Empa досягає рекордної ефективності 19.8% для переднього освітлення та 10.9% для заднього освітлення в двосторонніх сонячних елементах CIGS

Empa досягає рекордної ефективності 19.8% для переднього освітлення та 10.9% для заднього освітлення в двосторонніх сонячних елементах CIGS

Мітка часу: 16 грудня 2022 р., 5:58
Вихідний вузол: 1786845

Новини: Фотоелектрика

16 грудня 2022

Двосторонні тонкоплівкові сонячні батареї на основі диселеніду міді-індій-галію (CIGS) можуть збирати сонячну енергію як з передньої, так і з задньої сторони – і таким чином потенційно виробляють більше сонячної електроенергії, ніж їхні звичайні аналоги. Однак поки що їх виготовлення призвело до лише скромної ефективності перетворення енергії. Команда Швейцарської федеральної лабораторії матеріалознавства та технології (Empa) розробила новий низькотемпературний виробничий процес, що забезпечує рекордну ефективність 19.8% для переднього освітлення та 10.9% для заднього освітлення. Крім того, вони також виготовили першу двосторонню сонячну батарею з перовскітом і CIGS, що відкриває можливість ще більшого виходу енергії в майбутньому (SC Yang та інші, «Підвищення ефективності двостороннього Cu(In,Ga)Se2 тонкоплівкові сонячні батареї для гнучких і тандемних застосувань із низькотемпературним процесом із застосуванням срібла», Nature Energy (2022); 21 листопада).

Якщо можна зібрати як пряме сонячне світло, так і його відбиття (через задню частину сонячної батареї), це має збільшити вихід енергії, яку виробляє клітина. Потенційними застосуваннями є, наприклад, інтегрована в будівлі фотоелектрична система (BIPVs), агровольтаїка – одночасне використання ділянок землі як для виробництва фотоелектричної енергії, так і для сільського господарства – і сонячні модулі, встановлені вертикально або під великим нахилом на землі на великій висоті. Згідно з Міжнародною технологічною дорожньою картою фотоелектричної енергії, до 70 року двосторонні сонячні батареї можуть захопити 2030% ринку фотоелектричної енергії.

Хоча двосторонні сонячні батареї на основі кремнієвих пластин вже є на ринку, тонкоплівкові сонячні батареї поки що відстають. Це, принаймні частково, через досить низьку ефективність двосторонніх тонкоплівкових сонячних елементів CIGS, спричинену критичною проблемою вузького місця: щоб будь-який двосторонній сонячний елемент міг збирати відбите сонячне світло на задній стороні, оптично прозорий електричний контакт є необхідною умовою. Це досягається за допомогою використання прозорого провідного оксиду (TCO), який замінює непрозорий зворотний контакт у звичайних – тобто однолицевих – сонячних елементах, виготовлених із молібдену.

Шкідливе утворення оксиду

Високоефективні сонячні батареї CIGS зазвичай виготовляються шляхом високотемпературного процесу осадження, тобто вище 550°C. Однак при цих температурах відбувається хімічна реакція між галієм (шару CIGS) і киснем зворотного контакту прозорого провідного оксиду. Отриманий інтерфейсний шар оксиду галію блокує потік струму, що генерується сонячним світлом, і таким чином знижує ефективність перетворення енергії клітини. Найвищі значення, досягнуті на даний момент в одній комірці, становлять 9.0% для передньої сторони та 7.1% для тильної сторони. «Дійсно важко досягти хорошої ефективності перетворення енергії для сонячних елементів із переднім і заднім прозорими провідними контактами», — говорить Айодхя Н. Тіварі, який очолює лабораторію тонкоплівкової та фотоелектричної енергії Empa.

Двосторонні сонячні елементи CIGS складаються з дуже тонких шарів, лише 3 мкм для активних матеріалів. Нанесений поверх прозорого електричного контакту полікристалічний шар CIGS поглинає світло як з передньої, так і з задньої сторін. (З дозволу EMPA.)

Малюнок: двосторонні сонячні елементи CIGS складаються з дуже тонких шарів, лише 3 мкм для активних матеріалів. Нанесений поверх прозорого електричного контакту полікристалічний шар CIGS поглинає світло як з передньої, так і з задньої сторін. (З дозволу EMPA.)

Таким чином, аспірант Ші-Чі Янг у групі Ромена Каррона в лабораторії Тіварі розробив новий процес низькотемпературного осадження, який має виробляти набагато менше шкідливого оксиду галію – в ідеалі взагалі не мати його. Вони використали невелику кількість срібла, щоб знизити температуру плавлення сплаву CIGS і отримати шари поглинача з хорошими електронними властивостями при температурі осадження лише 350°C. Коли вони проаналізували багатошарову структуру за допомогою просвічуючої електронної мікроскопії (ТЕМ) з високою роздільною здатністю за допомогою колишнього постдока Тіварі Цзу-Ін Ліна (наразі в Національному університеті Цін Хуа на Тайвані), команда не змогла виявити жодного оксиду галію на інтерфейс взагалі.

Орієнтація на вихід енергії понад 33%

Це також знайшло відображення в суттєво покращеній ефективності перетворення енергії: осередок показав значення 19.8% для переднього освітлення та 10.9% для заднього освітлення, що було незалежно сертифіковано Інститутом систем сонячної енергії Фраунгофера (ISE) у Фрайбурзі, Німеччина – у та сама клітина на скляній підкладці.

Групі також вдалося вперше виготовити двосторонній сонячний елемент CIGS на гнучкій полімерній підкладці, який завдяки своїй легкій вазі та гнучкості розширює спектр потенційних застосувань.

Нарешті, дослідники об’єднали дві фотоелектричні технології – CIGS і перовскітні сонячні елементи – для створення двосторонньої тандемної клітини.

За словами Тіварі, двостороння технологія CIGS має потенціал для підвищення ефективності перетворення енергії понад 33%, що відкриває додаткові можливості для тонкоплівкових сонячних елементів у майбутньому. Зараз Tiwari намагається налагодити спільні зусилля з ключовими лабораторіями та компаніями по всій Європі, щоб пришвидшити розвиток технології та її промислову виробничість у більших масштабах.

Ключові слова: Емпа Гнучка CIGS

Відвідайте: www.nature.com/articles/

Відвідайте: www.empa.ch

Часова мітка:

Більше від Напівпровідник сьогодні