新工艺提升双面CIGS薄膜太阳能电池效率

诸平

Fig. 1 Bifacial CIGS solar cells consist of very thin layers, only 3 μm in total for the active materials. Deposit-ed on top of a transparent electrical contact, the CIGS polycrystalline layer absorbs the light from both front and back sides. Image: Empa

Fig. 2 Researchers Shih-Chi Yang (left) and Romain Carron behind the deposition equipment for the CIGS layer, which absorbs the light for conversion into electricity. Image: Empa

Fig. 3

据瑞士联邦材料科学与技术实验室(EMPA :德语Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt /英文全称为Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology) 迈克尔·哈格曼（Michael Hagmann）2022年12月14日报道，由瑞士、中国及西班牙的研究人员组成的研究团队研发出可以从两侧收集太阳能电池，新工艺提升双面CIGS薄膜太阳能电池效率（New process boosts efficiency of bifacial CIGS thin film solar cell）。

基于铜铟镓二硒化物（copper indium gallium diselenide，Cu(In,Ga)Se₂简称CIGS）的双面薄膜太阳能电池可以从正面和背面收集太阳能，因此可能比传统太阳能电池产生更多的太阳能电量。然而，到目前为止，它们的制造只带来了适度的能量转换效率。瑞士联邦材料科学与技术实验室（EMPA）领导的国际团队，现已开发出一种新的低温生产工艺，使前照度效率达到创纪录的19.8%，后照度效率达到10.9%。此外，他们还生产了第一个双面钙钛矿-CIGS串联太阳能电池，相关研究结果于2022年11月21日已经在《自然能源》（Nature Energy）杂志网站发表——Shih-Chi Yang, Tzu-Ying Lin, Mario Ochoa, Huagui Lai, Radha Kothandaraman, Fan Fu, Ayodhya N. Tiwari, Romain Carron. Efficiency boost of bifacial Cu(In,Ga)Se₂ thin-film solar cells for flexible and tandem applications with silver-assisted low-temperature process. Nature Energy, Published: 21 November 2022. DOI: 10.1038/s41560-022-01157-9. https://www.nature.com/articles/s41560-022-01157-9.此研究成果为未来更高的能源产量开辟了可能性。

参与此项研究的除了EMPA研究人员之外，还有来自中国台湾清华大学（Tsing Hua University, Hsinchu, Taiwan, China）以及西班牙桑坦德的坎塔布里亚大学（University of Cantabria, Santander, Spain）的研究人员。

这个想法简单明了：如果我可以收集直射阳光以及通过太阳能电池后端反射的阳光，这应该会增加电池产生的能量。潜在的应用包括，例如，建筑一体化光伏（building-integrated photovoltaics）、农业光伏（agrivoltaics）即同时利用土地进行光伏发电和农业，以及在高海拔地面上垂直或高倾斜安装的太阳能模块。开始从事双面太阳能电池，根据国际光伏技术路线图（International Technology Roadmap of Photovoltaics），到2030年，双面太阳能电池将占据整个光伏市场70%的市场份额。

虽然基于硅片的双面太阳能电池已经上市，但薄膜太阳能电池却远远落后。这至少部分是由于双面CIGS薄膜太阳能电池的效率相当低，这是由一个关键的瓶颈问题引起的：对于任何能够在背面收集反射阳光的双面太阳能电池，光学透明的电触点是先决条件。这是通过使用透明导电氧化物 (transparent conductive oxide简称TCO) 替代传统（即单面）钼制太阳能电池中的不透明背接触来实现的。

