Nuovo passo avanti per il fotovoltaico basato sulla kesterite (CZTS, Cu₂ZnSnS₄). Un gruppo di ricerca della University of New South Wales (UNSW), in Australia, ha realizzato una cella a banda larga con un’efficienza di conversione del 12,6% e una tensione a circuito aperto (Voc) di 852,8 mV.
Il dispositivo ha inoltre ottenuto un’efficienza certificata del 12,36%, con una Voc di 846,7 mV su un’area di apertura di 0,2021 cm².
Il risultato è interessante soprattutto per la capacità dei ricercatori di intervenire su uno dei principali problemi delle celle in kesterite: le perdite di tensione causate dai difetti presenti nel materiale.
Un maggiore controllo dei difetti
La kesterite è considerata un materiale interessante per il fotovoltaico perché composta da elementi relativamente abbondanti, ma le prestazioni delle celle CZTS sono state finora penalizzate da elevati deficit di tensione.
Il team dell’UNSW ha lavorato sul controllo della distribuzione del rame durante la produzione dell’assorbitore.
L’obiettivo era mantenere, soprattutto nelle prime fasi della cristallizzazione, condizioni povere di rame e ricche di zinco, considerate favorevoli alla formazione di difetti meno dannosi.
Per farlo, i ricercatori hanno modificato il processo di deposizione utilizzando inizialmente rame metallico e introducendo solfuro di rame (Cu₂S) solamente nella fase finale. In questo modo è stato possibile rafforzare i legami rame-zolfo vicino alla superficie e limitare la diffusione del rame, senza provocare un’eccessiva perdita di stagno durante la successiva solforazione.
Le analisi hanno evidenziato una distribuzione più uniforme degli elementi e una riduzione dei fenomeni di ricombinazione non radiativa e degli stati di difetto profondi.
Efficienza del 12,6% e Voc oltre 850 mV
La cella ottenuta con il processo ottimizzato ha raggiunto:
- efficienza: 12,6%;
- tensione a circuito aperto: 852,8 mV;
- densità di corrente di corto circuito: 21,0 mA/cm²;
- fill factor: 70,1%.
La tensione a circuito aperto ottenuta corrisponde al 65,3% del limite teorico di Shockley-Queisser, mentre per i dispositivi in kesterite a banda larga il valore si è generalmente attestato intorno al 60%.
Il dispositivo ha mostrato inoltre una buona stabilità, mantenendo le proprie prestazioni dopo 231 giorni di conservazione in ambiente controllato con azoto.
Possibili applicazioni nelle celle tandem
Il risultato potrebbe avere implicazioni che vanno oltre il singolo dispositivo.
Grazie alla possibilità di realizzare materiali a banda larga, la kesterite è infatti studiata anche come possibile candidata per lo strato superiore delle celle solari tandem.
Secondo i ricercatori, il metodo sviluppato per controllare la chimica locale già nelle prime fasi di formazione del materiale potrebbe inoltre essere applicato ad altri semiconduttori composti, contribuendo alla progettazione di nuovi assorbitori fotovoltaici.
La ricerca è stata pubblicata su Nature Energy con lo studio “Early-stage local chemistry regulation enabling open-circuit voltage of 847 mV in wide-bandgap Cu₂ZnSnS₄ solar cells”.
