탠덤 ​​태양 전지의 상단 셀로 유망한 라이브 바카라 층을 개발합니다

주요 연구원 Ishizuka Shogo, 바카라 커뮤니티 (이하 "AIST") 국제 공동 연구 센터는 희귀 금속이 포함되어 있지 않습니다CIS 유형우리는 박막 라이브 바카라 전지의 광전 전환 효율을 향상시키는 기술을 개발했습니다

우리는 현재 인기있는 라이브 바카라 전지보다 더 높은 성능을 기대할 수 있습니다탠덤 ​​라이브 바카라 전지| 짧은 파장 조명 흡수의 경우 "저렴한", "고성능"및 "높은 신뢰성 (안정성)"상단 셀재료 개발은 어려운 일이었습니다 이 발견은 특히 CIS 형 화합물들 사이에서 최고 세포 물질로서 이러한 요인을 만족시키는 유망한 물질로 적합하다넓은 금지 된 밴드 너비의 특성을 가진 라이브 바카라 층의 품질을 향상시키는 기술을 개발했습니다 이번에 생성 된 라이브 바카라 층은 매우 안정적이며 탠덤 태양 전지에 적용될 것으로 예상되며, 이는 미래에 저렴하고 고성능이며 매우 유연합니다

이 기술에 대한 세부 사항은 2024 년 11 월 13 일 (미국 동부 표준 시간)에 제공 될 예정입니다ACS 응용 재료 및 인터페이스"

탄소 중립 사회를 실현하기 위해 이산화탄소 배출량을 줄이기 위해 재생 가능한 에너지의 확산에 대한 기대치가 높아지고 있습니다 라이브 바카라 발전에 특히 관심이 있으며, 최근에는 기존의 결정질 실리콘 라이브 바카라 전지와 다른 다양한 라이브 바카라 전지가 제안되어왔다 그 중에서도 탠덤 라이브 바카라 전지는 기존의 라이브 바카라 전지보다 광 광전량 전환 효율이 훨씬 높을 것으로 예상 될 수 있지만 지금까지는Group III-V 화합물와 같은 비싼 재료 사용되었으며 우주 사용과 같은 특수 용도로 제한되었습니다 따라서 소비자 사용을 위해 탠덤 라이브 바카라 전지를 활용하기 위해서는 대중 가격과 성능을 결합 할 수있는 재료와 장치를 개발하는 데 어려움이 있습니다

저렴한 고성능 탠덤 라이브 바카라 전지를 실현할 수있는 재료 및 장치의 R & D가 전 세계에서 수행되고 있습니다 최근에Perovskite 유형복합 연구 개발이 번성하고 있습니다 반면에, 시스 형 화합물은 또한 유망하며, 박막의 특징을 활용하는 가볍고 유연한 태양 전지의 생산을 허용하는 물질로 오랫동안 관심을 끌고있다 대략 11 eV의 비교적 좁은 밴드 폭을 갖는 시스 태양 전지는 이미 상용화되었습니다 그러나, 상위 셀로 사용될 수있는 대략 16 eV 이상 (짧은 파장의 라이브 바카라를 위해)의 금지 된 밴드 폭을 갖는 CIS 형 태양 전지로 높은 광전자 변환 효율을 얻는 것은 어렵고,이를 달성하기 위해서는 기술 개발이 필요하다

AIST는 광범위한 밴드 폭 CIS 라이브 바카라 전지의 연구 및 개발이며, 저렴한 고성능 탠덤 라이브 바카라 전지의 실현 및 수분 해석 수소 생산에 대한 고성능을 실현할 수있는 최고 셀입니다광학 캐소드응용 프로그램을 목표로합니다 17 eV의 넓은 금지 대역 너비를 가진 CIS 유형 재료입니다Cugase₂박막장치 성능을 향상시키기 위해 기술 개발을 위해 노력해 왔습니다 (Aisotech Press 발표 2014 년 1 월 20 일,AIST : CIS 라이브 바카라 전지 재료를 사용하여 고효율) 현재까지, 희귀 금속을 포함하지 않는 넓은 금지 된 밴드 너비 Cugase₂박막 라이브 바카라 전지의 개선 된 성능은 어려운 도전이었습니다 표준 조건 (공기 질량 15, 조명 강도 1000 w m^-2, 25 ° C)에 따라 10%를 초과하는 광전 전환 효율의 몇몇 사례만이, 12%를 초과하는 어느 것도 달성되지 않았다

이번에는 Cugase, 라이브 바카라 전지의 빛 흡수 층₂알루미늄 (AL)이 박막에 추가됩니다백 측 필드 효과를 얻음으로써 성능이 향상되었습니다 이는 인듐을 함유하지 않는 넓은 금지 된 밴드 폭을 갖는 CIS 타입의 박막 라이브 바카라 전지로서 처음으로 12% 이상의 광전 변환 효율을 달성했다

