Tot voor kort behaalden zonnecellen op basis van chalcopyriet een maximale energieconversie-efficiëntie van 23,35%, zoals in 2019 gerapporteerd door Solar Frontier, een voormalig zonne-energiebedrijf gevestigd in Japan. Het verder opvoeren van deze efficiëntie is tot nu toe echter een uitdaging gebleken.

Onderzoekers van de Universiteit van Uppsala en van het First Solar European Technology Center AB (voorheen Evolar AB) in Zweden bereikten onlangs een hoger rendement van 23,64% in op chalcopyriet gebaseerde zonnecellen. Deze efficiëntie, gerapporteerd in Nature Energy , werd bereikt met behulp van twee primaire technieken, namelijk zilverlegeringen met een hoge concentratie en steile galliumgradatie met back-contact.

"Een primair doel van ons onderzoek was het verhogen van de efficiëntie van CIGS-gebaseerde dunnefilmzonnecellen om uiteindelijk de prijs per Watt-piek van overeenkomstige grootschalige modules te verlagen", vertelde Jan Keller, eerste auteur van het artikel, aan Phys. org. "Ons werk maakt gebruik van de bevindingen van vele onderzoeksgroepen over de hele wereld, verkregen in de afgelopen decennia."

Een eerdere onderzoeksinspanning die de inspiratie vormde voor dit artikel was de succesvolle zilverlegering met koper-indium-gallium-selenide, die ongeveer twintig jaar geleden voor het eerst werd gedemonstreerd door een onderzoeksgroep in Japan. Bovendien lieten de onderzoekers zich inspireren door onderzoek van tien jaar geleden, waarin de gunstige effecten werden aangetoond van de toepassing van zware alkalische stoffen in absorbeermaterialen.

"Naast het voortbouwen op ongeveer 40 jaar internationaal onderzoek naar chalcopyrietzonnecellen, hebben we vier verschillende benaderingen gecombineerd om de prestaties te verbeteren", legt Keller uit. "We hebben specifiek een relatief hoge concentratie zilver aan de absorber toegevoegd, een 'hockeystick'-achtig Gallium-diepteprofiel geïmplementeerd, een RbF-post-depositiebehandeling afgestemd op de samenstelling van de absorber en de absorber onderworpen aan langdurige verlichting." P>

Door deze ontwerp- en fabricagestrategieën te combineren, konden Keller en zijn collega's de microstructuur van CIGS verbeteren, de dichtheid van defecten verminderen en fluctuaties in de bandafstand verzachten. Bovendien zouden ze het oppervlak van de absorber in hun zonnecel kunnen passiveren en de doteringsdichtheid kunnen verhogen.

Bij de eerste tests behaalde hun record-CIGS-zonnecel een hoog extern stralingsrendement van 1,6%, wat resulteerde in een relatief laag nullastspanningstekort. Het apparaat bereikte met name de hoogste efficiëntie die tot nu toe is gerapporteerd in CIGS-gebaseerde zonnecellen, en de prestaties zijn extern gecertificeerd door het onafhankelijke instituut Fraunhofer ISE (Duitsland).

"We waren in staat om de vorige recordefficiëntie van CIGS-gebaseerde zonnecellen te verhogen van 23,35% (Solar Frontier, 2019, Japan) naar 23,64% (extern gecertificeerd), wat een aanzienlijke verbetering is", aldus Keller. "Voor de externe certificering een schaduwmasker (A=0,9 cm ² ) moest worden gebruikt. Zonder het schaduwmasker hebben we in onze laboratoria zelfs een efficiëntie van 23,75% gemeten (A=1,03 cm ² )."

Het recente werk van dit team van onderzoekers introduceert een veelbelovend productieproces voor het bereiken van hogere efficiëntie in op chalcopyriet gebaseerde zonnecellen. Deze bevindingen zouden kunnen dienen als basis voor de verdere ontwikkeling van deze zonnecellen, en mogelijk bijdragen aan hun grootschalige inzet.

In hun artikel schetsen Keller en zijn collega's een reeks mogelijke strategieën om de prestaties van op chalcopyriet gebaseerde zonnecellen te verbeteren, met als doel een efficiëntie van meer dan 25% te bereiken. De meest eenvoudige van deze strategieën omvat het beperken van parasitaire absorptieverliezen, wat op verschillende manieren kan worden bereikt.

"Uiteindelijk moet de defectdichtheid van de absorbermassa worden verminderd. Hoewel CIGS-PV stabieler is dan de huidige recordefficiënte perovskietapparaten, lijdt het aan aanzienlijk hogere niet-stralingsrecombinatieverliezen. Toekomstig onderzoek zal zich dus concentreren op sandwiching een nog betere chalcopyrietfilm tussen nog transparantere elektroden", voegde Keller toe.

"Een recent onderzoek door EMPA (Zwitserland) heeft een groot potentieel aangetoond voor bifaciale toepassingen, waarbij het Mo-rugcontact moet worden vervangen door een transparante geleidende oxidelaag."

Meer informatie: Jan Keller et al, Hooggeconcentreerde zilverlegeringen en galliumgradatie met steil achtercontact maken koper-indium-gallium-selenide-zonnecellen mogelijk met een efficiëntie van 23,6%, Nature Energy (2024). DOI:10.1038/s41560-024-01472-3

Journaalinformatie: Natuurenergie

© 2024 Science X Netwerk