Pin điện mặt trời chứa đồng, galium, selenium đạt 12.28% hiệu suất, nhóm Nhật Bản lập kỷ lục thế giới

（Nguồn: Điện lực Quốc tế epintl）

Các nhà nghiên cứu Nhật Bản đã đạt được hiệu suất chuyển đổi quang điện 12,28% trên pin mặt trời chứa hợp chất đồng-gallium-selenide, đây là hiệu suất cao nhất trong phạm vi băng tần 1,65-1,75 electronvolt đã được công bố, trong lớp hấp thụ không chứa indium và có độ rộng cấm lớn của các hợp chất lưu huỳnh. Thiết bị này sử dụng màng mỏng điều chỉnh bằng nhôm pha tạp, kết hợp trường mặt sau và lớp đệm cadmium sulfide tối ưu để nâng cao điện áp mở, giảm tái hợp vận tải tải và cải thiện hiệu suất tổng thể.

Các nhà nghiên cứu của Viện Khoa học và Công nghệ Công nghiệp Tiên tiến Quốc gia Nhật Bản đã chế tạo pin mặt trời sử dụng lớp hấp thụ đồng-gallium-selenide (CuGaSe₂), đạt hiệu suất chuyển đổi 12,28%.

Đồng-gallium-selenide là một hợp chất bán dẫn thuộc họ khoáng vàng đồng, liên quan chặt chẽ đến vật liệu pin mặt trời CIGS (copper-indium-gallium-selenide). Đây là vật liệu lý tưởng cho lớp hấp thụ trong pin mặt trời vì là bán dẫn loại trực tiếp với độ rộng cấm khoảng 1,68 electronvolt, có khả năng hấp thụ hiệu quả ánh sáng khả kiến. Ngoài ra, đồng-gallium-selenide có hệ số hấp thụ cao, nghĩa là ngay cả màng mỏng rất mảnh cũng có thể hấp thụ phần lớn bức xạ mặt trời tới. Vật liệu này còn thể hiện khả năng dung nạp lỗi tốt, giúp giảm tái hợp vận tải tải, cho phép pin mặt trời duy trì hiệu suất tốt ngay cả khi cấu trúc tinh thể không hoàn hảo.

Chủ nhiệm nghiên cứu của bài báo, ông Masato Ishizuka, đã nói với Tạp chí Quang điện: “Hiệu suất này có thể được xem là mức cao nhất trong phạm vi băng tần 1,65–1,75 electronvolt của các pin mặt trời hợp chất lưu huỳnh có độ rộng cấm lớn đã được báo cáo, đặc biệt trong lĩnh vực pin mặt trời không chứa indium và có độ rộng cấm lớn thuộc họ khoáng vàng đồng (hoặc liên quan đến CIGS). Nó vượt qua các dữ liệu hiệu suất của pin mặt trời đồng-gallium-selenide- nhôm trong Bảng hiệu suất của Tạp chí Tiến bộ Quang điện (phiên bản 67) mới nhất, trong bảng 3.”

Ông tiếp tục: “Hiệu suất của thiết bị này đã được xác nhận độc lập bởi một phòng thí nghiệm kiểm định, Trung tâm Năng lượng Tái tạo Tiên tiến, Viện Nghiên cứu Công nghệ Công nghiệp Nhật Bản (AIST), nhóm Hiệu chuẩn, Tiêu chuẩn và Đo lường quang điện.”

Thiết bị này dựa trên thiết kế pin do các nhà nghiên cứu của AIST phát triển vào năm 2024. Bằng cách pha tạp nhôm vào vùng phía sau của lớp hấp thụ đồng-gallium-selenide, hiệu quả điện áp mở, hệ số tải và hiệu suất chuyển đổi quang điện tổng thể đã được nâng cao rõ rệt. Cải tiến này chủ yếu nhờ vào việc hình thành trường mặt sau, tăng khả năng thu thập các vận tải tải thiểu số.

Pin mặt trời kỷ lục này được chế tạo bằng quy trình ba bước, trong đó lớp hấp thụ đồng-gallium-selenide được pha tạp nhôm và flo trong bước đầu tiên, và thêm flo trong bước cuối cùng. Bằng cách điều chỉnh chính xác phân bố của nguyên tố nhôm trong lớp hấp thụ, thiết kế này nhằm nâng cao điện áp mở mà không làm giảm hiệu suất chuyển đổi.

Pin sử dụng kính natri-caxi làm nền, trên đó phủ điện cực lưng bằng molybden, tiếp theo là lớp hấp thụ khoáng vàng đồng không chứa indium, lớp đệm cadmium sulfide dày 150 nanomet, lớp cửa sổ oxit kẽm và điện cực lưới kim loại phía trên.

Quy trình chế tạo bắt đầu bằng phương pháp phún xạ để phủ điện cực lưng molybden trên nền kính natri-caxi. Sau đó, lớp hấp thụ đồng-gallium-selenide được chế tạo bằng phương pháp phun nhiệt độ cao và xử lý lưu huỳnh hóa, đồng thời pha tạp nhôm vào vùng phía sau để hình thành trường mặt sau. Lớp hấp thụ cần được xử lý sau khi phủ bằng kim loại kiềm để làm giảm các lỗi và cải thiện đặc tính điện hóa. Tiếp theo, lớp đệm cadmium sulfide được thêm vào bằng phương pháp tắm hóa học để tạo thành cấu trúc p-n. Cuối cùng, lớp oxit kẽm vô định hình và oxit kẽm pha tạp nhôm cùng điện cực phía trước được chế tạo bằng phương pháp phún xạ.

So với các pin trước đó, việc tối ưu hóa lớp hấp thụ bằng cách sử dụng gradient nồng độ nhôm dốc hơn và làm dày lớp đệm cadmium sulfide đã thành công trong việc nâng cao điện áp mở và giảm tái hợp tại giao diện. Thiết bị cuối cùng đạt hiệu suất chuyển đổi 12,28%, điện áp mở 0,996 volt, mật độ dòng ngắn mạch 17,90 miliamp trên mỗi centimet vuông, hệ số tải 68,8%.

Ngược lại, thiết bị chế tạo năm 2024 đạt hiệu suất 12,25%, điện áp mở 0,959 volt, mật độ dòng ngắn mạch 17,64 miliamp trên mỗi centimet vuông, hệ số tải 72,5%.

Kết quả nghiên cứu này được công bố trong bài báo có tiêu đề “Cải thiện đồng bộ thể thể và giao diện để đạt kỷ lục mới về hiệu suất pin mặt trời hợp chất lưu huỳnh có băng tần 1,7 electronvolt”, trên Tạp chí Tiến bộ Khoa học.

Ông Masato Ishizuka cho biết: “Công trình của chúng tôi tập trung vào nghiên cứu nền tảng cho các thiết bị hợp chất rộng băng tần dùng làm lớp trên của pin lai. Việc chế tạo các thiết bị nguyên mẫu còn cần phát triển các pin nền phù hợp và công nghệ ghép lớp tương ứng. Do đó, nghiên cứu này chưa đạt đến giai đoạn có thể xem xét sản xuất hàng loạt. Vì vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu cơ bản, chưa tiến hành phân tích chi phí chi tiết.”