Tills nyligen har kopparbaserade solceller uppnått en maximal energiomvandlingseffektivitet på 23,35 %, vilket rapporterades 2019 av Solar Frontier, ett före detta solenergiföretag baserat i Japan. Att ytterligare öka denna effektivitet har dock hittills visat sig vara en utmaning.
Forskare vid Uppsala universitet och vid First Solar European Technology Center AB (tidigare Evolar AB) i Sverige uppnådde nyligen en högre verkningsgrad på 23,64 % i kolaskopisbaserade solceller. Denna effektivitet, rapporterad i Nature Energy , uppnåddes med hjälp av två primära tekniker, nämligen högkoncentrations silverlegering och brant bakkontakt galliumgradering.
"Ett primärt syfte med vår studie var att öka effektiviteten hos CIGS-baserade tunnfilmssolceller för att i slutändan sänka priset per Watt-topp för motsvarande storskaliga moduler," sa Jan Keller, första författare till tidningen, till Phys. org. "Vårt arbete använder sig av resultaten från många forskargrupper runt om i världen, som erhållits under de senaste decennierna."
En tidigare forskningsinsats som inspirerade denna artikel var den framgångsrika silverlegeringen med kopparindiumgalliumselenid, som först demonstrerades av en forskargrupp i Japan för ungefär två decennier sedan. Dessutom hämtade forskarna inspiration från forskning som går tillbaka till 10 år sedan, som visade de fördelaktiga effekterna av att implementera tunga alkalier i absorberande material.
"Förutom att vi bygger på cirka 40 år av internationell forskning om kolsyrade solceller, kombinerade vi fyra olika tillvägagångssätt för att förbättra prestandan," förklarade Keller. "Särskilt tillsatte vi en relativt hög koncentration av silver till absorbatorn, implementerade en "hockeyklubba"-liknande Gallium-djupprofil, skräddarsydda en RbF-efterdeponeringsbehandling till absorbatorns sammansättning och utsatte absorbatorn för utökad belysning."
Genom att kombinera dessa design- och tillverkningsstrategier kan Keller och hans kollegor förbättra mikrostrukturen hos CIGS, minska tätheten av defekter och mildra fluktuationer i bandgap. Dessutom kunde de passivera absorbatorns yta i sin solcell och öka dopingdensiteten.
I de första testerna uppnådde deras rekordstora CIGS-solcell en hög extern strålningseffektivitet på 1,6 %, vilket resulterade i ett relativt lågt underskott i tomgångsspänning. Anmärkningsvärt är att enheten uppnådde den högsta effektiviteten som rapporterats i CIGS-baserade solceller hittills och dess prestanda var externt certifierad av det oberoende institutet Fraunhofer ISE (Tyskland).
"Vi kunde öka den tidigare rekordeffektiviteten för CIGS-baserade solceller från 23,35% (Solar Frontier, 2019, Japan) till 23,64% (externt certifierade), vilket är en avsevärd förbättring," sa Keller. "För den externa certifieringen en skuggmask (A=0,9 cm 2 ) måste användas. Utan skuggmasken mätte vi till och med en effektivitet på 23,75 % i våra labb (A=1,03 cm 2 )."
Det senaste arbetet av detta team av forskare introducerar en lovande produktionsprocess för att uppnå högre effektivitet i kopparbaserade solceller. Dessa fynd skulle kunna tjäna som grund för den fortsatta utvecklingen av dessa solceller, vilket potentiellt kan bidra till deras storskaliga utbyggnad.
I sin artikel skisserar Keller och hans kollegor en uppsättning möjliga strategier för att öka prestandan hos kopparbaserade solceller, med målet att nå mer än 25 % effektivitet. Den enklaste av dessa strategier innebär att mildra parasitabsorptionsförluster, vilket kan uppnås på olika sätt.
"I slutändan måste defektdensiteten hos absorbatorns bulk minskas. Medan CIGS-PV är mer stabil än nuvarande rekordeffektiva perovskitanordningar, lider den av betydligt högre icke-strålningsrekombinationsförluster. Sålunda kommer framtida forskning att koncentreras på sandwiching. en ännu bättre kopparfilm mellan ännu mer genomskinliga elektroder," tillade Keller.
"En nyligen genomförd studie av EMPA (Schweiz) visade en hög potential för bifacial applikationer, vilket kräver utbyte av Mo-bakkontakten med ett transparent ledande oxidskikt."
Mer information: Jan Keller et al, Högkoncentrationssilverlegering och brant bakkontakt galliumgradering som möjliggör kopparindiumgalliumselenidsolcell med 23,6 % verkningsgrad, Nature Energy (2024). DOI:10.1038/s41560-024-01472-3
Journalinformation: Naturenergi
© 2024 Science X Network
