Мідь-галлій-селенові сонячні батареї мають ефективність 12,28%, японська команда оновила світовий рекорд

(Джерело: International Power Exchange epintl)

Японські дослідники досягли фотоефективності 12,28% у сонячних елементах на основі сульфіду міді-галлію-селену, що є найвищим показником у відкритому діапазоні ширини забороненої зони 1,65–1,75 електронвольт, без використання індію та з широкою забороненою зоною, у поглинаючих шарах. Пристрій використовує тонкий шар з алюмінієвим домішуванням для регулювання, поєднаний із заднім полем та оптимізованим буферним шаром з сульфіду кадмію, щоб підвищити напругу відкритого ланцюга, зменшити рекомбінацію носіїв та покращити загальну продуктивність.

Дослідники з Національного інституту передових промислових наук і технологій Японії створили сонячний елемент із поглинаючим шаром з CuGaSe₂ (селенід міді-галлію), що досяг фотоефективності 12,28%.

CuGaSe₂ — це напівпровідник із родини сульфідів галенію, тісно пов’язаний із матеріалами для сонячних елементів на основі CIGS (сульфід міді-індію-галлію). Це ідеальний матеріал для поглинаючого шару сонячних елементів, оскільки він є прямим забороненим напівпровідником із шириною забороненої зони близько 1,68 електронвольт, що дозволяє ефективно поглинати видиме світло. Крім того, CuGaSe₂ має високий коефіцієнт поглинання, що означає, що навіть дуже тонкий шар може поглинути більшу частину сонячного випромінювання. Цей матеріал також демонструє хорошу толерантність до дефектів, що допомагає зменшити рекомбінацію носіїв і дозволяє сонячним елементам зберігати хорошу продуктивність навіть за наявності недосконалостей у кристалічній структурі.

Головний автор дослідження, Масагуго Ісцука, зазначив у журналі «Photovoltaic Journal»: «Ця ефективність може вважатися найвищою у відкритому діапазоні ширини забороненої зони 1,65–1,75 електронвольт для сонячних елементів із широкою забороненою зоною, особливо у сфері безідієвих сонячних елементів із родини сульфідів галенію (або CIGS). Вона перевищує показники, наведені у таблиці ефективності (версія 67) у останньому випуску журналу «Photovoltaic Progress», у таблиці 3 для сонячних елементів з CuGaSe₂ та алюмінію.»

Він додав: «Показники цього пристрою підтверджені незалежною сертифікацією лабораторії — Центром передових досліджень відновлюваної енергії, Японським інститутом промислових технологій (AIST), командою калібрування, стандартів і вимірювань у галузі фотогальваніки.»

Цей пристрій був покращений на основі дизайну батареї, розробленого дослідниками AIST у 2024 році. Введення алюмінію у задню частину тонкого шару CuGaSe₂ значно підвищило напругу відкритого ланцюга, коефіцієнт заповнення та загальну фотоефективність. Це досягнуто завдяки формуванню заднього поля, що посилює збір носіїв.

Цей рекордний сонячний елемент створений за допомогою трьохетапної технології виготовлення поглинаючого шару CuGaSe₂, яка передбачає початкове введення алюмінію та фторфторїду у першому етапі та додаткове введення фторфторїду наприкінці третього етапу. Точне регулювання розподілу алюмінію у поглинаючому шарі спрямоване на підвищення напруги відкритого ланцюга без зниження ефективності перетворення.

Елемент має підкладку з натрію-касталієвого скла, на якій нанесено молібденовий задній електрод. Над ним розташовані поглинаючий шар із CuGaSe₂, 150-нанометровий буферний шар з сульфіду кадмію, віконний шар з оксиду цинку та металевий сітчастий електрод.

Процес виробництва починається з осадження молібденового заднього електрода методом іонного пучка на підкладку з натрію-касталієвого скла. Потім за допомогою високотемпературного напилення та селенування створюється поглинаючий шар CuGaSe₂, і у задній частині вводиться алюміній для формування заднього поля. Поглинаючий шар обробляється щілинною обробкою для пасивації дефектів і покращення електрохімічних характеристик. Наступним кроком є додавання буферного шару з сульфіду кадмію методом хімічного осадження для формування p-n переходу. Нарешті, методом іонного пучка створюються інтрінсні оксиди цинку та алюмінію, а також передній електрод.

Порівняно з попередніми елементами, оптимізація за рахунок більш крутої градієнтної концентрації алюмінію та збільшення товщини буферного шару з сульфіду кадмію дозволила підвищити напругу відкритого ланцюга та зменшити інтерфейсну рекомбінацію. В результаті пристрій досяг фотоефективності 12,28%, напруги відкритого ланцюга 0,996 В, щільності короткочасного струму 17,90 мА/см² та коефіцієнта заповнення 68,8%.

Для порівняння, пристрій, створений у 2024 році, показав ефективність 12,25%, напругу відкритого ланцюга 0,959 В, щільність короткочасного струму 17,64 мА/см² та коефіцієнт заповнення 72,5%.

Ці результати опубліковані у статті під назвою «Спільне управління тілом і інтерфейсом для досягнення нової рекордної ефективності сонячних елементів із шириною забороненої зони 1,7 електронвольт», у журналі «Наука прогресу».