Næste generation af solcelleanlæg til økonomisk ren energi

Energibæredygtighed repræsenterer en af ​​de store udfordringer, som det moderne samfund står over for, og tyndfilm solcelleanlæg giver en af ​​de bedste muligheder for hurtigt at udvide brugen af ​​vedvarende energi. Fotovoltaik (PV) ved hjælp af tyndfilmshalvlederen cadmiumtellurid (CdTe) er blevet kommercialiseret på gigawatt (GW) pr. år skala, med 17,5 GW installeret globalt.

I mange applikationer i brugsskala, det er billigere at producere elektricitet ved hjælp af CdTe PV end fossile brændstoffer. De udjævnede energiomkostninger (LCOE) fra CdTe PV er ~$0,04/kWh, mens den nationale gennemsnitlige LCOE fra alle kilder er $0,11/kWh. Desuden, livscyklusemissionerne af tungmetallet Cd fra CdTe PV er lavere end emissionerne fra traditionel elproduktion for den samme mængde produceret energi. CdTe bruger cirka en hundrededel af mængden af ​​halvledermaterialer, der bruges til c-silicium PV (den mest almindelige PV i brug i dag) og kan behandles 24 gange hurtigere end c-silicium.

For yderligere at reducere omkostningerne til elektricitet fra CdTe PV, Colorado State Univ. (CSU) forskere og partnere ved Center for Next Generation Photovoltaics, et industri-universitets kooperativt forskningscenter finansieret af National Science Foundation, udviklet en performance roadmap (figur 1). Fremskridt siden 2014 har været præget af tre fremskridt til den grundlæggende cellestruktur af CdTe PV. Fremskridtet var muligt takket være avancerede enhedsbehandlingsfunktioner udviklet på CSU kombineret med avanceret materialekarakterisering af dets partnere.

Det første fremskridt var udskiftningen af ​​det traditionelle CdS-emitterlag med magnesiumdoteret zinkoxid (MZO). MZO har et højere båndgab, der tillader flere fotoner at nå CdTe-absorberen. Ud over, MZO har ledningsbånd offset, der hjælper med at reducere grænsefladerekombination, derved bevares spændingen.

En anden forbedring i 2016 var inkorporeringen af ​​et Te-lag på bagsiden af ​​(under) CdTe, hvilket gav en forbedret kontakt og højere effektivitet. Disse forbedringer gjorde det muligt for CSU PV's effektivitet at nå 18,3 procent (uafhængigt certificeret) i 2016.

Det største gennembrud, imidlertid, var introduktionen af ​​et legeringslag af CdTe og CdSe (CdSeTe) foran CdTe. En fordel ved CdSeTe-laget er dets mindre båndgab, hvilket gør den i stand til at producere mere strøm. Vigtigere, imidlertid, den har en meget længere rekombinationslevetid end CdTe, og det ser ud til at danne et elektrisk felt i den gunstige retning ved overgangen til CdTe. Disse karakteristika tilsammen har flyttet cellespændingen omkring 80 mV tættere på båndgabet, og effektiviteten på CSU-laboratorier (uden en antireflekterende [AR]-belægning) nåede 19,2 procent i 2017.

Ud over den høje celleeffektivitet, CSU-teamet har bygget CdTe-strukturer for at lægge grundlaget for det næste præstationsgennembrud. For eksempel, strukturerne har opnået levetider for fotogenererede elektroner over 1, 000 nanosekunder, sammenlignet med mindre end 10 nanosekunder i de fleste CdTe-celler. Ud over, CSU's strukturer viser grænsefladerekombinationshastigheder på mindre end 80 cm/sek. sammenlignet med typiske værdier over 104 cm/sek. Sideløbende partnere ved Washington State Univ. og National Renewable Energy Laboratory har opnået dopingniveauer for huller i CdTe over 10 ¹⁶ cm ^–3 , hvilket er meget større end den typiske mid-10 ¹⁴ cm ^–3 rækkevidde.

Disse præstationer baner en klar vej mod endnu højere celleeffektivitet, og gør 25 procent til et realistisk kortsigtet (3-årigt) mål og 30 procent til et opnåeligt langsigtet mål. Effektivitetsgevinsterne vil føre til lavere LCOE fra CdTe PV. Ud over, forskningen på CSU udføres på pilotskalasystemer, som let kan oversættes til industriel fremstilling.

"Forskerne på CSU opretholder en tæt kobling mellem laboratorieforskning og det, der er kommercielt virkningsfuldt, " siger Markus Gloeckler, Chief Scientist hos First Solar. First Solar er den største producent af CdTe PV-moduler.