Solární články selenidu měďnatého a india galia - Copper indium gallium selenide solar cells

CIGS buňka na flexibilní plastová podložka. Jiné architektury používají tuhé panely CIGS vložené mezi dvě skleněné tabule.

A měď indium gallium selenid solární článek (nebo Buňka CIGS, někdy CI (G) S nebo CIS buňka) je a tenkovrstvý solární článek slouží k přeměně slunečního světla na elektrickou energii. Vyrábí se nanášením tenké vrstvy měď, indium, galium a selen na skleněné nebo plastové podložce, spolu s elektrodami na přední a zadní straně, aby zachytávaly proud. Protože materiál má vysokou absorpční koeficient a silně absorbuje sluneční světlo, je vyžadován mnohem tenčí film než u jiných polovodičových materiálů.

CIGS je jedním ze tří běžných tenkých filmů fotovoltaické (PV) technologie, další dvě jsou telurid kademnatý a amorfní křemík. Stejně jako tyto materiály jsou vrstvy CIGS dostatečně tenké, aby byly pružné, což umožňuje jejich ukládání na pružné podklady. Jelikož však všechny tyto technologie běžně používají vysokoteplotní techniky nanášení, nejlepší výkon obvykle vychází z buněk nanesených na sklo, i když pokrok v nízkoteplotním nanášení buněk CIGS velkou část tohoto rozdílu výkonu vymazal. CIGS překonává polysilikon na úrovni buněk, ale jeho účinnost modulu je stále nižší, kvůli méně zralému upscalingu.[1]

Tržní podíl tenkých filmů stagnuje na přibližně 15 procentách, zbytek trhu s FV je ponechán konvenčnímu solární články vyroben z krystalický křemík. V roce 2013 činil tržní podíl samotného CIGS asi 2 procenta a všechny technologie tenkých filmů dohromady klesly pod 10 procent.[2] Buňky CIGS pokračují ve vývoji, protože slibují dosažení účinnosti podobné křemíku při zachování nízkých nákladů, jak je typické pro technologii tenkých filmů.[3] Prominentní výrobci fotovoltaiky CIGS byly nyní zkrachovalé společnosti Nanosolární a Solyndra. Současným lídrem na trhu je japonská společnost Solární hranice, s Global Solar a GSHK Solar také vyrábí solární moduly bez jakýchkoli těžkých kovů, jako je kadmium a / nebo olovo.[4] Mnoho společností vyrábějících solární panely CIGS zkrachovalo.[5]

Vlastnosti

CIGS je a Já -III -VI2 sloučenina polovodičový materiál složen z měď, indium, galium, a selen. Materiál je a pevný roztok selenidu měďnatého a india (často zkráceně „CIS“) a selenidu měďnatého a galia, s chemickým vzorcem CuIn
XGa
(1-x)Se
2, kde se hodnota x může pohybovat od 1 (čistý měď-indium-selenid) do 0 (čistý-měď, galium-selenid). Je to čtyřstěnně vázané polovodič, s chalkopyrit Krystalická struktura. The bandgap průběžně se mění s X od přibližně 1,0 eV (pro selenid india měďnatý) do přibližně 1,7 eV (pro selenid mědi a gália).[6]

Obrázek 1: Struktura zařízení CIGS. CdS se používá volitelně a některé buňky CIGS neobsahují žádné kadmium vůbec.[7]

CIGS má výjimečně vysoký absorpční koeficient více než 105/ cm pro 1,5 eV a vyšší fotony.[8] CIGS solární články s účinností kolem 20% byly nárokovány Národní laboratoř pro obnovitelné zdroje energie (NREL) Švýcarské federální laboratoře pro vědu a technologii materiálů (Empa) a Němec Zentrum für Sonnenenergie und Wasserstoff Forschung (ZSW) (přeloženo: Centrum pro výzkum sluneční energie a vodíku), což je doposud rekord pro všechny tenkovrstvý solární článek.[9][10]

Struktura

Nejběžnější struktura zařízení pro solární články CIGS je znázorněna na obrázku (viz obrázek 1: Struktura zařízení CIGS). Sodnovápenaté sklo asi 1–3milflimetres tloušťka se běžně používá jako podklad, protože skleněné tabule obsahuje sodík, u kterého bylo prokázáno, že vede k podstatnému zvýšení napětí v otevřeném obvodu,[11] zejména pasivací hraničních defektů povrchu a zrn.[12] Mnoho společností se však také dívá na lehčí a pružnější podklady, jako jsou polyimid nebo kovové fólie.[13] A molybden (Mo) kovová vrstva se ukládá (obvykle pomocí prskání ), který slouží jako zadní kontakt a odráží většinu neabsorbovaného světla zpět do absorbéru CIGS. Po depozici molybdenu a p-typ Vrstva absorbéru CIGS se pěstuje jednou z několika jedinečných metod. Tenký n-typ nárazníková vrstva je přidána na horní stranu absorbéru. Vyrovnávací paměť je obvykle sulfid kademnatý (CdS) uloženo prostřednictvím depozice v chemické lázni. Vyrovnávací paměť je překryta tenkou, vnitřní oxid zinečnatý vrstva (i-ZnO), která je uzavřena silnější, hliník (Al) dopovaná vrstva ZnO. Vrstva i-ZnO se používá k ochraně CdS a absorpční vrstvy před poškozením rozprašováním při nanášení okenní vrstvy ZnO: Al, protože ta se obvykle nanáší rozprašováním DC, známým jako poškozující proces.[14] Al dopovaný ZnO slouží jako transparentní vodivý oxid ke sběru a pohybu elektronů z buňky, přičemž absorbuje co nejméně světla.

