إمبا تحقق كفاءات قياسية بنسبة 19.8٪ للإضاءة الأمامية و 10.9٪ للإضاءة الخلفية في الخلايا الشمسية CIGS ثنائية الوجه

الأخبار: وحدات الطاقة الشمسية

16 ديسمبر 2022

يمكن للخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة ثنائية الوجه التي تعتمد على نحاس إنديوم غاليوم ديسلينيد (CIGS) أن تجمع الطاقة الشمسية من كل من جانبيها الأمامي والخلفي - وبالتالي يُحتمل أن تنتج كهرباء شمسية أكثر من نظيراتها التقليدية. لكن حتى الآن ، أدى تصنيعها إلى كفاءات تحويل طاقة متواضعة. طور فريق في المختبرات الفيدرالية السويسرية لعلوم وتكنولوجيا المواد (إمبا) الآن عملية إنتاج جديدة ذات درجات حرارة منخفضة أدت إلى كفاءات قياسية تبلغ 19.8٪ للإضاءة الأمامية و 10.9٪ للإضاءة الخلفية. علاوة على ذلك ، فقد أنتجوا أيضًا أول خلية شمسية ثنائية البيروفسكايت- CIGS ترادفية ، مما يفتح إمكانية زيادة إنتاجية الطاقة في المستقبل (SC Yang et al ، 'تعزيز كفاءة النحاس ثنائي الوجه (In ، Ga) Se2 الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة للتطبيقات المرنة والمترادفة مع عملية درجة حرارة منخفضة بمساعدة الفضة '، Nature Energy (2022) ؛ 21 نوفمبر).

إذا كان من الممكن جمع كل من ضوء الشمس المباشر وكذلك انعكاسه (عبر الجانب الخلفي للخلية الشمسية) ، فيجب أن يزيد هذا من إنتاجية الطاقة التي تنتجها الخلية. التطبيقات المحتملة هي ، على سبيل المثال ، الخلايا الكهروضوئية المتكاملة للمباني (BIPVs) ، والخلايا الزراعية - الاستخدام المتزامن لمناطق الأرض لتوليد الطاقة الكهروضوئية والزراعة - والوحدات الشمسية المثبتة رأسيًا أو عالي الإمالة على أرض مرتفعة. وفقًا لخريطة طريق التكنولوجيا الدولية للخلايا الكهروضوئية ، يمكن أن تستحوذ الخلايا الشمسية ثنائية الوجه على حصة سوقية تبلغ 70 ٪ من سوق الخلايا الكهروضوئية الكلي بحلول عام 2030.

على الرغم من أن الخلايا الشمسية ثنائية الوجه القائمة على رقائق السيليكون موجودة بالفعل في السوق ، إلا أن الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة قد تخلفت عن الركب حتى الآن. هذا ، جزئيًا على الأقل ، بسبب الكفاءة المنخفضة نسبيًا للخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة CIGS ثنائية الوجه ، والتي تسببها مشكلة عنق الزجاجة الحرجة: لكي تتمكن أي خلية شمسية ثنائية الوجه من جمع ضوء الشمس المنعكس في الجانب الخلفي ، يكون شفافًا بصريًا الاتصال الكهربائي شرط أساسي. يتم تحقيق ذلك باستخدام أكسيد موصل شفاف (TCO) يحل محل الاتصال الخلفي المعتم في الخلايا الشمسية التقليدية - أي أحادية الوجه - المصنوعة من الموليبدينوم.

