Empa Achieves Record Efficiencies Of 19.8% For Front Illumination And 10.9% For Rear Illumination In Bifacial CIGS Solar Cell

Julkaissut Platon

seuraajia: 0

16 joulukuu 2022

Kupari-indiumgalliumdiselenidiin (CIGS) perustuvat bifacial-ohutkalvoaurinkokennot voivat kerätä aurinkoenergiaa sekä etu- että takapuoleltaan – ja siten mahdollisesti tuottaa enemmän aurinkosähköä kuin perinteiset vastineensa. Toistaiseksi niiden valmistus on kuitenkin johtanut vain vaatimattomiin energian muunnoshyötysuhteisiin. Sveitsin liittovaltion materiaalitieteen ja teknologian laboratorioiden (Empa) tiimi on nyt kehittänyt uuden matalan lämpötilan tuotantoprosessin, jonka tuloksena on ennätystehokkuus 19.8 % etuvalaistuksessa ja 10.9 % takavalaistuksessa. Lisäksi he tuottivat myös ensimmäisen bifacial perovskite-CIGS-tandem-aurinkokennon, mikä avasi mahdollisuuden vieläkin korkeampiin energiatuotteisiin tulevaisuudessa (SC Yang et al, 'Efficiency boost of bifacial Cu(In,Ga)Se2 ohutkalvoaurinkokennot joustaviin ja tandemsovelluksiin hopeaavusteisella matalalämpötilaprosessilla”, Nature Energy (2022); 21. marraskuuta).

Jos sekä suora auringonvalo että sen heijastus (aurinkokennon takapuolen kautta) voidaan kerätä, tämän pitäisi lisätä kennon tuottaman energian saantia. Mahdollisia käyttökohteita ovat esimerkiksi rakennukseen integroidut aurinkosähkölaitteet (BIPV), maatalous – maa-alueiden samanaikainen käyttö sekä aurinkosähkön tuotantoon että maatalouteen – sekä pystysuoraan tai korkeaan kallistukseen asennettavat aurinkomoduulit korkealle maalle. Kansainvälisen aurinkosähköteknologian etenemissuunnitelman mukaan kaksipuoliset aurinkokennot voisivat vallata 70 prosentin markkinaosuuden aurinkosähkön kokonaismarkkinoista vuoteen 2030 mennessä.

Vaikka piikiekoihin perustuvia bifacial-aurinkokennoja on jo markkinoilla, ohutkalvoaurinkokennot ovat toistaiseksi jääneet jälkeen. Tämä johtuu ainakin osittain bifacial CIGS-ohutkalvo aurinkokennojen melko alhaisesta tehokkuudesta, joka johtuu kriittisestä pullonkaulaongelmasta: Jotta mikä tahansa bifacial aurinkokenno pystyy keräämään heijastuneen auringonvalon takapuolelta, optisesti läpinäkyvä sähköinen kosketus on edellytys. Tämä saavutetaan käyttämällä läpinäkyvää johtavaa oksidia (TCO), joka korvaa läpinäkymättömän takakoskettimen tavanomaisissa molybdeenistä valmistetuissa aurinkokennoissa.

Haitallista oksidin muodostumista

Tehokkaat CIGS-aurinkokennot valmistetaan yleensä korkeassa lämpötilassa eli yli 550°C:ssa. Näissä lämpötiloissa tapahtuu kuitenkin kemiallinen reaktio (CIGS-kerroksen) galliumin ja läpinäkyvän johtavan oksidin takakoskettimen hapen välillä. Tuloksena oleva galliumoksidirajapintakerros estää auringonvalon tuottaman virran kulkua ja siten vähentää kennon energian muunnostehokkuutta. Korkeimmat tähän mennessä saavutetut arvot yhdessä solussa ovat 9.0 % etupuolella ja 7.1 % takapuolella. "On todella vaikeaa saavuttaa hyvää energian muunnostehokkuutta aurinkokennoille, joissa on sekä edessä että takana läpinäkyvät johtavat koskettimet", sanoo Ayodhya N. Tiwari, joka johtaa Empan Thin Film and Photovoltaics -laboratoriota.

Bifacial CIGS-aurinkokennot koostuvat erittäin ohuista kerroksista, yhteensä vain 3 µm aktiivisten materiaalien osalta. Läpinäkyvän sähkökontaktin päälle kerrostettu CIGS-monikiteinen kerros absorboi valoa sekä etu- että takapuolelta. (EMPA:n luvalla.)

Kuva: Bifacial CIGS-aurinkokennot koostuvat erittäin ohuista kerroksista, yhteensä vain 3 µm aktiivisten materiaalien osalta. Läpinäkyvän sähkökontaktin päälle kerrostettu CIGS-monikiteinen kerros absorboi valoa sekä etu- että takapuolelta. (EMPA:n luvalla.)

Niinpä tohtoriopiskelija Shih-Chi Yang Romain Carronin ryhmässä Tiwarin laboratoriossa kehitti uuden matalan lämpötilan saostusprosessin, jonka pitäisi tuottaa paljon vähemmän haitallista galliumoksidia – mieluiten ei ollenkaan. He käyttivät pienen määrän hopeaa CIGS-lejeeringin sulamispisteen alentamiseen ja hyvien elektronisten ominaisuuksien omaavien absorbointikerrosten saamiseksi jo 350 °C:n saostuslämpötilassa. Kun he analysoivat monikerroksista rakennetta korkearesoluutioisella transmissioelektronimikroskoopilla (TEM) Tiwarin entisen postdoc Tzu-Ying Linin (tällä hetkellä Taiwanin kansallisessa Tsing Hua -yliopistossa) avulla, ryhmä ei pystynyt havaitsemaan galliumoksidia käyttöliittymä ollenkaan.

Tavoitteena yli 33 prosentin energiatuotto

Tämä näkyi myös dramaattisesti parantuneena energian muunnostehokkuutena: Kenno tuotti arvot 19.8 % etuvalaistukseen ja 10.9 % takavalaistukseen, jotka oli itsenäisesti sertifioinut Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (ISE) Freiburgissa, Saksassa. sama kenno lasialustalle.

Tiimi onnistui myös valmistamaan ensimmäistä kertaa joustavalle polymeerisubstraatille kaksipuolisen CIGS-aurinkokennon, joka – keveytensä ja joustavuutensa ansiosta – laajentaa mahdollisten sovellusten kirjoa.

Lopuksi tutkijat yhdistivät kaksi aurinkosähkötekniikkaa – CIGS:n ja perovskite-aurinkokenon – tuottaakseen bifacial-tandemkennon.

Tiwarin mukaan bifacial CIGS-teknologialla on potentiaalia tuottaa yli 33 prosentin energian muunnostehokkuus, mikä avaa uusia mahdollisuuksia ohutkalvoaurinkokennoille tulevaisuudessa. Tiwari yrittää nyt tehdä yhteistyötä tärkeimpien laboratorioiden ja yritysten kanssa kaikkialla Euroopassa nopeuttaakseen teknologian kehitystä ja sen teollista valmistettavuutta laajemmassa mittakaavassa.

Tunnisteet: Empa Joustava CIGS

Visit: www.nature.com/articles/

Visit: www.empa.ch