Đại học Uppsala là người giữ kỷ lục thế giới mới về sản xuất năng lượng điện từ pin mặt trời indium gallium selenide (CIGS). Kỷ lục thế giới mới là hiệu suất 23,64%. Phép đo được thực hiện bởi một viện độc lập và kết quả được công bố trên tạp chí Nature Energy.
Phân tích kính hiển vi điện tử của cấu trúc thiết bị. Nguồn: Năng lượng thiên nhiên (2024). DOI: 10.1038/s41560-024-01472-3
Kỷ lục này là kết quả của sự hợp tác giữa công ty First Solar European Technology Center (trước đây gọi là Evolar) và các nhà nghiên cứu pin mặt trời tại Đại học Uppsala.
Marika Edoff cho biết: "Các phép đo mà chúng tôi tự thực hiện cho pin mặt trời này và các pin mặt trời khác được sản xuất gần đây nằm trong giới hạn sai số đối với phép đo độc lập. Phép đo đó cũng sẽ được sử dụng để hiệu chuẩn nội bộ các phương pháp đo lường của chúng tôi". Giáo sư Công nghệ Pin Mặt trời tại Đại học Uppsala, người chịu trách nhiệm nghiên cứu.
Kỷ lục thế giới trước đó là 23,35% (Solar Frontier, Nhật Bản), trước đó là 22,9% (ZSW, Đức). Đại học Uppsala đã từng giữ kỷ lục này trước đó, lần đầu tiên là vào những năm 1990 trong chương trình hợp tác nghiên cứu Euro-CIS.
"Có thời điểm, chúng tôi còn giữ kỷ lục về nguyên mẫu kết nối nối tiếp. Mặc dù đã khá lâu kể từ khi chúng tôi giữ kỷ lục di động nhưng chúng tôi thường chỉ xếp sau những kết quả tốt nhất và tất nhiên, có rất nhiều kết quả liên quan." các khía cạnh cần xem xét, chẳng hạn như tiềm năng mở rộng quy trình quy mô lớn, nơi chúng tôi luôn đi đầu," Edoff nói.
Theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), pin mặt trời đang gia tăng nhanh chóng trên toàn thế giới và năng lượng mặt trời chỉ chiếm hơn 6% điện năng trên toàn cầu vào năm 2022. Các mô-đun năng lượng mặt trời tốt nhất được làm từ silicon tinh thể, vật liệu được sử dụng rộng rãi nhất trong pin mặt trời, hiện chuyển đổi hơn 22% ánh sáng mặt trời thành năng lượng điện và pin mặt trời hiện đại vừa có chi phí thấp vừa ổn định trong thời gian dài.
Một mục tiêu trong nghiên cứu pin mặt trời là đạt được hiệu suất trên 30% với chi phí sản xuất hợp lý. Người ta thường tập trung vào pin mặt trời song song vì chúng hiệu quả hơn, nhưng cho đến nay, chúng quá đắt để sử dụng trên quy mô lớn.
Kỷ lục thế giới 23,64% đã được đo lường bởi viện độc lập Fraunhofer ISE ở Đức. Bài báo mang tính học thuật trình bày một phân tích kỹ lưỡng về vật liệu và điện của pin mặt trời cũng như so sánh với các hồ sơ trước đây về cùng loại pin mặt trời của các tổ chức nghiên cứu khác.
Đặc tính quan trọng nhất của pin mặt trời là khả năng hấp thụ ánh sáng và khả năng truyền năng lượng đến tải điện. Để thành công, vật liệu phải có khả năng hấp thụ một phần ánh sáng mặt trời tối ưu đồng thời tránh lãng phí năng lượng này bằng cách chuyển nó thành nhiệt trong pin mặt trời.
