ФОТОВОЛЬТАЇЧНІ МАТЕРІАЛИ: ПОТОЧНІ ЕФЕКТИВНОСТІ ТА МАЙБУТНІ ВИКЛИКИ
DOI:
https://doi.org/10.32782/pet-2023-3-1Ключові слова:
відновлювані джерела енергії, фотоелектричні перетворювачі, тонкоплівкові сонячні елементи, гетероструктуриАнотація
Кожного дня ми використовуємо електроенергію для власних потреб, одночасно вичерплюючи корисні копалини, що призводить до екологічної катастрофи. Тому вже протягом багатьох років для науковців постає завдання вироблення електроенергії з альтернативних джерел енергії. Найбільш перспективним видом відновлюваних джерел енергії є енергія Сонця. Викликом сьогодення є знайти матеріали, які будуть найоптимальніші, як у вартості, так і ефективності. У статті наведено переваги тонкоплівкових сонячних елементів через їх економічність, ефективність, меншу витрату матеріалу, гнучкість і тенденцію до зростання ККД. Оцінка продуктивності нової технології необхідна для аналізу їхнього потенціалу в майбутніх застосуваннях. Метою кожного покоління є зниження витрат і водночас підвищення ефективності порівняно з попередніми. У зв’язку з цим економічні характеристики необхідно зробити найоптимальнішими для проєктування фотоелектричної системи. У результаті було проведено огляд матеріалів: CdTe, CIGS (Cu(InxGa1-x)Se2) та CZTS (Cu2ZnSnS4). Представлено порівняння розглянутих тонкоплівкових сонячних елементів з точки зору фізичних властивостей і продуктивності. Встановлено, що ефективність для одноперехідних комірок CIGS, CdTe та CZTS невеликої площі, виміряна в глобальному спектрі AM1.5 (1000 Вт/м2) при кімнатній температурі становить 23,6%, 22,3% та 11,4% відповідно. Отже, ФЕ на основі тонкоплівкових CdTe характеризуються своєю високою ефективністю, дешевими матеріалами, надійною та стабільною роботою елемента. Сонячні елементи CdTe мають такі переваги, як: економічно ефективні виробничі процеси виготовлення; напилення матеріалу на підкладки, як із скла, так і з полікристалічних матеріалів; висока ефективність і попит на виробництво; оптимальна пряма ширина забороненої зони (1,54 еВ) з високим коефіцієнтом поглинання.
Посилання
Singh B.P., Goyal S.K., Kumar, P. Solar PV cell materials and technologies: Analyzing the recent developments. Mater. Today Proc. 2021. Vol. 43. P. 2843–2849.
Allen M., Dube O.P., Soleckiet W., et al. Special Report: Global Warming of 1.5 C. Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). Framing and Context. 2018. P. 49–92.
Muhammad J.Y.U., Waziri A.B., Shitu A.M., et al. Recent progressive status of materials for solar photovoltaic cell: A comprehensive review. Sci. J. Energy Eng. 2019. Vol. 7. P. 77–89.
Hayat M.B., Ali D., Monyake K.C., Alagha L., Ahmed N. Solar energy–A look into power generation, challenges, and a solar-powered future. Int. J. Energy Res. 2019. Vol. 43. P. 1049–1067.
Liu Z., Sofia S.E., Laine H.S., Woodhouse M., Wieghold S., Peters I. M., Buonassisi T. Revisiting thin silicon for photovoltaics: a technoeconomic perspective. Energy Environ. Sci. 2020. Vol. 13, № 1. P. 12–23.
Swanson R.M. Approaching the 29% limit efficiency of silicon solar cells. Conference Record of the Thirty-first IEEE Photovoltaic Specialists Conference, 2005. 03-07 January 2005. Lake Buena Vista, FL, USA. 2005. P. 889–894.
Sreejith K.P., Sharma A.K., Basu P.K., Kottantharayil A. Etching methods for texturing industrial multi-crystalline silicon wafers: A comprehensive review." Solar Energy Materials and Solar Cells. 2022. Vol. 238. P. 111531.
Terheiden B., Ballmann T., Horbelt R., et al. Manufacturing 100-μm-thick silicon solar cells with efficiencies greater than 20% in a pilot production line. Phys. Status Solidi A. 2015. Vol. 212. P. 13–24.
Green M.A., Dunlop E.D., Yoshita M., et al. Solar cell efficiency tables (version 62). Prog Photovolt Res Appl. 2023. Vol. 31, № 7. P. 651–663.
Khoshsirat N., Bradford J., Shahbazi M., Zhang S., Shafiei M., Wang H., Motta N., Efficiency enhancement of Cu2ZnSnS4 thin film solar cells by chromium doping. Sol. Energy Mater. Sol. Cells. 2019. Vol. 201. P. 110057.
Best Research-Cell Efficiency Chart веб-сайт. URL:https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html (дата звернення 15.10.2023).
Green M., Dunlop E., Hohl‐Ebinger J., Yoshita M., Kopidakis N., Hao X. Solar cell efficiency tables (version 57)). Progress in photovoltaics: research and applications. 2021. Vol. 29, № 1. P. 3–15.
Green M. A., Emery K., Hishikawa Y., Warta W., Dunlop E. D. Solar cell efficiency tables (version 47). Progress in photovoltaics: research and applications. 2016. Vol. 24, № 1. P. 3–11.
Yavorskyi R., Nykyruy L., Wisz G., Potera P., Adamiak S., Górny S. Structural and optical properties of cadmium telluride obtained by physical vapor deposition technique. Applied Nanoscience. 2019. Vol. 9. P. 715–724.
