Кобальт-галлий-селеновые солнечные элементы достигли эффективности 12,28%, японская команда обновила мировой рекорд

(Источник: International Power Exchange epintl)

Японские исследователи достигли фотогальванической эффективности 12,28% на солнечных элементах из селенида меди-галлия, что является максимальным показателем среди широко запрещенных слоёв с шириной зазора 1,65-1,75 электронвольт, без использования олова. Этот прибор использует тонкий слой с алюминиевым легированием, а также сочетает задний поверхностный поле и оптимизированный слой буфера из сульфида кадмия для повышения открытого напряжения, снижения рекомбинации носителей и улучшения общей производительности.

Исследователи из Национального института передовых промышленных наук и технологий Японии использовали солнечный элемент с поглощающим слоем CuGaSe₂, достигнув эффективности 12,28%.

Медь-галлий-селенид — это полупроводник из семейства желтоплавниковых минералов, тесно связанный с материалами CIGS (медь-индий-галлий-селен). Он является идеальным материалом для поглощающего слоя солнечных элементов, поскольку является прямым зазором полупроводником с шириной примерно 1,68 электронвольт, что обеспечивает эффективное поглощение видимого света. Кроме того, медь-галлий-селенид обладает высоким коэффициентом поглощения, что позволяет даже очень тонким слоям поглощать большую часть входящего солнечного излучения. Этот материал также демонстрирует хорошую терпимость к дефектам, что помогает снизить рекомбинацию носителей и позволяет солнечным элементам сохранять хорошие характеристики даже при наличии кристаллических дефектов.

Главный автор исследования, Масагуго Ицука, заявил журналу Photovoltaics: «Эта эффективность может считаться рекордной для широкозазорных сульфидных солнечных элементов в диапазоне 1,65–1,75 электронвольт, особенно в области без олова и связанных с CIGS. Она превосходит показатели, зафиксированные в таблице эффективности в последнем выпуске Journal of Photovoltaic Progress (第67版, таблица 3), по характеристикам медь-галлий-селенид-алюминиевых солнечных элементов.»

Он добавил: «Производительность этого устройства подтверждена независимой сертифицированной лабораторией — Центром передовых исследований возобновляемых источников энергии, командой калибровки, стандартов и измерений в Институте промышленных технологий Японии (AIST).»

Это устройство было усовершенствовано на базе разработки, созданной японскими исследователями в 2024 году. В процессе изготовления поглощающего слоя из медь-галлий-селенидного тонкого слоя в задней области добавлен алюминий, что значительно повысило открытое напряжение, коэффициент заполнения и общую фотогальваническую эффективность. Основным фактором этого улучшения стало формирование заднего поверхностного поля, усиливающего сбор носителей.

Этот рекордный солнечный элемент изготовлен методом трёхэтапной технологии, при которой в первый этап вводится алюминий и фторид ртути, а на последнем этапе дополнительно вводится фторид ртути. Точное управление распределением алюминия в поглощающем слое позволяет повысить открытое напряжение без снижения эффективности преобразования.

Элемент основан на стеклянной подложке из натрий-кастальского стекла, на которую нанесён молибденовый задний электрод. Далее создаётся слой из медь-галлий-селенидного поглощающего слоя методом высокотемпературного напыления и селенизации, после чего в задней области вводится алюминий для формирования заднего поверхностного поля. Поглощающий слой подвергается обработке щелочными металлами для пассивации дефектов и улучшения электрохимических характеристик. Затем с помощью химического осаждения добавляется слой из сульфида кадмия для формирования p-n-перехода. В завершение методом распыления создаются индетерминированный оксид цинка, алюминий-легированный оксид цинка и передний электрод.

По сравнению с предыдущими образцами, за счёт более резкого градиента концентрации алюминия и увеличения толщины слоя из сульфида кадмия для буфера, удалось повысить открытое напряжение и снизить интерфейсную рекомбинацию. В результате конечная эффективность достигла 12,28%, открытое напряжение — 0,996 В, плотность тока при коротком замыкании — 17,90 мА/см², коэффициент заполнения — 68,8%.

Для сравнения, в 2024 году созданный образец достиг эффективности 12,25%, открытого напряжения 0,959 В, плотности тока 17,64 мА/см² и коэффициента заполнения 72,5%.

Эти результаты опубликованы в статье под названием «Совместное управление внутренней структурой и интерфейсами для достижения новой рекордной эффективности 1,7 электронвольтного сульфидного сульфидного солнечного элемента», в журнале Progress in Science.

Масагуго Ицука отметил: «Наша работа сосредоточена на фундаментальных исследованиях широкозазорных устройств, используемых в качестве верхних элементов многослойных солнечных батарей. Для создания прототипов необходимо разработать подходящие базовые солнечные элементы и соответствующие технологии стыковки. Поэтому в настоящее время проект ещё не готов к масштабному производству. Поскольку это всё ещё фундаментальные исследования, мы не проводили детальный анализ стоимости.»