Kesteryt zrewolucjonizuje produkcję ogniw słonecznych
Dzisiejsze cienkowarstwowe ogniwa słoneczne są oparte na chalkogenkach, takich jak mieszanina miedzi, indu, galu i selenu (CIGS) oraz tellurku kadmu (CdTe). Jednak tego typu ogniwa słoneczna mają pewną wrodzoną wadę, a mianowicie zawierają ind i tellur, rzadkie i drogie pierwiastki. Kadm jest z kolei bardzo toksyczny, co wzbudza poważne wątpliwości w kontekście środowiska. Członkowie projektu PVICOKEST (International cooperative programme for photovoltaic kesterite based technologies) rozważyli zastosowanie alternatywnego materiału absorpcyjnego w zaawansowanych technologiach fotowoltaiki cienkowarstwowej. Ogniwa CIGS mają niemal jednakową strukturę jak klasa materiałów krystalicznych znanych jako kesteryty, które mogą zawierać takie pierwiastki chemiczne, jak miedź, cynk, cyna, selen i siarka — ale nie ind. Kesterytowe ogniwa słoneczne charakteryzują się wydajnością, która być może nie jest imponująca w porównaniu do odpowiedników na bazie CIGS i CdTe (9,6%). Jednak warstwy te są o tyle wyjątkowe, że wykonane są z tańszych, występujących w obfitości i bardziej przyjaznych dla środowiska materiałów. Zespół PVICOKEST z powodzeniem wyhodował warstwy i kryształy na bazie trójskładnikowych, czteroskładnikowych i pseudoczteroskładnikowych mieszanin kesterytu i umieścił je w prototypowych układach ogniw słonecznych. Przedmiotem zainteresowania naukowców było zbadanie, w jaki sposób ich właściwości fizykochemiczne i strukturalne wpływają na wydajność ogniw słonecznych. Korzystając z różnych technik mikroskopii i spektroskopii, zespół rzucił nowe światło na właściwości elektroniczne i strukturalne kesterytu. Ogólnie rzecz biorąc, wykresy fazowe kesterytu i modyfikacje kryształu oznaczają wyzwania. Naukowcy zidentyfikowali główne tryby drgań kesterytu dla różnych warstw kesterytowych i kryształów oraz powiązali je z obecnością faz uporządkowanych i nieuporządkowanych. Opracowali także metodologię oceny wielkości kryształów z siarczku cynku w regionie międzyfazowym między absorberem kesterytowym a warstwą tylnego styku. Naukowcy uzyskali cenne informacje na temat struktury pasma elektronowego kesterytów zawierających cynę i german. Interesującym odkryciem było to, że możliwe jest skonstruowanie pasma wzbronionego w kesterycie zawierającym cynę, zastępując ten metal półprzewodzących germanem. Jest to szczególnie ważne podczas syntezy tandemowych ogniw słonecznych. Technologie fotowoltaiczne na bazie kesterytu mogą spełnić wymogi w zakresie kosztów, wydajności i zrównoważoności masowej produkcji ogniw słonecznych. Działania w ramach projektu PVICOKEST wsparły Europę w jej dążeniach do uzyskania statusu lidera w dziedzinie energii słonecznej.
Słowa kluczowe
Kesteryt, ogniwa słoneczne, materiały absorpcyjne, ind, fotowoltaiczny
