Университет Уппсалы является новым мировым рекордсменом по выработке электроэнергии с помощью солнечных элементов на основе селенида меди, индия, галлия (CIGS). Новый мировой рекорд — КПД 23,64%. Измерение было проведено независимым институтом, а результаты опубликованы в журнале Nature Energy .
Рекорд стал результатом сотрудничества компании First Solar European Technology Center (ранее известной как Evolar) и исследователей солнечных батарей из Университета Упсалы.
«Измерения, которые мы сделали сами для этого солнечного элемента и других солнечных элементов, произведенных в последнее время, находятся в пределах погрешности для независимых измерений. Эти измерения также будут использоваться для внутренней калибровки наших собственных методов измерения», — говорит Марика Эдофф, Профессор технологии солнечных батарей в Университете Упсалы, ответственный за исследование.
Предыдущий мировой рекорд составлял 23,35% (Solar Frontier, Япония), ему предшествовал 22,9% (ZSW, Германия). Уппсальский университет уже устанавливал рекорд раньше, впервые в 1990-х годах в рамках исследовательского сотрудничества Евро-СНГ.
«В свое время мы также удерживали рекорд по последовательно соединенному прототипу. Хоть и прошло довольно много времени с тех пор, как мы удерживали рекорд ячейки, мы часто отставали от лучших результатов, и, конечно, есть много актуальных аспекты, которые следует учитывать, например, возможность масштабирования до крупномасштабного процесса, в котором мы всегда были в авангарде», — говорит Эдофф.
По данным Международного энергетического агентства (МЭА) , количество солнечных батарей во всем мире быстро растет, и в 2022 году на солнечную энергию приходилось чуть более 6% электроэнергии во всем мире. Лучшие солнечные модули из кристаллического кремния, который является наиболее широко используемым материалом в солнечных элементах, в настоящее время преобразуют более 22% солнечного света в электроэнергию, а современные солнечные элементы недороги и стабильны в долгосрочной перспективе.
Одной из целей исследований солнечных элементов является достижение эффективности более 30% при разумных производственных затратах. Очень часто основное внимание уделяется тандемным солнечным элементам как более эффективным, но до сих пор они были слишком дорогими для крупномасштабного использования.
Мировой рекорд в 23,64% установлен независимым институтом Fraunhofer ISE в Германии. В научной статье представлен тщательный материальный и электрический анализ солнечного элемента, а также сравнение с предыдущими записями о солнечном элементе того же типа из других исследовательских институтов.
Наиболее важными свойствами солнечного элемента являются способность поглощать свет и способность передавать энергию электрической нагрузке. Чтобы добиться успеха, материал должен быть способен поглощать оптимальную часть солнечного света, избегая при этом потери этой энергии путем преобразования ее в тепло внутри солнечного элемента.
Солнечные элементы CIGS состоят из стеклянного листа, изготовленного из обычного оконного стекла, покрытого несколькими различными слоями, каждый из которых выполняет определенную задачу. Материал, поглощающий солнечный свет, состоит из меди, индия, галлия и селенида (отсюда и аббревиатура CIGS) с добавками серебра и натрия.
Этот слой помещается в сам солнечный элемент между задним контактом из металлического молибдена и прозрачным передним контактом. Чтобы сделать солнечный элемент максимально эффективным в отделении электронов, слой CIGS обрабатывается фторидом рубидия. Баланс между двумя щелочными металлами, натрием и рубидием, а также состав слоя CIGS являются ключом к эффективности преобразования, то есть доли полного солнечного спектра, которая преобразуется в электроэнергию в солнечном элементе.
Когда измерительные институты проводят свои испытания, они измеряют эффективность солнечных батарей, используя фильтрованный свет, который имитирует солнечный свет как по интенсивности, так и по спектру. Во время измерений солнечный элемент поддерживается при контролируемой температуре, и независимые институты регулярно отправляют друг другу калибровочные солнечные элементы. Для регистрации мирового рекорда необходимо провести независимое измерение, которое в данном случае было проведено измерительным институтом Fraunhofer ISE.
«Наше исследование показывает, что тонкопленочная технология CIGS является конкурентоспособной альтернативой автономному солнечному элементу. Эта технология также обладает свойствами, которые могут функционировать в других контекстах, например, в нижней ячейке тандемного солнечного элемента», — говорит Эдофф.
Для дальнейшего понимания корреляции между эффективностью и структурой солнечного элемента было использовано несколько передовых методов измерения: материал солнечного элемента был охарактеризован с помощью нано-РФА (рентгенофлуоресцентной спектроскопии) на установке MAX IV в Лунде, где был проведен тщательный композиционный анализ.
Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) с высоким разрешением использовалась для изучения поперечного сечения солнечного элемента, как состава в зависимости от глубины, так и того, как построены кристаллические зерна, а также границ раздела между слоями. С помощью фотолюминесценции был изучен спектр света, излучаемого солнечным элементом после возбуждения лазером, чтобы понять, насколько хорошо солнечный элемент заботится о внутренних электронах.
Солнечный элемент, который светит ярко, имеет меньшую долю внутренних тепловых потерь, чем солнечный элемент, который светит слабо. Наконец, для анализа легирования материала CIGS были использованы методы электрических измерений.
«Тот факт, что мы сейчас являемся мировым рекордсменом, очень много значит как для Уппсальского университета, так и для Первого европейского центра солнечной технологии. Для технологии CIGS, которая известна своей высокой надежностью, мировой рекорд также означает, что она может предложить жизнеспособную альтернативу новым технологиям. приложения, например, тандемные солнечные элементы . Это важно для наших коллег-исследователей по всему миру».
«Мы надеемся, что анализ материалов и электрических свойств послужит основой для дальнейшего улучшения производительности», — заключает Эдофф.