Thu năng lượng mặt trời từ cả hai phía: Quy trình mới tăng hiệu suất pin mặt trời màng mỏng CIGS hai mặt
bởi Phòng thí nghiệm Khoa học và Công nghệ Vật liệu Liên bang Thụy Sĩ
Pin mặt trời CIGS hai mặt bao gồm các lớp rất mỏng, tổng cộng chỉ 3 µm đối với vật liệu hoạt tính. Được đặt trên một tiếp điểm điện trong suốt, lớp đa tinh thể CIGS hấp thụ ánh sáng từ cả hai mặt trước và sau. Ảnh: Empa
Ý tưởng rất đơn giản vì nó đơn giản: Nếu tôi có thể thu cả ánh sáng mặt trời trực tiếp cũng như sự phản chiếu của nó qua mặt sau của pin mặt trời, thì điều này sẽ làm tăng sản lượng năng lượng mà pin tạo ra. Ví dụ, các ứng dụng tiềm năng là quang điện tích hợp trong tòa nhà, điện nông nghiệp—việc sử dụng đồng thời các diện tích đất cho cả sản xuất điện quang điện và nông nghiệp—và các mô-đun năng lượng mặt trời được lắp đặt theo chiều dọc hoặc độ nghiêng cao trên các khu vực có độ cao lớn.
Nhập pin mặt trời hai chiều. Theo Lộ trình công nghệ quốc tế về quang điện, pin mặt trời hai mặt có thể chiếm được thị phần 70% thị trường quang điện nói chung vào năm 2030.
Mặc dù pin mặt trời hai mặt dựa trên các tấm silicon đã có mặt trên thị trường, nhưng cho đến nay pin mặt trời màng mỏng vẫn bị tụt lại phía sau. Ít nhất một phần, điều này là do hiệu suất khá thấp của pin mặt trời màng mỏng CIGS hai mặt gây ra bởi một vấn đề tắc nghẽn nghiêm trọng: Đối với bất kỳ pin mặt trời hai mặt nào có thể thu ánh sáng mặt trời phản xạ ở phía sau, một tiếp xúc điện trong suốt về mặt quang học là điều kiện tiên quyết. Điều này đạt được bằng cách sử dụng oxit dẫn điện trong suốt (TCO) thay thế cho tiếp điểm mờ đục trong thông thường—tức là một mặt—các tế bào năng lượng mặt trời làm bằng molypden.
Một sự hình thành oxit bất lợi
Và đó là nơi các vấn đề bắt đầu. Pin mặt trời CIGS hiệu suất cao thường được sản xuất bằng quy trình lắng đọng ở nhiệt độ cao, tức là trên 550 độ. Tuy nhiên, ở những nhiệt độ này, một phản ứng hóa học xảy ra giữa gali (của lớp CIGS) và oxy của chất tiếp xúc ngược trong suốt—một oxit. Lớp giao diện oxit gali thu được sẽ chặn dòng điện do ánh sáng mặt trời tạo ra và do đó làm giảm hiệu quả chuyển đổi năng lượng của tế bào. Các giá trị cao nhất đạt được cho đến nay trong một ô là 9,0% cho mặt trước và 7,1% cho mặt sau.
Ayodhya N. Tiwari, người đứng đầu phòng thí nghiệm Phim mỏng và Quang điện của Empa cho biết: “Thật sự rất khó để đạt được hiệu quả chuyển đổi năng lượng tốt cho pin mặt trời có cả tiếp điểm dẫn điện trong suốt phía trước và phía sau.
Vì vậy, tiến sĩ. sinh viên Shih-Chi Yang trong nhóm của Romain Carron trong phòng thí nghiệm của Tiwari đã phát triển một quy trình lắng đọng nhiệt độ thấp mới sẽ tạo ra ít oxit gali có hại hơn nhiều—lý tưởng là không tạo ra chút nào. Họ đã sử dụng một lượng nhỏ bạc như một loại thành phần bí mật để hạ thấp điểm nóng chảy của hợp kim CIGS và để thu được các lớp hấp thụ có đặc tính điện tử tốt ở nhiệt độ lắng đọng chỉ 350 độ.
Và chắc chắn rằng, khi họ phân tích cấu trúc đa lớp bằng kính hiển vi điện tử truyền qua có độ phân giải cao, với sự trợ giúp của cựu tiến sĩ hậu tiến sĩ của Tiwari là Tzu-Ying Lin, hiện đang làm việc tại Đại học Quốc gia Tsing Hua ở Đài Loan, nhóm nghiên cứu không thể phát hiện ra bất kỳ oxit gali nào ở bề mặt tiếp xúc. ở tất cả.
Tín dụng: Nature Energy (2022). DOI: 10.1038/s41560-022-01157-9
Mục tiêu đầy tham vọng: Hiệu suất năng lượng hơn 33%
Điều này cũng được phản ánh bởi hiệu quả chuyển đổi năng lượng được cải thiện đáng kể. Tế bào mang lại giá trị 19,8% cho chiếu sáng phía trước và 10,9% cho chiếu sáng phía sau đã được chứng nhận độc lập bởi Viện Fraunhofer về Hệ thống Năng lượng Mặt trời (ISE) ở Freiburg/Đức—trong cùng một tế bào trên đế thủy tinh. Ngoài ra, nhóm cũng lần đầu tiên thành công trong việc chế tạo pin mặt trời CIGS hai chiều trên chất nền polyme dẻo, mà—do trọng lượng nhẹ và tính linh hoạt của chúng—mở rộng phạm vi của các ứng dụng tiềm năng. Và cuối cùng, các nhà nghiên cứu đã kết hợp hai công nghệ quang điện—CIGS và pin mặt trời perovskite—để tạo ra một tế bào "song song" hai mặt.
Theo Tiwari, công nghệ CIGS hai mặt có khả năng mang lại hiệu suất chuyển đổi năng lượng vượt quá 33%, do đó mở ra nhiều cơ hội hơn nữa cho pin mặt trời màng mỏng trong tương lai. Tiwari hiện đang cố gắng thiết lập nỗ lực hợp tác với các phòng thí nghiệm và công ty quan trọng trên khắp châu Âu để đẩy nhanh quá trình phát triển công nghệ và khả năng sản xuất công nghiệp của nó trên quy mô lớn hơn.
Các phát hiện được công bố trên tạp chí Nature Energy.
