Doorbraak in dunne-film zonnecellen

Aanzienlijke verbetering van de efficiëntie mogelijk

Amorfe dunne-film zonnecel © CC-by-sa 3.0
voorlezen

Wetenschappers hebben een belangrijke doorbraak bereikt in de zoektocht naar efficiëntere dunne-film zonnecellen. Computersimulatie van de zogenaamde indium-gallium-puzzel laat zien dat ongelijke atomaire verdelingen de oorzaak zijn van lagere efficiënties. Als de cellen bij hogere temperaturen worden geproduceerd, kan de efficiëntie tot 30 procent worden verhoogd, volgens een studie in het tijdschrift "Physical Review Letters".

Dunne-film zonnecellen hebben een gestaag groeiend aandeel in de markt voor zonnecellen. Omdat ze slechts enkele micrometers dik zijn, besparen ze materiaal- en productiekosten. Het hoogste niveau van efficiëntie, momenteel ongeveer 20 procent, wordt bereikt door CIGS dunne-film zonnecellen, waarin zonlicht wordt geabsorbeerd door een dunne laag koper, indium, gallium, selenium en zwavel. De theoretisch mogelijke efficiëntie is verre van bereikt.

Simulaties kraken efficiëntie puzzels

Als onderdeel van het comCIGS-project werken verschillende Duitse universiteiten samen met bedrijven aan manieren om CIGS dunne-film zonnecellen verder te optimaliseren. De belangrijkste focus van wetenschappers van de Universiteit van Mainz onder leiding van professor Claudia Felser is de onverklaarbare puzzel van indium-gallium: hoewel eerdere berekeningen een optimale indium-galliumverhouding van 30:70 hebben voorspeld, vindt men in de praktijk de hoogste efficiëntie op één precies omgekeerde verhouding van 70:30.

Om te verduidelijken waarom, gebruikten de onderzoekers computersimulaties om de eigenschappen van het CIGS-materiaal te onderzoeken, waarvan de exacte formule Cu (In, Ga) (Se, S) 2 is. Ze maakten onder andere nieuwe berekeningen met een hybride methode, een combinatie van dichtheid-functionele berekeningen en Monte Carlo-simulaties. "Densiteit-functionele berekeningen kwantummechanisch berekenen de energieën van lokale structuren. De resultaten worden gebruikt om temperatuureffecten op grote lengteschalen te bepalen met Monte Carlo-simulaties ", legt Thomas Gruhn, hoofd van de theoriegroep, uit over de gebruikte methode.

Atomen zijn niet gelijkmatig verdeeld

Met behulp van de simulaties ontdekten de onderzoekers dat de indium- en galliumatomen niet uniform verdeeld zijn in het CIGS-materiaal. In plaats daarvan is er net onder de normale kamertemperatuur een fase waarin indium en gallium volledig gescheiden zijn. Boven de ontmengtemperatuur worden clusters van indium- of galliumatomen van verschillende grootte gevormd. Hoe hoger de temperatuur, hoe homogener het materiaal wordt. Bovendien is de gallium-rijke CIGS altijd inhomogeen dan de indium-rijke CIGS. De hogere inhomogeniteit verslechtert de opto-elektronische eigenschappen van het galliumrijke materiaal, wat tot op heden bijdraagt ​​aan de slecht begrepen slechte efficiëntie van de galrijke CIGS-cellen. tonen

Verbeteringsnotities voor productie

De berekeningen geven ook een concrete indicatie voor de productie van de CIGS-zonnecellen. Als het productieproces bij een hogere temperatuur plaatsvindt, wordt het materiaal veel homogener. Als het vervolgens voldoende snel wordt afgekoeld, blijft de gewenste homogeniteit behouden. In de praktijk is de procestemperatuur altijd beperkt geweest door de beperkte hittebestendigheid van het glas, dat als substraat voor de zonnecellen dient.

In dit opzicht is onlangs een beslissende doorbraak bereikt. Schott AG heeft een speciaal glas ontwikkeld dat de procestemperatuur tot meer dan 600 C heeft verhoogd. Het resultaat is veel meer homogene cellen. Een nieuw efficiëntierecord voor de cellen is dus binnen handbereik. Maar het comCIGS-project denkt al vooruit. "Momenteel wordt gewerkt aan grootformaat zonnecellen, die qua verkoopbaarheid beter zouden moeten presteren dan de verkoopbare cellen", kondigt Gruhn aan. "De kansen zijn goed."

(University Mainz, 20.07.2010 - NPO)