Des changements spécifiques dans la composition des semi-conducteurs de type kesterite permettent d'améliorer leur aptitude en tant que couches absorbantes dans les cellules solaires. Comme l'a montré une équipe du Helmholtz-Zentrum Berlin, ceci est particulièrement vrai pour les kesterites dans lesquelles l'étain a été remplacé par le germanium. Les scientifiques ont examiné les échantillons en utilisant la diffraction des neutrons au BER II et d'autres méthodes. L'ouvrage a été sélectionné pour la couverture de la revue CrystEngComm .

Les kesterites sont des composés semi-conducteurs constitués des éléments cuivre, étain, zinc, et le sélénium. Ces semi-conducteurs peuvent être utilisés comme matériau absorbant optique dans les cellules solaires, mais n'ont atteint jusqu'à présent qu'un rendement maximal de 12,6 %, tandis que les cellules solaires en cuivre-indium-gallium-séléniure (CIGS) atteignent déjà des rendements de plus de 20 %. Néanmoins, Les kesterites sont considérées comme des alternatives intéressantes aux cellules solaires CIGS car elles sont constituées d'éléments communs, de sorte qu'il ne faut pas s'attendre à des goulots d'étranglement d'approvisionnement. Une équipe dirigée par le professeur Susan Schorr du HZB a maintenant étudié une série d'échantillons de kesterite non stoechiométriques et a fait la lumière sur la relation entre la composition et les propriétés opto-électroniques. Lors de la synthèse des échantillons au HZB, les atomes d'étain ont été remplacés par du germanium.

Diffraction des neutrons au BER II

Les chercheurs ont ensuite étudié ces échantillons en utilisant la diffraction des neutrons au BER II. Le cuivre, zinc, et le germanium se distinguent particulièrement bien avec cette méthode, et leurs positions peuvent être localisées dans le réseau cristallin. Le résultat :les kesterites avec une composition légèrement pauvre en cuivre et riche en zinc trouvées dans les cellules solaires avec les rendements les plus élevés ont également la plus faible concentration de défauts ponctuels ainsi que le plus faible désordre de cuivre-zinc. Plus la composition était enrichie en cuivre, plus la concentration était élevée d'autres défauts ponctuels considérés comme préjudiciables aux performances des cellules solaires. D'autres investigations ont montré comment la bande interdite d'énergie, comme on le sait, dépend de la composition des échantillons de poudre de kesterite.

Les effets du germanium

"Cette bande interdite est une caractéristique des semi-conducteurs et détermine quelles fréquences de porteurs de charge de libération de lumière dans le matériau, " explique René Gunder, premier auteur de l'ouvrage. "Nous savons maintenant que le germanium augmente la bande interdite optique, permettant au matériau de convertir une plus grande proportion de la lumière du soleil en énergie électrique."

Kesterites :Candidat pour les cellules solaires et les photocatalyseurs

"Nous sommes convaincus que ces types de kesterites ne conviennent pas seulement aux cellules solaires, mais peut également être envisagée pour d'autres applications. Les kesterites agissant comme photocatalyseurs pourraient être capables de diviser l'eau en hydrogène et oxygène en utilisant la lumière du soleil, et stocker l'énergie solaire sous forme d'énergie chimique, " explique Schorr.