Az Empa rekordhatékonyságot ért el: 19.8%-os elülső világítás és 10.9%-os hátsó megvilágítás a bifaciális CIGS napelemben

Újra kiadta Platón

Követő: 0

16. december 2022.

A réz-indium-gallium-diszelenid (CIGS) alapú bifaciális vékonyfilmes napelemek mind az elülső, mind a hátsó oldalukról gyűjthetik a napenergiát – és így potenciálisan több napenergiát termelnek, mint hagyományos társaik. Előállításuk azonban eddig csak szerény energiaátalakítási hatékonyságot eredményezett. A Svájci Szövetségi Anyagtudományi és Technológiai Laboratórium (Empa) csapata most új, alacsony hőmérsékletű gyártási eljárást fejlesztett ki, amely rekordhatékonyságot, 19.8%-os első világítást és 10.9%-os hátsó világítást eredményez. Ezenkívül elkészítették az első bifaciális perovszkit-CIGS tandem napelemet is, ami még nagyobb energiahozamok lehetőségét nyitja meg a jövőben (SC Yang et al, „Efficiency boost of bifacial Cu(In,Ga)Se2 vékonyrétegű napelemek rugalmas és tandem alkalmazásokhoz ezüsttel támogatott alacsony hőmérsékletű eljárással”, Nature Energy (2022); november 21).

Ha mind a közvetlen napfényt, mind a visszaverődését (a napelem hátoldalán keresztül) össze lehet gyűjteni, ez növeli a cella által termelt energia hozamát. Lehetséges alkalmazások például az épületbe integrált fotovoltaik (BIPV), az agrovoltaik – a területek egyidejű felhasználása fotovoltaikus energiatermelésre és mezőgazdaságra egyaránt –, valamint a függőlegesen vagy magas dőlésszöggel telepített napelemmodulok nagy magasságban. A fotovoltaikus technológiai útiterv szerint a bifaciális napelemek 70-ra a teljes fotovoltaikus piac 2030%-át érhetik el.

Bár már forgalomban vannak a szilíciumlapkákon alapuló bifaciális napelemek, a vékonyrétegű napelemek eddig elmaradtak. Ez legalábbis részben a bifaciális CIGS vékonyfilmes napelemek meglehetősen alacsony hatásfokának köszönhető, amelyet egy kritikus szűk keresztmetszet-probléma okoz: hogy bármely bifaciális napelem képes összegyűjteni a visszavert napfényt a hátsó oldalon, egy optikailag átlátszó az elektromos érintkezés előfeltétele. Ezt egy átlátszó vezetőképes oxid (TCO) alkalmazásával érik el, amely helyettesíti az átlátszatlan hátsó érintkezőt a hagyományos – azaz mono-facial – molibdén napelemekben.

Káros oxidképződés

A nagy hatásfokú CIGS napelemeket általában magas hőmérsékletű, azaz 550°C feletti leválasztási eljárással állítják elő. Ezeken a hőmérsékleteken azonban kémiai reakció megy végbe a gallium (a CIGS-réteg) és az átlátszó, vezetőképes oxid hátsó érintkező oxigénje között. Az így létrejövő gallium-oxid interfészréteg blokkolja a napfény által generált áram áramlását, és így csökkenti a cella energiaátalakítási hatékonyságát. Az eddig elért legmagasabb értékek egyetlen cellában 9.0% az elülső oldalon és 7.1% a hátsó oldalon. „Nagyon nehéz jó energiaátalakítási hatékonyságot elérni az elülső és hátsó átlátszó vezető érintkezőkkel rendelkező napelemeknél” – mondja Ayodhya N. Tiwari, az Empa vékonyréteg- és fotovoltaikus laboratóriumának vezetője.

A bifaciális CIGS napelemek nagyon vékony rétegekből állnak, amelyek összesen mindössze 3 µm-esek az aktív anyagok esetében. Az átlátszó elektromos érintkező tetején elhelyezett CIGS polikristályos réteg elnyeli a fényt mind az elülső, mind a hátsó oldalról. (Az EMPA jóvoltából.)

Kép: A bifaciális CIGS napelemek nagyon vékony rétegekből állnak, összesen mindössze 3 µm az aktív anyagok esetében. Az átlátszó elektromos érintkező tetején elhelyezett CIGS polikristályos réteg elnyeli a fényt mind az elülső, mind a hátsó oldalról. (Az EMPA jóvoltából.)

So, PhD student Shih-Chi Yang in the group of Romain Carron in Tiwari’s lab developed a new low-temperature deposition process that should produce much less of the detrimental gallium oxide – ideally none at all. They used a tiny amount of silver to lower the melting point of the CIGS alloy and to obtain absorber layers with good electronic properties at just 350°C deposition temperature. When they analyzed the multi-layer structure with high-resolution transmission electron microscopy (TEM), with the help of Tiwari’s former postdoc Tzu-Ying Lin( currently at National Tsing Hua University in Taiwan), the team could not detect any gallium oxide at the interface at all.

33%-nál nagyobb energiahozamot céloz meg

Ez a drasztikusan megnövekedett energiaátalakítási hatékonyságban is megmutatkozott: A cella 19.8%-os elülső és 10.9%-os hátsó világítási értékeket produkált, amelyeket a németországi Freiburgban működő Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (ISE) független tanúsított. ugyanaz a cella üveghordozón.

A csapatnak első ízben sikerült egy bifaciális CIGS napelemet is elkészíteni rugalmas polimer hordozóra, amely – könnyű súlya és rugalmassága miatt – kiszélesíti a lehetséges alkalmazások spektrumát.

Végül a kutatók két fotovoltaikus technológiát – a CIGS-t és a perovszkit napelemeket – kombináltak egy bifaciális tandemcella előállítására.

Tiwari szerint a bifaciális CIGS technológia 33%-ot meghaladó energiaátalakítási hatékonyságot eredményezhet, ami további lehetőségeket nyit meg a vékonyfilmes napelemek számára a jövőben. A Tiwari most próbál együttműködést kialakítani Európa-szerte kulcsfontosságú laboratóriumokkal és vállalatokkal, hogy felgyorsítsa a technológiai fejlesztést és nagyobb léptékű ipari gyárthatóságát.

Címkék: Empa Rugalmas CIGS

Látogasson el: www.nature.com/articles/

Látogasson el: www.empa.ch