Aurinkokennoille kaksi kerrosta on parempi kuin yksi

Mallinnus kaksikerroksisesta ohutkalvoisesta aurinkokennosta. CIGS- ja CZTSSe-kerrokset absorboivat auringonvalon eri spektrit ja luovat positiiviset ja negatiiviset hiukkaset, jotka kulkeutuvat ylä- ja alapinnan kerroksiin sähköä tuottamaan.

Aurinkokennot ovat kehittyneet pitkälle, mutta edulliset, ohutkalvoiset aurinkokennot ovat pahasti jäljessä kalliimpien, kiteisten aurinkokennojen tehokkuudesta. Nyt tutkijaryhmä ehdottaa, että kahden ohuen, eri materiaaleista valmistetun kalvon käyttäminen voi olla tapa edetä luomaan edullisia, ohutkalvokennoja noin 34%:n hyötysuhteella.

"Kymmenen vuotta sitten tiesin hyvin vähän aurinkokennoista, mutta minulle kävi selväksi, että ne olivat erittäin tärkeitä", kertoo Penn State yliopiston professori Akhlesh Lakhtakia.

Kenttää tutkittuaan hän havaitsi, että tutkijat lähestyivät aurinkokennoja kahdelta puolelta, optiselta puolelta - tarkastellen kuinka auringon valo kerätään - ja sähköiseltä puolelta - kuinka kerätty auringonvalo muuttuu sähköksi. Optiset tutkijat pyrkivät optimoimaan valon sieppauksen, kun taas sähköalan tutkijat pyrkivät optimoimaan muuntamisen sähköksi, molemmat osapuolet yksinkertaistaen toisiaan.

"Päätin luoda mallin, jossa sekä sähköisiä että optisia näkökohtia kohdellaan tasapuolisesti", Lakhtakia sanoi. "Meidän oli lisättävä todellista hyötysuhdetta, koska jos kennon hyötysuhde on alle 30%, sillä ei ole merkitystä."

Lakhtakia on teoreetikko. Hän ei tee ohuita kalvoja laboratoriossa, mutta luo matemaattisia malleja testaamaan kokoonpanojen ja materiaalien mahdollisuuksia, jotta muut voivat testata tuloksia. Hänen mukaansa ongelmana oli, että optisen ja sähköisen optimoinnin matemaattinen rakenne on hyvin erilainen.

Kennon tuottama energiamäärä riippuu kerätyn auringonvalon määrästä ja konversiokerroksen kyvystä. Eri materiaalit reagoivat ja muuttavat eri valon aallonpituuksia.

"Ymmärsin, että tehokkuuden lisäämiseksi meidän oli absorboitava enemmän valoa ", Lakhtakia sanoi. "Tätä varten meidän piti tehdä absorbointikerroksesta epähomogeeninen erityisellä tavalla."

Se erityinen tapa on käyttää kahta erilaista absorbointimateriaalia ohuina kalvoina. Tutkijat valitsivat kerroksiin kaupallisesti saatavissa olevat kupari-indiumgalliumdiselenidin(CIGS) ja kuparisinkkirikkiselenidin (CZTSSe). CIGS:n tehokkuus on noin 20% ja CZTSSe:n noin 11%. Nämä kaksi materiaalia toimivat yhdistelmäkennossa, koska molempien materiaalien rakenne on sama. Niillä on suunnilleen sama hilarakenne, joten niitä voidaan kasvattaa päällekkäin ja ne absorboivat spektrin eri taajuuksia, joten Lakhtakian laskelmien mukaan niiden pitäisi lisätä tehokkuutta.

"Se oli hämmästyttävää", Lakhtakia iloitsee. "Yhdessä ne tuottivat aurinkokennon 34%:n hyötysuhteella.

Tämä optoelektronisen mallin ennuste edellyttää, että kaistaenergian porrastus on optimaalinen molemmissa absorbointikerroksissa.

Tutkijoiden mukaan seuraava askel on luoda nämä kokeellisesti ja nähdä, mitkä vaihtoehdot saavat lopulliset, parhaat tulokset. He toivovat, että ne, jotka pystyvät todella tekemään aurinkokennoja, voivat löytää muiden kerrosten yhdistelmiä ja ehkä saada vieläkin parempia tuloksia.

Aiheesta aiemmin:

Ennätysmäisiä aurinkokennoja

Aurinkokennot tavoittelevat 30 %