Um grupo de cientistas da Universidade Técnica da Dinamarca conduziu uma série de simulações para entender as propriedades optoeletrônicas e a dinâmica do portador das células solares de selênio e descobriu que as mobilidades do portador no selênio são significativamente mais promissoras do que se pensava.
“Desta vez, demos um passo adiante na tentativa de explicar onde estão as perdas fotovoltaicas e as limitações intrínsecas”, relatou o principal autor da pesquisa, Rasmus Nielsen, à pv magazine. “Ao fazer isso, empregamos a análise foto-Hall resolvida pela operadora recentemente desenvolvida para entender como as mobilidades da transportadora, a vida útil e as densidades de buracos e mobilidades mudam à medida que iluminamos o absorvedor de células.”
O grupo de pesquisa utilizou essa nova técnica com uma ampla variedade de diferentes técnicas avançadas de caracterização, com um objetivo principal: reproduzir medições experimentais de densidade de corrente (JV) e eficiência quântica externa (EQE) usando simulações de dispositivos.
“Mas, para que isso seja bem-sucedido, precisamos extrair informações de forma confiável sobre ambas as operadoras de carga”, afirmou Nielsen. “No final, fomos bem-sucedidos, com os resultados mostrando que as mobilidades dos portadores no selênio são significativamente mais promissoras do que o previsto anteriormente, sugerindo que as propriedades optoeletrônicas intrínsecas são de fato muito melhores do que o que estudos anteriores sugeriram. Isso aumenta o potencial de desempenho fotovoltaico desse material absorvedor simples, que é realmente complicado de entender completamente.”
No estudo “Variable-temperature and carrier-resolved photo-Hall measurements of high-performance selenium thin-film solar cells“, que foi publicado recentemente na APS, Nielsen e seus colegas explicaram que a técnica foto-Hall resolvida por portadora permite obter simultaneamente a mobilidade e concentração de portadores majoritários e minoritários, o que é particularmente benéfico para otimizar novos materiais para células solares ou optoeletrônica Dispositivos.
Para seu experimento, a equipe de pesquisa usou uma barra Hall de seis terminais com uma área ativa de 2 mm × 4 mm e uma espessura de filme de 0,30 μm. A barra foi concebida para minimizar a influência das quedas de tensão e melhorar a precisão das medições de tensão Hall. “A barra Hall de selênio foi fabricada em substratos de quartzo fundido usando um fluxo de processo interno otimizado para células solares de película fina de selênio de alto desempenho”, explicou ainda. “O filme fino de selênio policristalino resultante exibe grandes grãos de cristal.”
As análises demonstraram que as propriedades do portador podem ser influenciadas por fortes efeitos de localização da superfície e que o tempo de vida da recombinação “parece” ser alto. Esses resultados foram confirmados por uma série de simulações conduzidas com técnicas padrão de caracterização elétrica em uma célula solar de filme fino de selênio que os cientistas construíram em paralelo com a barra Hall.
“Nossas simulações sugerem que a vida útil efetiva do portador relevante para a operação fotovoltaica está na faixa de picossegundos, em vez da faixa de nanossegundos relatada anteriormente, e as mobilidades do graneleiro são significativamente maiores do que as estimativas anteriores derivadas da espectroscopia THz transitória”, enfatizaram. “Atribuímos essa discrepância ao atraso de 0,5 ns na sonda da bomba no experimento THz, que consequentemente mede a soma da mobilidade dos portadores já localizados e de curta duração.”
Eles acrescentaram que esta descoberta implica um alto potencial de desempenho fotovoltaico intrínseco para fotoabsorvedores de selênio e disseram que a engenharia de defeitos será necessária para reduzir as perdas de recombinação não radiativa e alcançar células solares de selênio de maior eficiência.
O mesmo grupo de pesquisa apresentou em dezembro de 2022 uma célula solar de selênio de 0,30 cm2 com uma tensão de circuito aberto recorde mundial de 0,99 V. Alguns meses depois, apresentou uma célula solar de selênio construída com recozimento a laser, atingindo um fator de preenchimento recorde de 63,7%.
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