Mannschaft SBDie Dünnschicht-Solarzellentechnologie ist die zweite Generation von Photovoltaik (PV)-Solarzellen, die einen dünnen Halbleiter aufweisen, der von wenigen Nanometern bis zu Mikrometern reicht. Eine der beliebtesten Arten der Dünnschicht-Solartechnologie ist das Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (CIGS). CIGS-Solarzellen haben bewiesen, dass sie eine hohe Ausgangsleistung liefern, kostengünstig sind und einen geringeren CO-Ausstoß aufweisen2 Fußabdruck und haben mehrere andere Vorteile.
Wenn Sie mehr über CIGS-Solarzellen, die Vorteile dieser Technologie oder den aktuellen Wachstumsstatus von CIGS-Solarmodulen auf dem Markt erfahren möchten, ist dies der richtige Artikel für Sie.
Hier werden Sie die Grundlagen dieser Technologie wiederholen, ihre Vor- und Nachteile kennenlernen, die verschiedenen Anwendungen der CIGS-Solarzellentechnologie verstehen, sich über die neuesten Updates der Technologie informieren und vieles mehr.
Inhaltsverzeichnis
CIGS-Dünnschicht-Solartechnologie: Grundlagen verstehen
Eine kurze Geschichte…
Die CIGS-Solarmodultechnologie kann ihren Ursprung nachvollziehen zurück bis 1953 als Hahn das erste CuInSe machte2 (CIS) Dünnschichtsolarzelle, die 1974 von Bell Laboratories als PV-Material nominiert wurde. In diesem Jahr begannen Forscher, es zu testen, und 1976 stellten Universitätsforscher das erste p-CuInSe her2/n-CdS und macht damit die ersten Schritte in Richtung CIGS-Dünnschichtsolarzellen. 1995 führten Forscher des National Renewable Energy Laboratory (NREL) schließlich Gallium in den CIS-Solarzellenmix ein und schufen die erste CIGS-Solarzelle.
Grundlagen zum Aufbau der CIGS-Solarzelle
Die CIGS-Dünnschicht-Solarmodultechnologie wird mit einem pn-Übergang aus Kupfer, Indium und später Gallium hergestellt mit geglüht Seleniddampf. Die flexible Eigenschaft des Moduls wird durch die Variation des Substrats erreicht, was ihm einzigartige Eigenschaften für verschiedene Anwendungen verleiht. Die CIGS-Solarzellenstruktur weist auch eine leitfähige Folie für die Leitfähigkeit und eine Schutzschicht auf.
Ein Vorteil eines CIGS-Dünnschicht-Solarmoduls ist seine Technologie extrem vielseitig, um sich an zahlreiche Anwendungen anpassen zu können. PV-Module mit dieser Technologie können als flexible Module, starre Module, gebäudeintegrierte Photovoltaik (BIPV)-Produkte und mit aktuellen Technologien sogar als hocheffiziente bifaziale Module hergestellt werden.
Auswirkungen auf die Umwelt & Recycling
Es gibt auch einen wichtigen Umweltvorteil gegenüber der CIGS-Dünnschicht-Solarmodultechnologie kristallines Silizium (c-Si) Einsen. Die Herstellung von c-Si-PV-Modulen verursacht eine äquivalente Belastung von 50–60 g CO2/kWh, während nur ein CIGS-Solarmodul ergibt 12–20 g von CO2/kWh, was der Windkraft entspricht, die 10–12 g CO produziert2/ kWh.
Da die Herstellung eines CIGS-Dünnschicht-Solarmoduls den Einsatz wertvoller Metalle erfordert, ist es ein gutes Argument für diese Technologie, dass dies möglich ist recycelt. Rund 100 % des Silbers und 85 % des Indiums, die zur Herstellung dieser Module verwendet werden, können beim Recycling zurückgewonnen werden.
Hervorragende Umwandlungseffizienz und -leistung
Die CIGS-Solarmodultechnologie ist eine der effizientesten verfügbaren Dünnschichttechnologien. Ein Rekord-CIGS-Solarzellenwirkungsgrad von 23.35 % wurde erreicht von Nakamura et al. im Jahr 2019 für CIGS-Solarzellen, während flexible CIGS-Solarpanelmodule einen aufgezeichneten Wirkungsgrad von 22.2 % aufweisen, 2022 erreicht von der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA).
