Ο προβληματισμός και η δοκιμή νέων τρόπων βελτίωσης της αποτελεσματικότητας των φωτοβολταϊκών υλικών πολυκρυσταλλικού λεπτού υμενίου τελλουριούχου καδμίου (CdTe) είναι μια τυπική μέρα στη ζωή των ερευνητών του National Reewable Energy Laboratory (NREL) Matthew Reese και Craig Perkins. Όπως όλοι οι καλοί παζλ, φέρνουν περιέργεια και έντονη παρατήρηση στο έργο. Αυτές οι δεξιότητες τους οδήγησαν, με την πάροδο του χρόνου, να κάνουν μια ενδιαφέρουσα παρατήρηση. Στην πραγματικότητα, η ανακάλυψή τους μπορεί να αποδειχθεί ευλογία για την επόμενη γενιά διαφόρων τύπων ηλιακών κυττάρων λεπτής μεμβράνης.

Όταν θραύσματα υλικού ηλιακών κυττάρων κρυσταλλώνονται μαζί ή «καλλιεργούνται» - σκεφτείτε ένα κομμάτι καραμέλας που αναπτύσσεται σε στρώματα σε ένα φλιτζάνι ζάχαρη - δημιουργούν ένα πολυκρυσταλλικό ηλιακό κύτταρο. Με πολλά στρώματα έρχονται πολλές επιφάνειες, όπου ένα στρώμα τελειώνει και ένα άλλο ξεκινά. Αυτές οι επιφάνειες μπορούν να προκαλέσουν ελαττώματα που περιορίζουν την ελευθερία των ηλεκτρονίων να κινούνται, μειώνοντας την αποτελεσματικότητα του κυττάρου. Καθώς τα κύτταρα μεγαλώνουν, οι ερευνητές μπορούν να εισαγάγουν συγκεκριμένες ενώσεις που ελαχιστοποιούν την απώλεια ηλεκτρονίων σε αυτά τα ελαττώματα, σε μια διαδικασία που ονομάζεται «παθητικοποίηση».

Οι διδακτορικές φοιτητές Reese, Perkins και Colorado School of Mines, Deborah McGott, παρατήρησαν ότι οι τρισδιάστατες (3D) επιφάνειες των ηλιακών κυττάρων CdTe φάνηκαν να καλύπτονται σε ένα πολύ λεπτό, δισδιάστατο (2D) στρώμα που φυσικά εξάλειψε τα επιφανειακά ελαττώματα. Αυτό το 2D στρώμα παθητικοποίησης σχηματίζεται σε φύλλα στο τρισδιάστατο στρώμα απορρόφησης φωτός καθώς το κελί αναπτύσσεται, σε μια τυπική τεχνική επεξεργασίας που χρησιμοποιείται σε όλο τον κόσμο. Παρά την πανταχού παρουσία αυτού του 3D στρώματος παθητικοποίησης, δεν είχε παρατηρηθεί ούτε αναφερθεί στη βιβλιογραφία της έρευνας. Οι Reese, Perkins και McGott πίστευαν ότι η παθητικότητα 2D συνέβαινε επίσης φυσικά σε άλλα ηλιακά κύτταρα λεπτής μεμβράνης, όπως σεληνιούχο χάλκινο ίνδιο (CIGS) και ηλιακά κύτταρα υπεροβσκίτη (PSC). Συνειδητοποίησαν ότι αυτή η παρατήρηση θα μπορούσε να οδηγήσει στην ανάπτυξη νέων μεθόδων για τη βελτίωση της απόδοσης πολλών τύπων πολυκρυσταλλικών κυττάρων λεπτής μεμβράνης.

