Empa osiąga rekordową wydajność 19.8% dla oświetlenia przedniego i 10.9% dla oświetlenia tylnego w dwustronnym ogniwie słonecznym CIGS

Opublikowane ponownie przez Plato

Obserwuje: 0

16 grudnia 2022

Dwustronne cienkowarstwowe ogniwa słoneczne oparte na diselenku miedziowo-indowo-galowym (CIGS) mogą zbierać energię słoneczną zarówno z przedniej, jak i tylnej strony, a tym samym potencjalnie wytwarzać więcej energii słonecznej niż ich konwencjonalne odpowiedniki. Jak dotąd jednak ich produkcja doprowadziła do jedynie niewielkiej wydajności konwersji energii. Zespół Szwajcarskich Federalnych Laboratoriów Nauki o Materiałach i Technologii (Empa) opracował nowy proces produkcji w niskich temperaturach, który zapewnia rekordową wydajność 19.8% w przypadku oświetlenia przedniego i 10.9% w przypadku oświetlenia tylnego. Co więcej, wyprodukowali również pierwsze dwustronne tandemowe ogniwo słoneczne perowskit-CIGS, otwierając możliwość jeszcze wyższych uzysków energii w przyszłości (SC Yang i in., „Efficiency boost of bifacial Cu(In,Ga)Se2 cienkowarstwowe ogniwa słoneczne do zastosowań elastycznych i tandemowych z niskotemperaturowym procesem wspomaganym srebrem”, Nature Energy (2022); 21 listopada).

Jeśli można zebrać zarówno bezpośrednie światło słoneczne, jak i jego odbicie (przez tylną stronę ogniwa słonecznego), powinno to zwiększyć wydajność energii wytwarzanej przez ogniwo. Potencjalne zastosowania to na przykład fotowoltaika zintegrowana z budynkiem (BIPV), rolnictwo – jednoczesne wykorzystanie obszarów gruntów zarówno do wytwarzania energii fotowoltaicznej, jak i rolnictwa – oraz moduły fotowoltaiczne instalowane pionowo lub pod dużym kątem na dużych wysokościach. Zgodnie z International Technology Roadmap of Photovoltaics, dwustronne ogniwa fotowoltaiczne mogą do 70 r. zdobyć udział w rynku wynoszący 2030% całego rynku fotowoltaiki.

Chociaż dwustronne ogniwa słoneczne oparte na płytkach krzemowych są już dostępne na rynku, cienkowarstwowe ogniwa słoneczne jak dotąd pozostają w tyle. Jest to, przynajmniej częściowo, spowodowane raczej niską wydajnością dwustronnych cienkowarstwowych ogniw słonecznych CIGS, spowodowaną krytycznym problemem wąskiego gardła: aby każde dwustronne ogniwo słoneczne mogło zbierać odbite światło słoneczne z tyłu, optycznie przezroczysta kontakt elektryczny jest warunkiem wstępnym. Osiąga się to za pomocą przezroczystego tlenku przewodzącego (TCO), który zastępuje nieprzezroczysty styk tylny w konwencjonalnych – tj. jednofazowych – ogniwach słonecznych wykonanych z molibdenu.

Tworzenie szkodliwych tlenków

Wysokowydajne ogniwa słoneczne CIGS są zazwyczaj wytwarzane w procesie osadzania w wysokiej temperaturze, tj. powyżej 550°C. Jednak w tych temperaturach zachodzi reakcja chemiczna między galem (warstwy CIGS) a tlenem przezroczystego przewodzącego styku tylnego tlenku. Powstała warstwa pośrednia z tlenku galu blokuje przepływ prądu generowanego przez światło słoneczne, a tym samym zmniejsza wydajność konwersji energii w ogniwie. Najwyższe wartości osiągnięte do tej pory w pojedynczej komórce to 9.0% dla strony przedniej i 7.1% dla strony tylnej. „Naprawdę trudno jest uzyskać dobrą wydajność konwersji energii dla ogniw słonecznych z przezroczystymi stykami przewodzącymi zarówno z przodu, jak iz tyłu”, mówi Ayodhya N. Tiwari, który kieruje laboratorium cienkich warstw i fotowoltaiki Empa.

Dwustronne ogniwa słoneczne CIGS składają się z bardzo cienkich warstw, łącznie zaledwie 3 µm dla materiałów aktywnych. Umieszczona na wierzchu przezroczystego styku elektrycznego warstwa polikrystaliczna CIGS pochłania światło zarówno z przodu, jak iz tyłu. (Dzięki uprzejmości EMPA.)

Zdjęcie: Dwustronne ogniwa słoneczne CIGS składają się z bardzo cienkich warstw, łącznie tylko 3 µm dla materiałów aktywnych. Umieszczona na wierzchu przezroczystego styku elektrycznego warstwa polikrystaliczna CIGS pochłania światło zarówno z przodu, jak iz tyłu. (Dzięki uprzejmości EMPA.)

Tak więc doktorant Shih-Chi Yang w grupie Romain Carron w laboratorium Tiwari opracował nowy proces osadzania w niskiej temperaturze, który powinien wytwarzać znacznie mniej szkodliwego tlenku galu - najlepiej wcale. Użyli niewielkiej ilości srebra, aby obniżyć temperaturę topnienia stopu CIGS i uzyskać warstwy absorbera o dobrych właściwościach elektronicznych w temperaturze osadzania zaledwie 350°C. Kiedy przeanalizowali wielowarstwową strukturę za pomocą transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM) o wysokiej rozdzielczości, z pomocą byłego doktora Tiwari, Tzu-Ying Lin (obecnie na National Tsing Hua University na Tajwanie), zespół nie był w stanie wykryć żadnego tlenku galu w interfejs w ogóle.

Ukierunkowanie na uzysk energii powyżej 33%

Znalazło to również odzwierciedlenie w radykalnej poprawie wydajności konwersji energii: ogniwo uzyskało wartości 19.8% dla oświetlenia przedniego i 10.9% dla oświetlenia tylnego, które zostały niezależnie certyfikowane przez Instytut Systemów Energii Słonecznej Fraunhofera (ISE) we Freiburgu w Niemczech – w ta sama komórka na szklanym podłożu.

Zespołowi udało się również po raz pierwszy wyprodukować dwustronne ogniwo słoneczne CIGS na elastycznym podłożu polimerowym, które – dzięki swojej lekkości i elastyczności – poszerza spektrum potencjalnych zastosowań.

Na koniec naukowcy połączyli dwie technologie fotowoltaiczne – CIGS i perowskitowe ogniwa słoneczne – w celu wytworzenia dwustronnego ogniwa tandemowego.

Według Tiwari, dwustronna technologia CIGS może zapewnić wydajność konwersji energii przekraczającą 33%, otwierając dalsze możliwości dla cienkowarstwowych ogniw słonecznych w przyszłości. Tiwari próbuje teraz nawiązać współpracę z kluczowymi laboratoriami i firmami w całej Europie, aby przyspieszyć rozwój technologii i jej przemysłową produkcję na większą skalę.

tagi: Empa Elastyczne CIGS

Odwiedź: www.nature.com/artykuły/

Odwiedź: www.empa.ch