多結晶薄膜太陽電池の性能を向上させる新しい経路が出現

テルル化カドミウム（CdTe）多結晶薄膜光起電力材料の効率を改善するための新しい方法を解き明かしてテストすることは、国立再生可能エネルギー研究所（NREL）の研究科学者MatthewReeseとCraigPerkinsの典型的な一日です。他の優れた困惑者と同様に、彼らは好奇心と鋭い観察をタスクにもたらします。これらのスキルにより、時間の経過とともに、興味深い観察を行うようになりました。実際、彼らの発見は、次世代のいくつかの異なるタイプの薄膜太陽電池にとって恩恵となる可能性があります。

太陽電池材料の断片が一緒に結晶化されるか、「成長」すると（砂糖のカップの中で層状に成長する氷砂糖の断片を考えてください）、それらは多結晶太陽電池を作成します。多くのレイヤーには多くのサーフェスがあり、XNUMXつのレイヤーが終了して別のレイヤーが開始します。これらの表面は、電子の移動の自由を制限する欠陥を引き起こし、セルの効率を低下させる可能性があります。細胞が成長するにつれて、研究者は「パッシベーション」と呼ばれるプロセスで、これらの欠陥での電子の損失を最小限に抑える特定の化合物を導入することができます。

リース、パーキンス、コロラド鉱山学校の博士課程の学生であるデボラマクゴットは、3次元（2D）CdTe太陽電池の表面が、表面の欠陥を自然に排除する非常に薄い2次元（3D）層で覆われているように見えることに気づきました。この2Dパッシベーション層は、世界中で使用されている標準的な処理技術で、細胞が成長するにつれて2D光吸収層上にシート状に形成されます。このXNUMXDパッシベーション層はどこにでもあるにもかかわらず、研究文献では観察も報告もされていませんでした。 Reese、Perkins、および McGott は、XNUMXD パッシベーションは、銅インジウムガリウムセレン (CIGS) やペロブスカイト太陽電池 (PSC) などの他の薄膜太陽電池でも自然に発生していると考えました。彼らは、この観察が多くの種類の多結晶薄膜セルの性能を改善するための新しい方法の開発につながる可能性があることに気づきました。

彼らの仮説を確認するために、彼らは NREL の同僚と議論した. CdTeの, CIGS, PSC 研究グループ。コーヒー、廊下でのチャット、即席の会議など、多くの非公式な話し合いを通じて、リース、パーキンス、マクゴットは「あはは」の瞬間に到達しました。彼らのCdTeとCIGSの同僚は、彼らの研究コミュニティは一般に2D光吸収層で3D表面パッシベーションを実行しようとはしていませんでしたが、実際には発生していることを確認しました。 PSCの研究者は、3D / 2Dパッシベーション効果に気づき、パフォーマンスを向上させるためにデバイス処理に化合物を意図的に含め始めていると述べました。「アハ」の瞬間は、さらに重要な意味を持ちました。

「NRELのユニークな点の3つは、CdTe、CIGS、およびPSCテクノロジーに取り組んでいるさまざまな知識のプールを持つ専門家の大規模なグループがあることです」とリース氏は述べています。「そして私たちはお互いに話します！自然に発生する2D / XNUMXDパッシベーションに関する仮説を同僚と確認するのは簡単でした。なぜなら、私たちはさまざまな研究の成功と後退を継続的、非公式、そして協調的な方法で共有しているからです。私たちはお互いから学びます。これは、学術的または営利目的の多結晶薄膜太陽電池の研究では通常起こることではなく、情報が密接に保持され、研究者は特定の技術に孤立しがちです。」

リース、パーキンス、およびマクゴットの発見の詳細は、記事「多結晶薄膜太陽電池の成功の秘訣としての3D / 2Dパッシベーション、」ジャーナルに掲載されました ジュール。

文学における証拠の裏付け

彼らの発見を確認するために、マクゴットは広範な文献検索を実施し、かなりの裏付けとなる証拠を見つけました。文献では、CdTe、CIGS、および PSC テクノロジのそれぞれに不動態化 2D 化合物が存在することが確認されています。ただし、CdTeおよびCIGSテクノロジーでデバイスのパフォーマンスを向上させる2D化合物の機能については言及されていません。 PSC技術に関する多くの記事は、自然に発生する3D / 2Dパッシベーション効果に言及し、デバイス処理に特定の化合物を意図的に含める取り組みについて説明しましたが、この効果が他の多結晶薄膜光起電技術で有効である可能性を示唆するものはありませんでした。

多結晶薄膜太陽電池は、ガラス、プラスチック、または金属の裏打ちに光起電性材料の薄層または薄膜を堆積させることによって作られます。薄膜太陽電池は安価であり、多くの人々が彼らのよりユニークな用途に精通しています。それらは、たとえば消費財に電力を供給するために曲面に取り付けることも、光を通しながら電気を生成するために窓ガラスにラミネートすることもできます。ただし、薄膜太陽電池アプリケーションの最大の市場は、太陽電池モジュールを作成するための硬質ガラス上の CdTe 薄膜です。 CdTeモジュールはユーティリティ規模で展開され、従来のシリコンソーラーモジュールと直接競合します。現在、市販の薄膜モジュールは一般に最高の単結晶シリコンソーラーモジュールよりも効率が低く、多結晶薄膜研究者にとって性能の向上が最優先事項となっています。

2Dマテリアルの主要なプロパティ

Reese、Perkins、およびMcGottのチームは、結晶成長実験と組み合わせた表面科学技術を使用して、2つの主要な多結晶薄膜光起電技術の3D吸収体表面に2D層が存在し、不動態化されていることを示しました。次に、成功した XNUMXD 材料の主要な特性を分析し、不動態化化合物を選択するための一連の原則を開発しました。

最後に、チームは、3D / 2Dパッシベーションを多結晶薄膜太陽光発電技術でより一般的に使用できるようにする主要な設計戦略の概要を説明しました。各3Dマテリアルには特定のパッシベーションアプローチが必要であるため、これは特に重要です。

文献の結果は、実験室ベースの観察と組み合わせて、特に研究者が各技術のために開発された知識を自由に共有する場合、3D / 2Dパッシベーションが次世代薄膜太陽電池を可能にする成功の秘訣である可能性があることを示しています。 3D / 2Dパッシベーションの欠如は、ガリウムヒ素などの一部の多結晶技術の停滞した性能改善に光を当てる可能性さえあります。 Reese、Perkins、McGottは、XNUMXつの技術の類似点を描くことで、それぞれで開発された知識を他の技術でどのように活用できるか、また活用すべきかを示すことを望んでいます。これは、多結晶薄膜太陽電池の研究ではめったに見られないアプローチです。

NRELでのCdTe、CIGS、およびPSC薄膜研究は、エネルギー省の太陽エネルギー技術局によって資金提供されています。リースとマクゴットの研究のための追加の資金は、国防総省の海軍研究局によって提供されます。

詳細については、こちらから NRELでの太陽光発電研究.

記事の礼儀 NREL、米国エネルギー省.

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