Så kan solceller bli ännu mer effektiva

Under senare år har intresset för solenergi i allmänhet och solceller i synnerhet ökat markant. I en ny avhandling från Uppsala universitet har Jonas Pettersson undersökt hur giftigt material som nu används i tunnfilmssolceller av typen CIGS kan bytas ut mot zinkoxidbaserade material. Han har också visat hur solcellerna kan få högre verkningsgrad.

Intresset för solceller beror på en ökad strävan att bli oberoende av fossila bränslen. I en solcell omvandlas det inkommande solljuset direkt till elektricitet. Ett sätt att minska tillverkningskostnaderna och därigenom göra solel konkurrenskraftig med andra energikällor är att använda sig av tunna filmer. Dessa tunnfilmssolceller kan vara en hundradel så tjocka som vanliga solceller av kristallint kisel.   

I sin avhandling har Jonas Pettersson studeras tunnfilmssolceller av kopparindiumgalliumselenid, CIGS. Detta material ger solceller med hög verkningsgrad. I vanliga fall innehåller CIGS-solceller ett tunt så kallat buffertlager av kadmiumsulfid. En nackdel med kadmium är dock dess giftighet. Dessutom sänks solcellernas prestanda av ljusabsorption i kadmiumsulfiden. Jonas Pettersson har därför studerat solceller med ersättningsmaterial som är zinkoxidbaserade. Detta har gjorts med hjälp av olika mätmetoder samt datorsimuleringar.

En viktig del av avhandlingen handlar om CIGS-solceller med buffertlager av zinkoxid med inblandat magnesium.

- Dessa solceller får högre verkningsgrad när de belyses. Denna effekt stannar under flera veckors tid. Mätningar på tunna filmer av zinkmagnesiumoxid visar att ledningsförmågan för dessa filmer uppvisar ett liknande beteende, säger Jonas Pettersson.

Datorsimuleringar visade att egenskaperna hos de färdiga filmerna kunde förklaras med den ökade dopningen i zinkmagnesiumoxidlagret. Det verkar även som effekten förstärks av att det finns en stor mängd negativt laddade defekter i området runt gränsskiktet mellan CIGS-skiktet och zinkmagnesiumoxiden.

Egenskaper hos CIGS-skiktet varierar i djupled på grund av sammansättningsvariationer. I avhandlingen studeras även hur ändringar i djupledssammansättning och tjocklek hos CIGS-lagret påverkar solcellerna. Celler med buffertlager av svavelinblandad zinkoxid jämfördes med kadmiumsulfidceller. Det visade sig att det som i första hand krävs för att höja verkningsgraden i våra solceller med buffertlager av kadmiumsulfid är att förbättra materialet i CIGS-skiktet. För solceller med kadmiumfria buffertlager skulle även gränsskiktet mellan CIGS-lagret och buffertlagret behöva modifieras för att minska antalet defekter.

Nästa steg är att rikta uppmärksamheten mot baksideskontakten och att försöka förbättra dess elektriska egenskaper. Med dessa förbättringar skulle en verkningsgrad över 20,3 procent, vilket är världsrekordet för CIGS-solceller, kunna nås.

Avhandlingen försvaras den 30 mars.

För mer information, kontakta Jonas Pettersson, tel: 018-471 3113, 070-440 01 71, e-post: Jonas.Pettersson@angstrom.uu.se

Läs mer om avhandlingen och ladda ner den.