Американские учёные создали солнечную батарею из сульфида сурьмы с эффективностью 7,69%

Аккумулятор FIAMM 12FGH36

Исследователи из Университета Толедо создали тонкоплёночные солнечные элементы на основе сульфида сурьмы (Sb2S3) с эффективностью преобразования энергии 7,69% после определения оптимальных условий гидротермального осаждения, последующего отжига и вымачивания в растворе. Тесты на стабильность показали, что через десять месяцев эффективность превышает 95% от первоначальной.

Исследователи из Университета Толедо в США создали тонкоплёночные солнечные элементы из сульфида сурьмы (Sb2S3), которые продемонстрировали рекордную эффективность преобразования энергии — 6,89%, которая впоследствии была повышена до 7,69% после лёгкой обработки.

Исследование этого конкретного тонкоплёночного фотоэлектрического поглотителя обусловлено несколькими причинами. “Учитывая потребность в недорогом, богатом землей и нетоксичном фотоэлектрическом материале, альтернативном другим халькогенидным материалам, таким как теллурид кадмия (CdTe) и селенид индия-галлия меди (CIGS), сульфид сурьмы (Sb2S3) является новым материалом с подходящей запрещенной зоной, высокими коэффициентами поглощения, превосходными оптоэлектронными свойствами и надежной стабильностью материала, что делает его привлекательным кандидатом для солнечных элементов с однопереходным соединением или верхнего элемента в солнечных элементах с двойным соединением”, - сказала Алиша Адхикари, автор исследования. фотожурнал.

В исследовании «Оптимизация процесса и выдержка на свету для повышения фотоэлектрических характеристик солнечных элементов из сульфида сурьмы», опубликованном в ACS Applied Energy Materials, исследовательская группа указала, что гидротермальный рост при температуре 135 °C в течение 225 минут в сочетании с последующим отжигом при температуре 350 °C в течение 10 минут в условиях строго контролируемого процесса позволил получить устройство с рекордной эффективностью преобразования энергии 6,89%, которая увеличилась до 7,69% после выдержки на свету.

Адхикари объяснил, что ожидалось, что после оптимизации процесса роста и последующей обработки отжигом производительность солнечных элементов Sb2S3 улучшится. «Однако мы были удивлены тем, насколько улучшилась производительность солнечных элементов Sb2S3 с 6,89% до 7,69% после обработки светом», — добавил он.

Экспериментальный солнечный элемент состоял из следующих компонентов: подложка из оксида олова, легированного фтором (FTO), с покрытием из сульфида кадмия (CdS), тонкая плёнка Sb2S3, дырочный транспортный слой spiro-OMeTAD (HTL) и золотые (Au) обратные контакты.

С помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ) команда наблюдала, как выравнивается шероховатость поверхности после отжига различных образцов. «Изменения в размере и структуре зёрен соответствуют переходу от красноватого аморфного метастибнита к чёрному поликристаллическому стибниту, что было подтверждено измерениями методом рентгеновской дифракции (XRD)», — отметили они.

Сообщается, что плёнки Sb2S3 обладают высоким коэффициентом поглощения с границей полосы поглощения около 720 нм, что соответствует ширине запрещённой зоны около 1,7 эВ.

«Мы обнаружили, что контроль времени гидротермального роста и температуры последующего отжига имеет решающее значение для получения высококачественных плёнок Sb2S3 с желаемой толщиной, морфологией и предпочтительной ориентацией зёрен, что приводит к повышению эффективности солнечных батарей», — заявили исследователи.

Световая выдержка при однократном солнечном облучении при температуре 70 °C длилась 120 минут. «Улучшение PCE после световой выдержки в основном связано с увеличением тока короткого замыкания и коэффициента заполнения», — сказал Адхикари.

Кроме того, после длительного хранения устройств в условиях освещённости их эффективность была выше, чем у исходных элементов без освещённости. «После 10 месяцев хранения в элементах наблюдалось умеренное снижение коэффициента заполнения, незначительное снижение напряжения холостого хода и незначительное изменение тока короткого замыкания, при этом более 95% их первоначальной эффективности сохранилось», — сказал Адхикари.

Воздействие света при соответствующей повышенной температуре способствует окислению спиро-OMeTAD, улучшая его свойства по извлечению и переносу дырок. «Наши результаты показывают, что воздействие света — это простой и эффективный способ повысить производительность солнечных элементов Sb2S3», — заключили исследователи.

Когда Адхикари спросили о дальнейших направлениях исследований, он ответил, что группа планирует изучить стабильные и экономичные транспортные слои для дальнейшего повышения эффективности солнечных элементов Sb2S3.