Empa dosega rekordno učinkovitost 19.8 % za sprednjo osvetlitev in 10.9 % za zadnjo osvetlitev v bifacialni sončni celici CIGS

Ponovno objavil Platon

Spremljevalci: 0

16 december 2022

Dvostranske tankoplastne sončne celice, ki temeljijo na bakrovem indijevo-galijevem diselenidu (CIGS), lahko zbirajo sončno energijo tako s sprednje kot zadnje strani – in tako potencialno proizvedejo več sončne energije kot njihovi običajni primerki. Doslej pa je njihova izdelava vodila do skromne učinkovitosti pretvorbe energije. Skupina švicarskih zveznih laboratorijev za znanost in tehnologijo materialov (Empa) je zdaj razvila nov nizkotemperaturni proizvodni proces, ki ima za posledico rekordno učinkovitost 19.8 % za sprednjo osvetlitev in 10.9 % za zadnjo osvetlitev. Poleg tega so izdelali tudi prvo bifacialno perovskit-CIGS tandemsko sončno celico, kar je odprlo možnost še višjih izkoristkov energije v prihodnosti (SC Yang et al, 'Efficiency boost of bifacial Cu(In,Ga)Se2 tankoslojne sončne celice za prilagodljive in tandemske aplikacije z nizkotemperaturnim procesom s pomočjo srebra', Nature Energy (2022); 21. november).

Če je mogoče zbrati tako neposredno sončno svetlobo kot tudi njen odboj (prek zadnje strani sončne celice), bi to moralo povečati izkoristek energije, ki jo celica proizvede. Potencialne uporabe so na primer vgrajena fotovoltaika (BIPV), agrivoltaika – hkratna uporaba zemljišč za proizvodnjo fotovoltaične energije in kmetijstvo – ter navpično ali visoko nagibno nameščeni solarni moduli na tleh na visoki nadmorski višini. V skladu z mednarodnim tehnološkim načrtom fotovoltaike bi lahko bifacialne sončne celice do leta 70 dosegle 2030-odstotni tržni delež celotnega fotovoltaičnega trga.

Čeprav so bifacialne sončne celice na osnovi silicijevih rezin že na trgu, so tankoplastne sončne celice doslej zaostajale. To je vsaj deloma posledica precej nizke učinkovitosti bifacialnih tankoslojnih sončnih celic CIGS, ki jo povzroča kritičen problem ozkega grla: da lahko katera koli dvofazna sončna celica zbira odbito sončno svetlobo na zadnji strani, je potrebna optično prozorna električni kontakt je predpogoj. To dosežemo z uporabo transparentnega prevodnega oksida (TCO), ki nadomešča neprozoren zadnji kontakt v običajnih – tj. monofacialnih – sončnih celicah iz molibdena.

Škodljiva tvorba oksida

Visoko učinkovite sončne celice CIGS so običajno proizvedene s postopkom nanašanja pri visoki temperaturi, tj. nad 550 °C. Pri teh temperaturah pa pride do kemične reakcije med galijem (sloja CIGS) in kisikom prosojnega prevodnega oksidnega povratnega stika. Nastali vmesni sloj galijevega oksida blokira pretok toka, ki ga ustvarja sončna svetloba, in tako zmanjša učinkovitost pretvorbe energije v celici. Najvišje dosežene vrednosti v posamezni celici so 9.0 % za sprednjo stran in 7.1 % za zadnjo stran. »Res je težko doseči dobro učinkovitost pretvorbe energije za sončne celice s sprednjimi in zadnjimi prozornimi prevodnimi kontakti,« pravi Ayodhya N. Tiwari, ki vodi Empajev laboratorij za tanke filme in fotovoltaiko.

Bifacialne sončne celice CIGS so sestavljene iz zelo tankih plasti, le 3 µm za aktivne materiale. Polikristalna plast CIGS, nameščena na vrhu prozornega električnega kontakta, absorbira svetlobo s sprednje in zadnje strani. (Z dovoljenjem EMPA.)

Slika: Bifacialne sončne celice CIGS so sestavljene iz zelo tankih plasti, le 3 µm za aktivne materiale. Polikristalna plast CIGS, nameščena na vrhu prozornega električnega kontakta, absorbira svetlobo s sprednje in zadnje strani. (Z dovoljenjem EMPA.)

Tako je doktorski študent Shih-Chi Yang v skupini Romaina Carrona v Tiwarijevem laboratoriju razvil nov postopek nanašanja pri nizkih temperaturah, ki bi moral proizvesti veliko manj škodljivega galijevega oksida – v idealnem primeru sploh nič. Uporabili so majhno količino srebra, da so znižali tališče zlitine CIGS in pridobili absorberske plasti z dobrimi elektronskimi lastnostmi pri samo 350 °C temperaturi nanašanja. Ko so analizirali večplastno strukturo s transmisijsko elektronsko mikroskopijo z visoko ločljivostjo (TEM) s pomočjo Tiwarijevega nekdanjega podoktorskega študija Tzu-Ying Lin (trenutno na nacionalni univerzi Tsing Hua v Tajvanu), ekipa ni mogla zaznati nobenega galijevega oksida na vmesnik sploh.

Ciljanje na izkoristek energije več kot 33 %

To se odraža tudi v drastično izboljšani učinkovitosti pretvorbe energije: celica je dosegla vrednosti 19.8 % za sprednjo osvetlitev in 10.9 % za zadnjo osvetlitev, kar je neodvisno potrdil Fraunhoferjev inštitut za sisteme sončne energije (ISE) v Freiburgu v Nemčiji – leta ista celica na stekleni podlagi.

Ekipi je tudi prvič uspelo izdelati bifacialno sončno celico CIGS na fleksibilnem polimernem substratu, ki – zaradi svoje majhne teže in fleksibilnosti – širi spekter potencialnih aplikacij.

Končno so raziskovalci združili dve fotonapetostni tehnologiji – CIGS in perovskitne sončne celice – za izdelavo bifacialne tandemske celice.

Tiwari trdi, da ima dvostranska tehnologija CIGS potencial za povečanje učinkovitosti pretvorbe energije nad 33 %, kar odpira dodatne priložnosti za tankoplastne sončne celice v prihodnosti. Tiwari zdaj poskuša vzpostaviti sodelovanje s ključnimi laboratoriji in podjetji po vsej Evropi, da bi pospešil razvoj tehnologije in njeno industrijsko izdelljivost v večjem obsegu.

Tags: empa Fleksibilni CIGS

Obiščite: www.nature.com/articles/

Obiščite: www.empa.ch