Przełom w cienkowarstwowych ogniwach słonecznych

Przełom w cienkowarstwowych ogniwach słonecznych

Cienkowarstwowe ogniwa słoneczne coraz szerzej wchodzą na rynek urządzeń fotowoltaicznych. Dzięki grubości rzędu kilku mikrometrów, pozwalają one oszczędzać materiał i tym samym ograniczać koszty produkcji. Średnia wydajność urządzeń typu CIGS opartych na cienkim filmie z miedzi, indu, galu, selenu i siarki sięga 20% i nie jest nawet zbliżona do poziomu teoretycznie możliwego do osiągnięcia.

Zespół badawczy z Mainz University, kierowany przez prof. Claudię Felser korzysta z symulacji komputerowych do określania charakterystyk CIGS, których skład chemiczny opisuje wzór Cu(In,Ga)(Se,S)2. Badania są częścią projektu comCIGS finansowanego przez niemieckie Federalne Ministerstwo Środowiska, Ochrony Natury i Bezpieczeństwa Nuklearnego (BMU). W jego ramach firmy IBM Mainz i Schott AG współpracują z Johannes Gutenberg University Mainz, Helmholtz Center Berlin for Materials and Energy oraz Jena University przy opracowywaniu metod optymalizacji ogniw CIGS. Naukowcy skupiają się na określonym układzie indu i galu, który intrygował badaczy od lat. Chociaż na podstawie obliczeń optymalne proporcje pierwiastków określono na 30:70, to w praktyce maksymalną wydajność ogniwo osiąga przy zupełnie odwrotnym stosunku 70:30.

Ze wsparciem IBM Maiz, Christian Ludwig z zespołu prof. Felser przeprowadził nowe obliczenia, wykorzystując hybrydową metodę, łączącą w sobie obliczenia funkcjonału gęstości i symulacje Monte Carlo. „Obliczenia funkcjonału gęstości umożliwiają oszacowanie energii lokalnych struktur z punktu widzenia mechaniki kwantowej. Wyniki mogę być wykorzystane do określenia efektów temperaturowych przy pomocy symulacji Monte Carlo.” wyjaśnia dr Thomas Gruhn. Christian Ludwig korzysta z komputera typu mainframe ufundowanego dla Mainz University przez firmę IBM w ramach nagrody Shared University Research (SUR).

Dzięki wykorzystaniu symulacji udało się odkryć, że atomy indu i galu nie rozkładają się równomiernie w strukturze CIGS. Pojawia się tam faza występująca już w temperaturze nieco poniżej pokojowej, w której atomy są zupełnie rozdzielone. Jeśli materiał zostanie ogrzany powyżej tej temperatury, formują się w nim struktury różnych rozmiarów zawierające atomy indu i galu. Im wyższa temperatura, tym bardziej homogeniczny staje się materiał. Okazało się też, że CIGS bogaty w gal jest zawsze mniej jednorodny niż ten bogaty w ind. Z powodu tego braku homogeniczności, własności optoelektroniczne materiału z dużą zawartością galu są słabsze, co powoduje niskie wyniki wydajności w ogniwach zbudowanych z takiego surowca – udało się to wyjaśnić po raz pierwszy.

Obliczenia dostarczyły też wskazówek na temat najlepszych sposobów wytwarzania ogniw typu CIGS. Im wyższa temperatura wytwarzania, tym bardziej homogeniczny staje się CIGS. Aby jednak zachował tę jednorodność, potrzebne jest jego odpowiednio szybkie schłodzenie.

W praktyce to stosunkowo niska wytrzymałość termiczna szkła używanego do produkcji ogniw słonecznych ogranicza temperaturę procesu wytwarzania, ale i w tej kwestii poczyniono postęp. Firma Schott AG opracowała specjalny gatunek szkła, zdolny wytrzymać temperatury przekraczające 600°C. Ogniwa powstałe w takim procesie są zdecydowanie bardziej jednorodne, co oznacza, że osiągają one znacznie wyższe wydajności. Naukowcy projektu comCIGS myślą już jednak o kolejnych problemach: „Obecnie pracujemy nad budową ogniwa dużego formatu, które powinno pokonać konwencjonalne pod względem sprawności.” mówi Gruhn. „Perspektywy są obiecujące.”

(bj)