Ινδοί επιστήμονες ανέπτυξαν μια λεπτού υμενίου ηλιακή κυψέλη CIS χωρίς κάδμιο, χρησιμοποιώντας οξείδιο του ινδίου ως στρώμα μεταφοράς ηλεκτρονίων - Επιτυχία προσομοιωμένης απόδοσης 29,79% με μοντελοποίηση SCAPS-1D
Μέσω ανάλυσης ευαισθησίας, έδειξαν ότι η χαμηλή πυκνότητα ελαττωμάτων, το βελτιστοποιημένο πάχος του απορροφητή και η αποτελεσματική θερμική διαχείριση είναι κρίσιμα για την ελαχιστοποίηση των απωλειών επανασύνδεσης και την επίτευξη συσκευών υψηλής απόδοσης και κλιμάκωσης.
Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Nirma της Ινδίας και το Samastipur College, Samastipur, σχεδίασαν μια λεπτής μεμβράνης ηλιακή κυψέλη χωρίς κάδμιο, με απορροφητή χαλκού-ινδίου-σεληνίου (CIS) και στρώμα μεταφοράς ηλεκτρονίων (ETL) από οξείδιο του ινδίου (In₂O₃).
Σημείωσαν ότι, αν και οι λεπτές μεμβράνες CIS είναι πολλά υποσχόμενοι ηλιακοί απορροφητές λόγω του άμεσου ενεργειακού χάσματός τους περίπου 1,5 eV και του υψηλού συντελεστή απορρόφησης, η απόδοση της συσκευής περιορίζεται συχνά από επανασύνδεση υποβοηθούμενη από παγίδες και από αναποτελεσματική συλλογή φορέων στο διεπιφανειακό επίπεδο.
«Ιστορικά, υλικά όπως το θειούχο κάδμιο (CdS), το διοξείδιο του τιτανίου (TiO₂), το οξείδιο του ψευδαργύρου (ZnO) και το οξείδιο του κασσιτέρου (SnO₂) έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως ως στρώματα μεταφοράς ηλεκτρονίων σε ηλιακές κυψέλες λεπτού υμενίου», δήλωσε στο pv magazine ο συγγραφέας επικοινωνίας Shibu G. Pillai.
«Ωστόσο, παρουσιάζουν σημαντικές προκλήσεις για βιώσιμη κλιμάκωση. Το CdS εγείρει σοβαρές περιβαλλοντικές και τοξικολογικές ανησυχίες, ενώ και οι εναλλακτικές χωρίς κάδμιο έχουν μειονεκτήματα: το TiO₂ υποφέρει από φωτοκαταλυτική αποδόμηση λόγω UV και χαμηλή κινητικότητα ηλεκτρονίων, το ZnO εμφανίζει χημική αστάθεια και το SnO₂ συχνά απαιτεί επεξεργασία σε υψηλές θερμοκρασίες που μπορεί να εισάγει διεπιφανειακές καταστάσεις παγίδευσης» συμπλήρωσε.
«Επιλέξαμε το In₂O₃ επειδή προσφέρει έναν μοναδικό συνδυασμό ιδιοτήτων», πρόσθεσε ο συν-συγγραφέας Keyur Sangani.
«Παρέχει υψηλή κινητικότητα ηλεκτρονίων, χαμηλή ειδική αντίσταση, εξαιρετική οπτική διαφάνεια στο ορατό φάσμα και ισχυρή χημική σταθερότητα. Αυτά τα χαρακτηριστικά επιτρέπουν αποτελεσματική εξαγωγή ηλεκτρονίων από τον απορροφητή CuInS₂, μειώνοντας παράλληλα την επανασύνδεση στη διεπιφάνεια. Το In₂O₃ αποφεύγει επίσης τη φωτοκαταλυτική αποδόμηση και υποστηρίζει επεξεργασία σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, καθιστώντας το κατάλληλο για εύκαμπτα υποστρώματα και χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας».
