Um grupo de pesquisadores liderado pelo Imperial College London conduziu um estudo para avaliar o limite superior da eficiência de conversão em células solares baseadas em absorvedores de seleneto de antimônio (Sb2Se3) e descobriu que esses dispositivos fotovoltaicos têm potencial para atingir eficiências próximas a 26%.
Sb2Se3 é um semicondutor inorgânico do tipo p com uma estrutura cristalina unidimensional e um bandgap direto na faixa de 1,2 eV a 1,9 eV. Possui excelentes propriedades optoeletrônicas. Nos últimos anos, também tem sido usado como material absorvente para construir células solares. As eficiências alcançadas por tais dispositivos atingiram entre 5% e 9,2%.
Esses níveis de eficiência ainda estão muito atrás de outras tecnologias de película fina, como células baseadas em cobre, índio, gálio e seleneto (CISG), telureto de cádmio (CdTe), kesterita (CZTSSe) e silício amorfo (a-Si). Esta lacuna tecnológica pode depender do fato de características como a mobilidade, o tempo de vida do portador, o comprimento de difusão, a profundidade do defeito, a densidade do defeito e a cauda da banda permanecerem em grande parte desconhecidas da comunidade científica para a tecnologia de células Sb2Se3, uma vez que não existem muitos dispositivos deste tipo fabricados até hoje.
“Nosso objetivo é usar simulações de mecânica quântica para prever se vale a pena buscar um material e se vale a pena otimizar uma tecnologia”, disse o principal autor da pesquisa, Aron Walsh, à pv magazine. “As células solares Sb2Se3 atingiram eficiências de conversão de energia de aproximadamente 10%. Mostramos que, embora defeitos intrínsecos possam mediar a recombinação não radiativa de buracos de elétrons, as perdas de tensão podem ser minimizadas usando condições seletivas de crescimento. Prevê-se que este seleneto suporte eficiências de até 26%.”
Walsh está otimista quanto ao uso deste material em células solares de junção única e à incorporação de enxofre para produzir materiais de banda larga mais amplos, adequados para células solares tandem. “Com pesquisa e otimização contínuas, temos esperança de que avanços significativos possam ser feitos na próxima década”, acrescentou.
No estudo “Upper efficiency limit of Sb2Se3 solar cells”, publicado na Joule, o grupo de pesquisa do Reino Unido investigou inicialmente os defeitos pontuais intrínsecos nas células solares Sb2Se3 e depois usou cálculos sistemáticos de primeiros princípios para avaliar seus processos de captura de portadores não radiativos. Especificou que o limite superior da eficiência de conversão em Sb2Se3 pode ser previsto considerando processos radiativos e não radiativos no material a granel, atuando como uma medida quantitativa de tolerância a defeitos. Observou também que altas eficiências poderiam ser alcançadas sob condições intermediárias de crescimento que minimizassem as concentrações de vagas nos dispositivos.
Os acadêmicos também explicaram que outro fator chave para melhorar o desempenho das células Sb2Se3 será a otimização das condições de crescimento. “Como prova de conceito, mostramos que os efeitos prejudiciais da falta de Se podem ser reduzidos pela passivação do oxigênio”, enfatizaram.
“Nosso foco está na química e na física subjacentes, e deixarei a análise técnico-econômica e a avaliação do ciclo de vida para os especialistas”, disse Walsh, quando questionado sobre os custos de produção de dispositivos baseados em Sb2Se3.
“No entanto, há uma clara vantagem potencial em comparação com sistemas como o CdTe, que contêm elementos menos sustentáveis. O Sb2Se3 tem potencial para competir tanto com outras tecnologias de película fina quanto com o silício cristalino, principalmente devido à sua crescente eficiência e ao uso de camadas absorvedoras ultrafinas que oferecem novas oportunidades para a construção de sistemas fotovoltaicos integrados e flexíveis”, concluiu.
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