Фотоэлектрические элементы обычно изготавливаются из полупроводниковых материалов, включая кремний или другие соединения на основе индия, галлия или кадмия. Например, теллурид кадмия (CdTe) в последние годы заменил кремний. Благодаря лучшей способности поглощать свет (даже на рассвете или в пасмурные дни), он более экономичен, чем кремниевые элементы. Однако у теллурида кадмия есть два серьезных недостатка.
Теллур является редким элементом, исчерпаемые источники которого не позволяют предусмотреть устойчивое использование этой технологии. Более того, кадмий является очень токсичным элементом, как для человека, так и для окружающей среды; таким образом, он напрямую угрожает персоналу мест сборки или переработки солнечных панелей, которые его содержат. Чтобы преодолеть эти недостатки, японские исследователи разработали экологически чистый метод, который исключает использование токсичного кадмия в процессе производства, чтобы создать солнечные батареи, которые являются экономически эффективными, действенными и безопасными для здоровья человека и окружающей среды.
Больше эффективности при меньшей токсичности
Борьба с изменением климата в значительной степени зависит от отказа от ископаемого топлива. Это означает использование альтернативных, более чистых и возобновляемых источников энергии. Фотоэлектрическая энергия является одним из наиболее предпочтительных решений на сегодняшний день. По данным Международного энергетического агентства, мировое производство солнечной фотоэлектрической энергии к 2021 году вырастет почти до 1000 ТВт/ч, что делает ее самой быстрорастущей возобновляемой энергией с точки зрения увеличения мощностей. Преимущество этой технологии в том, что она очень модульная и может быть развернута в очень малых количествах.
Селенид меди-индия-галлия (CuInGa(Se)2, также известный как CIGSSe) — это тип тонкопленочных солнечных элементов, которые имеют ряд преимуществ перед традиционными кремниевыми солнечными элементами: они примерно в 100 раз тоньше, дешевле в производстве и проще в установке на крышах и транспортных средствах. Кроме того, по сравнению с другими материалами, используемыми в тонкопленочных солнечных элементах (такими как аморфный кремний, теллурид кадмия и органические материалы), CIGSSe сильнее поглощает свет и поэтому может быть изготовлен в виде более тонкой пленки.
Однако воздействие процессов производства солнечных батарей на окружающую среду по-прежнему вызывает озабоченность, поскольку при изготовлении солнечных батарей используются токсичные материалы и образуется большое количество промышленных отходов. В частности, ячейки CIGSSe содержат буферный слой из сульфида кадмия, который является высокотоксичным и канцерогенным. Поэтому профессора Джакапан Чантана и Такаши Минемото и их команда решили изменить процесс производства таким образом, чтобы этот буферный слой был менее вредным.
Для этого ячейки были созданы из абсорбентов CIGSSe путем воздушного отжига, который окисляет поверхность. «Впервые продемонстрировано, что окисленная поверхность поглотителей CIGSSe после процесса отжига на воздухе приводит к значительному увеличению фотоэлектрических характеристик солнечных элементов CIGSSe«, — сообщают исследователи в журнале Solar RRL. Команда сообщает, что эффективность преобразования энергии составляет 16,7%.
Попытки окислить поверхность CIGSSe предпринимались и раньше, но этот процесс был чрезвычайно трудоемким (порядка нескольких месяцев). Новый метод, предложенный Чантаной и его коллегами, сокращает это время окисления всего до нескольких часов! Их подход заключается в том, чтобы сначала нанести слой CIGSSe на гибкую подложку из нержавеющей стали. Затем этот осадок подвергается воздушному отжигу — постепенному повышению температуры, которое часто используется в промышленности для изменения определенных характеристик материалов. В процессе нагрева поверхность CIGSSe окисляется, образуя собственные буферные слои сульфида индия (Inx(O,S)y).
После тестирования различных условий окисления исследователям удалось создать солнечный элемент из CIGSSe с максимальной эффективностью преобразования энергии 16,7% после 6 часов окисления при температуре 130 °C. Хотя эта эффективность ниже, чем у обычных солнечных батарей (которые обычно превышают 20%), преимущество этого подхода в том, что он гораздо более экологичен. «В традиционном процессе кадмий осаждается на слой CIGSSe с помощью процесса химического осаждения из ванны. Исключив этот этап, мы создали полностью сухой производственный процесс, который производит меньше отходов«, — объясняет профессор Чантана в .
Кроме того, процесс остается очень экономичным, что делает возможным крупномасштабное производство. В последние годы доля возобновляемых источников энергии значительно возросла во всем мире. Недавний отчет аналитического центра Ember показывает, что к 2021 году солнечная и ветровая инфраструктура будет производить более 10% электроэнергии в мире. В целом, производство солнечной и ветровой энергии выросло на 17% в 2021 году и, как ожидается, продолжит расти до 20% к 2030 году. С более эффективными, экономичными и экологически чистыми солнечными батареями эти усилия по переходу на новые источники энергии станут еще более успешными.