Международная группа ученых разработала инновационный метод повышения эффективности солнечных батарей с помощью легирования серебром. Они утверждают, что новая технология позволит наладить массовое производство солнечных батарей нового поколения на основе кестерита (CZTSSe). Этот материал, состоящий из меди, цинка, олова, серы и селена, считается перспективной альтернативой традиционным кремниевым элементам благодаря своей дешевизне, доступности компонентов и экологичности. Основным препятствием для широкого применения кестеритовых батарей до сих пор был их низкий КПД, связанный с потерями тока из-за рекомбинации электронов и дырок – процесса, снижающего количество генерируемой электроэнергии.
Солнечные элементы типа CZTSSe состоят из меди (Cu), цинка (Zn), олова (Sn), серы (S) и селена (Se). Такая комбинация элементов делает их экологически безопасной, ресурсодоступной и недорогой альтернативой традиционным солнечным панелям, которые обычно требуют редких и дорогостоящих материалов. В отличие от традиционных солнечных технологий, CZTSSe-элементы могут производиться в большом масштабе и по доступной цене, что делает их конкурентоспособными на рынке.
Однако до настоящего момента широкое применение кестеритных элементов сдерживалось существенным недостатком – низким коэффициентом полезного действия из-за высоких потерь энергии при рекомбинации носителей заряда. Исследователи нашли решение этой проблемы, разработав метод прецизионного легирования прекурсора серебром.
Чтобы справиться с этими проблемами, исследователи внедрили метод легирования серебром на стадии подготовки компонентов для солнечного элемента. Серебро, вводимое в структуру элемента, предотвращает потерю олова и улучшает смешиваемость материалов при низкотемпературной обработке, что ускоряет и упрощает рост кристаллов. В результате такие кристаллы формируются более крупными и с меньшим количеством дефектов, что повышает эффективность солнечных панелей.
В процессе исследования ученые детально изучили, как размещение атомов серебра в различных участках предшествующего слоя влияет на дефекты и процессы рекомбинации. Результаты показали, что легирование серебром, проведенное в подходящих точках слоя, эффективно предотвращает потерю олова и подавляет дефекты, что значительно улучшает производительность панели.
Однако нужно учесть важный момент, добавление серебра в неподходящие места может нарушить формирование сплава меди и цинка, вызывая скопление цинка и появление дефектов. Это приводит к увеличению потерь тока из-за рекомбинации электронов и дырок, что снижает общую производительность солнечного элемента. Данное открытие подчеркивает важность точного размещения серебра для достижения наибольшего эффекта.
Исследование также показало, что при легировании серебром образуется жидкая фаза, которая способствует росту кристаллов и улучшает плотность и кристалличность слоя, поглощающего свет. Это способствует улучшению энергетической структуры и снижению числа дефектов, что, в свою очередь, обеспечивает более плавный перенос заряда внутри элемента и повышает его общую эффективность. Ученые считают, что эти результаты помогут создать высокопроизводительные и доступные солнечные панели.
Сообщается, что исследование проводилось международным коллективом ученых, объединившим специалистов из различных научных центров. В состав группы вошли эксперты из Отделения энергетических и экологических технологий DGIST, Департамента физики Национального университета Инчхона и Департамента электронного материаловедения.
«Мы провели всесторонний анализ влияния легирования серебром на каждом этапе, что позволило нам определить его роль в предотвращении потерь олова и устранении дефектов», — отметил Ки-Джон Янг. «Результаты открывают новые возможности для создания высокоэффективных солнечных панелей и могут способствовать развитию различных технологий в области солнечной энергетики».
