Empa behaalt een recordrendement van 19.8% voor verlichting aan de voorzijde en 10.9% voor verlichting aan de achterzijde in bifaciale CIGS-zonnecel

Heruitgegeven door Plato

volgers: 0

16 december 2022

Bifaciale dunne-film zonnecellen op basis van koper-indium-galliumdiselenide (CIGS) kunnen zowel aan de voorzijde als aan de achterzijde zonne-energie opvangen – en dus potentieel meer zonne-energie opwekken dan hun conventionele tegenhangers. Tot nu toe heeft hun fabricage echter geleid tot slechts bescheiden energieomzettingsrendementen. Een team van de Zwitserse federale laboratoria voor materiaalwetenschap en -technologie (Empa) heeft nu een nieuw productieproces bij lage temperatuur ontwikkeld, wat resulteert in recordrendementen van 19.8% voor verlichting aan de voorzijde en 10.9% aan verlichting aan de achterzijde. Bovendien produceerden ze ook de eerste bifaciale perovskiet-CIGS-tandemzonnecel, waardoor de mogelijkheid van nog hogere energieopbrengsten in de toekomst werd geopend (SC Yang et al, 'Efficiency boost of bifacial Cu(In,Ga)Se2 dunnefilmzonnecellen voor flexibele en tandemtoepassingen met zilverondersteund lagetemperatuurproces', Nature Energy (2022); 21 november).

Als zowel direct zonlicht als de reflectie ervan (via de achterkant van een zonnecel) kan worden opgevangen, zou dat de energieopbrengst van de cel moeten verhogen. Mogelijke toepassingen zijn bijvoorbeeld gebouwgeïntegreerde fotovoltaïsche zonne-energie (BIPV's), agrivoltaïsche energie - het gelijktijdige gebruik van landoppervlakken voor zowel fotovoltaïsche energieopwekking als landbouw - en verticaal of hoog gekantelde zonnemodules op grote hoogte. Volgens de International Technology Roadmap of Photovoltaics zouden bifaciale zonnecellen tegen 70 een marktaandeel van 2030% van de totale fotovoltaïsche markt kunnen veroveren.

Hoewel bifaciale zonnecellen op basis van siliciumwafers al op de markt zijn, blijven dunnefilmzonnecellen tot dusver achter. Dit is, in ieder geval gedeeltelijk, te wijten aan het vrij lage rendement van bifaciale CIGS-dunne-filmzonnecellen, veroorzaakt door een kritiek knelpuntprobleem: om ervoor te zorgen dat een bifaciale zonnecel gereflecteerd zonlicht aan de achterkant kan opvangen, moet een optisch transparante elektrisch contact is een vereiste. Dit wordt bereikt door gebruik te maken van een transparant geleidend oxide (TCO) dat het ondoorzichtige rugcontact vervangt in conventionele – dwz mono-faciale – zonnecellen gemaakt van molybdeen.

Schadelijke oxidevorming

Zeer efficiënte CIGS-zonnecellen worden over het algemeen geproduceerd door middel van een depositieproces bij hoge temperatuur, dwz boven 550°C. Bij deze temperaturen vindt er echter een chemische reactie plaats tussen het gallium (van de CIGS-laag) en de zuurstof van het transparante geleidende oxide-achtercontact. De resulterende galliumoxide-interfacelaag blokkeert de stroom van door zonlicht gegenereerde stroom en vermindert zo de energieomzettingsefficiëntie van de cel. De hoogste waarden die tot nu toe zijn behaald in een enkele cel zijn 9.0% voor de voorzijde en 7.1% voor de achterzijde. "Het is echt moeilijk om een goede energieconversie-efficiëntie te hebben voor zonnecellen met zowel voor- als achtertransparante geleidende contacten", zegt Ayodhya N. Tiwari, die Empa's Thin Film and Photovoltaics lab leidt.

Bifaciale CIGS-zonnecellen bestaan uit zeer dunne lagen, slechts 3 µm in totaal voor de actieve materialen. Bovenop een transparant elektrisch contact geplaatst, absorbeert de polykristallijne CIGS-laag het licht van zowel de voor- als achterkant. (Met dank aan EMPA.)

Afbeelding: Bifaciale CIGS-zonnecellen bestaan uit zeer dunne lagen, in totaal slechts 3 µm voor de actieve materialen. Bovenop een transparant elektrisch contact geplaatst, absorbeert de polykristallijne CIGS-laag het licht van zowel de voor- als achterkant. (Met dank aan EMPA.)

Daarom ontwikkelde promovendus Shih-Chi Yang in de groep van Romain Carron in het laboratorium van Tiwari een nieuw depositieproces bij lage temperatuur dat veel minder van het schadelijke galliumoxide zou moeten produceren – idealiter helemaal geen. Ze gebruikten een kleine hoeveelheid zilver om het smeltpunt van de CIGS-legering te verlagen en absorberende lagen te verkrijgen met goede elektronische eigenschappen bij slechts 350 °C depositietemperatuur. Toen ze de meerlaagse structuur analyseerden met transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) met hoge resolutie, met de hulp van Tiwari's voormalige postdoc Tzu-Ying Lin (momenteel aan de National Tsing Hua University in Taiwan), kon het team geen galliumoxide detecteren bij de interface helemaal niet.

Streven naar een energierendement van meer dan 33%

Dit kwam ook tot uiting in een drastisch verbeterde energieconversie-efficiëntie: de cel leverde waarden op van 19.8% voor verlichting aan de voorzijde en 10.9% voor verlichting aan de achterzijde, die onafhankelijk waren gecertificeerd door het Fraunhofer Instituut voor Zonne-energiesystemen (ISE) in Freiburg, Duitsland – in dezelfde cel op een glassubstraat.

Het team slaagde er ook in om voor de allereerste keer een bifaciale CIGS-zonnecel op een flexibel polymeersubstraat te fabriceren, die – vanwege hun lichte gewicht en flexibiliteit – het spectrum van mogelijke toepassingen verbreedt.

Ten slotte combineerden de onderzoekers twee fotovoltaïsche technologieën - CIGS en perovskiet-zonnecellen - om een bifaciale tandemcel te produceren.

Volgens Tiwari heeft bifaciale CIGS-technologie het potentieel om energieconversie-efficiënties van meer dan 33% op te leveren, waardoor er in de toekomst meer mogelijkheden ontstaan voor dunne-film zonnecellen. Tiwari probeert nu een samenwerkingsverband aan te gaan met belangrijke laboratoria en bedrijven in heel Europa om de technologische ontwikkeling en de industriële maakbaarheid ervan op grotere schaal te versnellen.

Tags: Empa Flexibele CIGS

Bezoek: www.nature.com/articles/

Bezoek: www.empa.ch