Микроостровки меди, индия и селена прокладывают путь к созданию солнечных элементов нового поколения с микроконцентраторами

Аккумулятор FIAMM FG 20451

Немецкая исследовательская группа разработала микроконцентрационные солнечные элементы на основе CuInSe₂, используя метод металлоорганического химического осаждения из газовой фазы с применением лазера для выращивания островков индия непосредственно на стекле с молибденовым покрытием. Таким образом формируются поглощающие элементы без использования масок или шаблонов. Еще не оптимизированные микромодули показали эффективность до 0,65 % при рассеянном солнечном свете и до 250 % при концентрированном освещении.

Схема микросолнечного элемента CuInSe2

Исследовательская группа из Германии разработала микроконцентрирующий солнечный элемент на основе меди, индия и селена (CuInSe₂), состоящий из вертикально выращенных островков поглотителя на молибденовой (Mo) пленке.

Ученые использовали метод лазерной металлоорганической химической осаждения из газовой фазы (LA-MOCVD) для выращивания островков индия (In) по принципу «снизу вверх», вместо того чтобы наносить сплошную тонкую пленку и затем формировать из нее структуру. «Главная новизна нашей работы заключается в использовании метода LA-MOCVD для выращивания островков индия по принципу «снизу вверх», — рассказал автор исследования Ян Бергер. «Этот подход оказался быстрым и надежным методом одновременного локального выращивания, что, что немаловажно, дает возможность локально добавлять галлий и медь одним и тем же способом».

«Самым неожиданным открытием стало то, что островки-предшественники индия образовывали отдельные кластерные структуры, которые оставались на своих местах и не сливались в один большой остров даже после отжига при температуре выше температуры плавления индия, — добавил он. — Кроме того, было удивительно, что структурные особенности этих островков-предшественников оставались хорошо различимыми даже после процесса селенизации».

Изготовление устройства начинается со стеклянных подложек, покрытых молибденом, которые затем обрабатываются методом LA-MOCVD. На этом этапе подложка локально нагревается с помощью лазерной матрицы. Лазер разлагает газ-прекурсор только в определенных точках, формируя матрицу из 7 × 7 островков индия без использования масок или шаблонов. Затем наносится тонкий слой меди, после чего стопка селенируется для формирования островков поглотителя CuInSe₂.

Параметры микромодулей в зависимости от концентрации света

Затем образцы протравливают, чтобы удалить ненужный материал, покрывают фоторезистом для электрической изоляции и с помощью лазера формируют отверстия. После этого на солнечный элемент наносят буферный слой из сульфида кадмия (CdS), а затем оконные слои из собственного оксида цинка (i-ZnO) и оксида цинка, легированного алюминием (AZO). Наконец, каждый массив из 49 микроячеек тестируется и измеряется как единый модуль со структурой устройства: стекло/Mo/поглотитель CIS/сульфид кадмия (CdS)/i-ZnO/AZO.

В общей сложности команда изготовила девять микромодулей и протестировала четыре из них. Первоначальные измерения проводились при освещении одним солнцем, затем интенсивность увеличивалась до 17 солнц, чтобы имитировать условия работы концентратора. Эти еще не оптимизированные панели достигли эффективности преобразования до 0,65 % при освещении одним солнцем, а при более ярком освещении эффективность повышалась — примерно на 60 % при меньшей концентрации и до 250 % при 17 солнцах.

«Функциональные устройства были успешно изготовлены, но были выявлены существенные проблемы, связанные, в частности, с распределением интенсивности дифракционного оптического элемента (ДОЭ), исходной морфологией островков индия и воспроизводимостью процесса. Для решения этих проблем, связанных с качеством материала и контролем процесса, необходимо приложить усилия, — пояснили исследователи. — После устранения этих проблем метод LA-MOCVD может стать перспективным и ресурсосберегающим способом быстрого производства микроконцентрирующих фотоэлектрических систем нового поколения».

Новая концепция солнечных элементов была представлена в статье «Солнечные элементы с микроконцентратором на основе CuInSe2, изготовленные из островков индия, выращенных методом МО-КВД с использованием лазера», опубликованной в журнале Solar Energy Materials and Solar Cells. В исследовании приняли участие ученые из Университета Дуйсбурга-Эссена в Германии, Института выращивания кристаллов им. Лейбница, Федерального института исследований и испытаний материалов, Бранденбургского технического университета Котбус-Зенфтенберг и инжиниринговой компании Bestec.