CuInSe2- materiály na bázi, které jsou zajímavé pro fotovoltaické aplikace, zahrnují několik prvků ze skupin I, III a VI v periodická tabulka. Tyto polovodiče jsou zvláště atraktivní pro solární aplikace kvůli jejich vysokým koeficientům optické absorpce a univerzálním optickým a elektrickým vlastnostem, které lze v zásadě manipulovat a vyladit pro konkrétní potřebu daného zařízení.[15]

Účinnost převodu

CIGS se používá hlavně ve formě polykrystalický tenké filmy. Nejlepší účinnost dosažená k září 2014 byla 21,7%.[16] Tým v Národní laboratoři pro obnovitelné zdroje energie dosáhl 19,9%, což je rekord v té době,[17] úpravou povrchu CIGS a tím, že vypadá jako CIS.[18] Tyto příklady byly naneseny na sklo, což znamenalo, že výrobky nebyly mechanicky pružné. V roce 2013 vyvinuli vědci ve švýcarských federálních laboratořích pro vědu a technologii materiálů buňky CIGS na flexibilních polymerních fóliích s novou rekordní účinností 20,4%.[19] Ty vykazují nejvyšší účinnost a nejvyšší flexibilitu.

Americká národní laboratoř pro obnovitelné zdroje energie potvrdila 13,8% účinnost modulu velkoplošného (metr čtverečního) výrobního panelu a 13% celkovou plochu (a 14,2% plochu clony) u některých výrobních modulů.[18] V září 2012 Němec Manz AG představila solární modul CIGS s účinností 14,6% na celkové ploše modulu a 15,9% na clonu, který byl vyroben v zařízení pro sériovou výrobu.[20] Společnost MiaSolé získala certifikovanou 15,7% účinnost clony na 1 m2 výrobní modul,[21] a Solární hranice tvrdil 17,8% účinnost na 900 cm2 modul.[22]

Vyšší účinnosti (kolem 30%) lze dosáhnout použitím optiky až soustřeď se dopadající světlo. Použití gália zvyšuje mezeru optického pásma vrstvy CIGS ve srovnání s čistým CIS, čímž se zvyšuje napětí naprázdno.[18][23] Relativní množství gália ve srovnání s indiem snižuje náklady.

Laboratorní záznam účinnosti CIGS podle substrátu (A)
PodkladSklenkaOcelHliníkPolymer
Účinnost22.9%17.7%16.2%20.4%
ÚstavSolární hraniceb)EmpaEmpaEmpa
Zdroj: Swissolar, Flisom - prezentace listopad 2014[24]
Poznámka: (A) laboratorní buňka s ~ 0,5 cm2, b) http://www.solar-frontier.com/eng/news/2017/1220_press.html

Srovnání

Konvenční krystalický křemík

Na rozdíl od konvenčních krystalický křemík buňky založené na a homojunction, struktura buněk CIGS je složitější heterojunction Systém. A přímá bandgap materiál, CIGS má velmi silnou absorpci světla a vrstvu pouze 1–2 mikrometry (µm) stačí k absorbování většiny slunečního světla. Pro srovnání je pro krystalický křemík zapotřebí mnohem větší tloušťka asi 160–190 µm.

Aktivní vrstvu CIGS lze uložit do a polykrystalický tvoří přímo na molybden (Mo) potažené na mnoha různých podkladech, jako jsou skleněné tabule, ocelové pásky a plastové fólie vyrobené z polyimidu. To spotřebovává méně energie než tavení velkého množství křemenného písku v elektrických pecích a pěstování velkých krystalů, což je nezbytné pro konvenční křemíkové články, a tím se snižuje jeho doba návratnosti energie výrazně. Na rozdíl od krystalického křemíku tyto substráty mohou být flexibilní.[25]

Ve vysoce konkurenceschopný FV průmysl, tlak se zvýšil na Výrobci CIGS, což vedlo k bankrotu několika společností, protože ceny konvenčních křemíkových článků v posledních letech rychle klesaly. Solární články CIGS se však staly jako účinný tak jako multikrystalický křemík články - nejběžnější typ solárních článků. CIGS a CdTe-PV zůstávají celosvětově jedinými dvěma komerčně úspěšnými tenkovrstvými technologiemi rychle rostoucí FV trh.

Jiné tenké filmy

Ve fotovoltaice se „tenkost“ obecně vztahuje na takzvané „první generace“ vysoce účinných křemíkových článků, které se vyrábějí z hromadných destiček o tloušťce stovek mikrometrů.[26] Tenké filmy obětují určitou účinnost sběru světla, ale používají méně materiálu.[27] V CIGS je efektivita kompromisu méně přísná než v křemíku. Rekordní účinnost u tenkovrstvých buněk CIGS je o něco nižší než u CIGS u špičkových buněk v laboratorním měřítku. V roce 2008 byla účinnost CIGS zdaleka nejvyšší ve srovnání s jinými technologiemi tenkých vrstev, jako je fotovoltaika teluridu kadmia (CdTe) nebo amorfní křemík (a-Si).[17] Solární články CIS a CGS nabízejí celkovou plošnou účinnost 15,0% a 9,5%,[28] resp. V roce 2015 se propast mezi ostatními tenkovrstvými technologiemi uzavřela, s rekordní efektivitou buněk v laboratořích 21,5% pro CdTe (FirstSolar) a 21,7% pro CIGS (ZSW). (Viz také Tabulka účinnosti NREL nejlepších výzkumných buněk.[29])

