L'équipe de l'UNSW en Australie développe une cellule solaire CZTS avec un rendement de 12,6 %

fr.wedoany.com Rapport : Une équipe de recherche de l'Université de Nouvelle-Galles du Sud (UNSW) a adopté une stratégie de régulation des défauts pour fabriquer une cellule solaire à large bande interdite en cuivre-zinc-étain-soufre (CZTS), atteignant un rendement de conversion de puissance de 12,6 % et une tension en circuit ouvert de 852,8 mV. Cette stratégie réduit la perte de tension en circuit ouvert de la cellule CZTS en stabilisant le cuivre dans le précurseur et en limitant sa diffusion externe.

La technologie photovoltaïque CZTS repose sur des éléments abondants dans la croûte terrestre, mais elle a toujours souffert d'un déficit de tension important. Les chercheurs indiquent que la tension est un indicateur direct des pertes d'énergie internes d'une cellule solaire : les défauts nuisibles réduisent la tension, et le contrôle des défauts détermine le rendement final et la quantité d'énergie convertie à partir de la lumière solaire. Élever la tension en circuit ouvert du CZTS au-delà de son niveau actuel est essentiel pour libérer tout son potentiel.

Des recherches antérieures ont montré qu'un environnement chimique pauvre en cuivre (Cu) et riche en zinc (Zn) peut favoriser la formation de défauts bénéfiques dans le CZTS tout en supprimant les défauts responsables de la recombinaison des porteurs. Cependant, la formation de régions riches en cuivre et pauvres en zinc dans les couches minces de CZTS modifie l'environnement chimique local, favorisant la génération de défauts défavorables et de phases secondaires. Pour contrôler ce processus, l'équipe de recherche a cherché à renforcer les liaisons Cu–S dans le précurseur afin de stabiliser le cuivre et de limiter sa diffusion externe.

Dans l'approche initiale, les chercheurs ont remplacé le cuivre métallique par du sulfure de cuivre (Cu₂S) pendant le processus de co-pulvérisation. Les mesures par spectroscopie Raman et spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS) ont montré que le précurseur modifié présentait des liaisons Cu–S plus fortes, un ordre structurel plus élevé et un désordre cationique plus faible. Cependant, l'utilisation de Cu₂S pendant tout le processus de dépôt a augmenté la perte d'étain (Sn) lors de la sulfuration, entraînant des défauts et des trous d'épingle dans la couche d'absorption, ce qui la rendait inadaptée à la fabrication de cellules solaires. L'équipe a ensuite utilisé du cuivre métallique au début du dépôt du précurseur, puis est passée au Cu₂S dans les dernières minutes afin de stabiliser le cuivre près de la surface et de limiter la perte d'étain lors de la sulfuration ultérieure.

Le processus optimisé réduit considérablement la diffusion externe du cuivre, produit une distribution élémentaire plus uniforme et contribue à maintenir un environnement local pauvre en cuivre et riche en zinc au début de la cristallisation du CZTS, c'est-à-dire au moment où la structure des défauts de la couche d'absorption se forme. Les mesures de cathodoluminescence à basse température montrent que, par rapport à l'échantillon de référence, la couche d'absorption optimisée présente une recombinaison non radiative plus faible et moins d'états de défauts profonds localisés, avec une contribution plus forte des transitions impliquant des défauts peu profonds, ce qui indique une amélioration de la qualité des défauts.

La cellule solaire CZTS fabriquée selon cette méthode d'ingénierie des défauts a atteint un rendement de conversion de puissance de 12,6 %, 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 remplissage de 70,1 %. Le rendement certifié est de 12,36 %, avec une tension en circuit ouvert de 846,7 mV mesurée sur une surface d'ouverture de 0,2021 cm². Le dispositif a conservé des performances stables après 231 jours de stockage dans un dessiccateur sous atmosphère d'azote.

Les chercheurs indiquent que ces travaux démontrent une tension en circuit ouvert équivalant à 65,3 % de la limite de Shockley–Queisser (SQ), tandis que les dispositifs CZTS à large bande interdite atteignent généralement une tension en circuit ouvert d'environ 60 % de la limite SQ correspondante. Xiaojing Hao, chercheuse à l'UNSW, souligne que cette stratégie de contrôle des défauts offre une référence pour la conception et l'optimisation d'autres semi-conducteurs composés. Ses principes de conception ne se limitent pas au matériau CZTS et s'appliquent au développement de matériaux candidats pour les cellules supérieures des cellules solaires tandem — il est nécessaire de concevoir dès le stade du mélange des matières premières et de maintenir une distribution uniforme ; les matières premières peuvent varier selon le semi-conducteur, mais les principes de conception restent les mêmes.

Ces résultats de recherche ont été publiés dans Nature Energy sous le titre « Early-stage local chemistry regulation enabling open-circuit voltage of 847 mV in wide-bandgap Cu2ZnSnS4 solar cells ».