Dwustronne cienkowarstwowe ogniwa słoneczne oparte na diselenku miedziowo-indowo-galowym (CIGS) w niskotemperaturowym procesie produkcji, opracowanym przez naukowców ze Szwajcarskich Federalnych Laboratoriów Nauki o Materiałach i Technologii (Empa), mogą pracować dwustronnie zapewniając rekordową wydajność 19,8% w przypadku oświetlenia przedniego i 10,9% w przypadku oświetlenia tylnego. Naukowcy z Empa wyprodukowali pierwsze dwustronne tandemowe ogniwo słoneczne perowskit/CIGS, otwierając możliwość jeszcze wyższych uzysków energii w przyszłości.
Potencjalne zastosowania bifacjalnych ogniw CIGS, to fotowoltaika zintegrowana z budynkami, agrowoltaika, moduły fotowoltaiczne instalowane pionowo lub pod dużym kątem na terenach położonych na dużych wysokościach. Według International Technology Roadmap of Photovoltaics, dwustronne ogniwa fotowoltaiczne mogą do 2030 r. zdobyć udział wynoszący 70% w całym rynku fotowoltaiki.
Chociaż dwustronne ogniwa słoneczne oparte na płytkach krzemowych są powszechnie dostępne na rynku, to technologia dwustronnych ogniw cienkowarstwowych jest słabo rozwinięta. Przynajmniej częściowo, powodem jest raczej niska wydajnością dwustronnych cienkowarstwowych ogniw słonecznych CIGS. Aby każde dwustronne ogniwo mogło zbierać odbite światło słoneczne z tyłu, optycznie musi być odpowiednio przezroczyste. I tu zaczynają się problemy: wysokowydajne ogniwa słoneczne CIGS są zazwyczaj wytwarzane w procesie osadzania w wysokiej temperaturze, tj. powyżej 550 °C. W tych temperaturach zachodzi jednak reakcja chemiczna między galem (warstwy CIGS) a tlenem przezroczystego styku tylnego. Powstająca w ten sposób warstwa pośrednia z tlenku galu, blokuje przepływ prądu generowanego przez światło słoneczne. Tym samym zmniejsza wydajność konwersji energii w ogniwie.
Najwyższe wartości konwersji osiągane do tej pory w pojedynczej komórce to 9,0% dla strony przedniej i 7,1% dla strony tylnej. – Naprawdę trudno jest uzyskać dobrą wydajność konwersji energii dla ogniw słonecznych z przezroczystymi stykami przewodzącymi zarówno z przodu, jak i z tyłu – mówi Ayodhya N. Tiwari, który kieruje laboratorium cienkowarstwowej fotowoltaiki Empa.
Doktorant Shih-Chi Yang w grupie Romain Carron w laboratorium Tiwari opracował nowy proces osadzania w niskiej temperaturze, który wytwarza śladowe ilości blokującego tlenku galu. Aby obniżyć temperaturę topnienia stopu CIGS i uzyskać warstwy absorbera o dobrych właściwościach elektronicznych w temperaturze osadzania zaledwie 353 °C, użyto niewielkiej ilości srebra. Po przeanalizowaniu wielowarstwowej struktury tak otrzymanego CIGS za pomocą transmisyjnej mikroskopii elektronowej o wysokiej rozdzielczości (TEM), na granicy faz nie wykryto tlenku galu. Znalazło to odzwierciedlenie w radykalnie poprawionej wydajności konwersji energii. Ogniwo uzyskało wartości konwersji 19,8% dla oświetlenia przedniego i 10,9% dla oświetlenia tylnego, potwierdzone przez Instytut Fraunhofera ds. Systemów Energii Słonecznej (ISE).
Zespołowi udało się również po raz pierwszy wyprodukować dwustronne ogniwo słoneczne CIGS na elastycznym podłożu polimerowym. Dzięki swojej lekkości i elastyczności, poszerza spektrum potencjalnych zastosowań. I wreszcie, naukowcy połączyli dwie technologie fotowoltaiczne: CIGS i perowskitowe ogniwa słoneczne, tworząc dwustronne ogniwa tandemowe perowskit/CIGS. Dwustronna technologia CIGS może zapewnić wydajność konwersji energii przekraczającą 33%, otwierając w ten sposób dalsze możliwości dla zastosowań cienkowarstwowych ogniw słonecznych.
Zdjęcie główne: Bifacialne ogniwa słoneczne CIGS składają się z bardzo cienkich warstw, łącznie zaledwie 3 µm dla materiałów aktywnych. Nałożona na przezroczysty styk elektryczny warstwa polikrystaliczna CIGS pochłania światło zarówno z przodu, jak i z tyłu. Obraz: Empa
Źródło: Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology (Empa)
Zaprenumeruj Magazyn Fotowoltaika
