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

Ripubblicato da Platone

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16 Dicembre 2022

Le celle solari bifacciali a film sottile basate su diseleniuro di rame, indio e gallio (CIGS) possono raccogliere l'energia solare sia dal lato anteriore che da quello posteriore, e quindi potenzialmente produrre più elettricità solare rispetto alle loro controparti convenzionali. Finora, tuttavia, la loro fabbricazione ha portato solo a modeste efficienze di conversione energetica. Un team dei Laboratori federali svizzeri per la scienza e la tecnologia dei materiali (Empa) ha ora sviluppato un nuovo processo di produzione a bassa temperatura che ha portato a efficienze record del 19.8% per l'illuminazione anteriore e del 10.9% per l'illuminazione posteriore. Inoltre, hanno anche prodotto la prima cella solare tandem bifacciale perovskite-CIGS, aprendo la possibilità di rendimenti energetici ancora più elevati in futuro (SC Yang et al, 'Efficiency boost of bifacial Cu(In,Ga)Se2 celle solari a film sottile per applicazioni flessibili e tandem con processo a bassa temperatura assistito da argento", Nature Energy (2022); 21 novembre).

Se è possibile raccogliere sia la luce solare diretta che il suo riflesso (attraverso il lato posteriore di una cella solare), ciò dovrebbe aumentare la resa di energia prodotta dalla cella. Le potenziali applicazioni sono, ad esempio, il fotovoltaico integrato negli edifici (BIPV), l'agrivoltaico – l'uso simultaneo di aree di terreno sia per la produzione di energia fotovoltaica che per l'agricoltura – e moduli solari installati verticalmente o ad alta inclinazione su un terreno ad alta quota. Secondo l'International Technology Roadmap of Photovoltaics, le celle solari bifacciali potrebbero acquisire una quota di mercato del 70% del mercato fotovoltaico complessivo entro il 2030.

Sebbene le celle solari bifacciali basate su wafer di silicio siano già sul mercato, le celle solari a film sottile sono finora rimaste indietro. Ciò è, almeno in parte, dovuto all'efficienza piuttosto bassa delle celle solari a film sottile CIGS bifacciali, causata da un problema critico di collo di bottiglia: affinché qualsiasi cella solare bifacciale sia in grado di raccogliere la luce solare riflessa sul lato posteriore, una cella otticamente trasparente il contatto elettrico è un prerequisito. Ciò si ottiene utilizzando un ossido conduttivo trasparente (TCO) che sostituisce il contatto posteriore opaco nelle celle solari convenzionali, cioè monofacciali, realizzate in molibdeno.

Formazione dannosa di ossido

Le celle solari CIGS ad alta efficienza sono generalmente prodotte mediante un processo di deposizione ad alta temperatura, cioè sopra i 550°C. A queste temperature, tuttavia, si verifica una reazione chimica tra il gallio (dello strato CIGS) e l'ossigeno del contatto posteriore di ossido conduttivo trasparente. Lo strato di interfaccia di ossido di gallio risultante blocca il flusso di corrente generata dalla luce solare e quindi riduce l'efficienza di conversione energetica della cella. I valori più alti finora raggiunti in una singola cella sono del 9.0% per il lato anteriore e del 7.1% per il lato posteriore. "È davvero difficile ottenere una buona efficienza di conversione energetica per le celle solari con contatti conduttori trasparenti sia anteriori che posteriori", afferma Ayodhya N. Tiwari, che guida il laboratorio di film sottile e fotovoltaico dell'Empa.

Le celle solari CIGS bifacciali sono costituite da strati molto sottili, solo 3 µm in totale per i materiali attivi. Depositato sopra un contatto elettrico trasparente, lo strato policristallino CIGS assorbe la luce da entrambi i lati anteriore e posteriore. (Per gentile concessione dell'EMPA.)

Immagine: Le celle solari CIGS bifacciali sono costituite da strati molto sottili, solo 3 µm in totale per i materiali attivi. Depositato sopra un contatto elettrico trasparente, lo strato policristallino CIGS assorbe la luce da entrambi i lati anteriore e posteriore. (Per gentile concessione dell'EMPA.)

Quindi, lo studente di dottorato Shih-Chi Yang nel gruppo di Romain Carron nel laboratorio di Tiwari ha sviluppato un nuovo processo di deposizione a bassa temperatura che dovrebbe produrre molto meno del dannoso ossido di gallio, idealmente nessuno. Hanno usato una piccola quantità di argento per abbassare il punto di fusione della lega CIGS e per ottenere strati assorbenti con buone proprietà elettroniche a una temperatura di deposizione di soli 350°C. Quando hanno analizzato la struttura multistrato con la microscopia elettronica a trasmissione ad alta risoluzione (TEM), con l'aiuto dell'ex postdottorato di Tiwari Tzu-Ying Lin (attualmente alla National Tsing Hua University di Taiwan), il team non è riuscito a rilevare alcun ossido di gallio a l'interfaccia a tutti.

Mirare a un rendimento energetico superiore al 33%

Ciò si è riflesso anche in un'efficienza di conversione dell'energia drasticamente migliorata: la cella ha prodotto valori del 19.8% per l'illuminazione anteriore e del 10.9% per l'illuminazione posteriore, che sono stati certificati in modo indipendente dal Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (ISE) di Friburgo, in Germania. la stessa cella su un substrato di vetro.

Il team è anche riuscito a fabbricare, per la prima volta, una cella solare CIGS bifacciale su un substrato polimerico flessibile, che – grazie alla loro leggerezza e flessibilità – amplia lo spettro delle potenziali applicazioni.

Infine, i ricercatori hanno combinato due tecnologie fotovoltaiche – celle solari CIGS e perovskite – per produrre una cella tandem bifacciale.

Secondo Tiwari, la tecnologia CIGS bifacciale ha il potenziale per produrre efficienze di conversione energetica superiori al 33%, aprendo ulteriori opportunità per le celle solari a film sottile in futuro. Tiwari sta ora cercando di stabilire uno sforzo di collaborazione con laboratori e aziende chiave in tutta Europa per accelerare lo sviluppo tecnologico e la sua producibilità industriale su scala più ampia.

Tag: Empa CIGS flessibile

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