Mặt cắt ngang của các lớp hoạt động trong pin mặt trời màng mỏng, có tổng độ dày không quá 3 micromet. Sử dụng nano-XRF được đo tại cơ sở MAX IV ở Lund, có thể đo nồng độ của cả nguyên tố nền và nguyên tố vi lượng (trong trường hợp này là rubidium) trong pin mặt trời với độ chính xác cao. Tín dụng: Marika Edoff
Pin mặt trời CIGS bao gồm một tấm kính làm bằng kính cửa sổ thông thường được phủ nhiều lớp khác nhau, mỗi lớp có một nhiệm vụ cụ thể. Vật liệu hấp thụ ánh sáng mặt trời bao gồm đồng, indium, gali và selenide (do đó có tên viết tắt là CIGS), có bổ sung thêm bạc và natri.
Lớp này được đặt trong pin mặt trời thực tế giữa phần tiếp xúc phía sau của molypden kim loại và phần tiếp xúc trong suốt phía trước. Để làm cho pin mặt trời có hiệu quả cao nhất trong việc tách các electron, lớp CIGS được xử lý bằng rubidium fluoride. Sự cân bằng giữa hai kim loại kiềm, natri và rubidium, cũng như thành phần của lớp CIGS là chìa khóa cho hiệu suất chuyển đổi, tức là phần quang phổ mặt trời hoàn chỉnh được chuyển đổi thành năng lượng điện trong pin mặt trời.
Khi các viện đo lường tiến hành thử nghiệm, họ đo hiệu suất của pin mặt trời bằng cách sử dụng ánh sáng được lọc mô phỏng mặt trời cả về cường độ và quang phổ. Trong quá trình đo, pin mặt trời được giữ ở nhiệt độ được kiểm soát và các viện độc lập thường xuyên gửi pin mặt trời hiệu chuẩn cho nhau. Để được đăng ký làm kỷ lục thế giới, cần phải có một phép đo độc lập, trong trường hợp này được thực hiện bởi viện đo lường Fraunhofer ISE.
Edoff cho biết: “Nghiên cứu của chúng tôi chứng minh rằng công nghệ màng mỏng CIGS là một giải pháp thay thế cạnh tranh như pin mặt trời độc lập. Công nghệ này cũng có các đặc tính có thể hoạt động trong các bối cảnh khác, chẳng hạn như pin dưới cùng của pin mặt trời song song”.
Một số phương pháp đo tiên tiến đã được sử dụng để hiểu rõ hơn mối tương quan giữa hiệu suất và cấu trúc pin mặt trời: vật liệu từ pin mặt trời được đặc trưng bởi nano-XRF (quang phổ huỳnh quang tia X) tại cơ sở MAX IV ở Lund, nơi một phân tích thành phần cẩn thận đã được thực hiện.
Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ở độ phân giải cao đã được sử dụng để nghiên cứu các mặt cắt ngang của pin mặt trời, cả thành phần như hàm số của độ sâu và cách các hạt tinh thể được hình thành, cũng như các bề mặt tiếp xúc giữa các lớp. Sử dụng phương pháp quang phát quang, quang phổ của ánh sáng phát ra từ pin mặt trời sau khi bị kích thích bằng tia laser đã được nghiên cứu như một phương tiện để hiểu pin mặt trời chăm sóc các electron bên trong tốt như thế nào.
Pin mặt trời tỏa sáng rực rỡ có tỷ lệ tổn thất nhiệt bên trong thấp hơn so với pin mặt trời tỏa sáng yếu. Cuối cùng, các phương pháp đo điện đã được sử dụng để phân tích độ pha tạp của vật liệu CIGS.
"Việc chúng tôi hiện đang giữ kỷ lục thế giới có ý nghĩa rất lớn đối với cả Đại học Uppsala và Trung tâm Công nghệ Năng lượng Mặt trời Đầu tiên Châu Âu. Đối với công nghệ CIGS, được biết đến với độ tin cậy cao, kỷ lục thế giới cũng có nghĩa là nó có thể đưa ra một giải pháp thay thế khả thi cho công nghệ mới. các ứng dụng, ví dụ như pin mặt trời song song. Điều này rất quan trọng đối với các đồng nghiệp nghiên cứu của chúng tôi trên khắp thế giới."
Edoff kết luận: “Chúng tôi hy vọng rằng các phân tích về tính chất vật liệu và điện sẽ cung cấp cơ sở cho những cải tiến hơn nữa về hiệu suất”.
