Empa opnår rekordeffektivitet på 19.8 % til frontbelysning og 10.9 % til bagbelysning i bifacial CIGS-solcelle

Genudgivet af Platon

Abonnenter: 0

16 December 2022

Bifacial tynd-film solceller baseret på kobber indium gallium diselenid (CIGS) kan opsamle solenergi fra både deres forside og deres bagside - og dermed potentielt give mere solenergi end deres konventionelle modstykker. Indtil videre har deres fremstilling dog kun ført til beskedne energiomdannelseseffektiviteter. Et team hos de schweiziske føderale laboratorier for materialevidenskab og -teknologi (Empa) har nu udviklet en ny lavtemperaturproduktionsproces, der resulterer i rekordeffektivitet på 19.8 % for frontbelysning og 10.9 % for bagbelysning. Desuden producerede de også den første bifacial perovskite-CIGS tandem solcelle, hvilket åbnede muligheden for endnu højere energiudbytter i fremtiden (SC Yang et al, 'Efficiency boost of bifacial Cu(In,Ga)Se2 tyndfilmsolceller til fleksible og tandemapplikationer med sølv-assisteret lavtemperaturproces', Nature Energy (2022); 21 november).

Hvis både direkte sollys og dets refleksion (via bagsiden af en solcelle) kan opsamles, skulle dette øge udbyttet af energi, som cellen producerer. Potentielle anvendelser er f.eks. bygningsintegrerede solcelleanlæg (BIPV'er), agrivoltaics - samtidig brug af jordarealer til både solcelleproduktion og landbrug - og lodret eller højt-tilt installerede solcellemoduler på højtliggende jord. Ifølge International Technology Roadmap of Photovoltaics kunne bifacial solceller erobre en markedsandel på 70 % af det samlede solcellemarked i 2030.

Selvom bifacial solceller baseret på silicium wafers allerede er på markedet, har tyndfilm solceller indtil videre haltet bagefter. Dette skyldes, i det mindste delvist, den ret lave effektivitet af bifacial CIGS tyndfilm solceller, forårsaget af et kritisk flaskehalsproblem: For at enhver bifacial solcelle skal være i stand til at opsamle reflekteret sollys på bagsiden, en optisk gennemsigtig elektrisk kontakt er en forudsætning. Dette opnås ved at bruge et transparent ledende oxid (TCO), der erstatter den uigennemsigtige rygkontakt i konventionelle – altså mono-faciale – solceller lavet af molybdæn.

Skadelig oxiddannelse

Højeffektive CIGS-solceller fremstilles generelt ved en højtemperaturaflejringsproces, dvs. over 550°C. Ved disse temperaturer sker der imidlertid en kemisk reaktion mellem galliumet (i CIGS-laget) og oxygenet i den gennemsigtige ledende oxid-bagkontakt. Det resulterende galliumoxid-grænsefladelag blokerer strømmen af sollys-genereret strøm og reducerer således cellens energiomdannelseseffektivitet. De hidtil højeste værdier opnået i en enkelt celle er 9.0 % for forsiden og 7.1 % for bagsiden. "Det er virkelig svært at have en god energikonverteringseffektivitet for solceller med både for- og baggennemsigtige ledende kontakter," siger Ayodhya N. Tiwari, der leder Empas tyndfilm- og fotovoltaiklaboratorium.

Bifacial CIGS solceller består af meget tynde lag, kun 3µm i alt for de aktive materialer. Aflejret på toppen af en gennemsigtig elektrisk kontakt absorberer det CIGS polykrystallinske lag lyset fra både for- og bagsiden. (Med tilladelse fra EMPA.)

Billede: Bifacial CIGS solceller består af meget tynde lag, kun 3µm i alt for de aktive materialer. Aflejret på toppen af en gennemsigtig elektrisk kontakt absorberer det CIGS polykrystallinske lag lyset fra både for- og bagsiden. (Med tilladelse fra EMPA.)

Så ph.d.-studerende Shih-Chi Yang i gruppen af Romain Carron i Tiwaris laboratorium udviklede en ny lavtemperaturaflejringsproces, der skulle producere meget mindre af det skadelige galliumoxid – ideelt set ingen overhovedet. De brugte en lille mængde sølv til at sænke smeltepunktet for CIGS-legeringen og for at opnå absorberende lag med gode elektroniske egenskaber ved kun 350°C aflejringstemperatur. Da de analyserede flerlagsstrukturen med højopløsningstransmissionselektronmikroskopi (TEM) med hjælp fra Tiwaris tidligere postdoc Tzu-Ying Lin (i øjeblikket ved National Tsing Hua University i Taiwan), kunne holdet ikke påvise noget galliumoxid kl. grænsefladen overhovedet.

Målet er et energiudbytte på mere end 33 %

Dette blev også afspejlet af en drastisk forbedret energikonverteringseffektivitet: Cellen gav værdier på 19.8 % for frontbelysning og 10.9 % for bagbelysning, som var blevet uafhængigt certificeret af Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (ISE) i Freiburg, Tyskland – i selvsamme celle på et glasunderlag.

Holdet lykkedes også for allerførste gang at fremstille en bifacial CIGS-solcelle på et fleksibelt polymersubstrat, som – på grund af deres lette vægt og fleksibilitet – udvider spektret af potentielle anvendelser.

Endelig kombinerede forskerne to fotovoltaiske teknologier - CIGS og perovskite solceller - for at producere en bifacial tandemcelle.

Ifølge Tiwari har bifacial CIGS-teknologi potentialet til at give energikonverteringseffektiviteter ud over 33 %, hvilket åbner op for yderligere muligheder for tyndfilmssolceller i fremtiden. Tiwari forsøger nu at etablere et samarbejde med nøglelaboratorier og virksomheder i hele Europa for at fremskynde teknologiudviklingen og dens industrielle fremstillingsevne i større skala.

tags: Empa Fleksible CIGS

Besøg: www.nature.com/articles/

Besøg: www.empa.ch