Empa oppnår rekordeffektivitet på 19.8 % for frontbelysning og 10.9 % for bakbelysning i bifacial CIGS solcelle

Publisert av Platon

Følgere: 0

16 desember 2022

Bifacial tynnfilmsolceller basert på kobberindiumgalliumdiselenid (CIGS) kan samle solenergi fra både forsiden og baksiden - og dermed potensielt gi mer solenergi enn deres konvensjonelle motparter. Så langt har fabrikasjonen deres ført til bare beskjedne energikonverteringseffektiviteter. Et team ved Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology (Empa) har nå utviklet en ny lavtemperaturproduksjonsprosess som resulterer i rekordeffektivitet på 19.8 % for frontbelysning og 10.9 % for bakbelysning. Dessuten produserte de også den første bifasiale perovskitt-CIGS tandemsolcellen, noe som åpnet for muligheten for enda høyere energiutbytte i fremtiden (SC Yang et al, 'Effektivitetsøkning av bifacial Cu(In,Ga)Se2 tynnfilmsolceller for fleksible og tandemapplikasjoner med sølvassistert lavtemperaturprosess', Nature Energy (2022); 21. november).

Hvis både direkte sollys så vel som refleksjon (via baksiden av en solcelle) kan samles, bør dette øke utbyttet av energi som cellen produserer. Potensielle bruksområder er for eksempel bygningsintegrerte solcelleanlegg (BIPVs), agrivoltaics – samtidig bruk av landområder for både solcellekraftproduksjon og landbruk – og vertikalt eller høytilt installerte solcellemoduler på stor høyde. I følge International Technology Roadmap of Photovoltaics kan bifacial solceller ta en markedsandel på 70 % av det totale solcellemarkedet innen 2030.

Selv om bifacial solceller basert på silisiumskiver allerede er på markedet, har tynnfilmsolceller så langt ligget etter. Dette er, i det minste delvis, på grunn av den ganske lave effektiviteten til bifacial CIGS tynnfilm solceller, forårsaket av et kritisk flaskehalsproblem: For at enhver bifacial solcelle skal kunne samle reflektert sollys på baksiden, en optisk transparent elektrisk kontakt er en forutsetning. Dette oppnås ved å bruke et transparent ledende oksid (TCO) som erstatter den ugjennomsiktige ryggkontakten i konvensjonelle – dvs. mono-ansikts – solceller laget av molybden.

Skadelig oksiddannelse

Høyeffektive CIGS-solceller produseres vanligvis ved en høytemperaturavsetningsprosess, dvs. over 550°C. Ved disse temperaturene skjer det imidlertid en kjemisk reaksjon mellom galliumet (i CIGS-laget) og oksygenet til den gjennomsiktige ledende oksid-bakkontakten. Det resulterende grensesnittlaget for galliumoksid blokkerer strømmen av sollysgenerert strøm og reduserer dermed energikonverteringseffektiviteten til cellen. De høyeste verdiene som er oppnådd så langt i en enkelt celle er 9.0 % for forsiden og 7.1 % for baksiden. "Det er veldig vanskelig å ha en god energikonverteringseffektivitet for solceller med både fremre og bakre gjennomsiktige ledende kontakter," sier Ayodhya N. Tiwari, som leder Empas Thin Film and Photovoltaics-laboratorium.

Bifacial CIGS solceller består av svært tynne lag, kun 3µm totalt for de aktive materialene. Avsatt på toppen av en gjennomsiktig elektrisk kontakt, absorberer det polykrystallinske laget CIGS lyset fra både for- og baksiden. (Med tillatelse fra EMPA.)

Bilde: Bifacial CIGS solceller består av svært tynne lag, kun 3µm totalt for de aktive materialene. Avsatt på toppen av en gjennomsiktig elektrisk kontakt, absorberer det polykrystallinske laget CIGS lyset fra både for- og baksiden. (Med tillatelse fra EMPA.)

Så PhD-student Shih-Chi Yang i gruppen til Romain Carron i Tiwaris laboratorium utviklet en ny lavtemperaturavsetningsprosess som skulle produsere mye mindre av det skadelige galliumoksidet – ideelt sett ingen i det hele tatt. De brukte en liten mengde sølv for å senke smeltepunktet til CIGS-legeringen og for å oppnå absorberende lag med gode elektroniske egenskaper ved bare 350°C avsetningstemperatur. Da de analyserte flerlagsstrukturen med høyoppløselig transmisjonselektronmikroskopi (TEM), med hjelp av Tiwaris tidligere postdoktor Tzu-Ying Lin (for tiden ved National Tsing Hua University i Taiwan), kunne ikke teamet oppdage noe galliumoksid ved grensesnittet i det hele tatt.

Målet er et energiutbytte på mer enn 33 %

Dette ble også reflektert av en drastisk forbedret energikonverteringseffektivitet: Cellen ga verdier på 19.8 % for frontbelysning og 10.9 % for bakbelysning som var uavhengig sertifisert av Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (ISE) i Freiburg, Tyskland – i den samme cellen på et glassunderlag.

Teamet lyktes også i å lage, for aller første gang, en bifacial CIGS-solcelle på et fleksibelt polymersubstrat, som – på grunn av deres lette vekt og fleksibilitet – utvider spekteret av potensielle bruksområder.

Til slutt kombinerte forskerne to fotovoltaiske teknologier - CIGS og perovskittsolceller - for å produsere en bifacial tandemcelle.

I følge Tiwari har bifacial CIGS-teknologi potensial til å gi energikonverteringseffektivitet utover 33 %, noe som åpner for ytterligere muligheter for tynnfilmsolceller i fremtiden. Tiwari prøver nå å etablere et samarbeid med nøkkellaboratorier og selskaper over hele Europa for å fremskynde teknologiutviklingen og dens industrielle produksjonsevne i større skala.

Tags: Empa Fleksible CIGS

Besøk: www.nature.com/articles/

Besøk: www.empa.ch