Για να επιβεβαιώσουν την υπόθεσή τους, το συζήτησαν με τους συναδέλφους του NREL στο CdTe, CIGS, να ΕΠΑ ερευνητικές ομάδες. Μέσα από πολλές άτυπες συζητήσεις που αφορούσαν καφέ, συνομιλίες στο διάδρομο και αυτοσχέδιες συναντήσεις, ο Reese, ο Perkins και ο McGott έφτασαν σε μια στιγμή «aha». Οι συνάδελφοί τους CdTe και CIGS επιβεβαίωσαν ότι, ενώ οι ερευνητικές τους κοινότητες δεν προσπαθούσαν γενικά να εκτελέσουν 2D επιφανειακή παθητικοποίηση στο 3D στρώμα απορρόφησης φωτός, στην πραγματικότητα συνέβη. Οι ερευνητές του PSC δήλωσαν ότι είχαν παρατηρήσει ένα φαινόμενο παθητικοποίησης 3D / 2D και άρχισαν σκόπιμα να περιλαμβάνουν ενώσεις στην επεξεργασία συσκευών για τη βελτίωση της απόδοσης. Η στιγμή «αχα» πήρε ακόμη μεγαλύτερη σημασία.

«Ένα από τα μοναδικά πράγματα για το NREL είναι ότι έχουμε μεγάλες ομάδες εμπειρογνωμόνων με διαφορετικές δεξαμενές γνώσεων που εργάζονται σε τεχνολογίες CdTe, CIGS και PSC», δήλωσε ο Reese. «Και μιλάμε ο ένας στον άλλο! Η επιβεβαίωση της υπόθεσής μας σχετικά με τη φυσική παθητικοποίηση 3D / 2D με τους συναδέλφους μας ήταν εύκολη επειδή μοιραζόμαστε τις επιτυχίες και τις αποτυχίες της διαφορετικής έρευνάς μας με συνεχή, ανεπίσημο και συνεργατικό τρόπο. Μαθαίνουμε ο ένας από τον άλλο. Δεν είναι κάτι που συμβαίνει συνήθως σε ακαδημαϊκή ή κερδοσκοπική έρευνα πολυκρυσταλλικών ηλιακών κυττάρων λεπτής μεμβράνης, όπου οι πληροφορίες διατηρούνται στενά, και οι ερευνητές τείνουν να παραμένουν σιωπηλοί στη συγκεκριμένη τεχνολογία τους. "

Οι λεπτομέρειες της ανακάλυψης των Reese, Perkins και McGott παρουσιάζονται στο άρθρο «Παθητικοποίηση 3D / 2D ως μυστικό επιτυχίας για πολυκρυσταλλικά ηλιακά κύτταρα λεπτής μεμβράνης, "Δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Μονάδα ενέργειας ή έργου.

Υποστηρικτικά στοιχεία στη βιβλιογραφία

Για να επιβεβαιώσει τα ευρήματά τους, ο McGott διενήργησε μια εκτενή βιβλιογραφική έρευνα και βρήκε σημαντικά αποδεικτικά στοιχεία. Η βιβλιογραφία επιβεβαίωσε την παρουσία παθητικοποιημένων 2D ενώσεων σε καθεμία από τις τεχνολογίες CdTe, CIGS και PSC. Ωστόσο, δεν αναφέρθηκε η ικανότητα των 2D ενώσεων να βελτιώσουν την απόδοση της συσκευής σε τεχνολογίες CdTe και CIGS. Ενώ πολλά άρθρα σχετικά με τις τεχνολογίες PSC σημείωσαν τη φυσική παθητικοποίηση 3D / 2D και συζήτησαν τις προσπάθειες να συμπεριληφθούν σκόπιμα συγκεκριμένες ενώσεις στην επεξεργασία συσκευών, κανένα δεν πρότεινε ότι αυτό το φαινόμενο μπορεί να είναι ενεργό σε άλλες πολυκρυσταλλικές φωτοβολταϊκές τεχνολογίες λεπτής μεμβράνης.