تكوين أكسيد ضار

يتم إنتاج الخلايا الشمسية CIGS عالية الكفاءة بشكل عام عن طريق عملية ترسيب ذات درجة حرارة عالية ، أي أعلى من 550 درجة مئوية. ومع ذلك ، في درجات الحرارة هذه ، يحدث تفاعل كيميائي بين الغاليوم (من طبقة CIGS) والأكسجين في الاتصال الخلفي بأكسيد موصل شفاف. تمنع طبقة واجهة أكسيد الغاليوم الناتجة تدفق التيار المتولد من ضوء الشمس وبالتالي تقلل من كفاءة تحويل الطاقة للخلية. أعلى القيم التي تم تحقيقها حتى الآن في خلية واحدة هي 9.0٪ للجانب الأمامي و 7.1٪ للجانب الخلفي. تيواري ، التي تقود مختبر إمبا للأغشية الرقيقة والخلايا الكهروضوئية: "من الصعب حقًا الحصول على كفاءة تحويل طاقة جيدة للخلايا الشمسية مع جهات اتصال موصلة شفافة أمامية وخلفية".

الصورة: تتكون الخلايا الشمسية Bifacial CIGS من طبقات رقيقة جدًا ، فقط 3 ميكرومتر في المجموع للمواد الفعالة. ترسب طبقة CIGS متعددة الكريستالات فوق اتصال كهربائي شفاف ، وتمتص الضوء من الجانبين الأمامي والخلفي. (بإذن من EMPA.)

لذلك ، طور طالب الدكتوراه Shih-Chi Yang في مجموعة Romain Carron في مختبر Tiwari عملية ترسيب جديدة في درجات الحرارة المنخفضة والتي يجب أن تنتج كمية أقل بكثير من أكسيد الغاليوم الضار - من الناحية المثالية لا شيء على الإطلاق. استخدموا كمية ضئيلة من الفضة لخفض درجة انصهار سبيكة CIGS وللحصول على طبقات امتصاص ذات خصائص إلكترونية جيدة عند درجة حرارة ترسيب 350 درجة مئوية فقط. عندما قاموا بتحليل البنية متعددة الطبقات باستخدام المجهر الإلكتروني عالي الدقة للإرسال (TEM) ، بمساعدة باحث ما بعد الدكتوراة السابق لـ Tiwari Tzu-Ying Lin (حاليًا في جامعة Tsing Hua الوطنية في تايوان) ، لم يتمكن الفريق من اكتشاف أي أكسيد الغاليوم في الواجهة على الإطلاق.

استهداف عائد طاقة يزيد عن 33٪

انعكس هذا أيضًا من خلال كفاءة تحويل الطاقة المحسّنة بشكل كبير: أنتجت الخلية قيمًا تبلغ 19.8٪ للإضاءة الأمامية و 10.9٪ للإضاءة الخلفية التي تم اعتمادها بشكل مستقل من قبل معهد فراونهوفر لأنظمة الطاقة الشمسية (ISE) في فرايبورغ ، ألمانيا - في نفس الخلية على ركيزة زجاجية.

نجح الفريق أيضًا في تصنيع ، ولأول مرة ، خلية شمسية CIGS ثنائية الطور على ركيزة بوليمر مرنة ، والتي - نظرًا لوزنها الخفيف ومرونتها - توسع نطاق التطبيقات المحتملة.

أخيرًا ، قام الباحثون بدمج تقنيتين من الخلايا الكهروضوئية - CIGS وخلايا بيروفسكايت الشمسية - لإنتاج خلية ترادفية ثنائية الوجه.

وفقًا لـ Tiwari ، فإن تقنية CIGS ثنائية الوجه لديها القدرة على إنتاج كفاءات تحويل للطاقة تتجاوز 33 ٪ ، مما يفتح المزيد من الفرص للخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة في المستقبل. تحاول Tiwari الآن إنشاء جهد تعاوني مع المختبرات والشركات الرئيسية في جميع أنحاء أوروبا لتسريع تطوير التكنولوجيا وقدرتها على التصنيع الصناعي على نطاق أوسع.

الوسوم (تاج): الجمعية البرلمانية الأورومتوسطية CIGS مرنة

زيارة الموقع: www.nature.com/articles/

زيارة الموقع: www.empa.ch

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• بلاتوبلوكشين. Web3 Metaverse Intelligence. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• المصدر https://www.semiconductor-today.com/news_items/2022/dec/empa-161222.shtml