Институт Фраунгофера ISE создал первый тандемный солнечный элемент на основе перовскита и кремния с медной металлизацией

Аккумуляторная батарея TROJAN J305G-AC

Используя метод маскирования и нанесения медной металлизации, учёные из немецкого исследовательского центра изготовили тандемный солнечный элемент на основе перовскита и кремния площадью 1,21 см² с нижним устройством на основе гетероперехода. Эффективность элемента составила 19,35 %, что, по имеющимся данным, является самым высоким показателем для этого типа элементов с гальванической передней металлизацией.

Образцы текстурированного кремниевого гетероперехода после металлизации маски и пластины

Исследователи из Института систем солнечной энергии им. Фраунгофера (Fraunhofer ISE) в Германии впервые применили так называемый метод фронтальной металлизации с использованием маски и пластины для разработки тандемных солнечных элементов на основе перовскита и кремния.

«Новизна этой работы заключается в трёх аспектах: во-первых, мы добились очень малых размеров медных электродов — всего 15 мкм — с соотношением сторон около 1 за счёт оптимизированной струйной печати резиста для гальванического покрытия, — рассказал автор исследования Йорг Шюбе. — Во-вторых, мы нашли способ прямого нанесения медных электродов на подложки с покрытием из индий-олова с достаточно высокой механической адгезией. В-третьих, мы продемонстрировали, что металлизация масок и пластин применима к тандемным солнечным элементам на основе перовскитного кремния без существенного повреждения слоя перовскита.“

«В последние годы мы успешно продемонстрировали, что маска и пластина могут стать экономичной альтернативой традиционной литографии в солнечных элементах на основе соединений III-V. Этот прорыв открывает перспективы далеко за пределами фотовольтаики, — сказал соавтор исследования Роман Кединг. — Тот же подход может улучшить такие зависящие от литографии приложения, как силовые чипы на основе карбида кремния (SiC) и кремния, повысив их производительность и ресурсоэффективность. Теперь мы видим огромный потенциал в изучении этого метода совместно с производителями из различных отраслей».

С помощью метода «маски и пластины» на солнечных элементах можно сформировать сверхтонкие металлические контакты, сначала напечатав с помощью струйного принтера точную резистивную «маску» с узкими отверстиями, а затем нанеся гальваническое покрытие из таких металлов, как медь или никель. Это позволяет создавать очень узкие контакты, уменьшая затенение и повышая эффективность, при этом не прибегая к дорогостоящей фотолитографии. Поскольку в этом процессе можно использовать медь вместо серебра, это значительно снижает затраты на материалы и повышает масштабируемость ресурсов.

Схематическое изображение процесса металлизации лицевой стороны маски и пластины

Используя метод маски и пластины, а также промышленное производственное оборудование, исследователи изготовили гетеропереходную солнечную батарею размером M6 с медным покрытием и эффективностью 22,5 %. Этот показатель оказался немного выше, чем у аналогичного устройства с серебряным покрытием.

Они объяснили повышение эффективности уменьшением потерь из-за затенения медной металлизацией и сильной механической адгезией медных контактов, достигнутой за счёт этапа плазменной обработки, который применяется между печатью по маске и гальваническим осаждением металла.

Используя лабораторное оборудование и ту же технологию, команда также создала тандемный солнечный элемент из перовскита и кремния площадью 1,21 см² с нижним элементом на основе гетероструктуры из нитрида галлия и индия. При стандартном освещении эффективность преобразования энергии составила 19,35 %, что, по имеющимся данным, является самым высоким показателем для этого типа элементов с гальванической передней металлизацией.

«Эта работа наглядно демонстрирует возможность нанесения медной металлизации на маску и пластину для тандемных солнечных элементов из перовскита и кремния размером 1,21 см2 без значительных повреждений. Таким образом, это может стать основой для промышленной металлизации солнечных элементов следующего поколения без использования серебра, — заключили учёные. — Для подтверждения вывода о том, что нанесение металлизации на маску и пластину не вредит тандемным солнечным элементам из перовскита и кремния, необходимы дальнейшие исследования».

Их результаты были представлены в статье «Металлизация масок и пластин для кремниевых гетеропереходов и тандемных солнечных элементов на основе перовскитного кремния», опубликованной в Журнале «Материалы для солнечной энергетики и солнечные элементы».

Институт Фраунгофера ISE разработал несколько производственных технологий для сокращения использования серебра в солнечных батареях. К ним относятся трафаретная печать, печать FlexTrail, глубокая печать и ротационная печать.