Η Empa επιτυγχάνει αποδόσεις ρεκόρ 19.8% για μπροστινό φωτισμό και 10.9% για οπίσθιο φωτισμό στο Bifacial CIGS Solar Cell

Αναδημοσίευση από τον Πλάτωνα

Ακολουθούν: 0

16 Δεκεμβρίου 2022

Οι ηλιακές κυψέλες διπλής μεμβράνης λεπτής μεμβράνης που βασίζονται σε δισελενίδιο του γαλλίου ινδίου χαλκού (CIGS) μπορούν να συλλέγουν ηλιακή ενέργεια τόσο από την μπροστινή όσο και από την πίσω πλευρά τους – και έτσι δυνητικά να παράγουν περισσότερη ηλιακή ηλεκτρική ενέργεια από τα συμβατικά αντίστοιχά τους. Μέχρι στιγμής, ωστόσο, η κατασκευή τους έχει οδηγήσει σε μέτριες μόνο αποδόσεις ενεργειακής μετατροπής. Μια ομάδα στα Ελβετικά Ομοσπονδιακά Εργαστήρια Επιστήμης και Τεχνολογίας Υλικών (Empa) ανέπτυξε τώρα μια νέα διαδικασία παραγωγής σε χαμηλές θερμοκρασίες με αποτέλεσμα την απόδοση ρεκόρ 19.8% για τον εμπρός φωτισμό και 10.9% για τον πίσω φωτισμό. Επιπλέον, παρήγαγαν επίσης το πρώτο ηλιακό κύτταρο διπλής όψης περοβσκίτη-CIGS, ανοίγοντας την πιθανότητα ακόμη υψηλότερων ενεργειακών αποδόσεων στο μέλλον (SC Yang et al, 'Efficiency boost of bifacial Cu(In,Ga)Se2 ηλιακά κύτταρα λεπτής μεμβράνης για ευέλικτες και διαδοχικές εφαρμογές με διαδικασία χαμηλής θερμοκρασίας υποβοηθούμενη από ασήμι», Nature Energy (2022). 21 Νοεμβρίου).

Εάν μπορούν να συλλεχθούν τόσο το άμεσο ηλιακό φως όσο και η ανάκλασή του (μέσω της πίσω πλευράς ενός ηλιακού στοιχείου), αυτό θα αυξήσει την απόδοση της ενέργειας που παράγει το στοιχείο. Πιθανές εφαρμογές είναι, για παράδειγμα, τα φωτοβολταϊκά ενσωματωμένα σε κτίρια (BIPV), τα αγροβολταϊκά – η ταυτόχρονη χρήση εκτάσεων γης τόσο για παραγωγή φωτοβολταϊκής ενέργειας όσο και για τη γεωργία – και εγκατεστημένα κάθετα ή με μεγάλη κλίση ηλιακά πάνελ σε έδαφος μεγάλου υψομέτρου. Σύμφωνα με τον Διεθνή Οδικό Χάρτη Φωτοβολταϊκών Τεχνολογίας, τα ηλιακά κύτταρα διπλής όψης θα μπορούσαν να καταλάβουν μερίδιο αγοράς 70% της συνολικής αγοράς φωτοβολταϊκών μέχρι το 2030.

Αν και τα ηλιακά κύτταρα διπλής όψης βασισμένα σε γκοφρέτες πυριτίου κυκλοφορούν ήδη στην αγορά, τα ηλιακά κύτταρα λεπτής μεμβράνης έχουν καθυστερήσει μέχρι στιγμής. Αυτό οφείλεται, τουλάχιστον εν μέρει, στη μάλλον χαμηλή απόδοση των ηλιακών κυψελών λεπτής μεμβράνης διπλής όψης CIGS, που προκαλείται από ένα κρίσιμο πρόβλημα συμφόρησης: Για κάθε διπλής όψης ηλιακό κύτταρο να μπορεί να συλλέγει το ανακλώμενο ηλιακό φως στην πίσω πλευρά, ένα οπτικά διαφανές η ηλεκτρική επαφή είναι απαραίτητη προϋπόθεση. Αυτό επιτυγχάνεται με τη χρήση ενός διαφανούς αγώγιμου οξειδίου (TCO) που αντικαθιστά την αδιαφανή οπίσθια επαφή σε συμβατικά – δηλαδή μονοπρόσωπα – ηλιακά κύτταρα κατασκευασμένα από μολυβδαίνιο.

