Nytt världsrekord för CIGS-solceller till Uppsala universitet

Resultatet bygger på ett samarbete mellan solcellsföretaget First Solars europeiska del i Uppsala (tidigare företaget Evolar) och solcellsforskare vid Uppsala universitet.

– De mätningar som vi själva gjort på den här solcellen och andra solceller gjorda i närtid är inom felmarginalen för den oberoende mätningen. Mätningen kommer också att användas för en intern kalibrering av våra egna mätmetoder, säger Marika Edoff, professor i solcellsteknik vid Uppsala universitet och ansvarig för studien.

Det förra världsrekordet var på 23,35 procent ( Solar Frontier i Japan) och det innan på 22,9 procent (ZSW i Tyskland). Uppsala universitet har även tidigare haft rekordet, första gången på 1990-talet i forskningssamarbetet Euro-CIS.

– Vi hade också ett rekord för en seriekopplad prototyp under en period. Även om det var ett bra tag sedan vi hade cellrekordet har vi ofta legat precis bakom de bästa resultaten och självklart finns det fler aspekter som spelar roll, till exempel möjlighet att skala upp till storskalig process, där vi alltid legat i framkant, säger Marika Edoff.

Solceller ökar fort i världen och solkraften bidrog, enligt International Energy Agency, (2022) med drygt sex procent av världens el. De bästa solcellsmodulerna av kristallint kisel, som är det mest använda solcellsmaterialet, omvandlar idag mer än 22 procent av solljuset till elektrisk effekt och dagens solceller är både billiga och långtidsstabila.

Ett branschmål inom solcellsforskningen är att kunna komma upp i över 30 procent verkningsgrad till rimliga produktionskostnader. Ett stort fokus är på tandemsolceller är mer effektiva, men som hittills har varit för dyra för storskalig användning.

Världsrekordet 23,64 procent är mätt av det oberoende mätinstitutet Fraunhofer ISE i Tyskland. I den vetenskapliga artikeln görs en noggrann materialanalys och en elektrisk analys av solcellen och även en jämförelse med tidigare rekord med samma typ av solceller från andra forskningsinstitutioner.

En solcells viktigaste egenskaper är förmågan att absorbera ljus och att avge sin energi till en elektrisk last. För att detta ska lyckas måste materialet kunna absorbera en optimal del av solljuset och samtidigt undvika att omvandla energi till värme i själva solcellen som därmed går till spillo.

CIGS-solceller består av en glasskiva av vanligt fönsterglas, som har belagts med flera olika skikt, varje skikt med sin specifika uppgift. Det material som absorberar solljuset består av koppar, indium, gallium och selen (därav akronymen CIGS), med tillsats av silver och natrium. Detta skikt befinner sig i själva solcellen mellan en metallisk bakkontakt av molybden och en transparent framkontakt. För att solcellen ska bli så effektiv som möjligt i att separera elektronerna så ytbehandlas CIGS-skiktet med rubidium-fluorid. Balansen mellan de två alkali-metallerna, natrium och rubidium, samt sammansättningen på CIGS-skiktet är centrala för verkningsgraden, det vill säga hur stor andel av solljusets hela spektrum, som omvandlas till elektrisk effekt i solcellen.

När mätinstituten genomför testerna, mäter de solcellens verkningsgrad med filtrerat ljus, som i både intensitet och spektrum härmar solen. Vid mätningen hålls solcellen vid en kontrollerad temperatur och mätinstituten skickar regelbundet kalibreringssolceller mellan sig. För att registreras som världsrekord ska en oberoende mätning ha utförts, vilket i det här fallet gjorts av mätinstitutet Fraunhofer ISE.

– Vi visar i vår studie att CIGS-tunnfilmsteknik är ett konkurrenskraftigt alternativ som ensam solcell. Tekniken har också egenskaper som kan fungera i andra sammanhang till exempel som bottencell i en tandemsolcell, säger Marika Edoff.

För att ytterligare förstå sambandet mellan verkningsgraden och solcellens uppbyggnad har också ett flertal avancerade mätmetoder använts. Material från solcellen har analyserats med nano-XRF (X-ray fluorescence spectroscopy) på MAX IV i Lund, där en noggrann sammansättningsanalys har gjorts. Transmissionselektronmikroskopi (TEM) har använts för att studera högupplösta tvärsnitt av solcellen, både sammansättning som funktion av djup och hur kristallkornen är uppbyggda, samt hur gränsytornas struktur ser ut. Med fotoluminescens har man analyserat hur väl solcellen internt tar hand om elektronerna genom att mäta det spektrum som solcellen själv avger om den belyses med en laser. En solcell som lyser starkt, har en lägre andel värmeförluster än en som lyser svagt. Man har även använt elektriska mätmetoder för att karakterisera dopningen av CIGS-materialet.

– Att vi nu har världsrekordet betyder mycket för både Uppsala universitet och First Solar European Technology Center. För CIGS-tekniken innebär också världsrekordet för en teknik, som är känd för sin höga stabilitet, ett alternativ för nya tillämpningar, till exempel i tandemsolceller. Det är viktigt för våra forskarkollegor runt om i världen. Vår förhoppning är att analysen av materialet och de elektriska egenskaperna kan utgöra basen för ytterligare förbättringar av prestanda, säger Marika Edoff.

Keller, J., Kiselman, K., Donzel-Gargand, O. et al. High-concentration silver alloying and steep back-contact gallium grading enabling copper indium gallium selenide solar cell with 23.6procent efficiency. Nat Energy (2024). https://doi.org/10.1038/s41560-024-01472-3

Forskningen i artikeln finansieras av Energimyndigheten, EU, samt Vetenskapsrådet.

Läs om bästa forskningsbaserade resultaten för solceller sedan 1976:
https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html

För mer information:

Marika Edoff, professor och avdelningsföreståndare för avdelningen för solcellsteknik, institutionen för materialvetenskap, e-post: marika.edoff@angstrom.uu.se, telefon 070-425 08 95