Empa משיגה יעילות שיא של 19.8% עבור תאורה קדמית ו-10.9% עבור תאורה אחורית בתא שמש דו-פנים CIGS

הועלה מחדש על ידי אפלטון

עוקב: 0

16 דצמבר 2022

תאים סולריים בעלי סרט דק דו-פנים המבוססים על נחושת אינדיום גליום דיסלניד (CIGS) יכולים לאסוף אנרגיית שמש הן מהצד הקדמי והן מהצד האחורי שלהם - ובכך עלולים להניב יותר חשמל סולארי מאשר עמיתיהם הרגילים. אולם עד כה, ייצורם הוביל ליעילות המרת אנרגיה צנועה בלבד. צוות במעבדות הפדרליות של שוויץ למדע וטכנולוגיה של חומרים (Empa) פיתח כעת תהליך ייצור חדש בטמפרטורות נמוכות שהביא ליעילות שיא של 19.8% עבור תאורה קדמית ו-10.9% עבור תאורה אחורית. יתרה מכך, הם גם ייצרו את התא הסולארי הדו-פציאלי הראשון מסוג perovskite-CIGS, שפותח את האפשרות לתשואות אנרגיה גבוהות עוד יותר בעתיד (SC Yang וחב', 'שיפור היעילות של Cu(In,Ga)Se הדו-פנים2 תאים סולריים בסרט דק ליישומים גמישים וטנדם עם תהליך בטמפרטורה נמוכה בעזרת כסף', Nature Energy (2022); 21 בנובמבר).

אם ניתן לאסוף גם אור שמש ישיר וגם השתקפותו (דרך הצד האחורי של תא סולארי), הדבר אמור להגדיל את תפוקת האנרגיה שהתא מייצר. יישומים פוטנציאליים הם, למשל, פוטו-וולטאים משולבים בבניין (BIPVs), חקלאות - שימוש בו-זמני בשטחי קרקע לייצור חשמל פוטו-וולטאיים וגם לחקלאות - ומודולים סולאריים מותקנים אנכית או גבוהה על קרקע בגובה רב. על פי מפת הדרכים הטכנולוגית הבינלאומית של פוטו-וולטאים, תאים סולאריים דו-פנים יכולים לתפוס נתח שוק של 70% משוק הפוטו-וולטאים הכולל עד 2030.

למרות שתאים סולאריים דו-פנים המבוססים על פרוסות סיליקון כבר נמצאים בשוק, תאים סולאריים בעלי סרט דק פיגרו עד כה מאחור. זה נובע, לפחות בחלקו, מהיעילות הנמוכה למדי של תאים סולריים דו-צדדיים של סרט דק מסוג CIGS, הנגרמת מבעיית צוואר בקבוק קריטית: כדי שכל תא סולארי דו-צדדי יוכל לאסוף אור שמש מוחזר בצד האחורי, מכשיר שקוף אופטית מגע חשמלי הוא תנאי מוקדם. זה מושג על ידי שימוש בתחמוצת מוליכה שקופה (TCO) המחליפה את המגע האחורי האטום בתאים סולאריים קונבנציונליים – כלומר חד-פנים – העשויים ממוליבדן.

היווצרות תחמוצת מזיקה

תאים סולאריים CIGS בעלי יעילות גבוהה מיוצרים בדרך כלל בתהליך שקיעה בטמפרטורה גבוהה, כלומר מעל 550 מעלות צלזיוס. עם זאת, בטמפרטורות אלו מתרחשת תגובה כימית בין הגאליום (של שכבת ה-CIGS) לבין החמצן של המגע האחורי של תחמוצת מוליך שקוף. שכבת הממשק של תחמוצת הגליום המתקבלת חוסמת את זרימת הזרם הנוצר לאור השמש ובכך מפחיתה את יעילות המרת האנרגיה של התא. הערכים הגבוהים ביותר שהושגו עד כה בתא בודד הם 9.0% עבור הצד הקדמי ו-7.1% עבור הצד האחורי. "זה באמת קשה להשיג יעילות המרת אנרגיה טובה עבור תאים סולאריים עם מגעים מוליכים שקופים קדמיים ואחוריים", אומר Ayodhya N. Tiwari, המוביל את מעבדת הסרטים הדקים והפוטו-וולטאיים של Empa.

תאים סולאריים דו-פנים של CIGS מורכבים משכבות דקות מאוד, רק 3 מיקרומטר בסך הכל עבור החומרים הפעילים. השכבה הפוליקריסטלית CIGS מונחת על גבי מגע חשמלי שקוף, סופגת את האור הן מהצד הקדמי והן מאחור. (באדיבות EMPA.)

תמונה: תאים סולאריים דו-פנים של CIGS מורכבים משכבות דקות מאוד, רק 3 מיקרומטר בסך הכל עבור החומרים הפעילים. השכבה הפוליקריסטלית CIGS מונחת על גבי מגע חשמלי שקוף, סופגת את האור הן מהצד הקדמי והן מאחור. (באדיבות EMPA.)

אז, סטודנט לדוקטורט Shih-Chi Yang בקבוצתו של רומיין קארון במעבדה של Tiwari פיתח תהליך שקיעה חדש בטמפרטורה נמוכה שאמור לייצר הרבה פחות מתחמוצת גליום המזיקה - באופן אידיאלי אף אחד בכלל. הם השתמשו בכמות זעירה של כסף כדי להוריד את נקודת ההיתוך של סגסוגת CIGS ולהשיג שכבות סופגות עם תכונות אלקטרוניות טובות בטמפרטורת השקיעה של 350 מעלות צלזיוס בלבד. כאשר הם ניתחו את המבנה הרב-שכבתי עם מיקרוסקופ אלקטרונים העברה ברזולוציה גבוהה (TEM), בעזרתו של הפוסט-דוקטורט לשעבר של טיווארי, Tzu-Ying Lin (כיום באוניברסיטת National Tsing Hua בטייוואן), הצוות לא הצליח לזהות תחמוצת גליום בשעה הממשק בכלל.

מיקוד לתפוקת אנרגיה של יותר מ-33%

זה בא לידי ביטוי גם ביעילות המרת אנרגיה משופרת באופן דרסטי: התא הניב ערכים של 19.8% עבור תאורה קדמית ו-10.9% עבור תאורה אחורית שאושרה באופן עצמאי על ידי מכון Fraunhofer for Energy Solar Systems (ISE) בפרייבורג, גרמניה - ב אותו תא ממש על מצע זכוכית.

הצוות גם הצליח לייצר, לראשונה, תא סולארי CIGS דו-פנים על מצע פולימרי גמיש, אשר - בשל משקלם הקל והגמישות - מרחיב את קשת היישומים הפוטנציאליים.

לבסוף, החוקרים שילבו שתי טכנולוגיות פוטו-וולטאיות - CIGS ותאים סולריים פרוסקיט - כדי לייצר תא טנדם דו-צדדי.

לדברי Tiwari, לטכנולוגיית CIGS דו-פנים יש פוטנציאל להניב יעילות המרת אנרגיה מעבר ל-33%, מה שפותח הזדמנויות נוספות עבור תאים סולאריים בעלי סרט דק בעתיד. Tiwari מנסה כעת לבסס מאמץ שיתופי עם מעבדות מפתח וחברות ברחבי אירופה כדי לזרז את הפיתוח הטכנולוגי ואת יכולת הייצור התעשייתית שלה בקנה מידה גדול יותר.

תגיות: אמפה CIGS גמיש

בקרו באתר: www.nature.com/articles/

בקרו באתר: www.empa.ch