有害的氧化物形成（A detrimental oxide formation）

而这就是问题所在：高效CIGS太阳能电池通常是通过高温沉积工艺生产的，即550 ℃以上。然而，在这些温度下，（CIGS 层的）镓和透明背接触层的氧之间会发生化学反应形成一种氧化物。由此产生的氧化镓（gallium oxide）界面层会阻挡阳光产生的电流，从而降低电池的能量转换效率。到目前为止，单个电池的最高值是正面为 9.0%，背面为 7.1%。“对于具有前后透明导电触点的太阳能电池来说，要获得良好的能量转换效率真的很困难”，EMPA薄膜和光伏实验室（Empa's Thin Film and Photovoltaics lab）的负责人阿约提亚·蒂瓦里（Ayodhya N. Tiwari）说。

因此，阿约提亚·蒂瓦里实验室罗曼·卡伦（Romain Carron, Fig. 2）小组的博士生杨世基（Shih-Chi Yang音译）开发了一种新的低温沉积工艺，该工艺应该会产生更少的有害氧化镓——理想情况下根本不会产生。他们使用少量银作为某种秘密成分来降低CIGS合金的熔点，并在仅 353 ℃的沉积温度下获得具有良好电子特性的吸收层。果然，当他们用高分辨率透射电子显微镜分析多层结构时，在阿约提亚·蒂瓦里实验室的前博士后林姿瑩（Tzu-Ying Lin音译，现在中国台湾新竹的清华大学）的帮助下，该团队根本无法在界面处检测到任何氧化镓。

雄心勃勃的目标：能源产量超过 33%（The ambitious goal: an energy yield of more than 33%）

这也反映在能量转换效率的显著提高上：该电池产生的前照度（front illumination）值为19.8%，后照度（rear illumination）值为 10.9%，已通过位于德国弗莱堡（Freiburg，Germany）的弗劳恩霍夫太阳能系统研究所 (Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems简称ISE)的独立认证——在玻璃基板上的相同电池。更重要的是，该团队还首次成功地在柔性聚合物基板上制造了双面CIGS太阳能电池，由于其重量轻且柔韧性好，扩大了潜在应用范围。最后，研究人员结合了两种光伏技术——CIGS和钙钛矿太阳能电池——来生产双面“串联”电池。根据阿约提亚·蒂瓦里的说法，双面CIGS技术有可能产生超过33%的能量转换效率，从而为未来的薄膜太阳能电池开辟了更多机会。阿约提亚·蒂瓦里目前正在尝试与欧洲的主要实验室和公司建立合作关系，以加快技术开发及其更大规模的工业可制造性研究。

这项工作得到了瑞士联邦能源办公室(Swiss Federal Office of Energy简称SFOE)的资助(SFOE; SI/502310-01 ‘ACIGS’)；中国台湾青年学者爱因斯坦计划资助（Young Scholar Fellowship Einstein Program, Taiwan, China: grant no. MOST 110-2636-E-007-015）;中国台湾留学基金委(CSC)、欧盟“地平线2020研究与创新计划”（ European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme: grant agreement no. 850937）、AMYS项目下的战略重点领域先进制造（Strategic Focus Area Advanced Manufacturing under the project AMYS）的资助，以促进大面积光电子混合有机-无机半导体的可制造性。

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Abstract

Bifacial Cu(In,Ga)Se₂ (CIGS) solar cells are attractive for a range of applications, but their low power conversion efficiency is a limitation. To improve their efficiency, the formation of GaO_x at the CIGS/transparent-conducting-oxide interface and charge recombination near this interface under rear illumination need to be suppressed. In the study reported here we prevented the formation of GaO_x by silver-promoted low-temperature growth of the CIGS layer. This process also led to an improvement in the absorber quality, a steep Ga gradient near the back interface and reduced the absorption of the transparent conducting oxide. We also report here a certified bifacial solar cell on a glass substrate with efficiencies of 19.77% and 10.89% under front and rear illumination, respectively. We also fabricated bifacial solar cells directly on flexible substrates. Finally, we prepared bifacial perovskite/CIGS tandem solar cells in a four-terminal configuration, achieving a power generation density of 28.0 mW cm^-2 under 1 Sun and 30% albedo illumination.