Тонкопленочные фотоэлементы CIGS (селенид меди-индия-галлия, англ. Copper indium gallium selenide) могут быть высокоэффективными. Об этом свидетельствуют исследования различных институтов. По данным Центра исследований солнечной энергии и водорода Баден-Вюртемберга (ZSW), тонкопленочные фотоэлементы CIGS в настоящее время уже имеют эффективность более 23%.
Однако группа исследователей из ZSW, Университета Мартина Лютера Галле-Виттенберг (MLU) и Центра Гельмгольца в Берлине (HZB) недавно определила важный момент, который позволяет улучшить производительность тонкопленочных фотоэлементов еще больше. Результаты исследований опубликованы в журнале Nature Communications. В ней ученые дают советы производителям тонкопленочных фотоэлементов CIGS, как можно достичь еще более высокого уровня эффективности.
Их неиспользованный потенциал составляет как минимум еще 10%, чтобы достичь максимальной теоретической эффективности около 33%. Несоответствие вызвано механизмами потерь в фотоэлементах, которые происходят как на функциональных слоях, так и на самых разнообразных интерфейсах. Где именно и почему, до сих пор было предметом неоднозначных дискуссий.
Теперь ученые смогли определить то место, где происходят потери. «Частично потери происходят на границах между отдельными CIGS-кристаллами фотоэлемента». На этих так называемых границах между участками макромолекул, из которых определенная часть также является электрически активной, положительные и отрицательные электрические заряды могут нейтрализовать друг друга», — говорит руководитель проекта Вольфрам Витте из ZSW. «Тем самым мощность фотоэлемента снижается».
Исследователи смогли определить такой механизм потерь, сочетая экспериментальные методы измерения с компьютерным моделированием. Чтобы ввести наиболее реалистичные значения в двумерное моделирование компонентов, HZB проанализировал высокоэффективный фотоэлемент CIGS с использованием различных методов электронной микроскопии и оптоэлектронных методов измерения, таких как фотолюминесценция. Фотоэлемент CIGS был изготовлен ZSW с использованием процесса совместного испарения. Исследователи нанесли на подложку медь, индий, галлий и селен одновременно в вакууме. Эффективность фотоэлемента составила 21% без дополнительного противоотражающего слоя.
Проведенное затем компьютерное моделирование показало, что повышенная рекомбинация на электрически активных границах между участками макромолекул в слое CIGS представляет собой значительный механизм потерь. «Для дальнейшего повышения эффективности тонкопленочных фотоэлементов и солнечных батарей CIGS в будущем плотность электрически активных границ между участками макромолекул должна быть снижена, а слои CIGS следует производить с более крупными макромолекулами», — сказал Витте. Этого можно достичь технически путем использования дополнительных присадок в слое CIGS. Дополнительными вариантами являются адаптация материала подложки или оптимизация температурного баланса в процессе нанесения покрытия. Для солнечной промышленности это может стать многообещающей отправной точкой для дальнейшего повышения эффективности солнечных батарей CIGS.
Полученные данные также являются одним из нескольких частичных результатов совместного проекта EFFCIS, финансируемого BMWi, который завершился в 2020 году примерно через три с половиной года.
Источник: https://www.solarserver.de/2020/10/08/photovoltaik-hoehere-wirkungsgrade-bei-cigs-zellen-moeglich/