Empa достигает рекордной эффективности 19,8% для передней подсветки и 10,9% для задней подсветки в двустороннем солнечном элементе CIGS.

16 декабря 2022 г.

Двусторонние тонкопленочные солнечные элементы на основе диселенида меди, индия, галлия (CIGS) могут собирать солнечную энергию как с передней, так и с задней стороны, и, таким образом, потенциально могут производить больше солнечной электроэнергии, чем их обычные аналоги. Однако до сих пор их производство приводило лишь к скромной эффективности преобразования энергии. Команда Швейцарских федеральных лабораторий материаловедения и технологии (Empa) разработала новый низкотемпературный производственный процесс, обеспечивающий рекордную эффективность 19,8% для фронтального освещения и 10,9% для заднего освещения. Кроме того, они также произвели первый двусторонний тандемный солнечный элемент из перовскита и CIGS, что открыло возможность еще более высокого выхода энергии в будущем (SC Yang et al., ‘Efficiency boost of bifacial Cu(In,Ga)Se2 тонкопленочные солнечные элементы для гибких и тандемных приложений с низкотемпературным процессом с использованием серебра», Nature Energy (2022); 21 ноября).

Если можно собрать как прямой солнечный свет, так и его отражение (через заднюю сторону солнечного элемента), это должно увеличить выход энергии, которую производит элемент. Потенциальными областями применения являются, например, фотоэлектрические системы, интегрированные в здания (BIPV), агроэнергетика — одновременное использование участков земли как для производства фотоэлектрической энергии, так и для сельского хозяйства, — а также вертикально или с большим наклоном устанавливаемые солнечные модули на высокогорье. Согласно Международной технологической дорожной карте фотоэлектрических систем, к 2030 году двусторонние солнечные элементы могут занять 70% всего рынка фотоэлектрических систем.

Хотя двусторонние солнечные элементы на основе кремниевых пластин уже представлены на рынке, тонкопленочные солнечные элементы пока отстают. Это, по крайней мере частично, связано с довольно низкой эффективностью двусторонних тонкопленочных солнечных элементов CIGS, вызванной критической проблемой узкого места: для того, чтобы любой двусторонний солнечный элемент мог собирать отраженный солнечный свет на задней стороне, оптически прозрачный Электрический контакт является обязательным условием. Это достигается за счет использования прозрачного проводящего оксида (TCO), который заменяет непрозрачный задний контакт в обычных, то есть односторонних, солнечных элементах из молибдена.

Вредное образование оксидов

Высокоэффективные солнечные элементы CIGS обычно изготавливаются с помощью высокотемпературного процесса осаждения, т.е. выше 550°C. Однако при этих температурах происходит химическая реакция между галлием (слоя CIGS) и кислородом прозрачного тыльного контакта из проводящего оксида. Образовавшийся в результате интерфейсный слой из оксида галлия блокирует поток генерируемого солнечным светом тока и, таким образом, снижает эффективность преобразования энергии в ячейке. Самые высокие значения, достигнутые до сих пор в одной ячейке, составляют 9,0% для передней стороны и 7,1% для задней стороны. «Действительно сложно добиться хорошей эффективности преобразования энергии для солнечных элементов с прозрачными передними и задними проводящими контактами», — говорит Айодхья Н. Тивари, руководитель лаборатории тонких пленок и фотогальваники Empa.

Итак, аспирант Ши-Чи Янг в группе Ромена Каррона в лаборатории Тивари разработал новый процесс низкотемпературного осаждения, который должен производить гораздо меньше вредного оксида галлия, а в идеале вообще не производить. Они использовали небольшое количество серебра, чтобы снизить температуру плавления сплава CIGS и получить поглощающие слои с хорошими электронными свойствами при температуре осаждения всего 350°C. Когда они проанализировали многослойную структуру с помощью просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения (ПЭМ) с помощью бывшего постдока Тивари Цзы-Ин Линя (в настоящее время в Национальном университете Цин Хуа на Тайване), команда не смогла обнаружить оксид галлия в интерфейс вообще.

Нацеленность на выход энергии более 33%

Это также нашло отражение в значительно улучшенной эффективности преобразования энергии: ячейка показала значения 19,8% для передней подсветки и 10,9% для задней подсветки, которые были независимо сертифицированы Институтом систем солнечной энергии Фраунгофера (ISE) во Фрайбурге, Германия – в та самая ячейка на стеклянной подложке.

Команде также удалось впервые изготовить двусторонний солнечный элемент CIGS на гибкой полимерной подложке, который благодаря легкому весу и гибкости расширяет спектр потенциальных применений.

Наконец, исследователи объединили две фотоэлектрические технологии — CIGS и перовскитные солнечные элементы — для создания двустороннего тандемного элемента.

По словам Тивари, двусторонняя технология CIGS может обеспечить эффективность преобразования энергии более 33%, открывая дополнительные возможности для тонкопленочных солнечных элементов в будущем. В настоящее время Tiwari пытается наладить совместные усилия с ключевыми лабораториями и компаниями по всей Европе, чтобы ускорить разработку технологии и ее промышленное производство в более широком масштабе.

Эмпа Гибкая CIGS

www.nature.com/articles/

www.empa.ch