Pārskats par ERAF projekta „Materiāli un to struktūras tandēma Saules šūnām” izpildi

Projekta izstrāde veikta realizējot trīs aktivitātes.

Pirmā aktivitāte ietver tehnoloģiju izstrādi tandēma saules šūnas materiālu iegūšanai.

Standarta tehnoloģija monokristāliska silīcija slāņu struktūru iegūšanai ir PECVD (Plasma enhanced chemical vapor deposition) uzputināšana uz pamatnes pie temperatūras līdz 1100 oC.

Magnetrona uzputināšanas metodes un PECVD metodes savstarpējās izpētes galvenais rezultāts: pie zemas temperatūras zem 200 oC vispiemērotākā silīcija slāņu struktūras iegūšanai ir PECVD tehnoloģija.

CFI pieejamie impulsu lāzeri ir ar ierobežotiem parametriem kvalitatīvai amorfa silīcija kristalizācijas iespēju izpētei, jo aptver ierobežotu impulsa garuma diapazonu no piko- līdz nanosekundēm.

Amorfā silīcija kristalizācijas pētījumos parādīts, ka nanosekunžu impulsi neatkarīgi no enerģijas blīvuma un impulsu skaita amorfā slānī veido izolētus kristalītus ar izmēŗiem līdz 2 mm. Kristālu veidošanās mehānisms ir lokāla kušana bez šķidras fāzes veidošanās ar sekojošu poli-kristāliska silīcija augšanu.

Monolīta polisilīcija slāņa iegūšanai projekta ietvaros ir nepieciešams atbilstošs mikrosekunžu Nd-YAG lāzers.

Organisko materiālu saules šūnu izstrādei projekta ietvaros izpētītas vielu DMABI-dPh, DMABI-Ju, DMABI-CN, N-DMABI, fotoelektriskās īpašības. Kā perspektīvākie tika pētīti. DMABI-dPh un DMABI-Ju un alternatīvi zemmolekulāri pusvadītāji ZVK, JVK, DWK, SOM, taču tie saules šūnu izstrāde ir mazefektīvi.

Otrā aktivitāte ietver Si- un organisko pusvadītāju saules šūnu izstrādei.

Atšķirībā no kristāliska silīcija saules šūnām ar lielu lādiņa nesēju mobilitāti mc-Si saules šūna irizstrādāta kā trīs slāņu p-i-n struktūra, kurā i-Si slānī lādiņa nesēji tiek pārnesti emitera - kolektora kontaktu slāņu elektriskā laukā.

Izstrādātā saules šūnas optimālā struktūra ir ar sekojošiem slāņu biezumiem: emiters 20-40 nm, absorbers 200 -400nm, kolektors 20-40 nm. Slāņu vienlaicīga kristalizācija ar Nd-YAG SN 202, otrās harmonikas 532 nm kūlis, iespiešanas dziļums Si: līdz 900 nm.

Pilna informācija: Si saules šūnas prototips.

Kā alternatīva amorfa silīcija saules šūnai papildus projektā izstrādāta neorganiska materiāla saules šūna uz nano- kristāliska svina sulfīda bāzes. Tehnoloģija: 50-100 nm bieza PbS slānis ar rotējošā diska metodi uznests uz ITO pamatnes, augšējais elektrods (Al): ITO/PbS/Al saules šūna. Parametri īsslēguma strāva 0.4 mA un atvērtā kontakta spriegums 0.275 V.

Organisko materiālu saules šūnas izstrādes rezultāti uz DMABI un zemmolekulāro pusvadītāju bāzes.

1.Organiskā saules šūna ar DMABI slāņainas struktūras fotojutīgo daļu. Apgaismojot ar 100mW/cm2, īsslēguma strāva: 0,023 mA, spriegums 0,72V. Cēlonis: maza gaismas absorbcija slāņos.

