Empa Achieves Record Efficiencies Of 19.8% For Front Illumination And 10.9% For Rear Illumination In Bifacial CIGS Solar Cell

Återutgiven av Platon

anhängare: 0

16 December 2022

Bifacial tunnfilmssolceller baserade på kopparindiumgalliumdiselenid (CIGS) kan samla solenergi från både framsidan och baksidan – och därmed potentiellt ge mer solel än sina konventionella motsvarigheter. Hittills har deras tillverkning dock lett till endast blygsamma energiomvandlingseffektiviteter. Ett team vid Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology (Empa) har nu utvecklat en ny lågtemperaturproduktionsprocess som resulterar i rekordeffektiviteter på 19.8 % för frontbelysning och 10.9 % för bakbelysning. Dessutom producerade de också den första bifaciala perovskite-CIGS tandemsolcellen, vilket öppnade möjligheten för ännu högre energiutbyte i framtiden (SC Yang et al, 'Efficiency boost of bifacial Cu(In,Ga)Se2 tunnfilmssolceller för flexibla och tandemapplikationer med silverassisterad lågtemperaturprocess", Nature Energy (2022); 21 november).

Om både direkt solljus och dess reflektion (via baksidan av en solcell) kan samlas in bör detta öka utbytet av energi som cellen producerar. Potentiella applikationer är till exempel byggnadsintegrerad solcellsanläggning (BIPV), agrovoltaik – samtidigt användande av markområden för både solcellskraftproduktion och jordbruk – och vertikalt eller höglutat installerade solcellsmoduler på hög höjd mark. Enligt International Technology Roadmap of Photovoltaics skulle bifacial solceller kunna ta en marknadsandel på 70 % av den totala solcellsmarknaden år 2030.

Även om bifaciala solceller baserade på kiselwafers redan finns på marknaden, har tunnfilmssolceller hittills släpat efter. Detta beror, åtminstone delvis, på den ganska låga effektiviteten hos bifacial CIGS tunnfilmssolceller, orsakad av ett kritiskt flaskhalsproblem: För att varje bifacial solcell ska kunna samla reflekterat solljus på baksidan, en optiskt transparent elektrisk kontakt är en förutsättning. Detta uppnås genom att använda en transparent konduktiv oxid (TCO) som ersätter den ogenomskinliga ryggkontakten i konventionella – dvs monofaciala – solceller gjorda av molybden.

Skadlig oxidbildning

Högeffektiva CIGS-solceller produceras i allmänhet genom en högtemperaturdeponeringsprocess, dvs över 550°C. Vid dessa temperaturer inträffar emellertid en kemisk reaktion mellan galliumet (i CIGS-skiktet) och syret i den genomskinliga ledande oxidens bakre kontakt. Det resulterande gränsskiktet av galliumoxid blockerar flödet av solljusgenererad ström och minskar således cellens energiomvandlingseffektivitet. De högsta värdena som uppnåtts hittills i en enskild cell är 9.0 % för framsidan och 7.1 % för baksidan. "Det är verkligen svårt att ha en bra energiomvandlingseffektivitet för solceller med både främre och bakre transparenta ledande kontakter", säger Ayodhya N. Tiwari, som leder Empas tunnfilms- och fotovoltaiklaboratorium.

Bifacial CIGS solceller består av mycket tunna lager, endast 3µm totalt för de aktiva materialen. Avsatt ovanpå en transparent elektrisk kontakt absorberar CIGS polykristallina skikt ljuset från både fram- och baksidan. (Med tillstånd av EMPA.)

Bild: Bifacial CIGS solceller består av mycket tunna lager, endast 3µm totalt för de aktiva materialen. Avsatt ovanpå en transparent elektrisk kontakt absorberar CIGS polykristallina skikt ljuset från både fram- och baksidan. (Med tillstånd av EMPA.)

Så doktorand Shih-Chi Yang i gruppen Romain Carron i Tiwaris labb utvecklade en ny lågtemperaturdeponeringsprocess som borde producera mycket mindre av den skadliga galliumoxiden – helst ingen alls. De använde en liten mängd silver för att sänka smältpunkten för CIGS-legeringen och för att erhålla absorberande lager med goda elektroniska egenskaper vid bara 350°C avsättningstemperatur. När de analyserade flerskiktsstrukturen med högupplöst transmissionselektronmikroskopi (TEM), med hjälp av Tiwaris tidigare postdoc Tzu-Ying Lin (för närvarande vid National Tsing Hua University i Taiwan), kunde teamet inte upptäcka någon galliumoxid vid gränssnittet överhuvudtaget.

Målet är en energiutbyte på mer än 33 %

Detta återspeglades också av en drastiskt förbättrad energiomvandlingseffektivitet: cellen gav värden på 19.8 % för frontbelysning och 10.9 % för bakbelysning som hade certifierats oberoende av Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (ISE) i Freiburg, Tyskland – i samma cell på ett glassubstrat.

Teamet lyckades också tillverka, för allra första gången, en bifacial CIGS-solcell på ett flexibelt polymersubstrat, som – på grund av sin låga vikt och flexibilitet – breddar spektrumet av potentiella applikationer.

Slutligen kombinerade forskarna två fotovoltaiska tekniker – CIGS och perovskite solceller – för att producera en bifacial tandemcell.

Enligt Tiwari har bifacial CIGS-teknologi potential att ge energiomvandlingseffektivitet över 33 %, vilket öppnar upp ytterligare möjligheter för tunnfilmssolceller i framtiden. Tiwari försöker nu etablera ett samarbete med nyckellabb och företag över hela Europa för att påskynda teknikutvecklingen och dess industriella tillverkningsbarhet i större skala.

Taggar: Empa Flexibla CIGS

Besök: www.nature.com/articles/

Besök: www.empa.ch