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Inside a laboratory at the University of New South Wales, a solar cell built from copper, zinc, tin and sulfur reached 12.6% power-conversion efficiency. The wide-bandgap kesterite device tackles a persistent problem: voltage losses have long held back this family of solar materials, despite its use of earth-abundant elements.
Dans un laboratoire de l’Université de Nouvelle-Galles du Sud, une cellule solaire composée de cuivre, de zinc, d’étain et de soufre a atteint un rendement de conversion de puissance de 12,6 %. Ce dispositif en késtérite à large bande interdite s’attaque à un problème persistant : les pertes de tension freinent depuis longtemps cette famille de matériaux solaires, malgré l’utilisation d’éléments abondants sur Terre.
The UNSW team focused on the defects that form as the CZTS absorber crystallizes. A copper-poor, zinc-rich environment can favor beneficial defects and suppress the defects that make charge carriers recombine. But copper-rich and zinc-poor regions can appear during processing, creating unfavorable defects and secondary phases.
L’équipe de l’UNSW s’est concentrée sur les défauts qui apparaissent lors de la cristallisation de l’absorbeur CZTS. Un environnement pauvre en cuivre et riche en zinc peut favoriser les défauts bénéfiques et supprimer ceux qui provoquent la recombinaison des porteurs de charge. Mais des régions riches en cuivre et pauvres en zinc peuvent apparaître pendant le traitement, créant des défauts indésirables et des phases secondaires.
The researchers adjusted the recipe rather than only the final mixture. They deposited metallic copper first, then replaced it with copper(I) sulfide, or Cu₂S, during the final minutes. Using Cu₂S throughout the process increased tin loss and created defects and pinholes, so the timed change was designed to stabilize copper near the surface without causing that additional damage. Measurements found stronger copper-sulfur bonding, greater structural order and a more uniform elemental distribution.
Les chercheurs ont ajusté la recette plutôt que de se limiter au mélange final. Ils ont d’abord déposé du cuivre métallique, puis l’ont remplacé par du sulfure de cuivre(I), ou Cu₂S, durant les dernières minutes. L’utilisation de Cu₂S pendant tout le procédé augmentait la perte d’étain et créait des défauts ainsi que des trous d’épingle ; ce changement programmé visait donc à stabiliser le cuivre près de la surface sans provoquer ces dommages supplémentaires. Les mesures ont révélé des liaisons cuivre-soufre plus fortes, un ordre structurel accru et une répartition élémentaire plus uniforme.
The resulting cell delivered an open-circuit voltage of 852.8 mV, a short-circuit current density of 21.0 mA/cm² and a fill factor of 70.1%. A certified efficiency of 12.36% was recorded, with an open-circuit voltage of 846.7 mV measured through a 0.2021 cm² aperture area. Low-temperature cathodoluminescence also indicated lower non-radiative recombination and fewer deep localized defect states than in the reference sample.
La cellule obtenue a fourni une tension en circuit ouvert de 852,8 mV, une densité de courant de court-circuit de 21,0 mA/cm² et un facteur de forme de 70,1 %. Un rendement certifié de 12,36 % a été enregistré, avec une tension en circuit ouvert de 846,7 mV mesurée à travers une surface d’ouverture de 0,2021 cm². La cathodoluminescence à basse température a également indiqué une recombinaison non radiative plus faible et moins d’états profonds de défauts localisés que dans l’échantillon de référence.
So what changes in practice? Not a product on a roof today: this is a laboratory solar cell. But the team says its method could help researchers design other compound semiconductors, including candidates for the top cell in tandem solar devices. The device maintained stable performance after 231 days in a nitrogen-filled desiccator, while its open-circuit voltage reached 65.3% of the Shockley–Queisser limit, compared with around 60% generally achieved by wide-bandgap kesterite devices, according to the researchers.
Alors, qu’est-ce que cela change en pratique ? Pas un produit installé sur un toit aujourd’hui : il s’agit d’une cellule solaire de laboratoire. Mais l’équipe estime que sa méthode pourrait aider les chercheurs à concevoir d’autres semi-conducteurs composés, notamment des candidats pour la cellule supérieure de dispositifs solaires tandem. Le dispositif a conservé des performances stables après 231 jours dans un dessiccateur rempli d’azote, tandis que sa tension en circuit ouvert a atteint 65,3 % de la limite de Shockley–Queisser, contre environ 60 % généralement obtenus par les dispositifs en késtérite à large bande interdite, selon les chercheurs.