La sostituzione di atomi di stagno con atomi di germanio nelle celle solari a film sottile ha migliorato le proprietà opto-elettroniche della kesterite
I progressi tecnologici delle celle solari in kesterite
(Rinnovabili.it) – La caccia alla tecnologia fotovoltaica in grado di eguagliare le prestazioni delle celle al silicio, ma a prezzi economici e ambientali inferiori, non si è mai conclusa. Gran parte del settore si sta concentrando sulle perovskiti, in genere alogenuri metallo-organici che hanno mostrato eccellenti progressi: le celle realizzate con questi cristalli sono passati da un’efficienza di appena il 3% a oltre il 20% in meno di dieci anni. Tuttavia non è cresciuta nello stesso modo la stabilità di questi materiali all’interno dei dispositivi fotovoltaici; e la presenza di piombo nella maggior parte delle perovskiti continua a sollevare preoccupazioni ambientali.
Per questo motivo alcuni scienziati si sono rivolti a una famiglia meno conosciuta di materiali chiamati kesteriti, composti molto stabili e basati su elementi comuni come rame, zinco, stagno e zolfo (Cu2 ZnSnS4 , spesso abbreviato in CZTS). Nonostante le grandi promesse, le celle solari in kesterite hanno ricevuto meno attenzione rispetto alle perovskiti e l’efficienza, nel migliore dei casi, si aggira intorno al 13%. Una svolta alla ricerca di settore potrebbe arrivare dal centro di ricerca tedesco Helmholtz-Zentrum Berlin. Qui un gruppo di scienziati, guidato dalla professoressa Susan Schorr ha studiato una serie di campioni di kesterite, chiarendo la relazione tra composizione del minerale e le sue proprietà opto elettroniche.
Il team ha messo mano alla “ricetta originale”, sostituendo gli atomi di Stagno (Sn 4+) con atomi di Germanio (Ge 4+) e studiando i campioni attraverso diffrazione neutronica, una tecnica che permette di determinare la struttura atomica di un materiale. Con questo metodo, rame, zinco e germanio si distinguono particolarmente bene e le loro posizioni possono essere facilmente localizzate nel reticolo cristallino. Il risultato? Le celle solari in kesterite con una composizione leggermente povera di rame e ricca di zinco mostrano le più alte efficienze e la più bassa concentrazione di difetti puntiformi assieme al minor disturbo rame-zinco. Più la composizione è arricchita con il rame, maggiore diviene la concentrazione di altri difetti considerati dannosi per le prestazioni del fotovoltaico.
Non solo. “Ora sappiamo –spiega René Gunder, primo autore della pubblicazione– che il germanio aumenta il gap di banda ottica, consentendo al materiale di convertire una maggiore proporzione di luce solare in energia elettrica”.”Siamo convinti che questo tipo di kesterite non sia adatto solo per le celle solari, ma possa essere preso in considerazione anche per altre applicazioni” come i foto catalizzatori.
