Gli scienziati dell’Università di Havard, dei Laboratori federali svizzeri per la scienza e la tecnologia dei materiali (Empa) e del DTU danese hanno studiato le origini del deficit di tensione nelle celle solari al selenio (Se) e hanno scoperto che i ben noti difetti puntiformi intrinseci che caratterizzano questi dispositivi fotovoltaici non sono un fattore cruciale che ne influenza le prestazioni.
“In particolare, abbiamo scoperto che le vacancies formano diversi livelli di difetti profondi nel bandgap, ma incredibilmente abbiamo anche accertato che il selenio è tollerante a tutti questi difetti puntiformi”, ha dichiarato a pv magazine uno dei principali autori della ricerca, Rasmus Nielsen. “Questo è un aspetto incredibilmente promettente, in quanto abbiamo eliminato i difetti puntiformi come killer delle prestazioni fotovoltaiche nelle celle solari a film sottile al selenio”.
Utilizzando la spettroscopia di massa degli ioni secondari a tempo di volo (TOF-SIMS), i ricercatori hanno inizialmente identificato le impurità presenti in uno dei fotoassorbitori a film sottile di selenio dalle migliori prestazioni, che ha dimostrato una tensione a circuito aperto da record mondiale di 0,992 V.
“Come previsto, abbiamo trovato selenio, tellurio e ossigeno – non è una sorpresa, visto come realizziamo i nostri dispositivi fotovoltaici – ma abbiamo anche rilevato alogeni, ovvero fluoro e cloro”, ha spiegato Nielsen. “Queste impurità erano inaspettate, ma la loro presenza da sola non dimostra che si tratti di difetti killer”.
Il gruppo di ricerca ha poi collaborato con scienziati computazionali dei materiali dell’Imperial College di Londra, dell’Università di Birmingham e dell’Università di Harvard – Aron Walsh, David O. Scanlon e Seán R. Kavanagh – per condurre calcoli sui difetti del selenio trigonale (t-Se). “Utilizzando approcci altamente sofisticati e nuovi ai calcoli dei difetti della teoria funzionale della densità (DFT) ai primi principi, Seán ha fatto un’immersione profonda sia nei difetti intrinseci del selenio che sono inevitabili, come i vacanti e gli interstiziali, sia negli elementi estrinseci che abbiamo trovato sperimentalmente”.
Attraverso la loro analisi, gli scienziati hanno scoperto che la dimensionalità del film sottile di t-Se gioca un ruolo chiave nel comportamento dei difetti, in quanto “favorisce” gli auto-interstiziali e le sostituzioni di calcogeni e “sfavorisce” le vacanze e i difetti eterovalenti, a causa della sua flessibilità strutturale.
Analizzando l’effetto di una serie di impurezze estrinseche rilevanti nei campioni di t-Se e calcolando le proprietà elettroniche ed energetiche di queste specie e di altre probabili impurezze, il team ha scoperto che la maggior parte delle specie estrinseche sono inattive per il drogaggio, a causa dell’inattività elettrica o dell’autocompensazione.
“Naturalmente, questa conclusione solleva la domanda su cosa limiti le prestazioni”, ha detto Nielsen. “I nostri risultati puntano alle interfacce e ai difetti estesi che, in linea di principio, sono molto più facili da ingegnerizzare”.
In prospettiva, ha affermato che ci sono “strade promettenti” per comprendere le origini dei difetti e migliorare le relative strategie di passivazione. “Quindi, il selenio è ancora molto importante per il fotovoltaico tandem e indoor”, ha concluso.
I risultati della ricerca sono riportati in “Intrinsic point defect tolerance in selenium for indoor and tandem photovoltaics”, pubblicato su Energy & Environmental Science. Il team di ricerca comprendeva anche scienziati dell’Università di Aarhus.
Il gruppo di ricerca del DTU ha presentato nel dicembre 2022 una cella solare al selenio di 0,30 cm2 con un record mondiale di tensione a circuito aperto di 0,99 V. Pochi mesi dopo, lo stesso team ha presentato una cella solare al selenio costruita con la tecnica del laser-annealing che ha raggiunto un fattore di riempimento record del 63,7%.
In aprile, lo stesso gruppo del DTU ha collaborato con ricercatori dell’IBM e ha presentato i risultati di una ricerca volta a comprendere le proprietà optoelettroniche e la dinamica dei portatori delle celle solari al selenio. In questo lavoro hanno scoperto che la mobilità dei portatori nel selenio è molto più promettente di quanto si pensi.
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