Vlastnosti

Všechny vysoce výkonné absorbéry CIGS v solárních článcích mají podobnosti nezávisle na výrobní technice. Nejprve jsou polykrystalický α-fáze, která má chalkopyrit krystalová struktura znázorněná na obrázku 3. Druhá vlastnost je celková Cu nedostatek.[30] Nedostatek Cu zvyšuje většinový dopravce (díra) koncentrace zvýšením počtu (volných elektronů) volných míst Cu. Jsou-li filmy CIGS bohaté (s nedostatkem Cu), tvoří povrchová vrstva filmu uspořádanou vadnou sloučeninu (ODC) s stechiometrie z Cu (In, Ga)
3Se
5. ODC je typu n, tvořící p-n homojunkci ve filmu na rozhraní mezi fází α a ODC. The rychlost rekombinace na rozhraní CIGS / CdS je snížena přítomností homojunction. Pokles rekombinace rozhraní, který lze přičíst tvorbě ODC, je demonstrován experimenty, které ukázaly, že rekombinace ve velké části filmu je hlavním mechanismem ztráty ve filmech s nedostatkem Cu, zatímco ve filmech bohatých na Cu je hlavní ztráta na rozhraní CIGS / CdS.[30][31]

Obrázek 3: Jednotková buňka CIGS. Červená = Cu, žlutá = Se, modrá = In / Ga

Pro optimální výkon je nezbytné zabudování sodíku. Ideální koncentrace Na se považuje za přibližně 0,1%. Na je běžně dodáván sodnovápenaté sklo substrát, ale v procesech, které tento substrát nepoužívají, musí být Na záměrně přidán. Mezi příznivé účinky Na patří zvýšení typu p vodivost, textura a průměrná velikost zrna. Kromě toho začlenění Na umožňuje udržovat výkon přes větší stechiometrický odchylky.[8] Simulace předpovídaly, že Na na místě In vytváří mělkou hladinu akceptoru a že Na slouží k odstranění defektů In na Cu (dárci), ale důvody pro tyto výhody jsou kontroverzní. Na se také připisuje katalyzování kyslík vstřebávání. Kyslík pasivuje volná pracovní místa, která fungují jako odškodnění dárců a rekombinačních center.

Legování CIS (CuInSe2) s CGS (CuGaSe2) zvyšuje bandgap. K dosažení ideální pásma pro solární článek s jedním spojem, 1,5 eV, je optimální poměr Ga / (In + Ga) přibližně 0,7. Při poměrech nad ~ 0,3 však výkon zařízení klesá. Průmysl v současné době cílí na poměr 0,3 Ga / (In + Ga), což má za následek mezery mezi 1,1 a 1,2 eV. Klesající výkon byl postulován jako výsledek toho, že CGS nevytváří ODC, což je nezbytné pro dobré rozhraní s CdS.[30]

Zařízení s nejvyšší účinností vykazují podstatnou texturu nebo jsou preferovány krystalografické orientace. U zařízení nejvyšší kvality je pozorována povrchová orientace (204).[8] Přednost se dává hladkému povrchu absorbéru, aby se maximalizoval poměr osvětlené oblasti k oblasti rozhraní. Plocha rozhraní se zvyšuje s drsností, zatímco osvětlená oblast zůstává konstantní a zmenšuje se otevřený okruh napětí (PROTIOC). Studie také spojily zvýšení hustoty defektů se sníženým VOC. Předpokládá se, že v rekombinaci v CIGS dominují neradiační procesy. Teoreticky lze rekombinaci řídit inženýrským zpracováním filmu a je vnější vůči materiálu.[32]

Výroba

Filmová produkce

Nejčastější vakuum Procesem na bázi je společné odpařování nebo společné rozprašování mědi, gália a india na substrát při pokojové teplotě a následný žíhání výsledného filmu parami selenidu. Alternativním postupem je společné odpařování mědi, gália, india a selenu na zahřátém substrátu.

Alternativní procesní usazeniny bez vakua nanočástice z předchůdce materiály na Podklad a pak sintry jim in situ. Galvanické pokovování je další nízkonákladová alternativa k aplikaci vrstvy CIGS.

V následujících částech jsou popsány různé techniky zpracování depozice prekurzoru, včetně rozprašování kovových vrstev při nízkých teplotách, tisku inkoustů obsahujících nanočástice, elektrodepozice a technika inspirovaná spojením destiček.

Selenizace

Dodávací a selenizační prostředí Se je důležité při určování vlastností a kvality filmu. Když se Se dodává v plynné fázi (například jako H2Se nebo elementární Se) při vysokých teplotách se Se zabuduje do filmu absorpcí a následnou difúzí. Během tohoto kroku, nazývaného chalkogenizace, dochází ke komplexním interakcím za vzniku a chalkogenid. Mezi tyto interakce patří tvorba Cu-In-Ga intermetalické slitiny, tvorba intermediárních binárních sloučenin kovů a selenidů a fázová separace různých stechiometrických sloučenin CIGS. Vzhledem k rozmanitosti a složitosti reakcí je obtížné řídit vlastnosti filmu CIGS.[8]

Zdroj Se ovlivňuje výsledné vlastnosti filmu. H2Se nabízí nejrychlejší zabudování Se do absorbéru; 50 při% Se lze dosáhnout ve filmech CIGS při teplotách až 400 ° C. Pro srovnání, elementární Se dosahuje pouze úplného začlenění s reakčními teplotami nad 500 ° C. Filmy vytvořené při nižších teplotách z elementárního Se byly deficientní na Se, ale měly více fází, včetně kovových selenidů a různých slitiny. Použití H2Se poskytuje nejlepší rovnoměrnost složení a největší zrnitost. H2Se je vysoce toxický a je klasifikován jako nebezpečí pro životní prostředí.