Romeo A., Artegiani E. CdTe-Based Thin Film Solar Cells: Past, Present and Future. Energies. 2021. Vol. 14, № 6. P. 1406–1684.
Bonnet D., Rabenhorst H. New results on the development of a thin film p-CdTe–n-CdS heterojunction solar. In 9th Photovoltaic Specialists Conference. Silver Spring, MD USA. 1972. P. 129–132.
Britt J.; Ferekides C.S. Thin-film CdS/CdTe solar cell with 15.8% efficiency. Appl. Phys. Lett. 1993. Vol. 62. P. 2851–2852.
Wu X., Dhere R.G., Albin D.S., et al. High-Efficiency CTO/ZTO/CdS CdTe Polycrystalline Thin-Film Solar Cells. In Proceedings of the NCPV Program Review Meeting. Lakewood, CO,USA. 14–17 October 2001.
Wilson G.M., Al-Jassim M., Metzger W.K., et al. The 2020 photovoltaic technologies roadmap. Journal of Physics D: Applied Physics. 2020. Vol 53, № 49. P. 493001.
Dhere R.G., Bonnet-Eymard M., Charlet E., et al. CdTe solar cell with industrial Al: ZnO on soda-lime glass. Thin Solid Films. 2011. Vol. 519, № 21, 7142–7145.
Green M.A., Dunlop E.D., Hohl-Ebinger J., Yoshita M., Kopidakis N., Hao X. Solar cell efficiency tables (version 56). Prog. Photovolt. Res. Appl. 2020. Vol. 28. P. 629–638.
Dhere R.G., Bonnet-Eymard M., Charlet E., et al. CdTe solar cell with industrial Al: ZnO on soda-lime glass. Thin Solid Films. 2011. Vol 519, № 21. P. 7142–7145.
Bosio A., Menossi D., Mazzamuto S., Romeo N. Manufacturing of CdTe thin film photovoltaic modules. Thin Solid Films. 2011. Vol.519, № 21. P. 7522–7525.
Bosio A., Rosa G., Romeo N. Past, present and future of the thin film CdTe/CdS solar cells. Solar Energy. 2018. Vol. 175. P. 31–43.
Romeo N., Bosio A., Mazzamuto S., Romeo A., Vaillant-Roca L. High efficiency CdTe/CdS thin film solar cells with a novel back contact. 22nd European Photovoltaic Solar Energy Conference, 3-7 September 2007, Milan, Italy. 2007. P. 1919–1927.
Rance L., Burst J. M., Barnes T. M., et al. 14%-efficient flexible CdTe solar cells on ultra-thin glass substrates. Applied Physics letter. 2014. Vol. 104, № 14. P. 143903.
Gretener C., Perrenoud J., Kranz, L. New perspective on the performance stability of CdTe solar cells. Solar Energy Materials & Solar Cells. 2016. Vol. 146. P. 51–57.
Scarpulla M.A., McCandless B., Phillips A. B., et al. CdTe-based thin film photovoltaics: Recent advances, current challenges and future prospects. Solar Energy Materials and Solar Cells. 2023. Vol. 255. P. 112289.
Nakamura M., Yamaguchi K., Kimoto Y., et al. Cd-free Cu(In,Ga)(Se,S)2 thin-film solar cell with record efficiency of 23.35%. IEEE J. Photovolt. 2019. Vol. 9. P. 1863–1867.
Niki S., Contreras M., Repins I., et al. CIGS absorbers and processes. Prog. Photovolt. 2010. Vol. 18. P. 453–466.
Mansfield L. Copper Indium Gallium Diselenide Solar Cells. Photovoltaic Research. 2021.
Jeyakumar R., Udai P. S. Copper indium gallium selenide based Solar cells – a review. Energy and Environmental Science. 2017. Vol. 10, № 6. P. 1306–1319.
Adeyinka A. M., Mbelu O. V., Adediji Y. B., Yahya D. I. (). A review of current trends in thin film solar cell technologies. International Journal of Energy and Power Engineering. 2023. Vol.17, № 1. P. 1–10.
Gurav K. V., Pawar S. M., Shin S. W., et al. Electrosynthesis of CZTS films by sulfurization of CZT precursor: Effect of soft annealing treatment. Applied Surface Science. 2013. Vol. 283. P. 74–80.
Vanalakar S.A., Agawane G.L., Shin S.W., et al. A review on pulsed laser deposited CZTS thin films for solar cell applications. Journal of Alloys and Compounds. 2015. Vol. 619. T. 109–121.
Jhuma F. A., Shaily M. Z., Rashid M. J. Towards high-efficiency CZTS solar cell through buffer layer optimization. Materials for Renewable and Sustainable Energy. 2019. Vol. 8. P. 1–7.
Yang K.J., Sim J.H., Jeon B., et al. Efects of Na and MoS2 on Cu2ZnSnS4 thin-film solar cell. Progr Photovolt. Res. Appl. 2014. Vol. 23, № 7. P 862–873.
Fuhs W., Nickel N. H., Terukov E. Zinc oxide–a material for micro- and optoelectronic applications. NATO Sci. Ser. II Math. Phys. Chem. 2005, Vol. 194. P. 197–209.
Coutts T.J., Mason T.O., Perkins J.D., Ginley D.S. Transparent conducting oxides: status and opportunities in basic research. Electrochem. Soc. Proc. 1999. Vol. 99, № 11. P. 274–289.
