Оксид индия обещает повысить эффективность солнечных батарей CIS до беспрецедентного уровня

Аккумуляторы FIAMM FG/FGH

Индийские ученые разработали тонкопленочный солнечный элемент CIS без использования кадмия, в котором оксид индия выступает в качестве слоя для переноса электронов. При моделировании с помощью SCAPS-1D его эффективность составила 29,79 %. Анализ чувствительности показал, что низкая плотность дефектов, оптимальная толщина поглотителя и эффективная система отвода тепла имеют решающее значение для минимизации потерь на рекомбинацию и создания высокопроизводительных масштабируемых устройств.

Исследователи из Индийского университета Нирма и колледжа Самастипура в Самастипуре разработали не содержащий кадмия тонкопленочный солнечный элемент с поглотителем из селенида индия меди (CIS) и слоем переноса электронов из оксида индия (In₂o₃) (ETL).

Они отметили, что, хотя тонкие пленки CIS являются перспективными поглотителями солнечного излучения благодаря прямой запрещенной зоне шириной около 1,5 эВ и высокому коэффициенту поглощения, эффективность устройств часто ограничивается рекомбинацией с участием ловушек и неэффективным межфазным захватом носителей заряда.

«Исторически сложилось так, что такие материалы, как сульфид кадмия (CdS), диоксид титана (TiO₂), оксид цинка (ZnO) и оксид олова (SnO₂), широко использовались в качестве электронопроводящих слоёв в тонкоплёночных солнечных элементах, — рассказал автор исследования Шибу Г. Пиллаи. — Однако их использование сопряжено со значительными трудностями при масштабировании». CdS вызывает серьезные опасения с точки зрения экологии и токсичности, в то время как альтернативы без кадмия также имеют свои недостатки: TiO₂ подвержен фотокаталитической деградации под воздействием ультрафиолета и обладает низкой подвижностью электронов, ZnO химически нестабилен, а SnO₂ часто требует высокотемпературной обработки, которая может привести к образованию межфазных ловушек.

«Мы выбрали In₂O₃, потому что он обладает уникальным сочетанием свойств, — добавил соавтор Кейур Сангани. — Он обеспечивает высокую подвижность электронов, низкое удельное сопротивление, превосходную оптическую прозрачность в видимом диапазоне и высокую химическую стабильность. Эти свойства позволяют эффективно извлекать электроны из поглотителя CuInS₂, снижая при этом межфазную рекомбинацию. Кроме того, In₂O₃ не подвержен фотокаталитической деградации и позволяет проводить обработку при более низких температурах, что делает его подходящим для гибких подложек и снижает энергопотребление».

Предлагаемая структура устройства состоит из переднего контакта из алюминия (Al), подложки из оксида олова, легированного фтором (FTO), эмиттера из In₂O₃, поглотителя из CuInS₂, дырочного транспортного слоя из аморфного кремния (a-Si:H) и заднего контакта из никеля.

Чтобы оценить практическую осуществимость и надежность устройства, исследователи провели комплексный анализ параметрической чувствительности. Систематически варьируя толщину поглотителя, концентрацию легирующих примесей и плотность дефектов, они оценили устойчивость устройства к неидеальным условиям и определили оптимальную толщину поглотителя — около 1 мкм. Они также обнаружили, что увеличение концентрации легирующих примесей повышает напряжение холостого хода и коэффициент заполнения, в то время как избыточная плотность дефектов способствует рекомбинации по механизму Шокли — Рида — Холла и снижает производительность. Таким образом, поддержание низкой плотности объемных и поверхностных дефектов имеет решающее значение для сохранения фотонапряжения и минимизации потерь на рекомбинацию.

Моделирование с учетом зависимости от температуры показало, что тепловые эффекты существенно влияют на эффективность, что подчеркивает необходимость эффективного управления температурным режимом для предотвращения сокращения срока службы носителей заряда при повышенных температурах. Кроме того, с увеличением толщины поглотителя снижается значение Voc из-за увеличения объемной рекомбинации и плотности тока насыщения, в то время как FF остается относительно стабильным, что указывает на ограниченные резистивные потери.

При моделировании методом SCAPS-1D оптимизированное устройство достигло пиковой эффективности преобразования энергии в 29,79 %. Однако это значение рассчитано исходя из идеализированных предположений о дефектах и представляет собой теоретический верхний предел. Поэтому для оценки применимости в реальных условиях и стабильности устройства был проведен детальный анализ чувствительности.

«В целом, сочетание поглотителей CIS с эмиттерами In₂O₃ представляет собой очевидный, экономически эффективный и полностью экологичный способ создания высокоэффективных гибких тонкопленочных фотоэлектрических элементов», — заключил соавтор исследования Ритеш Кумар Чорасия.