Högeffektiva solceller från vanliga grundämnen

Diarienummer: FFL12-0178
Start- och slutdatum: 140101-191231
Beviljat belopp: 9 720 032 kr
Förvaltande organisation: Uppsala University
Forskningsområde: Materialvetenskap och materialteknologier

Summary

Projektet syftar till ökad förståelse av förluster i tunnfilmssolceller baserade på halvledare som innehåller svavel eller selen. Denna förståelse utgör basen för tillverkning av tandemsolceller med kraftigt ökad verkningsgrad jämfört med solceller baserade på bara ett material. Dessutom är kravet att materialen inte ska innehålla ovanliga eller miljöfarliga grundämnen. Projektet stöder svensk, ny industri genom utbildning av kvalificerad personal, spridning av resultat och aktivt samarbete. Arbetsplanen innehåller utveckling av deponeringsprocesser för filmer av Cu2ZnSnS4 (CZTS) samt ytterligare ett material med högre band gap, tillverkning av solcellsstrukturer samt utveckling av lämpliga kontakter. Utgångspunkten är komponentstrukturen för solceller baserade på Cu(In,Ga)Se2 (CIGS). Optisk, elektrisk och strukturell karakterisering av individuella filmer kopplas till opto-elektrisk karakterisering och modellering av solceller för att bestämma begränsande förlustmekanismer. Särskild vikt läggs vid detaljerade studier av gränsskikt och dess inverkan på solcellsprestanda. Förväntade resultat är etablering av deponeringsprocess för CZTS material samt material med högt bandgap av hög kvalité och minst 13% respektive 10% verkningsgrad . Ett annat förväntat resultat är identifiering av förlustmekanismer i bägge solcellsstrukturer och bestämning av energiband matchning vid relevanta gränsytor. I slutet av projektet förväntas första resultat från en tandemsolcell.

Populärvetenskaplig beskrivning

Behovet av energikällor som är förnybara och inte förorenar naturen ökar. Ett alternativ är solceller som direkt omvandlar solljuset till elektrisk energi utan rörliga delar. Den så kallade verkningsgraden hos en solcell anger hur stor del av energin i solljuset som kan omvandlas till elektrisk energi. De solceller som finns på marknaden idag är gjorda av halvledarmaterialet kisel. Dessa solceller har en verkningsgrad runt 15% och en garanterad livstid på 25 år. Detta skulle göra solceller till ett attraktivt alternativ om inte priset var för högt. Ett sätt att försöka sänka kostnaden är att använda tunnfilmsteknik där solcellerna byggs upp genom att lägga tunna filmer på ett billigt substrat, t ex glas. För tillräckligt storskalig tillverkning kommer kostnaden för dessa solceller kommer att domineras av priset på substratet. Det enda sättet att ytterligare sänka kostnaden för producerad el är då att höja verkningsgraden. Solceller bygger på samma princip som dioder. Ett inre elektriskt fält byggs upp genom kontakten mellan två material med olika elektriska egenskaper. Solljuset absorberas och skapar rörliga laddningar som separeras med hjälp av det inbyggda fältet. En viktig egenskap hos halvledarmaterial är förekomsten av förbjudna energinivåer i så kallade bandgap. Storleken på bandgapet avgör hur stor del av solens spektrum som kan absorberas. Den maximala verkningsgraden för en solcell som baseras på ett material är begränsat till ungefär 30%. Om man däremot kan använda flera solceller med olika bandgap som absorberar olika delar av solens spektrum, kan verkningsgraden öka markant. Cu(In,Ga)Se2, kallat CIGS, är ett av de mest lovande materialen för tunnfilmssolceller eftersom 20% verkningsgrad visats i lab-skala. Flera unika egenskaper hos CIGS har framförts som förklaring till den höga verkningsgraden, men mycket arbete återstår för bättre förståelse. En av de största nackdelarna med CIGS, liksom för det andra mest framgångsrika materialet för tunnfilmssolceller; kadmiumtellurid, är användandet av sällsynta ämnen som indium och tellurium. Detta kommer att bli en begränsande faktor för storskalig produktion i framtiden. En möjlig, ny kandidat är Cu2ZnSnS4, med flera egenskaper som liknar CIGS. Första, fungerande solceller har redan visats för detta material. Målet med detta projekt är att studera dessa material och utveckla högeffektiva solceller, både enkla och tandem, som endast innehåller vanliga och ogiftiga grundämnen.