2. Organiskā saules šūna ar DMABI tilpuma struktūras foto jutīgo daļu. Parauga īsslēguma strāva ir tuva 1 mA apgaismojot ar ar 100mW/cm2 gaismu. Saules šūnas spriegums ir 0,7 V.

3.Organiskā saules šūna ar PCBM tilpuma struktūras foto jutīgo daļu. ITO/PEDOT:PSS/PCBM:P3HT(1:1)/BaF/Al.

Apgaismojot ar 100mW/cm2 īsslēguma strāva 1,1 mA un spriegums 0,56 V.

Pilna informācija: OM saules šūnas prototips.

Trešā aktivitāte. Interfeisa slāņa izstrāde starp OP un mc-Si saules šūnām.

Izpētīti optiski caurspīdīgu elektrovadošu oksīdu magnetrona uzklātu Sn-InO ( ITO) un Zn-AlO (AZO) slāņu parametri: elektrovadāmība atkarībā no uzklāšanas temperatūras, interfeisa darba funkcijas atkarība no skābekļa relatīvās koncentrācijas magnetrona Ar-O2 plazmā.

Izpētītas darba funkcijas mcSi saules šūnai un PEDOT:PSS/PCBM:P3HT saules šūnai.

Izpētīta lādiņa nesēju tunelēšana kontaktā.

Izstrādāta interfeisa nano-slāņa uzklāšanas metode lietojot magnetrona uzputināšanu Ar atmosfērā un Ar-O2 atmosfērā.

Pamatojoties uz augšminētiem darba funkcijas parametriem, izveidotas tandēma šūnas:

Pilna informācija:

Al kontakts/ elektrovadoša pamatne/mcSi n-i-p SŠ/AZO/ PCBM:P3HT/PEDOT/Al kontakts;

Al-kontakts/elektrovadoša pamatne/ mcSi n-i-p SŠ/ Au-nano/PCBM:P3HT/PEDOT/Al kontakts.

Projektā sasniegtais galvenaie rezultāti.

Saules šūna, kura sastāv no tandēmā saslēgtām silīcija bāzētām un organisko pusvadītāju saules šūnām, iegūtām vienotā zemas temperatūras tehnoloģijā. Tā nodrošina saules paneļu ražošanu uz optiski caurspīdīgiem materiāliem – stikls, organisku polimeru plēves.

Izstrādāta silīcija saules šūna, kura atšķirībā no esošajām raksturojas ar amorfa silīcija funkcionālo slāņu uzklāšanu PECVD tehnoloģijā pie zemas temperatūras ar sekojošu mikro-kristāliskas saules šūnas radīšanu.

Izstrādātas zem-molekulāro organisko pusvadītāju saules šūna uz P3HT:PCBM polimeru bāzes. Izstrādātā tandēma šūna salīdzinot ar mono saules šūnām raksturojas ar palielinātu saules enerģijas konversijas efektivitāti.

Rezultātu reprezentācija.

Sasniegtie rezultāti ir reprezentēti 4 publikācijās starptautiski citētos žurnālos un referāti 11 starptautiskās konferencēs.

Izstrādāti 4 funkcionāli saules šūnu prototipi:

  • mikro-kristāliska silīcija saules šūna,
  • organiskā polimera P3HT:PCBM saules šūna
  • tandēma saules šūna: mikrokristālisks silīcijs –organiska polimera P3HT:PCBM tandēma saules šūna ar interfeisu optiski caurspīdīgs Sn-In oksīds
  • tandēma saules šūna: mikrokristālisks silīcijs –organiska polimera P3HT:PCBM tandēma saules šūna ar interfeisu: nano-Au daļiņu slānis.
  • Iesniegts Latvijas patents: „Amorfa silīcija slāņu lāzerkristalizācijas paņēmiens mikro- un poli-silīcija saules šūnu iegūšanai”.

Izstrādāti divi tandēma ŠŠ prototipi: Si-SŠ –interfeiss- OP SŠ, kur interfeisa materiāli ir attiecīgi optiski caurspīdīgs oksīds un zelta nanoslānis.