Empa đạt hiệu suất kỷ lục 19.8% đối với chiếu sáng phía trước và 10.9% đối với chiếu sáng phía sau trong pin mặt trời CIGS hai mặt

Được xuất bản lại bởi Plato

Người theo dõi: 0

Ngày 16 tháng 2022 năm

Pin mặt trời màng mỏng hai mặt dựa trên đồng indium gallium diselenide (CIGS) có thể thu năng lượng mặt trời từ cả mặt trước và mặt sau của chúng – và do đó có khả năng tạo ra nhiều điện mặt trời hơn so với các loại pin thông thường. Tuy nhiên, cho đến nay, việc chế tạo chúng chỉ dẫn đến hiệu suất chuyển đổi năng lượng khiêm tốn. Một nhóm tại Phòng thí nghiệm Khoa học và Công nghệ Vật liệu Liên bang Thụy Sĩ (Empa) hiện đã phát triển một quy trình sản xuất mới ở nhiệt độ thấp mang lại hiệu suất kỷ lục 19.8% đối với chiếu sáng phía trước và 10.9% đối với chiếu sáng phía sau. Ngoài ra, họ cũng sản xuất pin mặt trời song song perovskite-CIGS hai mặt đầu tiên, mở ra khả năng sản lượng năng lượng cao hơn nữa trong tương lai (SC Yang và cộng sự, 'Tăng cường hiệu quả của Cu(In,Ga)Se hai mặt2 pin mặt trời màng mỏng cho các ứng dụng linh hoạt và song song với quy trình nhiệt độ thấp có sự hỗ trợ của bạc', Nature Energy (2022); ngày 21 tháng XNUMX).

Nếu có thể thu được cả ánh sáng mặt trời trực tiếp cũng như sự phản xạ của nó (thông qua mặt sau của pin mặt trời), thì điều này sẽ làm tăng sản lượng năng lượng mà tế bào tạo ra. Các ứng dụng tiềm năng là, ví dụ, quang điện tích hợp trong tòa nhà (BIPV), nông điện - việc sử dụng đồng thời các khu vực đất cho cả sản xuất điện quang điện và nông nghiệp - và các mô-đun năng lượng mặt trời được lắp đặt theo chiều dọc hoặc độ nghiêng cao trên mặt đất ở độ cao lớn. Theo Lộ trình công nghệ quang điện quốc tế, pin mặt trời hai chiều có thể chiếm thị phần 70% thị trường quang điện tổng thể vào năm 2030.

Mặc dù pin mặt trời hai mặt dựa trên các tấm silicon đã có mặt trên thị trường, nhưng cho đến nay pin mặt trời màng mỏng vẫn bị tụt lại phía sau. Ít nhất một phần, điều này là do hiệu suất khá thấp của pin mặt trời màng mỏng CIGS hai mặt, gây ra bởi một vấn đề tắc nghẽn nghiêm trọng: Đối với bất kỳ pin mặt trời hai mặt nào có thể thu ánh sáng mặt trời phản xạ ở phía sau, một tấm pin trong suốt về mặt quang học tiếp xúc điện là điều kiện tiên quyết. Điều này đạt được bằng cách sử dụng một oxit dẫn điện trong suốt (TCO) thay thế cho mặt sau mờ đục trong các tế bào năng lượng mặt trời thông thường – tức là một mặt – làm bằng molypden.

Sự hình thành oxit có hại

Pin mặt trời CIGS hiệu suất cao thường được sản xuất bằng quy trình lắng đọng ở nhiệt độ cao, tức là trên 550°C. Tuy nhiên, ở những nhiệt độ này, một phản ứng hóa học xảy ra giữa gali (của lớp CIGS) và oxy của oxit dẫn điện trong suốt tiếp xúc ngược. Lớp giao diện oxit gali thu được sẽ chặn dòng điện do ánh sáng mặt trời tạo ra và do đó làm giảm hiệu quả chuyển đổi năng lượng của tế bào. Các giá trị cao nhất đạt được cho đến nay trong một ô là 9.0% cho mặt trước và 7.1% cho mặt sau. Ayodhya N. Tiwari, người đứng đầu phòng thí nghiệm Màng mỏng và Quang điện của Empa cho biết: “Thực sự rất khó để đạt được hiệu quả chuyển đổi năng lượng tốt cho pin mặt trời có cả tiếp điểm dẫn điện trong suốt phía trước và phía sau.