Η προτεινόμενη δομή της συσκευής αποτελείται από εμπρόσθια επαφή αλουμινίου (Al), υπόστρωμα φθοριούχου οξειδίου κασσιτέρου (FTO), στρώμα ETL από In₂O₃, απορροφητή CuInS₂, στρώμα μεταφοράς οπών από άμορφο πυρίτιο (a-Si:H) και οπίσθια επαφή νικελίου.
Σχηματική απεικόνιση της ηλιακής κυψέλης - Εικόνα: Πανεπιστήμιο Nirma
Για να αξιολογήσουν την πρακτική εφαρμοσιμότητα και την ανθεκτικότητα της συσκευής, οι ερευνητές πραγματοποίησαν μια ολοκληρωμένη παραμετρική ανάλυση ευαισθησίας
Με συστηματική μεταβολή του πάχους του απορροφητή, της συγκέντρωσης πρόσμιξης και των πυκνοτήτων ελαττωμάτων, αξιολόγησαν την ανοχή σε μη ιδανικές συνθήκες και εντόπισαν βέλτιστο πάχος απορροφητή περίπου 1 μm.
Διαπίστωσαν επίσης ότι η αυξημένη πρόσμιξη ενισχύει την τάση ανοικτού κυκλώματος και τον συντελεστή πλήρωσης, ενώ η υπερβολική πυκνότητα ελαττωμάτων προάγει την επανασύνδεση Shockley–Read–Hall και υποβαθμίζει την απόδοση.
Η διατήρηση χαμηλών πυκνοτήτων ελαττωμάτων στον όγκο και στη διεπιφάνεια είναι επομένως κρίσιμη για τη διατήρηση της φωτοτάσης και την ελαχιστοποίηση των απωλειών επανασύνδεσης.
Προσομοιώσεις εξαρτώμενες από τη θερμοκρασία έδειξαν επίσης ότι τα θερμικά φαινόμενα επηρεάζουν σημαντικά την απόδοση, υπογραμμίζοντας την ανάγκη για αποτελεσματική θερμική διαχείριση ώστε να μετριαστεί η υποβάθμιση της διάρκειας ζωής των φορέων σε αυξημένες θερμοκρασίες.
Επιπλέον, η Voc μειώνεται με την αύξηση του πάχους του απορροφητή λόγω μεγαλύτερης επανασύνδεσης στον όγκο και αυξημένης πυκνότητας ρεύματος κορεσμού, ενώ ο συντελεστής πλήρωσης παραμένει σχετικά σταθερός, υποδεικνύοντας περιορισμένες ωμικές απώλειες.
Η βελτιστοποιημένη συσκευή πέτυχε μέγιστη απόδοση μετατροπής ισχύος 29,79% σε προσομοιώσεις SCAPS-1D. Ωστόσο, αυτή η τιμή βασίζεται σε ιδανικές παραδοχές για τα ελαττώματα και αντιπροσωπεύει ένα θεωρητικό ανώτατο όριο.
Γι’ αυτό χρησιμοποιήθηκε λεπτομερής ανάλυση ευαισθησίας για την αξιολόγηση της εφαρμοσιμότητας στον πραγματικό κόσμο και της σταθερότητας της συσκευής
«Συνολικά, ο συνδυασμός απορροφητών CIS με στρώματα ETL από In₂O₃ προσφέρει μια σαφή, οικονομικά αποδοτική και πλήρως φιλική προς το περιβάλλον διαδρομή για φωτοβολταϊκά λεπτής μεμβράνης υψηλής απόδοσης και ευκαμψίας», κατέληξε ο συν-συγγραφέας Ritesh Kumar Chourasia.
(Η νέα έννοια της κυψέλης παρουσιάστηκε στο άρθρο «Indium oxide as a high-performance ETL for CuInS₂ thin-film solar cells», που δημοσιεύθηκε στο Next Materials)
www.worldenergynews.gr