Τα πολυκρυσταλλικά ηλιακά κύτταρα λεπτής μεμβράνης κατασκευάζονται με εναπόθεση λεπτών στρωμάτων, ή λεπτής μεμβράνης, από φωτοβολταϊκό υλικό σε ένα υπόστρωμα από γυαλί, πλαστικό ή μέταλλο. Τα ηλιακά κύτταρα λεπτής μεμβράνης είναι φθηνά και πολλοί άνθρωποι εξοικειώνονται με τις πιο μοναδικές εφαρμογές τους. Μπορούν να τοποθετηθούν σε καμπύλες επιφάνειες - για να τροφοδοτήσουν καταναλωτικά αγαθά, για παράδειγμα - ή να τοποθετηθούν σε στρώματα σε τζάμι παραθύρου για να παράγουν ηλεκτρισμό ενώ αφήνουν φως. Ωστόσο, η μεγαλύτερη αγορά για εφαρμογές ηλιακών κυψελών λεπτής μεμβράνης είναι η λεπτή μεμβράνη CdTe σε άκαμπτο γυαλί για την κατασκευή ηλιακών μονάδων. Οι μονάδες CdTe αναπτύσσονται σε κλίμακα χρησιμότητας, όπου ανταγωνίζονται άμεσα με συμβατικές μονάδες ηλιακού πυριτίου. Επί του παρόντος, οι εμπορικές μονάδες λεπτής μεμβράνης είναι γενικά λιγότερο αποτελεσματικές από τις καλύτερες μονάδες ηλιακού πυριτίου μονής κρυστάλλου, καθιστώντας τις βελτιώσεις απόδοσης υψηλή προτεραιότητα για τους ερευνητές πολυκρυσταλλικών λεπτών μεμβρανών.

Βασικές ιδιότητες υλικών 2D

Η ομάδα των Reese, Perkins και McGott χρησιμοποίησε τεχνικές επιφανειακής επιστήμης σε συνδυασμό με πειράματα ανάπτυξης κρυστάλλων για να δείξει ότι τα 2D στρώματα υπήρχαν και παθητικοποιήθηκαν 3D απορροφητικές επιφάνειες στις τρεις κορυφαίες πολυκρυσταλλικές φωτοβολταϊκές τεχνολογίες λεπτής μεμβράνης. Στη συνέχεια ανέλυσαν τις βασικές ιδιότητες των επιτυχημένων 2D υλικών και ανέπτυξαν ένα σύνολο αρχών για την επιλογή παθητικοποιημένων ενώσεων.

Τέλος, η ομάδα περιέγραψε βασικές στρατηγικές σχεδιασμού που θα επιτρέψουν την παθητικοποίηση 3D / 2D σε πολυκρυσταλλικές τεχνολογίες φωτοβολταϊκών λεπτής μεμβράνης γενικότερα. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό επειδή κάθε υλικό 3D απαιτεί μια συγκεκριμένη προσέγγιση παθητικοποίησης.

Τα αποτελέσματα της βιβλιογραφίας, σε συνδυασμό με εργαστηριακές παρατηρήσεις, δείχνουν ότι το παθητικό 3D / 2D μπορεί να είναι το μυστικό της επιτυχίας στην ενεργοποίηση ηλιακών κυττάρων λεπτής μεμβράνης επόμενης γενιάς, ειδικά εάν οι ερευνητές μοιράζονται ελεύθερα τις γνώσεις που αναπτύχθηκαν για κάθε τεχνολογία. Η έλλειψη παθητικοποίησης 3D / 2D μπορεί ακόμη και να ρίξει φως στις βελτιώσεις απόδοσης ορισμένων πολυκρυσταλλικών τεχνολογιών, όπως το αρσενίδιο του γαλλίου. Σχεδιάζοντας παράλληλα μεταξύ των τριών τεχνολογιών, οι Reese, Perkins και McGott ελπίζουν να δείξουν πώς η γνώση που αναπτύχθηκε σε κάθε μπορεί - και πρέπει - να αξιοποιηθεί από άλλες τεχνολογίες, μια προσέγγιση που σπάνια παρατηρείται στην έρευνα πολυκρυσταλλικών ηλιακών κυττάρων λεπτής μεμβράνης.

Η έρευνα λεπτών ταινιών CdTe, CIGS και PSC στο NREL χρηματοδοτείται από το Γραφείο Ηλιακής Ενέργειας του Τμήματος Ενέργειας. Πρόσθετη χρηματοδότηση για την έρευνα του Reese και του McGott παρέχεται από το Γραφείο Ναυτικής Έρευνας του Υπουργείου Άμυνας.

Μάθετε περισσότερα σχετικά με φωτοβολταϊκή έρευνα στο NREL.

Το άρθρο είναι ευγενική προσφορά του NREL, Το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ.

Coinsmart. Beste Bitcoin-Börse στην Ευρώπη
Πηγή: https://cleantechnica.com/2021/06/13/new-pathway-emerges-to-improve-polycrystalline-thin-film-solar-cell-performance/