet sich für die Entwicklung von Kandidatenmaterialien für die obere Zelle von Tandemsolarzellen – es erfordert ein Design bereits ab der Mischungsphase der Ausgangsmaterialien und die Aufrechterhaltung einer gleichmäßigen Verteilung. Die Ausgangsmaterialien können je nach Halbleiter variieren, aber das Designprinzip bleibt dasselbe.

Die Forschungsergebnisse wurden unter dem Titel „Early-stage local chemistry regulation enabling open-circuit voltage of 847 mV in wide-bandgap Cu2ZnSnS4 solar cells“ in Nature Energy veröffentlicht.