Até recentemente, as células solares baseadas em calcopirita alcançaram uma eficiência máxima de conversão de energia de 23,35%, conforme relatado em 2019 pela Solar Frontier, uma antiga empresa de energia solar com sede no Japão. Contudo, aumentar ainda mais esta eficiência tem-se revelado um desafio até agora.



Pesquisadores da Universidade de Uppsala e do Primeiro Centro Europeu de Tecnologia Solar AB (antigo Evolar AB) na Suécia alcançaram recentemente uma eficiência superior de 23,64% em células solares à base de calcopirita. Esta eficiência, relatada em Nature Energy , foi alcançado usando duas técnicas principais, nomeadamente liga de prata de alta concentração e classificação de gálio por contato traseiro íngreme.

"O objetivo principal do nosso estudo foi aumentar a eficiência das células solares de película fina baseadas em CIGS para, em última análise, reduzir o preço por Watt-pico dos módulos de grande escala correspondentes", disse Jan Keller, primeiro autor do artigo, à Phys. organização. “Nosso trabalho utiliza as descobertas de muitos grupos de pesquisa ao redor do mundo, obtidas nas últimas décadas”.

Um esforço de pesquisa anterior que inspirou este artigo foi o sucesso da liga de prata com seleneto de cobre, índio e gálio, demonstrada pela primeira vez por um grupo de pesquisa no Japão há cerca de duas décadas. Além disso, os pesquisadores se inspiraram em pesquisas realizadas há 10 anos, que demonstraram os efeitos benéficos da implementação de espécies alcalinas pesadas em materiais absorventes.

“Além de aproveitar cerca de 40 anos de pesquisa internacional em células solares de calcopirita, combinamos quatro abordagens diferentes para melhorar o desempenho”, explicou Keller. "Especificamente, adicionamos uma concentração relativamente alta de prata ao absorvedor, implementamos um perfil de profundidade de gálio semelhante a um 'taco de hóquei', adaptamos um tratamento pós-deposição RbF à composição do absorvedor e submetemos o absorvedor a iluminação estendida."

Combinando essas estratégias de projeto e fabricação, Keller e seus colegas poderiam melhorar a microestrutura do CIGS, reduzindo a densidade de defeitos e mitigando as flutuações do band gap. Além disso, eles poderiam passivar a superfície do absorvedor em sua célula solar e aumentar a densidade de dopagem.

Nos testes iniciais, sua célula solar CIGS recorde alcançou uma alta eficiência radiativa externa de 1,6%, resultando em um déficit de tensão de circuito aberto relativamente baixo. Notavelmente, o dispositivo atingiu a maior eficiência reportada em células solares baseadas em CIGS até à data e o seu desempenho foi certificado externamente pelo instituto independente Fraunhofer ISE (Alemanha).

"Conseguimos aumentar a eficiência recorde anterior das células solares baseadas em CIGS de 23,35% (Solar Frontier, 2019, Japão) para 23,64% (certificadas externamente), o que é uma melhoria substancial", disse Keller. "Para a certificação externa uma máscara de sombra (A=0,9 cm ² ) teve que ser usado. Sem a máscara de sombra, medimos até uma eficiência de 23,75% em nossos laboratórios (A=1,03 cm ² )."

O trabalho recente desta equipe de pesquisadores apresenta um processo de produção promissor para alcançar maior eficiência em células solares à base de calcopirita. Estas descobertas poderão servir de base para o avanço destas células solares, contribuindo potencialmente para a sua implantação em larga escala.

No seu artigo, Keller e os seus colegas descrevem um conjunto de estratégias possíveis para aumentar o desempenho das células solares à base de calcopirite, com o objetivo de ultrapassar a eficiência de 25%. A mais simples destas estratégias implica a mitigação das perdas de absorção parasitária, o que pode ser alcançado de várias maneiras.

"Em última análise, a densidade de defeitos do volume do absorvedor precisa ser reduzida. Embora o CIGS-PV seja mais estável do que os atuais dispositivos de perovskita com eficiência de registro, ele está sofrendo de perdas de recombinação não radiativa significativamente maiores. Assim, pesquisas futuras se concentrarão no sanduíche um filme de calcopirita ainda melhor entre eletrodos ainda mais transparentes", acrescentou Keller.

"Um estudo recente da EMPA (Suíça) demonstrou um alto potencial para aplicações bifaciais, que requerem a troca do contato de retorno do Mo por uma camada de óxido condutora transparente."

Mais informações: Jan Keller et al, Liga de prata de alta concentração e classificação de gálio com contato traseiro íngreme permitindo célula solar de seleneto de cobre, índio e gálio com eficiência de 23,6%, Nature Energy (2024). DOI:10.1038/s41560-024-01472-3
Informações do diário: Energia da Natureza

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