Pin mặt trời CIGS hai mặt bao gồm các lớp rất mỏng, tổng cộng chỉ 3µm đối với vật liệu hoạt tính. Được đặt trên một tiếp điểm điện trong suốt, lớp đa tinh thể CIGS hấp thụ ánh sáng từ cả hai mặt trước và sau. (Được phép của EMPA.)

Hình ảnh: Pin mặt trời CIGS hai chiều bao gồm các lớp rất mỏng, tổng cộng chỉ 3µm đối với vật liệu hoạt tính. Được đặt trên một tiếp điểm điện trong suốt, lớp đa tinh thể CIGS hấp thụ ánh sáng từ cả hai mặt trước và sau. (Được phép của EMPA.)

Vì vậy, nghiên cứu sinh tiến sĩ Shih-Chi Yang trong nhóm của Romain Carron trong phòng thí nghiệm của Tiwari đã phát triển một quy trình lắng đọng nhiệt độ thấp mới sẽ tạo ra ít oxit gali có hại hơn nhiều – lý tưởng là không có gì cả. Họ đã sử dụng một lượng nhỏ bạc để hạ thấp điểm nóng chảy của hợp kim CIGS và để thu được các lớp hấp thụ có đặc tính điện tử tốt ở nhiệt độ lắng đọng chỉ 350°C. Khi họ phân tích cấu trúc nhiều lớp bằng kính hiển vi điện tử truyền qua có độ phân giải cao (TEM), với sự trợ giúp của cựu tiến sĩ hậu tiến sĩ của Tiwari là Tzu-Ying Lin (hiện đang làm việc tại Đại học Quốc gia Tsing Hua ở Đài Loan), nhóm nghiên cứu không thể phát hiện bất kỳ oxit gali nào ở giao diện cả.

Nhắm mục tiêu năng suất năng lượng hơn 33%

Điều này cũng được phản ánh bởi hiệu quả chuyển đổi năng lượng được cải thiện đáng kể: Tế bào mang lại giá trị 19.8% cho chiếu sáng phía trước và 10.9% cho chiếu sáng phía sau đã được chứng nhận độc lập bởi Viện Hệ thống Năng lượng Mặt trời Fraunhofer (ISE) ở Freiburg, Đức – trong cùng một tế bào trên một đế thủy tinh.

Nhóm nghiên cứu cũng lần đầu tiên thành công trong việc chế tạo pin mặt trời CIGS hai mặt trên chất nền polyme dẻo, nhờ trọng lượng nhẹ và tính linh hoạt của chúng – mở rộng phổ ứng dụng tiềm năng.

Cuối cùng, các nhà nghiên cứu đã kết hợp hai công nghệ quang điện – CIGS và pin mặt trời perovskite – để tạo ra một tế bào song song hai chiều.

Theo Tiwari, công nghệ CIGS hai mặt có tiềm năng mang lại hiệu suất chuyển đổi năng lượng vượt quá 33%, mở ra nhiều cơ hội hơn nữa cho pin mặt trời màng mỏng trong tương lai. Tiwari hiện đang cố gắng thiết lập một nỗ lực hợp tác với các phòng thí nghiệm và công ty quan trọng trên khắp châu Âu để đẩy nhanh quá trình phát triển công nghệ và khả năng sản xuất công nghiệp của nó trên quy mô lớn hơn.

tags: Đế chế CIGS linh hoạt

Truy cập: www.nature.com/articles/

Truy cập: www.empa.ch