Under de senaste decennierna har solceller blivit allt vanligare, och ett växande antal privatpersoner och företag världen över använder nu solenergi för att driva sina hem eller verksamheter. Energiingenjörer världen över har därför försökt identifiera material som är lovande för utvecklingen av solceller, som är miljövänliga och giftfria och som dessutom är lätta att anskaffa och bearbeta.
Dessa inkluderar kesteritbaserade material, såsom Cu₂ZnSnS₄ (CZTS), en klass av halvledande material med en kristallstruktur som liknar den hos det naturligt förekommande mineralet kesterit. Kesteritbaserade solceller kan ha flera fördelar jämfört med de konventionella kiselbaserade solceller som används mest idag, bland annat lägre tillverkningskostnader, en mindre giftig sammansättning och större flexibilitet.
Trots sin potential har de kesteritbaserade solceller som hittills har utvecklats betydligt lägre effektomvandlingsverkningsgrad (PCE) än sina kiselbaserade motsvarigheter. Detta beror till stor del på defekter på atomnivå i kesteritbaserade material som fångar upp laddningsbärare och leder till icke-strålande rekombination, en process som orsakar energiförluster och därmed minskar solcellernas prestanda.
Forskare vid Shenzhen University och University of Rennes har nyligen introducerat en ny passiveringsteknik som kan bidra till att undertrycka defekter i CZTS och andra kesteriter, vilket i sin tur kan öka prestandan hos solceller baserade på dessa material. Deras föreslagna teknik, som beskrivs i en artikel publicerad i Nature Energy, visade sig resultera i solceller med en certifierad verkningsgrad på 11,51 % utan användning av ytterligare tillsatser för att förbättra materialens egenskaper.
”CZTS är ett konkurrenskraftigt fotovoltaiskt material, särskilt för solceller med flera kopplingar”, skriver Tong Wu, Shuo Chen och deras kollegor i sin artikel. ”Emellertid har enhetens energieffektivitet varit oförändrad i flera år. Djupa defekter, såsom svavelvakanser (VS), orsakar allvarlig icke-strålande rekombination av laddningsbärare. Vi föreslår en passiveringsstrategi för VS genom värmebehandling av CdS/CZTS-heterojunktionen i en syrehaltig miljö.”
Passiveringsstrategin som denna forskargrupp har tagit fram innebär att CdS/CZTS-heterojunktionen, som är gränssnittet mellan kesteritmaterialet (dvs. CZTS) och ett kadmiumsulfid (CdS) buffertlager, värms upp i en syrehaltig miljö. Buffertlager är mellanlager i solceller som placeras mellan absorberande material, i detta fall CZTS, och ett transparent ledande material.
”I denna process upptas VS av syreatomer, vilket undertrycker VS-defekter”, förklarade Wu, Chen och deras kollegor. ”Dessutom kan diffusionen av Cd-joner till CZTS-absorberingsskiktet och bildandet av positiva Na–O- och Sn–O-komplex passivera relaterade defekter. Dessa effekter ledde till en minskad laddningsrekombination och gynnsam bandinriktning.”
För att demonstrera potentialen i sin passiveringsmetod tillämpade forskarna den på verkliga CZTS-baserade solceller och utvärderade sedan cellernas prestanda i en serie tester. De fann att deras strategi förbättrade cellernas PCE utan användning av några tillsatser eller extrinsiska dopningsstrategier.
”Vi visar en certifierad verkningsgrad på 11,51 % för CZTS-solceller som bearbetats med luftlösning (bandgap på 1,5 eV) utan någon extrinsisk katjonlegering”, skriver Wu, Chen och deras kollegor. ”Studien ger insikter i defektpassivering och mekanismen för prestandaförbättring hos kesteritsolceller.”
I framtiden kan den senaste studien av Wu, Chen och deras kollegor och den nya passiveringsstrategi de utvecklat vidareutvecklas och tillämpas på andra kesteritbaserade solceller. På sikt kan detta bidra till utvecklingen av dessa solceller, vilket i sin tur kan underlätta deras användning i verkligheten.
Mer information: Tong Wu et al, Värmebehandling i en syrehaltig miljö för att undertrycka djupa fällor i Cu2ZnSnS4-solcell med 11,51 % certifierad verkningsgrad, Nature Energy (2025). DOI: 10.1038/s41560-025-01756-2.
