Células solares de seleniureto de cobre, gálio e selénio atingem eficiência de 12,28%, equipe japonesa redefine recorde mundial

(Origem: Power International Exchange epintl)

Pesquisadores japoneses alcançaram uma eficiência de conversão fotoelétrica de 12,28% em células solares de seleneto de cobre, gálio e selênio, sendo esta a maior eficiência já reportada na faixa de banda proibida de 1,65 a 1,75 elétron-volts, que utiliza camadas de absorção de compostos de grupo 16 de banda larga sem índio. O dispositivo emprega uma película dopada com alumínio controlado, combinada com um campo de superfície traseiro e uma camada de amortecimento de sulfeto de cádmio otimizada, para aumentar a tensão de circuito aberto, reduzir a recombinação de portadores de carga e, assim, melhorar o desempenho geral.

Pesquisadores do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia Industrial Avançada do Japão (AIST) usaram uma camada de absorção de seleneto de cobre e gálio (CuGaSe₂) para fabricar a célula solar, atingindo uma eficiência de 12,28%.

O seleneto de cobre e gálio é um semicondutor pertencente à família de minerais de calcopirita, estreitamente relacionado ao material de células solares de CIGS (cobre, índio, gálio e selênio). É um material ideal para a camada de absorção de células solares, pois, como semicondutor de banda direta com uma banda proibida de aproximadamente 1,68 elétron-volts, consegue absorver eficientemente a luz visível. Além disso, o seleneto de cobre e gálio possui um alto coeficiente de absorção, o que significa que filmes muito finos podem absorver a maior parte da radiação solar incidente. O material também demonstra boa tolerância a defeitos, ajudando a reduzir a recombinação de portadores de carga, permitindo que a célula mantenha um bom desempenho mesmo que sua estrutura cristalina não seja perfeita.

O autor principal do estudo, Masato Ishizuka, afirmou à revista “Photovoltaic Journal”: “Este nível de eficiência pode ser considerado o máximo já reportado na faixa de banda larga de 1,65 a 1,75 elétron-volts para células solares de compostos de grupo 16, especialmente no campo de células de calcopirita de banda larga sem índio (ou relacionadas ao CIGS). Supera os registros de desempenho listados na Tabela 3 do último número de ‘Progress in Photovoltaics’, na edição 67, para células de cobre, gálio e selênio com alumínio.”

Ele continuou: “O desempenho do dispositivo foi validado por um laboratório de testes certificado — o Centro de Pesquisa Avançada em Energia Renovável, equipe de calibração, padronização e medição fotovoltaica do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia Industrial do Japão (AIST).”

O dispositivo foi aprimorado com base no projeto de célula desenvolvido pelos pesquisadores do AIST em 2024. A incorporação de alumínio na região traseira da película de CuGaSe₂ aumentou efetivamente a tensão de circuito aberto, o fator de preenchimento e a eficiência de conversão fotoelétrica. Essa melhoria é atribuída principalmente à formação de um campo de superfície traseiro, que reforça a coleta de portadores de carga minoritários.

A célula solar recorde foi fabricada usando uma camada de absorção de CuGaSe₂ preparada por um processo de três etapas, na primeira etapa com a introdução precoce de alumínio e flúor de rubídio, e na última etapa com uma adição adicional de flúor de rubídio. A distribuição do alumínio na camada de absorção foi precisamente controlada para aumentar a tensão de circuito aberto sem sacrificar a eficiência de conversão.

A célula utiliza vidro de sódio e cálcio como substrato, com uma camada de molibdênio depositada por sputtering como eletrodo traseiro. Sobre ela, há uma camada de absorção de calcopirita de índio, uma camada de amortecimento de sulfeto de cádmio de 150 nanômetros, uma camada de janela de óxido de zinco e um eletrodo de grade metálica na frente.

O processo de fabricação começa com a deposição de um eletrodo de molibdênio por sputtering sobre o vidro de sódio e cálcio. Em seguida, a camada de absorção de CuGaSe₂ é produzida por deposição a alta temperatura e processo de selenização, com a introdução de alumínio na região traseira para formar o campo de superfície traseiro. A camada de absorção é tratada com metais alcalinos para passivar defeitos e melhorar suas propriedades eletroquímicas. Depois, uma camada de amortecimento de sulfeto de cádmio é depositada por banho químico para formar a junção p-n. Por fim, camadas de óxido de zinco intrínseco e óxido de zinco dopado com alumínio, além do eletrodo frontal, são depositadas por sputtering.

Comparado a células anteriores, a otimização da camada de absorção foi alcançada ao usar um gradiente de concentração de alumínio mais acentuado e ao espessar a camada de sulfeto de cádmio, o que resultou em maior tensão de circuito aberto e menor recombinação na interface. Como resultado, a célula atingiu uma eficiência de 12,28%, uma tensão de circuito aberto de 0,996 V, uma densidade de corrente de curto-circuito de 17,90 mA/cm² e um fator de preenchimento de 68,8%.

Para comparação, uma célula fabricada em 2024 atingiu uma eficiência de 12,25%, uma tensão de circuito aberto de 0,959 V, uma densidade de corrente de 17,64 mA/cm² e um fator de preenchimento de 72,5%.

Este avanço foi publicado na revista “Progress in Science” com o artigo intitulado “Novo recorde de eficiência de células de compostos de grupo 16 de banda larga de 1,7 elétron-volts, por controle sinérgico de fase e interface”.

Masato Ishizuka afirmou: “Nosso trabalho foca na pesquisa fundamental de dispositivos de banda larga usados como camada superior em células tandem. Para fabricar protótipos, é necessário desenvolver uma célula de base adequada e uma tecnologia de empilhamento correspondente. Portanto, ainda não estamos na fase de produção em larga escala. Como ainda estamos na pesquisa básica, não realizamos uma análise detalhada de custos.”