Prskání kovových vrstev následované selenizací

V této metodě je kovový film Cu, In a Ga rozprašován při pokojové teplotě nebo blízko této teplotě a reaguje v atmosféře Se při vysoké teplotě. Tento proces má vyšší propustnost než společné odpařování a rovnoměrnosti složení lze dosáhnout snadněji.

Rozprašování skládaného vícevrstvého kovu - například struktura Cu / In / Ga / Cu / In / Ga ... - vytváří hladší povrch a lepší krystalinitu v absorbéru ve srovnání s jednoduchou dvojvrstvou (slitina Cu-Ga / In) nebo trojvrstvý (Cu / In / Ga) naprašování. Tyto atributy vedou k zařízením s vyšší účinností, ale vytváření vícevrstev je složitější proces nanášení a nezaslouží si další vybavení nebo přidanou složitost procesu.[30] Kromě toho jsou reakční rychlosti vrstev Cu / Ga a Cu / In se Se odlišné. Pokud reakční teplota není dostatečně vysoká nebo není dostatečně dlouhá, tvoří se CIS a CGS jako oddělené fáze.

Společnosti, které v současnosti používají podobné procesy, zahrnují Showa Shell, Avancis (nyní pobočka Saint-Gobain Skupina[33]), Miasolé, Honda Soltec a Energy Photovoltaics (EPV).[34] Showa Shell prskal vrstvou slitiny Cu-Ga a vrstvou In, následovanou selenizací v H2Se a síření v H2S. Zdá se, že krok síření pasivuje povrch podobným způsobem jako CdS ve většině ostatních buněk. Použitá vyrovnávací vrstva tedy neobsahuje Cd, což eliminuje jakýkoli dopad Cd na životní prostředí. Showa Shell vykázal maximální účinnost modulu 13,6% s průměrem 11,3% pro 3600 cm2 substráty.[13] Společnost Shell Solar k vytvoření absorbéru používá stejnou techniku ​​jako Showa Shell; jejich vrstva CdS však pochází z chemické depozice par. Moduly prodávané společností Shell Solar požadují účinnost modulu 9,4%.

Miasole pro svůj proces a zvětšení získala prostředky z rizikového kapitálu. Rekordní modul účinnosti clony 17,4% potvrdil Fraunhofer v roce 2019[35]

EPV používá hybrid mezi koevaporací a rozprašováním, při kterém se In a Ga odpařují v atmosféře Se. Poté následuje rozprašování Cu a selenizace. Nakonec se In a Ga opět odpaří v přítomnosti Se. Na základě Hallova měření mají tyto filmy nízkou koncentraci nosiče a relativně vysokou mobilitu. EPV filmy mají nízkou koncentraci defektů.

Chalkogenizace vrstev prekurzorů částic

V této metodě se jako prekurzory růstu CIGS používají nanočástice kovu nebo oxidu kovu. Tyto nanočástice jsou obecně suspendovány ve vodném roztoku a poté aplikovány na velké plochy různými metodami, jako je tisk. Film se potom dehydratuje a pokud jsou jeho prekurzory oxidy kovů, redukuje se na H2/ N2 atmosféra. Po dehydrataci je zbývající porézní film slinutý a selenizované při teplotách vyšších než 400 ° C.[30][32][36]

Nanosolární a Mezinárodní solární elektrická technologie (ISET) se neúspěšně pokusil zvětšit tento proces.[13] ISET používá oxidové částice, zatímco Nanosolar o svém inkoustu nemluvil. Mezi výhody tohoto procesu patří stejnoměrnost na velkých plochách, bezvakuové nebo nízkovakuové zařízení a přizpůsobivost roll-to-roll výrobní. Ve srovnání s vrstvami prekurzoru laminárního kovu slinované nanočástice selenizují rychleji. Zvýšená rychlost je výsledkem větší povrchové plochy spojené s pórovitost. Pórovitost vytváří drsnější povrchy absorbéru. Použití prekurzorů částic umožňuje tisk na širokou škálu substrátů s využitím materiálů 90% nebo více. Tuto techniku ​​podporoval malý výzkum a vývoj.

Nanosolar hlásil účinnost buňky (ne modulu) 14%, ale to nikdo neověřil národní laboratoř testování, ani neumožňovali kontroly na místě. V nezávislém testování[32] Absorbér ISET měl druhou nejnižší účinnost na 8,6%. Všechny moduly, které porazily modul ISET, však byly odpařovány společně, což je proces, který má výrobní nevýhody a vyšší náklady. Vzorek ISET nejvíce trpěl nízkým VOC a nízko faktor naplnění, svědčící o drsném povrchu a / nebo vysokém počtu defektů napomáhajících rekombinaci. V souvislosti s těmito problémy měl film špatné transportní vlastnosti, včetně nízké pohyblivosti Hall a krátké životnosti nosiče.

