Obróbka poosadzeniowa zwiększa sprawność cienkowarstwowych ogniw słonecznych
Technologia ogniw fotowoltaicznych przekształcających energię świetlną pochodzącą ze Słońca w energię elektryczną rozwija się w błyskawicznym tempie. Oparte na krzemie ogniwa słoneczne pierwszej generacji stale odgrywają ważną rolę w zaspokajaniu globalnego zapotrzebowania na energię. Nadal przyspiesza także roczna produkcja cienkowarstwowych ogniw słonecznych drugiej generacji. Osiągane sprawności były jednak dotychczas niższe niż w przypadku technologii wykorzystywanych na potrzeby wytwarzania ogniw pierwszej generacji. Naukowcy skupieni wokół finansowanego przez Unię Europejską ambitnego projektu Sharc25 postanowili wyrównać szanse. Cienkowarstwowe ogniwa fotowoltaiczne są produkowane poprzez osadzanie bardzo cienkich warstw materiałów półprzewodnikowych o grubości kilku mikrometrów lub mniejszej na odpowiednim podłożu. Prace w ramach projektu Sharc25 skupiły się przede wszystkim na ogniwach wykonanych w technologii osadzania selenku miedziowo-indowo-galowego (CIGS) na szklanych podłożach oraz innych materiałach. Szereg przełomowych innowacji dotyczących obróbki poosadzeniowej oraz projektowania interfejsów otworzył drogę do osiągnięcia wyników na światowym poziomie. Nowatorskie rozwiązania obróbki poosadzeniowej przełamują bariery Jak twierdzi Wolfram Witte, koordynator projektu Sharc25, z chwilą rozpoczęcia prac w 2015 roku „zaledwie kilku instytutom badawczym i przedsiębiorstwom na całym świecie udało się przekroczyć 20-procentowy próg sprawności ogniw opartych na CIGS, zwykle wykorzystując w tym celu obróbkę poosadzeniową przy pomocy fluorku potasu (KF-PDT)”. Partnerzy projektu Sharc25 – ZSW oraz Empa – także były wśród tych organizacji. W ramach prac nad projektem, naukowcy rozszerzyli repertuar metod obróbki kolektorów opartych na selenku miedziowo-indowo-galowym wykorzystujących metale alkaliczne, a do technologii wykorzystującej fluorek potasu dołączyły techniki obróbki przy pomocy fluorku rubidu (RbF-PDT) oraz fluorku cezu (CsF-PDT). Ulepszone procesy wytwarzania kolektorów CIGS oraz zaawansowana konstrukcja interfejsu umożliwiły osiąganie jeszcze wyższych sprawności. W czerwcu 2016 roku naukowcy pracujący nad projektem ustanowili nowy rekord świata w dziedzinie sprawności niewielkich ogniw fotowoltaicznych wykonanych w technologii osadzania CIGS na podłożu szklanym, osiągając wynik 22,6 %. Elastyczne podłoża stanowią uniwersalne rozwiązanie, wykorzystywane zarówno na potrzeby budynków, jak i zastosowań przenośnych. Partnerom projektu Sharc25 udało się także poczynić postępy w tej dziedzinie, ustanawiając kolejny rekord świata w zakresie sprawności ogniwa fotowoltaicznego typu CIGS na elastycznym podłożu z wynikiem 20,8 %. Publikacja osiągniętych wyników oraz informacji na temat wykorzystanych procesów zapoczątkowała nową falę badań i rozwoju związaną z wykorzystaniem technologii obróbki RbF-PDT oraz CsF-PDT, prowadząc do dalszego rozwoju tej dziedziny. Perspektywy na przyszłość Przedsiębiorstwa partnerskie biorące udział w projekcie zajmują się komercjalizacją wysokowydajnej technologii produkcji cienkowarstwowych ogniw fotowoltaicznych, wykorzystując procesy obróbki poosadzeniowej z udziałem metali alkalicznych w celu wytwarzania modułów o dużej powierzchni w technologii osadzania selenku miedziowo-indowo-galowego. Ponadto technologie produkcji ogniw cienkowarstwowych opracowanych w ramach projektu Sharc25 mogą znaleźć zastosowanie w perowskitowych modułach fotowoltaicznych trzeciej generacji. Perowskity skupiają na sobie uwagę całego świata ze względu na osiąganą sprawność przekraczającą 20 %, połączoną z szeroką przerwą energetyczną. Naukowcom skupionym wokół projektu Sharc25 udało się wyprodukować ogniwo CIGS o sprawności wynoszącej 18 % i wąskiej przerwie energetycznej wynoszącej 1,0 eV przy pomocy procesu obróbki RbF-PDT. Jak wyjaśnia Witte: „Materiał ten jest idealnym kandydatem na dolne ogniwo w połączeniu z materiałem charakteryzującym się szeroką przerwą energetyczną, takim jak na przykład moduł perowskitowy trzeciej generacji, zastosowanym w roli górnego ogniwa”. Zespół projektu zajmował się też promocją wyników badań poprzez liczne prezentacje na konferencjach naukowych oraz szereg publikacji w recenzowanych czasopismach. Konsorcjum zorganizowało również dwa udane międzynarodowe warsztaty publiczne. „Projekt Sharc25 pozwolił nam na uzyskanie dogłębnej wiedzy na temat fizyki wysokowydajnych cienkowarstwowych ogniw słonecznych wykonanych w technologii osadzania selenku miedziowo-indowo-galowego dzięki zastosowaniu zaawansowanych metod charakteryzacji, narzędzi analitycznych, symulacji urządzeń i modelowania funkcjonalnego gęstości”, podsumowuje Witte. Dzięki temu kompleksowemu podejściu, w ramach projektu Sharc25 powstały nowe metody zwiększania sprawności ogniw, spośród których kilka jest już wykorzystywanych w produkcji. Ustanawiając nowe rekordy w zakresie sprawności ogniw fotowoltaicznych opartych na technologii CIGS, zespołowi udało się podnieść poprzeczkę całej branży cienkowarstwowych ogniw słonecznych.
Słowa kluczowe
Sharc25, ogniwo słoneczne, CIGS, obróbka poosadzeniowa, sprawność, cienkowarstwowe, podłoże, elastyczne, energia, osadzanie, przerwa energetyczna, światło, metale alkaliczne, interfejs, fotowoltaika, elektryczność