Kesteryty – materiał nowej generacji do wysokowydajnych tandemowych ogniw słonecznych Naukowcy z finansowanego ze środków UE zespołu osiągnęli światowy rekord, jeżeli chodzi o sprawność przetwarzania energii przez materiały, które mogą znaleźć zastosowanie w ogniwach słonecznych przyszłości, a mianowicie kesteryty selenkowe. Energia © Gyuszko-Photo, Shutterstock Technologie ogniw słonecznych stają się coraz tańsze i bardziej wydajne pod względem konwersji światła słonecznego w energię elektryczną. Dalszy postęp wymaga udoskonalenia obecnych technologii w nowy sposób, przy jednoczesnym wykorzystaniu tanich i stabilnych materiałów. „Jednym ze sposobów na osiągnięcie wyższej wydajności jest zastosowanie tandemowych ogniw słonecznych, w których dwa ogniwa słoneczne są ułożone jedno na drugim”, mówi prof. Bart Vermang, który kierował finansowanym ze środków UE projektem SWInG. W odróżnieniu od konkurencyjnych technologii, naukowcy opracowywali ogniwa słoneczne na bazie kesterytów, które opierają się na nieszkodliwych dla środowiska i nietoksycznych pierwiastkach. Uważa się, że te złożone półprzewodniki ze związków czwartorzędowych mogą zastąpić warstwy absorbera zawierające ind w cienkowarstwowych tandemowych ogniwach słonecznych. Lepsze kesterytowe ogniwa słoneczne z germanem Kesteryty są związkami półprzewodnikowymi składającymi się z pierwiastków miedzi, cyny, cynku i selenu. Półprzewodniki te mogą być stosowane jako materiał pochłaniający światło w tandemowych ogniwach słonecznych, o stosunkowo wysokiej maksymalnej sprawności na poziomie 12,6 %. Są wysoko cenione, ponieważ są wykonane z powszechnie dostępnych pierwiastków, a nie z indu, co pozwala uniknąć potencjalnego ryzyka niedoboru zasobów. Specyficzne zmiany w składzie półprzewodników typu kesterytowego pozwoliły na poprawę ich przydatności jako warstw absorpcyjnych w ogniwach słonecznych. „Pomimo interesujących, kluczowych właściwości, kesteryty mają pasmo wzbronione poniżej 1,5 eV, co jest niską wartością. Zastąpienie atomów cyny germanem może zwiększyć pasmo wzbronione, w przypadku połączenia z ogniwem o małym paśmie wzbronionym w strukturze tandemowej, dzięki czemu materiał może przekształcać więcej światła słonecznego w energię elektryczną”, zauważa prof. Vermang. Zespół wykazał, że zastosowanie germanu zamiast cyny w kesterycie pozwala na uzyskanie działających ogniw słonecznych, które osiągnęły nawet 8,4% sprawności konwersji energii, co stanowi światowy rekord dla tego materiału. Kesterytowe ogniwa słoneczne odpowiedzią na aktualne wyzwania Zespół położył duży nacisk na rozwój procesów syntezy kesterytowych ogniw słonecznych z szerokim pasmem wzbronionym z wykorzystaniem germanu, jak również na zrozumienie fizycznych i elektrycznych właściwości warstwy absorbera w celu uzyskania wyższej sprawności konwersji. Wśród najważniejszych problemów badawczych, które podjęto, znalazło się opracowanie skalowalnych procesów i specyfikacji syntezy wysokiej jakości absorberów z szerokim pasmem wzbronionym, jak również odpowiednich warstw stykowych i buforowych. Naukowcy zastosowali metody twardej i miękkiej spektroskopii rentgenowskiej do analizy struktury chemicznej i elektronicznej nowo opracowanych warstw absorbera i ich połączeń. Uzupełnieniem tych prac były zaawansowane metody charakterystyki elektrycznej i materiałowej do badania właściwości kesterytów w skali atomowej. Wszystkie te dane doprowadziły do zaprojektowania modelu ogniwa słonecznego, który opisuje strukturę ogniwa opracowaną w ramach projektu SWInG. Projekt SWInG pozwolił na dokładniejsze zrozumienie podstawowych kwestii wpływających na sprawność konwersji energii w kesterytowych ogniwach słonecznych z szerokim pasmem wzbronionym. „W ramach inicjatywy SWInG opracowano nowe, nieszablonowe koncepcje, które dostarczają innowacyjnych rozwiązań technologicznych umożliwiających sprostanie wyzwaniom energetycznym w Europie i na świecie. Projekt jest decydującym pierwszym krokiem w kierunku znaczącej poprawy sprawności obecnych technologii fotowoltaicznych przy rozsądnym wzroście kosztów produkcji i utrzymaniu rozwoju rynku cienkowarstwowych ogniw fotowoltaicznych w Europie”, zauważa Prof. Vermang. Słowa kluczowe SWInG, german, kesterytowe ogniwo słoneczne, warstwa absorbera, sprawność przetwarzania energii, szerokie pasmo wzbronione, cyna