Diese Technologie liefert eine hervorragende Leistung, teilweise nur dank ihres niedrigen Temperaturkoeffizienten (TCO). -0.36% / ºC, das sich hervorragend für alle Anwendungen an extremen Klimastandorten eignet. Durch die Weiterentwicklung oder Kombination der Technologie als Tandemsolarzellen kann der Wirkungsgrad gesteigert werden.
Vor- und Nachteile von CIGS-Dünnschicht-Solarmodulen
Vorteile
Hohe Umwandlungseffizienz
Der rekordhohe Umwandlungswirkungsgrad für CIGS-Solarzellen wurde mit 23.35 % erreicht. Dies liegt über dem Durchschnitt und nahe am Rekord anderer beliebter c-Si-Technologien.
Wettbewerbsfähige Produktionskosten
CIGS-Solarmodule haben dank ihres dünnen Designs wettbewerbsfähige Produktionskosten und einen geringeren Materialbedarf zur Herstellung von Solarzellen.
Geringer COXNUMX-Ausstoß
Bei der Herstellung von CIGS-Solarzellen entstehen kaum 12–20 g CO2 Äquivalent/kWh. Dieser niedrige COXNUMX-Fußabdruck kommt dem der Windenergie ziemlich nahe.
Überlegene Ästhetik
Dank eines leichteren und dünneren Designs zeichnen sich CIGS-Solarzellen aus ein überlegenes ästhetisches Erscheinungsbild. Darüber hinaus flexible CIGS-Solarmodulmodelle Anpassung an ungewöhnlich geformte Gebäude, ideal zur Verbesserung der Ästhetik.
Einzigartige Eigenschaften, die für verschiedene Anwendungen geeignet sind
Aufgrund ihres geringen Gewichts können CIGS-Solarzellen auf Dächern mit begrenzter Tragfähigkeit installiert werden. Diese Technologie kann auch in flexiblen CIGS-Solarmoduloptionen für ungewöhnlich geformte Gebäude oder gebäudeintegrierte Photovoltaik (BIPV) verarbeitet werden.
Bessere Leistung bei diffusem Licht und hohen Temperaturen
CIGS-Solarzellen können dank einer besseren Anpassung an Orte mit diffusem Licht und einem niedrigen Temperaturkoeffizienten von -0.36 %/ºC eine bessere Leistung erbringen, was die Leistungsverluste an Orten mit extremem Klima reduziert.
Geeignet für bifaziale Anwendungen
Bifaziale CIGS-Solarmodule können hergestellt werden, um die Albedo-Ressource zu nutzen. Die Solarindustrie hat kürzlich Durchbrüche erzielt, um die bifaziale CIGS-Technologie zu verbessern.
CIGS-Dünnschicht-Solarmodule können möglicherweise recycelt werden
Die CIGS-Solarzellentechnologie kann recycelt werden, wobei 100 % des Silbers und 85 % des Indiums zurückgewonnen werden, die zur Herstellung der Zellen verwendet wurden.
Nachteile
Die Herstellung erfordert ein seltenes Metall
CIGS-Dünnschicht-Solarmodule benötigen Indium, das als seltenes Metall gilt. Der einzige Vorteil ist, dass das meiste Indium in CIGS-Dünnschicht-Solarmodulen aus alten Modulen recycelt werden kann.
Schneller Solarzellenabbau unter bestimmten Bedingungen
CIGS-Dünnschichtsolarzellen können stark durch Wasserdampf beeinträchtigt werden, der eine Natriummigration innerhalb der Zelle verursacht, und erhöht die Degradation der Solarzelle. Um dies zu vermeiden, wird davon abgeraten, diese Art von PV-Technologie in Gebieten mit hoher Luftfeuchtigkeit und intensiver Sonneneinstrahlung einzusetzen, wenn die Produktqualität unbekannt ist.
Anwendungen von CIGS-Dünnschicht-Solarmodulen
CIGS-Dünnschicht-Solarmodule haben mehrere Anwendungen. Diese Technologie kann für herkömmliche Anwendungen verwendet werden, aber auch für einzigartige Anwendungen, die für herkömmliche c-Si-Solarmodule nicht geeignet sind.