Elektrodepozice následovaná selenizací

Prekurzory lze ukládat elektrolytickým nanášením. Existují dvě metodiky: depozice elementárních vrstvených struktur a simultánní depozice všech prvků (včetně Se). Obě metody vyžadují tepelné zpracování v atmosféře Se k výrobě filmů v kvalitě zařízení. Protože elektrolytické vylučování vyžaduje vodivost elektrody, kovové fólie jsou logickým substrátem. Elektrodepozice elementárních vrstev je podobná naprašování elementárních vrstev.

Současné nanášení využívá pracovní elektrodu (katoda ), protielektroda (anoda ) a referenční elektroda jako na obrázku 4. Substrát z kovové fólie se používá jako pracovní elektroda v průmyslových procesech. Protielektrodu poskytuje inertní materiál a referenční elektroda měří a řídí potenciál. Referenční elektroda umožňuje provádět proces potenciostaticky, což umožňuje řízení potenciálu substrátu.[30]

Obrázek 4: Elektrodepoziční aparát CIGS

Současné elektrolytické vylučování musí překonat skutečnost, že standardní redukční potenciály prvků nejsou stejné, což způsobí přednostní ukládání jediného prvku. Tento problém se běžně zmírňuje přidáním protichůdných iontů do roztoku pro každý iont, který má být uložen (Cu2+, Se4+, V3+a Ga3+), čímž se mění redukční potenciál tohoto iontu. Dále má systém Cu-Se komplikované chování a složení filmu závisí na Se4+/ Cu2+ poměr iontového toku, který se může měnit na povrchu filmu. To vyžaduje optimalizaci koncentrací prekurzoru a potenciálu depozice. I při optimalizaci je reprodukovatelnost na velkých plochách nízká v důsledku variací složení a potenciálních kapek podél substrátu.

Výsledné filmy mají malá zrna, jsou bohaté na Cu a obecně obsahují Cu2 − xSeX fáze spolu s nečistotami z roztoku. Žíhání je zapotřebí ke zlepšení krystalinity. U účinností vyšších než 7% je nutná stechiometrická korekce. Korekce byla původně provedena pomocí vysokoteplotní fyzikální depozice par, což není v průmyslu praktické.

Solopower v současné době produkuje buňky s> 13,7% účinností konverze podle NREL.[37]

Kombinace předchůdců technikou spojování destiček

Obrázek 5: Schéma techniky inspirované spojením destiček

V tomto procesu se dva různé prekurzorové filmy ukládají odděleně na substrát a superstrát. Filmy jsou stlačeny k sobě a zahřáté, aby se uvolnila fólie z opakovaně použitelného superstrátu, přičemž na substrátu zůstane absorbér CIGS (obrázek 5). Heliovolt patentoval tento postup a nazval jej procesem FASST. V zásadě mohou být prekurzory nanášeny při nízké teplotě pomocí techniky nanášení s nízkými náklady, což snižuje náklady na modul. První generace produktů však používají vysokoteplotní metody PVD a nedosahují plného potenciálu snižování nákladů. V tomto procesu by nakonec mohly být použity pružné podklady.

Typické vlastnosti filmu mimo společnost nejsou známy, protože v laboratořích financovaných nezávisle nebyl proveden žádný výzkum. Heliovolt však tvrdil, že nejvyšší účinnost článku je 12,2%.

Společné odpařování

Společné odpařování nebo společné ukládání je nejběžnější technikou výroby CIGS. Boeing Proces společné odpařování ukládá dvojvrstvy CIGS s různými stechiometriemi na zahřátý substrát a umožňuje jejich vzájemné míchání.

Společnost NREL vyvinula další proces, který zahrnuje tři kroky depozice a produkoval současného držitele záznamu účinnosti CIGS na 20,3%. Prvním krokem metody NREL je společné ukládání In, Ga a Se. Poté následuje Cu a Se usazené při vyšší teplotě, aby se umožnila difúze a promíchání prvků. V závěrečné fázi jsou In, Ga a Se opět uloženy, aby došlo k deficitu celkového složení Cu.[30]

Würth Solar začala vyrábět buňky CIGS pomocí inline koevaporačního systému v roce 2005 s účinností modulů mezi 11% a 12%. Otevřeli další výrobní závod a pokračovali ve zlepšování efektivity a výnosu. Mezi další společnosti rozšiřující procesy souběžného odpařování patří Global Solar a Ascent Solar.[34] Global Solar použil inline třístupňový proces depozice. Ve všech krocích je Se dodáváno v přebytku v parní fázi. In a Ga se nejprve odpaří, následuje Cu a poté In a Ga, aby došlo k deficitu filmu Cu. Tyto filmy si vedly docela příznivě ve vztahu k jiným výrobcům a absorbérům pěstovaným v NREL a Institutu pro přeměnu energie (IEC).[32] Moduly filmů Global Solar však neměly tak dobrý výkon. Vlastnost, ve které modul evidentně nedostatečně fungoval, byla nízká VOC, což je charakteristické pro vysokou hustotu defektů a vysoké rychlosti rekombinace. Absorpční vrstva společnosti Global Solar překonala absorbér NREL v životnosti nosiče a mobilitě haly. Po dokončení buněk však vzorek NREL fungoval lépe. To je důkaz špatného rozhraní CIGS / CdS, pravděpodobně kvůli nedostatku povrchové vrstvy ODC na filmu Global Solar.

