Empa atinge eficiência recorde de 19.8% para iluminação frontal e 10.9% para iluminação traseira em célula solar CIGS bifacial

Republicado por Platão

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16 de Dezembro de 2022

Células solares bifaciais de película fina baseadas em disseleneto de cobre, índio e gálio (CIGS) podem coletar energia solar de ambos os lados frontal e traseiro - e, portanto, potencialmente produzir mais eletricidade solar do que suas contrapartes convencionais. Até agora, no entanto, sua fabricação levou a eficiências de conversão de energia apenas modestas. Uma equipe dos Laboratórios Federais Suíços para Ciência e Tecnologia de Materiais (Empa) desenvolveu agora um novo processo de produção de baixa temperatura, resultando em eficiência recorde de 19.8% para iluminação frontal e 10.9% para iluminação traseira. Além disso, eles também produziram a primeira célula solar tandem bifacial de perovskita-CIGS, abrindo a possibilidade de rendimentos de energia ainda maiores no futuro (SC Yang et al, 'Efficiency boost of bifacial Cu(In,Ga)Se2 células solares de filme fino para aplicações flexíveis e tandem com processo de baixa temperatura assistido por prata', Nature Energy (2022); 21 de novembro).

Se tanto a luz solar direta quanto seu reflexo (através da parte traseira de uma célula solar) puderem ser coletados, isso deve aumentar o rendimento de energia que a célula produz. As aplicações potenciais são, por exemplo, fotovoltaica integrada em edifícios (BIPVs), agrovoltaica – o uso simultâneo de áreas de terra para geração de energia fotovoltaica e agricultura – e módulos solares instalados verticalmente ou em alta inclinação em terrenos de alta altitude. De acordo com o International Technology Roadmap of Photovoltaics, as células solares bifaciais podem capturar uma participação de mercado de 70% do mercado fotovoltaico geral até 2030.

Embora as células solares bifaciais baseadas em pastilhas de silício já estejam no mercado, as células solares de filme fino ficaram para trás. Isso se deve, pelo menos em parte, à eficiência bastante baixa das células solares bifaciais de filme fino CIGS, causada por um problema crítico de gargalo: para que qualquer célula solar bifacial seja capaz de coletar a luz do sol refletida na parte traseira, uma tela oticamente transparente contato elétrico é um pré-requisito. Isso é obtido usando um óxido condutivo transparente (TCO) que substitui o contato traseiro opaco em células solares convencionais – ou seja, monofaciais – feitas de molibdênio.

Formação de óxido prejudicial

Células solares CIGS de alta eficiência são geralmente produzidas por um processo de deposição de alta temperatura, ou seja, acima de 550°C. Nessas temperaturas, no entanto, ocorre uma reação química entre o gálio (da camada CIGS) e o oxigênio do contato traseiro transparente do óxido condutor. A camada de interface de óxido de gálio resultante bloqueia o fluxo de corrente gerada pela luz solar e, assim, reduz a eficiência de conversão de energia da célula. Os valores mais altos alcançados até agora em uma única célula são 9.0% para a parte frontal e 7.1% para a parte traseira. “É realmente difícil ter uma boa eficiência de conversão de energia para células solares com contatos condutores transparentes dianteiros e traseiros”, diz Ayodhya N. Tiwari, que lidera o laboratório de filmes finos e fotovoltaicos da Empa.

As células solares CIGS bifaciais consistem em camadas muito finas, apenas 3µm no total para os materiais ativos. Depositada sobre um contato elétrico transparente, a camada policristalina CIGS absorve a luz tanto da frente quanto de trás. (Cortesia da EMPA.)

Imagem: Células solares CIGS bifaciais consistem em camadas muito finas, apenas 3µm no total para os materiais ativos. Depositada sobre um contato elétrico transparente, a camada policristalina CIGS absorve a luz tanto da frente quanto de trás. (Cortesia da EMPA.)

Assim, o estudante de doutorado Shih-Chi Yang no grupo de Romain Carron no laboratório de Tiwari desenvolveu um novo processo de deposição de baixa temperatura que deve produzir muito menos óxido de gálio prejudicial - idealmente nenhum. Eles usaram uma pequena quantidade de prata para diminuir o ponto de fusão da liga CIGS e obter camadas absorventes com boas propriedades eletrônicas a apenas 350°C de temperatura de deposição. Quando eles analisaram a estrutura multicamada com microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução (TEM), com a ajuda do ex-pós-doutorado de Tiwari, Tzu-Ying Lin (atualmente na Universidade Nacional Tsing Hua em Taiwan), a equipe não conseguiu detectar nenhum óxido de gálio em a interface em tudo.

Visando um rendimento energético de mais de 33%

Isso também se refletiu em uma eficiência de conversão de energia drasticamente aprimorada: a célula rendeu valores de 19.8% para iluminação frontal e 10.9% para iluminação traseira que foram certificados independentemente pelo Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (ISE) em Freiburg, Alemanha – em a mesma célula em um substrato de vidro.

A equipe também conseguiu fabricar, pela primeira vez, uma célula solar CIGS bifacial em um substrato de polímero flexível, que – devido ao seu peso leve e flexibilidade – amplia o espectro de aplicações potenciais.

Finalmente, os pesquisadores combinaram duas tecnologias fotovoltaicas – CIGS e células solares de perovskita – para produzir uma célula tandem bifacial.

De acordo com Tiwari, a tecnologia CIGS bifacial tem potencial para produzir eficiências de conversão de energia acima de 33%, abrindo novas oportunidades para células solares de película fina no futuro. A Tiwari está agora tentando estabelecer um esforço colaborativo com os principais laboratórios e empresas em toda a Europa para acelerar o desenvolvimento da tecnologia e sua capacidade de fabricação industrial em maior escala.

Tags: Empa CIGS flexíveis

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