Traditionelle Anwendungen im Wohn-, Gewerbe- und Industrie-/Versorgungsmaßstab
CIGS-Dünnschicht-Solarmodule können als starre oder flexible Module konzipiert werden, um in herkömmlichen PV-Anlagen in Größenordnungen von Wohngebäuden bis hin zu Versorgungsanlagen verwendet zu werden. Die hervorragende Leistung bei unterschiedlichen Lichtverhältnissen und extremen Temperaturen macht diese Module leistungsfähiger als herkömmliche Technologien.
Gebäudeintegrierte Photovoltaik (BIPV)
BIPV ist eine besondere Anwendung, die für CIGS und einige wenige geeignet ist andere Dünnschicht-Solartechnologien. CIGS-Solarzellen können in die Fassade eines Gebäudes oder in die Fenster integriert oder in verschiedene Formen gebracht werden, um Gebäuden die Möglichkeit zu geben, Solarstrom zu produzieren, ohne die Ästhetik des Ortes zu stören.
Raumfahrtanwendungen
Nur wenige Technologien, einschließlich CIGS, können für Weltraumanwendungen angepasst werden. Bis 2023 produzierte Ascent Solar, der US-amerikanische Hersteller von CIGS-Solarmodulen CIGS-PV-Module für Weltraumanwendungen mit einzigartigen Eigenschaften, die oft von der NASA demonstriert wurden.
Neueste Erkenntnisse & Updates zu CIGS-Dünnschichtmodulen (2022-2023)
Rekordwirkungsgrad von 22.2 % für flexible CIGS-Solarzellen
Im September 2022 stellten Forschende der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA) vor ein neuer Rekordwirkungsgrad erreicht für eine flexible CIGS-Solarzelle von 22.2 %, bei der 8th Weltkonferenz über photovoltaische Energieumwandlung (WCPEC-8). Der bisheriger Rekord lag bei 21.4 %, während der Rekord für die CIGS-Dünnschichttechnologie im Allgemeinen bei 23.35 % liegt.
Diese Leistung wurde später vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (Fraunhofer ISE) bestätigt. Der neue Rekord wurde durch eine Änderung der Zusammensetzung der CIGS-Schicht erreicht, wodurch die Ausgangsspannung erhöht und die Leistung verbessert wurde. Diese Ergebnisse können im industriellen Maßstab repliziert werden, um die Effizienz der Herstellung von CIGS-Solarmodulen im Einzelhandel zu steigern.
Effizienzsteigerung für bifaziale CIGS-Dünnschichtsolarzellen
Forschern der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA) ist eine Effizienzsteigerung bei bifazialen PV-Modulen mit CIGS-Dünnschicht-Solarpanel-Technologie gelungen. Der Datensatz erreicht einen Wirkungsgrad von 19.8 % auf der Vorderseite des Moduls und 10.9 % auf der Rückseite.
Die Bifazial-Technologie eignet sich hervorragend für Anwendungen, die die Albedo-Ressource nutzen, aber ein höherer Wirkungsgrad ist aufgrund der transparenten Eigenschaften des Moduls besonders in der Dünnschicht-Solartechnologie interessant. Diese Errungenschaft könnte auch zu gesteigerter Effizienz in Anwendungen wie BIPV führen.
Die Forscher entwarfen eine Perowskit-CIGS-Tandemsolarzelle, die einen Wirkungsgrad von 29.7 % erreichen könnte
Die Erforschung von Tandemsolarzellen mit Perowskit hat im Laufe der Jahre in Veröffentlichungen Potenzial gezeigt. 2023 Forscher der Chitkara University in Indien veröffentlichte ein Papier in Energy Fuels, die eine numerische Studie veranschaulicht, die eine verbesserte Tandem-CIGS-Perowskit-Solarzelle zeigt und dies demonstriert ein solarer Umwandlungswirkungsgrad von 29.7 % kann erreicht werden.