이 연구 및 개발은 일본 과학 홍보 협회 (23K04899)가 수행 한 프로젝트이며, 부분적으로 청정 에너지 분야의 혁신적인 기술을위한 과학, 새로운 에너지 및 산업 기술 개발 기관의 국제 공동 연구 및 개발 프로젝트/CO₂우리는 CIS 기반 탠덤 라이브 바카라 전지 요소 기술의 상당한 감소/국제 공동 연구 및 개발에 기여하는 혁신적인 구성 요소 개발로부터 지원을 받았습니다 (2021-2024)

CIS 타입 화합물 (Cugase₂) 알루미늄 첨가 방법은 박막에 백 필드 효과를 제공하고 인듐이없는 Cugase를 제공했습니다₂우리는 박막 라이브 바카라 전지의 성능을 향상시키는 기술을 개발하게되었습니다 알루미늄의 첨가는 금지 된 밴드 폭을 증가시킬 것으로 예상 될 수 있지만, 성능이 저하되는 결정 결함이 있기 때문에 고성능 라이브 바카라 전지를 생성하기가 어려웠다 이번에는 Cugase₂라이브 바카라 층이 형성되는 동안, 알루미늄은 경사 위치에 첨가되었고, 이는 빛 흡수 층의 전면에서 뒷면으로의 함량을 증가시켰다 게다가알칼리 금속 화합물를 추가하여 결함 형성을 억제하는 효과를 발견했습니다 이러한 기술을 필름 형성 프로세스에 통합함으로써, 우리는 넓은 넓은 벨트 폭 cugase를 달성 할 수 있습니다₂박막 라이브 바카라 전지의 개선 된 성능이 달성되었습니다 또한 시스 라이브 바카라 전지는 안정성이 우수하며, 이번에 생성 된 라이브 바카라 전지의 성능은 몇 달 동안 실패한 후에도 감소되지 않았으며, 시스 라이브 바카라 전지의 우수한 특징이 유지되는 것으로 확인되었다

이번에 개발 된 기술에서 Cugase는 알루미늄 추가에 추가됩니다₂라이브 바카라 층의 후면 표면의 전도 대역의 하단을 누르면 에너지 밴드에서 경사 구조를 형성합니다 또한, 알칼리 금속 화합물을 첨가함으로써, 우리는 알루미늄의 첨가로 인해 부작용으로 형성된 결정 결함을 억제하는 효과를 달성했다 그림과 같이 1, 제조 된 라이브 바카라 층 (Cugase₂: al)는 뒷면에 높은 알루미늄 함량을 가지고 있기 때문에 뒷면의 전기장이 그림과 같이 형성 될 수 있음을 의미합니다 이것은 라이브 바카라와 외부 회로로의 추출 용이성에 의해 생성 된 전자의 움직임을 촉진했으며, 태양 전지의 성능을 성공적으로 개선했습니다

Cugase, 지금까지 넓은 금지 된 밴드 폭이있는 시스 형 화합물₂박막 라이브 바카라 전지의 성능 향상을 목표로 연구 및 개발 분야₂은 (AG) 또는 알칼리 금속을 통합하여 성능이 향상되었으며, 마지막으로 10% 이상의 광전 전환 효율 이보고되었습니다 위에서 언급 한 바와 같이, 인듐을 함유하지 않는 CIS 형 라이브 바카라 전지의 성능을 향상시키는 것은 특히 어려운 작업 이었지만 처음으로 우리는 처음으로 저렴한 재료 인 알루미늄을 첨가하여 성능을 향상시키고 처음 12% 이상의 전환 효율을 달성 할 수있었습니다 (표 1) 이것은 인듐이없는 시스 형 박막 라이브 바카라 전지의 가장 높은 효율입니다

올해의 결과는 라이브 바카라 전지뿐만 아니라 방해 수소 생성을위한 광계로서 광 전기 화학 세포와 같은 다양한 에너지 전환 장치에도 적용될 수 있습니다

이번에 개발 된 기술을 더욱 향상시켜보다 효율적인 라이브 바카라 전지를 실현하는 것을 목표로합니다 구체적으로, 우리는 광범위한 밴드 폭 CIS 타입 박막 라이브 바카라 전지에서 결함을 더욱 줄이고 새로운 전자 수송 층을 개발할 것이다 또한 탠덤 라이브 바카라 전지의 응용 분야를 위해 특별히 설계 및 실험을 할 예정이며, 예를 들어 뒷면 전극 층을 기존의 금속 전극 층으로부터 투명한 전극 층으로 교체하는 것과 같은 탠덤 라이브 바카라 전지의 응용 프로그램을 설계하고 실험 할 것이다

앞으로, 우리는 CIS 및 Perovskite와 같은 다양한 재료로 구성된 저렴하고 고성능이며 우수한 장기 신뢰성을 가진 유연한 탠덤 라이브 바카라 전지를 실현하는 것을 목표로합니다

게시 된 잡지 :ACS 응용 재료 및 인터페이스
논문의 제목 : 알루미늄으로 인한 백-표면 필드 효과를 통한 인듐이없는 넓은 대역 GAP Chalkopyrite 라이브 바카라 전지의 광전지 효율 향상
저자 : Shogo Ishizuka, Jiro Nishinaga, Yukiko Kamikawa, Takeshi Nishida 및 Paul J Fons
doi :https : //doiorg/101021/acsami4c12891