Επιβλαβής σχηματισμός οξειδίων

Τα ηλιακά κύτταρα υψηλής απόδοσης CIGS παράγονται γενικά με διαδικασία εναπόθεσης υψηλής θερμοκρασίας, δηλαδή πάνω από 550°C. Σε αυτές τις θερμοκρασίες, ωστόσο, λαμβάνει χώρα μια χημική αντίδραση μεταξύ του γαλλίου (του στρώματος CIGS) και του οξυγόνου της διαφανούς αγώγιμης επαφής του οξειδίου. Το προκύπτον στρώμα διεπαφής οξειδίου του γαλλίου εμποδίζει τη ροή του ρεύματος που δημιουργείται από το ηλιακό φως και έτσι μειώνει την απόδοση μετατροπής ενέργειας της κυψέλης. Οι υψηλότερες τιμές που έχουν επιτευχθεί μέχρι στιγμής σε ένα κελί είναι 9.0% για την μπροστινή πλευρά και 7.1% για την πίσω πλευρά. «Είναι πραγματικά δύσκολο να έχουμε καλή απόδοση μετατροπής ενέργειας για ηλιακά κύτταρα με μπροστινές και πίσω διαφανείς αγώγιμες επαφές», λέει ο Ayodhya N. Tiwari, επικεφαλής του εργαστηρίου Thin Film and Photovoltaics της Empa.

Τα ηλιακά κύτταρα διπλής όψης CIGS αποτελούνται από πολύ λεπτά στρώματα, μόνο 3μm συνολικά για τα ενεργά υλικά. Τοποθετημένο πάνω σε μια διαφανή ηλεκτρική επαφή, το πολυκρυσταλλικό στρώμα CIGS απορροφά το φως τόσο από την μπροστινή όσο και από την πίσω πλευρά. (Ευγενική προσφορά του EMPA.)

Εικόνα: Τα ηλιακά κύτταρα διπλής όψης CIGS αποτελούνται από πολύ λεπτά στρώματα, μόνο 3μm συνολικά για τα ενεργά υλικά. Τοποθετημένο πάνω σε μια διαφανή ηλεκτρική επαφή, το πολυκρυσταλλικό στρώμα CIGS απορροφά το φως τόσο από την μπροστινή όσο και από την πίσω πλευρά. (Ευγενική προσφορά του EMPA.)

Έτσι, ο διδακτορικός φοιτητής Shih-Chi Yang στην ομάδα του Romain Carron στο εργαστήριο του Tiwari ανέπτυξε μια νέα διαδικασία εναπόθεσης σε χαμηλή θερμοκρασία που θα πρέπει να παράγει πολύ λιγότερο από το επιβλαβές οξείδιο του γαλλίου - ιδανικά καθόλου. Χρησιμοποίησαν μια μικροσκοπική ποσότητα αργύρου για να μειώσουν το σημείο τήξης του κράματος CIGS και να αποκτήσουν στρώματα απορρόφησης με καλές ηλεκτρονικές ιδιότητες σε θερμοκρασία εναπόθεσης μόλις 350°C. Όταν ανέλυσαν τη δομή πολλαπλών στρωμάτων με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο μετάδοσης υψηλής ανάλυσης (TEM), με τη βοήθεια του πρώην μεταδιδακτορικού του Tiwari Tzu-Ying Lin (επί του παρόντος στο Εθνικό Πανεπιστήμιο Tsing Hua στην Ταϊβάν), η ομάδα δεν μπόρεσε να ανιχνεύσει οξείδιο του γαλλίου στο η διεπαφή καθόλου.

Στοχεύοντας σε ενεργειακή απόδοση άνω του 33%

Αυτό αντικατοπτρίστηκε επίσης από μια δραστικά βελτιωμένη απόδοση μετατροπής ενέργειας: Η κυψέλη απέδωσε τιμές 19.8% για εμπρός φωτισμό και 10.9% για οπίσθιο φωτισμό που είχαν πιστοποιηθεί ανεξάρτητα από το Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (ISE) στο Φράιμπουργκ της Γερμανίας – στο το ίδιο κελί σε γυάλινο υπόστρωμα.

Η ομάδα πέτυχε επίσης να κατασκευάσει, για πρώτη φορά, ένα ηλιακό στοιχείο CIGS διπλής όψης σε ένα εύκαμπτο πολυμερές υπόστρωμα, το οποίο –λόγω του μικρού βάρους και της ευελιξίας του– διευρύνει το φάσμα των πιθανών εφαρμογών.

Τέλος, οι ερευνητές συνδύασαν δύο φωτοβολταϊκές τεχνολογίες - CIGS και ηλιακές κυψέλες περοβσκίτη - για να παράγουν μια διπλή κυψέλη.

Σύμφωνα με τον Tiwari, η τεχνολογία διπλής όψης CIGS έχει τη δυνατότητα να αποφέρει αποδοτικότητα μετατροπής ενέργειας πέραν του 33%, ανοίγοντας περαιτέρω ευκαιρίες για ηλιακά κύτταρα λεπτής μεμβράνης στο μέλλον. Η Tiwari προσπαθεί τώρα να δημιουργήσει μια προσπάθεια συνεργασίας με βασικά εργαστήρια και εταιρείες σε όλη την Ευρώπη για να επισπεύσει την ανάπτυξη της τεχνολογίας και τη βιομηχανική της δυνατότητα κατασκευής σε μεγαλύτερη κλίμακα.

Ετικέτες: Empa Ευέλικτα CIGS

Επισκεφθείτε την ιστοσελίδα: www.nature.com/articles/

Επισκεφθείτε την ιστοσελίδα: www.empa.ch