Die Studie basiert auf einer monolithischen Tandemsolarzelle mit einer oberen Perowskitschicht mit einer breiten Bandlücke (Eg) von 1.68 eV und einer CIGS-Schicht mit 1.1 eV Eg. Es gibt noch einige Einschränkungen durch Verluste und Interferenzen, die möglicherweise nicht berücksichtigt wurden, aber das Potenzial dieser Berechnung könnte beeindruckende Ergebnisse in Experimenten liefern, die in einem Labor durchgeführt werden, um das Design zu reproduzieren.
Japanische Forscher erstellen eine Roadmap zur Effizienzsteigerung von CIGS-Dünnschicht-Solarmodulen
Derzeit weist das durchschnittliche CIGS-Dünnschicht-Solarmodul einen Umwandlungswirkungsgrad von etwas über 18 % auf. Im Oktober 2022 veröffentlichten japanische Forscher des National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) ein Papier eine Methodik vorschlagen um die Effizienz eines CIGS-Solarmoduls über die Schwelle von 20 % Solarumwandlungseffizienz hinaus zu steigern.
Das Papier fördert den Erwerb von Solarenergie, indem es einen Fahrplan für hocheffiziente Dünnschicht-CIGS-Modelle für flexible Solarmodule erstellt, die auf gekrümmten Oberflächen und Dächern mit Gewichtsbeschränkungen verwendet werden können. Die Methode empfiehlt Reduzierung der CIGS-Verschlechterung am Rand von Solarzellen B. durch Verwendung geeigneter Passivierungs-/Abschlussbehandlungen während der Herstellung oder durch Ersetzen des mechanischen Ritzens.
Wie schneiden CIGS-Dünnschicht-Solarmodule im Vergleich zu anderen Technologien auf dem Markt ab?
In der Solarindustrie gibt es viele herausragende PV-Technologien. In diesem Abschnitt vergleichen wir die CIGS-Dünnschicht-Solarmodultechnologie mit der Passivated Emitter Rear Cell (PERC)-Technologie, die den höchsten Marktanteil hält, und mit der Tunnel Oxide Passivated Contact (TOPCon)-Technologie, einer verbesserten Version der PERC-Technologie mit steigender Tendenz Popularität.
| PERC | TOPCon | CIGS | |
|---|---|---|---|
| Höchste aufgezeichnete Effizienz | 24.50% | 26.56% | 23.35% |
| Temperaturkoeffizient | < -0.4 %/ºC | < -0.3 %/ºC | -0.36% / ºC |
| Marktanteil | 75% (2021) | 8% (2020) | <1% (2021) |
| Gewicht | 17.9-33 kg | 5 kg | |
| Anwendungen | Traditionelle starre PV-Modulanwendungen |
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Beliebte c-Si-Technologien wie PERC und TOPCon haben die CIGS-Solarmodultechnologie in einigen Metriken übertroffen, aber diese Dünnschichttechnologie ist immer noch in hohem Maße wettbewerbsfähig.
Der höchste aufgezeichnete Wirkungsgrad für CIGS-Solarzellen liegt einige Punkte unter dem von TOPCon und nur geringfügig unter dem der PERC-Technologie. Während Massenproduktionsmodule etwas über 18 % gehen können, arbeiten japanische Forscher bereits daran, diesen Wirkungsgrad über die 20-%-Schwelle hinaus zu steigern.
Ein großer Vorteil von CIGS-Dünnschicht-Solarmodulen ist ihre Temperaturkoeffizient. TOPCon ist die leistungsstärkste Technologie, aber CIGS schneidet in extremen Klimazonen besser ab als die PERC-Technologie und auch funktioniert hervorragend bei diffusen Lichtverhältnissen.
Der stärkste Punkt zugunsten der CIGS-Dünnschicht-Solarmodultechnologie ist die hohe Zahl der Bewerbungen die PERC- und TOPCon-PV-Technologien übertreffen. CIGS-Solarmodule können als herkömmliche starre Module, als flexible PV-Module zur Installation auf gekrümmten Dächern oder Gebäuden mit ungewöhnlichen Formen und für viele andere Anwendungen verwendet werden.
Das geringe Gewicht von CIGS-Solarmodulen eignet sich hervorragend für Anwendungen mit einer maximalen Gewichtsgrenze. Das Gewicht für PERC- und TOPCon-PV-Module kann zwischen 18 kg und 33 kg liegen, aber einige CIGS-Dünnschicht-Solarmodule wiegen kaum um 5 kg. Dies macht sie zu einer hervorragenden Option für Häuser mit Dachgewichtsbeschränkungen, um Solarenergie zu genießen, ohne das Dach zu wechseln.