Nevýhody zahrnují problémy s uniformitou na velkých plochách a související obtížnost odpařování prvků v inline systému. Také vysoké teploty růstu zvyšují tepelný rozpočet a náklady. Kromě toho souběžné odpařování trápí nízké využití materiálu (usazování na stěnách komory místo na substrát, zejména u selenu) a drahé vakuové zařízení.[13][36] Způsob, jak zvýšit využití Se, je pomocí procesu štěpení selenem tepelným nebo plazmatickým,[38][39] který může být spojen s zdroj iontového paprsku pro depozice asistovaná iontovým paprskem.[40]

Chemická depozice par

Chemická depozice par (CVD) bylo implementováno několika způsoby pro ukládání CIGS. Procesy zahrnují atmosférické tlakové kovové organické CVD (AP-MOCVD ), plazmaticky vylepšené CVD (PECVD ), nízkotlaký MOCVD (LP-MOCVD) a aerosolem asistovaný MOCVD (AA-MOCVD). Výzkum se pokouší přejít z prekurzorů se dvěma zdroji na prekurzory s jedním zdrojem.[30] Více zdrojových prekurzorů musí být homogenně smícháno a průtoky prekurzorů musí být udržovány na správné stechiometrii. Metody prekurzorů s jedním zdrojem těmito nevýhodami netrpí a měly by umožnit lepší kontrolu složení filmu.

Od roku 2014 se CVD nepoužívá pro komerční syntézu CIGS. Filmy vyrobené CVD mají nízkou účinnost a nízké VOC, částečně důsledkem vysoké koncentrace defektů. Navíc jsou povrchy filmu obecně docela drsné, což slouží k dalšímu snížení VOC. Požadovaného deficitu Cu však bylo dosaženo použitím AA-MOCVD spolu s orientací krystalu (112).

CVD depoziční teploty jsou nižší než teploty používané pro jiné procesy, jako je společné odpařování a selenizace kovových prekurzorů. Proto má CVD nižší tepelný rozpočet a nižší náklady. Potenciální výrobní problémy zahrnují potíže s převodem CVD na inline proces a také náklady na zpracování těkavých prekurzorů.

Elektrosprejové nanášení

Filmy ze SNS mohou vyrábět elektrosprej depozice. Tato technika zahrnuje elektrické stříkání inkoustu obsahujícího nanočástice CIS na substrát pomocí elektrického pole a následné slinování v inertním prostředí.[41] Hlavní výhodou této techniky je, že proces probíhá při pokojové teplotě a je možné tento proces připojit k nějakému systému kontinuální nebo hromadné výroby, jako je mechanismus výroby roll-to-roll.[42]

Pasivace zadní plochy

Koncepty pasivace zadní plochy pro solární články CIGS ukazují potenciál ke zvýšení účinnosti. Koncept zadní pasivace byl převzat z pasivační technologie křemíkových solárních článků.[43] Jako pasivační materiály byly použity Al2O3 a SiO2. Bodové kontakty velikosti Nano na vrstvě Al2O3 [44] a linkové kontakty na vrstvě SiO2 [45] zajistit elektrické připojení absorbéru CIGS k zadní elektrodě molybdenu. Bodové kontakty na vrstvě Al2O3 jsou vytvářeny litografií e-paprskem a liniové kontakty na vrstvě SiO2 jsou vytvářeny pomocí fotolitografie. Je také vidět, že implementace pasivačních vrstev nemění morfologii vrstev CIGS