CIS 유형

charcopyrite (cufes), 구리 (cu), 철 (Fe) 및 황 (s)으로 만든 charcopyrite (cufes)₂) 유형의 결정 구조를 갖는 모든 화합물과 구리, 인듐 (IN) 및 셀레늄 (SE)의 화합물 인 Cuinse가있는 모든 화합물에 대한 일반적인 용어입니다₂에서 파생 된 CIS 유형이라고도합니다 혼합 다양한 요소 (Ag, Cu) (in, GA) (S, SE)₂등은 요소의 조합과 구성 비율의 조합을 제어하여 금지 된 대역 너비와 같은 물리적 특성을 제어 할 수있는 복합 재료입니다[참조로 돌아 가기]

탠덤 ​​라이브 바카라 전지

여러 태양 전지를 결합하여 라이브 바카라의 파장을 공유하여 기존의 단일 공제 태양 전지보다 더 효율적입니다 또한 2 개 이상의 3 개 이상의 정션 태양 전지가 있습니다[참조로 돌아 가기]

상단 셀

탠덤 ​​또는 다중 접합 라이브 바카라 전지에서, 단락 광을 흡수하는 구성 셀은 상단 세포라고 불리며, 빛이 들어올 때 구조의 상단에 배열된다 장 파장 광 (적색광)을 흡수하는 구성 셀은 바닥에 위치하며 바닥 세포라고합니다[참조로 돌아 가기]

넓은 금지 된 밴드 너비

금지 된 밴드는 전자가 존재하지 않는 에너지 공간의 영역이며, 금지 된 밴드 너비는 해당 영역의 폭을 의미합니다 에너지 밴드 갭이라고도하는이 제품은 전자가 차지하고 가장 낮은 빈 에너지 밴드 (전도성 밴드)의 하단 끝을 차지하는 최고 에너지 밴드 (밸런스 밴드)의 상단 끝 부분을 나타냅니다 여기서, "넓은"금지 된 대역 너비라는 용어는 약 16 eV의 금지 된 밴드 너비를 지칭하는 데 사용됩니다[참조로 돌아 가기]

Group III-V 화합물

GAAS 및 INP와 같은 그룹 III 및 그룹 V 요소로 구성된 화합물 높은 전환 효율을 제공하는 라이브 바카라 전지를 제조 할 수 있지만, 매우 비싸기 때문에 해당 응용 분야는 현재 우주 사용으로 제한되어 있습니다[참조로 돌아 가기]

Perovskite 유형

Batio₃)와 같은 구조라고합니다 일반 공식은 ABX₃라이브 바카라 전지 재료로 널리 연구되며, 유기 양이온, B : 금속 양이온 및 X : 할로겐화 음이온으로 구성됩니다[참조로 돌아 가기]

빛 캐소드

물을 수소와 산소로 분해하는 광 전극의 광 전극에 빛에 노출 될 때 수소를 생성하는 광 전극[참조로 돌아 가기]

Cugase₂박막

구리 (Cu), 갈륨 (GA) 및 셀레늄 (SE)으로 구성된 chalcopyrite 유형 (CIS 유형) 화합물의 박막, 금지 된 밴드 폭은 17 eV입니다[참조로 돌아 가기]

Airmass 15

지면에 도달하기 전에 햇빛이 지나가는 공기의 양은 공기 질량이라고합니다 외부 공간에서는 공기 질량 0이됩니다 공기 질량 1은 햇빛이지면에 수직으로 들어가는 스펙트럼입니다 공기 질량 15는 라이브 바카라 전지의 평가 표준으로 사용되며 통과하는 공기의 양은 공기 질량 1보다 15 배 높으며, 광 산란 및 흡수량은 그에 따라 증가합니다 수직에서 482 도의 기울기에서 라이브 바카라 조사와 동일하며, 에너지는 1000 w m^-2[참조로 돌아 가기]

백 측 필드 효과

라이브 바카라 층의 전도 밴드의 하단을 기울여 전자를 표면쪽으로 이동시켜 외부 회로로 추출 할 수 있도록합니다 약 11 eV의 금지 된 밴드 폭을 갖는 종래의 CIS 형 태양 전지에서, 방법은 뒷면의 라이브 바카라 층에서 갈륨 (GA)의 조성 비를 증가시켜 전도 대역의 가장 낮은 부분을 증가 시키는데,이 방법은 기울기를 증가시킨다[참조로 돌아 가기]

알칼리 금속 화합물

CIS 라이브 바카라 전지는 알칼리 금속을 추가하여 성능이 향상되는 알려진 "알칼리 금속 효과"를 가지고 있습니다 알칼리 금속만으로는 다루기가 어렵 기 때문에 불소 나트륨 (NAF) 및 불소 (KF)와 같은 화합물이 일반적으로 사용됩니다 이 연구에서는 루비듐 불소 (RBF)가 사용됩니다[참조로 돌아 가기]