An der Spitze der flexiblen und starren PV-Anwendungen kann die CIGS-Dünnschicht-Solartechnologie stehen entwickelt und hergestellt für BIPV-Anwendungen. CIGS-PV-Module können in verschiedenen Farben und Mustern hergestellt, in benutzerdefinierten Formen für ästhetische Anwendungen erstellt oder als PV-Fassaden, Solarglasfenster, Schindeln und mehr verwendet werden.
CIGS-Dünnschicht-Solarmodule & ihr Markt: Ein Blick in die Zukunft
CIGS-Dünnschicht-Solarmodule halten derzeit nur 1% des Marktanteils, aber die Technologie ist in der Solarindustrie ständig gewachsen Seit 2017und ist damit eine der wichtigsten Dünnschicht-Solartechnologien. Es wird erwartet, dass die CIGS-Dünnschicht-Solarmodultechnologie von 6.97 bis 2019 mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 2027 % weiter wachsen wird.
Derzeit gibt es mehrere Hersteller von CIGS-Solarmodulen. Dazu gehören das in der Schweiz ansässige Unternehmen Flisom mit einer Produktionslinie von 15 MW, Sunflare mit einer Produktionskapazität von 40 MW und mehrere andere, darunter das französische Startup Solar Cloth, das kürzlich mit einer Produktionskapazität von 20 MW gestartet ist.
Ein weiterer wichtiger Aspekt, der berücksichtigt werden muss, wenn man über die Zukunft der CIGS-Dünnschicht-Solarmodultechnologie spricht, ist die Anzahl der Projekte, die darauf abzielen, diese Technologie zu verbessern.
CIGS-Perowskit-Tandemsolarzellen
Eine vielversprechende Entwicklung mit CIGS-Solarzellen ist die Entwicklung der CIGS-Perowskit-Tandemsolarzellen. Die Technologie bietet seitdem große Chancen für die zukünftige Solarindustrie es hat sich bewährt eine Sonnenumwandlungseffizienz von über 24 %, die sich durch geringes Gewicht, Flexibilität und Strahlungsbeständigkeit auszeichnet.
Hochleistungs-CIGS-Solarzellen
Ein weiteres vielversprechendes Projekt ist die Entwicklung leistungsfähiger CIGS-Solarzellen mit einem verbesserten Syntheseverfahren. Der UL-Flex-Cell-Projekt endete im Februar 2023 mit einem Budget von fast 160,000 € und wurde von der koordiniert Internationales iberisches Nanotechnologie-Labor. Das Projekt zielte darauf ab, die Herstellung der CIGS-Solarzelle zu verbessern, um die Effizienz der Module zu steigern.
Anwendung der Silizium-Solarzellentechnologie auf CIGS-Solarzellen
Es gibt Ein Projekt zur Verbesserung der PV-Technologie zielte darauf ab, die c-Si-Solarzellentechnologie mit CIGS-Solarzellen zu kombinieren, um den Solarzellenwirkungsgrad auf 23 %–26 % zu erhöhen, die Stabilität und Zuverlässigkeit zu verbessern und die Kosten zu senken. Das Projekt wurde vom Interuniversitair Micro-Electronica Centrum (IMEC) ausgerichtet, hatte ein Budget von knapp 2,000,000 € und endete im 3. Quartal 2022. Die Ergebnisse sind veröffentlicht in 33 begutachteten Artikeln, 1 monografischem Buch und 1 fortlaufender Konferenz.
Projekt NovaCell
Schließlich wurde im dritten Quartal 3 die angekündigt Projekt NovaCell das von der NOA Research Group gehostet wird. Dieses Projekt zielt darauf ab, eine neuartige Architektur für CIGS-Solarzellen zu entwickeln. Sie planen, dies zu erreichen, indem sie die Dicke der Solarzelle auf 700 nm reduzieren, Material sparen und dennoch einen CIGS-Solarzellenwirkungsgrad von 16 % zu geringen Kosten erreichen.