Viz také

Reference

  1. ^ Green, Martin A. a kol. "Tabulky účinnosti solárních článků (verze 50)." Pokrok ve fotovoltaice: Výzkum a aplikace 25.7 (2017): 668-676.
  2. ^ „Zpráva o fotovoltaice, Fraunhofer ISE, 28. července 2014, strany 18,19“ (PDF).
  3. ^ Andorka, Frank (01.01.2014). „Solární články CIGS, zjednodušené“. www.solarpowerworldonline.com/. Svět solární energie. Archivovány od originál dne 19. srpna 2014. Citováno 16. srpna 2014.
  4. ^ "CIS - ekologie". Solární hranice. Citováno 8. července 2015.
  5. ^ „TSMC ukončuje výrobu tenkovrstvých solárních článků CIGS“. www.greentechmedia.com.
  6. ^ Tinoco, T .; Rincón, C .; Quintero, M .; Pérez, G. Sánchez (1991). „Fázový diagram a mezery optické energie pro slitiny CuInyGa1 − ySe2“. Physica Status Solidi A. 124 (2): 427. Bibcode:1991PSSAR.124..427T. doi:10.1002 / pssa.2211240206.
  7. ^ Solar-Frontier.com Výhody CIS Archivováno 03.11.2014 na Wayback Machine
  8. ^ A b C d Stanbery, B. J. (2002). "Selenidy india mědi a související materiály pro fotovoltaická zařízení". Kritické recenze v pevné fázi a vědě o materiálech. 27 (2): 73. Bibcode:2002CRSSM..27 ... 73S. doi:10.1080/20014091104215.
  9. ^ Repins, I .; Contreras, Miguel A .; Egaas, Brian; Dehart, Clay; Scharf, John; Perkins, Craig L .; To, Bobby; Noufi, Rommel (2008). „Solární článek ZnO / CdS / CuInGaSe2 s účinností 19,9% s faktorem naplnění 81,2%“. Pokrok ve fotovoltaice: výzkum a aplikace. 16 (3): 235. doi:10,1002 / pip. 822. Shrnutí ležel.
  10. ^ ZSW: Tiskové zprávy. Zsw-bw.de. Citováno 2011-09-13.
  11. ^ Hedström J .; Ohlsen H .; Bodegard M .; Kylner A .; Stolt L .; Hariskos D .; Ruckh M .; Schock H.W. (1993). Tenkovrstvé solární články ZnO / CdS / Cu (In, Ga) Se2 se zlepšeným výkonem. Sborník konference 23. IEEE Photovoltaic Specialists Conference. 364–371. doi:10.1109 / PVSC.1993.347154. ISBN  978-0-7803-1220-3.
  12. ^ Kronik L .; Cahen D .; Schock H.W. (1998). "Účinky sodíku na polykrystalický Cu (In, Ga) Se2 a jeho výkon solárních článků". Pokročilé materiály. 10: 31–36. doi:10.1002 / (SICI) 1521-4095 (199801) 10: 1 <31 :: AID-ADMA31> 3.0.CO; 2-3.
  13. ^ A b C d Dhere, Neelkanth G. (2007). „Směrem k GW / rok výroby CIGS v příštím desetiletí“. Materiály pro solární energii a solární články. 91 (15–16): 1376. doi:10.1016 / j.solmat.2007.04.003.
  14. ^ Cooray N. F .; Kushiya K., Fujimaki A., Sugiyama I., Miura T., Okumura D., Sato M., Ooshita M. a Yamase O. (1997). „Velkoplošné ZnO fólie optimalizované pro odstupňované tenkovrstvé mini-moduly Cu (InGa) Se2 na pásmu“. Materiály pro solární energii a solární články. 49 (1–4): 291–297. doi:10.1016 / S0927-0248 (97) 00055-X.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  15. ^ „Tenký film CuInSe2 / Cd (Zn) S Heterojunction Solar Cell: Characterization and Modeling“, Murat Nezir Eron, PhD. Thesis, Drexel University, 1984, Philadelphia
  16. ^ „Archivovaná kopie“. Archivovány od originál dne 2015-04-24. Citováno 2015-06-03.CS1 maint: archivovaná kopie jako titul (odkaz)
  17. ^ A b „Charakterizace 19,9% -efektivních absorbérů CIGS“ (PDF). Národní laboratoř pro obnovitelné zdroje energie. Květen 2008. Citováno 10. února 2011.
  18. ^ A b C „Stav a budoucnost fotovoltaického průmyslu“ (PDF). David E. Carlson, hlavní vědecký pracovník společnosti BP Solar, 14. března 2010. Citováno 10. února 2011.
  19. ^ „Empa posouvá tenkovrstvé solární články na novou úroveň - nový světový rekord v účinnosti solárních článků“. Empa. 18. ledna 2013. Citováno 8. července 2015.
  20. ^ Top 10 nejúčinnějších modulů CI (G) S na světě Archivováno 2013-01-24 na Wayback Machine. Solarplaza.com. Citováno 2013-02-18.
  21. ^ Miasole. „MiaSolé dosahuje 15,7% efektivity s komerčně dostupnými solárními moduly CIGS v tenkém filmu“ (PDF). Citováno 30. listopadu 2012.
  22. ^ Solární hranice. „Solar Frontier nastavuje nový světový rekord v efektivitě“. Citováno 30. listopadu 2012.
  23. ^ „Tabulky účinnosti solárních článků ver. 33“ (PDF). National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST). Citováno 10. února 2011.
  24. ^ „Flisom: Flexible PV from Lab to Fab“ (PDF). Flisom AG. 4. listopadu 2014. s. 4.
  25. ^ „První prodeje nejlevnějších solárních článků na světě'". Svět chemie únor 2008. Citováno 6. dubna 2011.
  26. ^ USA 20090223551  patent
  27. ^ Nurul Amziah Md Yunus; Nik Hasniza Nik Aman; Nima Khoshsirat (2015). „Porovnání tenkovrstvých solárních článků a mědi – india – gália – diselenidu v jihovýchodní Asii”. Výroba obnovitelné energie IET. 9 (8): 1079–1086. doi:10.1049 / iet-rpg.2015.0114.
  28. ^ Young, D.L .; Keane, James; Duda, Anna; Abushama, Jehad A. M .; Perkins, Craig L .; Romero, Manuel; Noufi, Rommel (2003). „Vylepšený výkon tenkovrstvých solárních článků ZnO / CdS / CuGaSe2“. Pokrok ve fotovoltaice: výzkum a aplikace. 11 (8): 535. doi:10,1002 / pip. 516. Shrnutí ležel.
  29. ^ Tabulka NREL s nejlepší účinností výzkumných buněk http://www.nrel.gov/ncpv/images/efficiency_chart.jpg
  30. ^ A b C d E F G h Kemell, Marianna; Ritala, Mikko; Leskelä, Markku (2005). "Metody nanášení tenkých vrstev pro solární články CuInSe2". Kritické recenze ve vědách o pevném stavu a materiálech. 30 (1): 1. Bibcode:2005CRSSM..30 .... 1K. doi:10.1080/10408430590918341.
  31. ^ Ihlal, A; Bouabid, K; Soubane, D; Nya, M; Aittalebali, O; Amira, Y; Outzourhit, A; Nouet, G (2007). „Srovnávací studie naprašovaných a elektrolyticky nanášených tenkých vrstev CI (S, Se) a CIGSe“. Tenké pevné filmy. 515 (15): 5852. Bibcode:2007TSF ... 515.5852I. doi:10.1016 / j.tsf.2006.12.136.
  32. ^ A b C d Repins, I.L .; Stanbery, B. J .; Young, D.L .; Li, S. S .; Metzger, W. K .; Perkins, C. L .; Shafarman, W. N .; Beck, M. E.; Chen, L .; Kapur, V. K .; Tarrant, D .; Gonzalez, M. D .; Jensen, D. G .; Anderson, T. J .; Wang, X .; Kerr, L. L .; Keyes, B .; Asher, S .; Delahoy, A .; von Roedern, B. (2006). "Porovnání výkonu zařízení a měřených parametrů přenosu v široce se měnících solárních článcích Cu (In, Ga) (Se, S)". Pokrok ve fotovoltaice: výzkum a aplikace. 14: 25. doi:10,1002 / pip. 654.
  33. ^ "Historie avancisů". avancis.de. Citováno 25. srpna 2012.
  34. ^ A b Ulal, H. S .; von Roedern, B. (2008). „Kritické problémy pro komercializaci tenkovrstvých PV technologií“. Technologie pevných látek. 51 (2): 52–54.
  35. ^ Mark Hutchins, „Miasolé nastavuje nový flexibilní rekord v efektivitě CIGS“, PV Magazine 2019
  36. ^ A b Derbyshire, K. (2008). „Veřejná politika pro inženýry: solární průmysl závisí na dobré vůli tvůrců politiky“. Technologie pevných látek. 51: 32.
  37. ^ „Archivovaná kopie“. Archivovány od originál dne 03.09.2014. Citováno 2014-08-27.CS1 maint: archivovaná kopie jako titul (odkaz)
  38. ^ Ishizuka, S .; Yamada, Akimasa; Shibata, Hajime; Fons, Paul; Sakurai, Keiichiro; Matsubara, Koji; Niki, Shigeru (2009). "Růst tenkého filmu CIGS s velkým zrnem pomocí zdroje radikální paprsku Se". Materiály pro solární energii a solární články. 93 (6–7): 792. doi:10.1016 / j.solmat.2008.09.043.
  39. ^ Kawamura, M .; Fujita, Toshiyuki; Yamada, Akira; Konagai, Makoto (2009). „Tenkovrstvé solární články CIGS pěstované popraskaným selenem“. Journal of Crystal Growth. 311 (3): 753. Bibcode:2009JCrGr.311..753K. doi:10.1016 / j.jcrysgro.2008.09.091.
  40. ^ Solarion AG (10. 10. 2009): Světový rekord: 13,4% účinnost přeměny solárních článků na plastové fólii Archivováno 03.03.2012 na Wayback Machine. (tisková zpráva)
  41. ^ Muhammad, Nauman Malik; Sundharam, Sridharan; Dang, Hyun-Woo; Lee, Ayoung; Ryu, Beyoung-Hwan; Choi, Kyung-Hyun (2011). "Depozice vrstvy CIS elektrosprejovým procesem pro výrobu solárních článků". Současná aplikovaná fyzika. 11 (1): S68. Bibcode:2011CAP .... 11S..68M. doi:10.1016 / j.cap.2010.11.059.
  42. ^ Choi, Kyung-Hyun; Muhammad, Nauman Malik; Dang, Hyun-Woo; Lee, Ayoung; Hwang, Jin-Soo; Nam, Jong Won; Ryu, Beyoung-Hwan (2011). "Elektrosprejová depozice tenkých filmů měď-indium-diselenid". International Journal of Materials Research. 102 (10): 1252. doi:10.3139/146.110581.
  43. ^ Vermang, Bart; Wätjen, Jörn Timo; Fjällström, Viktor; Rostvall, Fredrik; Edoff, Marika; Kotipalli, Ratan; Henry, Frederic; Flandre, Denis (2014). „Využívání technologie solárních článků Si ke zvýšení účinnosti ultratenkých solárních článků Cu (In, Ga) Se2“. Pokrok ve fotovoltaice: výzkum a aplikace. 22 (10): 1023–1029. doi:10,1002 / pip. 2527. PMC  4540152. PMID  26300619.
  44. ^ Bose, S .; Cunha, J.M.V .; Borme, J .; Chen, W.C .; Nilsson, N.S .; Teixeira, J.P .; Gaspar, J .; Leitão, J.P .; Edoff, M .; Fernandes, P.A .; Salomé, P.M.P. (2019). "Morfologická a elektronická studie ultratenkých zadních pasivovaných Cu (In, Ga) solárních článků Se2". Tenké pevné filmy. 671: 77–84. Bibcode:2019TSF ... 671 ... 77B. doi:10.1016 / j.tsf.2018.12.028.
  45. ^ Bose, Sourav; Cunha, José M. V .; Suresh, Sunil; De Wild, Jessica; Lopes, Tomás S .; Barbosa, João R. S .; Silva, Ricardo; Borme, Jérôme; Fernandes, Paulo A .; Vermang, Bart; Salomé, Pedro M. P. (2018). „Optická litografická tvorba vrstev SiO2 pro pasivaci rozhraní solárních článků na tenkém filmu“. RRL Solar. 2 (12): 1800212. doi:10.1002 / solr.201800212.

externí odkazy