سجل خلايا شمسية جديدة – سجل خلايا شمسية جديدة

تم نشره على: 10 أغسطس 2020 / تحديث من: 17 أغسطس 2020 – المؤلف: Konrad Wolfenstein

التبديل إلى النسخة الإنجليزية

كفاءة أعلى في ترادفي – سجل خلايا شمسية جديدة

يتم استنساخ الأبحاث الكهروضوئية لزيادة كفاءة الخلايا الشمسية. تركز الخلايا الكهروضوئية على نحو متزايد ، حيث يتم دمج مواد الخلايا الشمسية القوية في مجموعات مختلفة من أجل استخدام طيف الشمس بشكل أكثر كفاءة عند تحويل الضوء إلى طاقة كهربائية. يتمتع Fraunhofer ISE الآن بنسبة 25.9 في المائة من سجل جديد لخلية Tandemsolar III-V/SI مباشرة على السيليكون. تم إنتاج هذا لأول مرة على ركيزة من السيليكون غير مكلفة – وهو معلم مهم في طريقه إلى الحلول الاقتصادية للخلايا الكهروضوئية الترادفية.

العديد من الخلايا المتربائية III-V على ركيزة من السيليكون بقطر 10 سم- – Fraunhofer – الصورة: Markus Feifel

يعمل معهد فراونهوفر لأنظمة الطاقة الشمسية ISE منذ سنوات عديدة على خلايا شمسية متعددة، حيث يتم ترتيب خليتين أو ثلاث خلايا فرعية واحدة فوق الأخرى لتحويل أطوال موجية مختلفة من ضوء الشمس إلى كهرباء. يعتبر السيليكون مناسبًا لامتصاص الجزء تحت الأحمر من الطيف ويتم وضع فوقه طبقات من أشباه الموصلات III-V التي يبلغ سمكها بضعة ميكرومترات، وهي مواد من المجموعتين III وV من الجدول الدوري، والتي تحول الأشعة فوق البنفسجية والمرئية والأشعة فوق البنفسجية. ضوء الأشعة تحت الحمراء القريبة أكثر كفاءة في المشي بالكهرباء. تُستخدم الخلايا الشمسية شبه الموصلة النقية من النوع III-V بالفعل في الفضاء وفي الخلايا الكهروضوئية المركزة. ومن خلال عمليات أكثر فعالية من حيث التكلفة بالاشتراك مع السيليكون باعتباره أدنى خلية فرعية، ينبغي أيضًا إتاحة التكنولوجيا الترادفية للخلايا الكهروضوئية الواسعة في المستقبل. ومع ذلك، لا يزال هناك طريق طويل لنقطعه حتى ذلك الحين.

25.9 بالمائة للخلايا الشمسية الترادفية III-V/Si المزروعة مباشرة على السيليكون

هناك طرق مختلفة لإنشاء مجموعات من الخلايا الشمسية III V والسيليكون. منذ عام 2019 ، يحتفظ Fraunhofer بقيمة قياسية عالمية قدرها 34.1 في المائة (34.5 في المائة) لخلية شمسية ترادفية يتم فيها نقل طبقات أشباه الموصلات III-V من ركيزة أرسينيد غاليوم إلى السيليكون ، مع الطبقات المتصلة بربط الذرات المزعومة. هذه التكنولوجيا فعالة ولكنها باهظة الثمن. لذلك ، يعمل Fraunhofer ISE على المزيد من عمليات التصنيع المباشرة لسنوات عديدة ، حيث يتم فصل الطبقات III-V أو تقبلها على خلية شمسية من السيليكون. من الأهمية بمكان الحصول على جودة بلورية عالية من جميع الطبقات – تحد كبير. لقد تم الآن تحقيق كفاءة قياسية عالمية جديدة لمثل هذه الخلية المتربورة III-V/SI التي نمت مباشرة على السيليسيوم. قدم عالم Fraunhofer ISE Markus Feifel نجاحه مؤخرًا في مؤتمر المتخصصين في IEEE 47 ، والذي ، مثل العديد من المؤتمرات ، يتم حاليًا عبر الإنترنت وتم تكريمه بجائزة الطالب في فئة الخلايا الهجينة المتربورة. "من الخارج ، لا يكون البنية الداخلية المعقدة للخلية غير مرئية ، لأن جميع الامتصاصات متصلة وترابط كهربائيًا عن طريق الطبقات البلورية الإضافية" ، يوضح باحث الخلية الشمسية الشابة ، الذي كان قادرًا على تحسين نتيجة عمله من 24.3 إلى 25.9 في المائة في أقل من عام واحد. "لقد نجح هذا النجاح من خلال تبادل طبقة رقيقة واحدة داخل الخلية المتعددة" ، يوضح. "أظهر تحليل دقيق لخلايانا أن هذه الطبقة أدت إلى حاجز لخط الطاقة."

قام باحثو فراونهوفر بتطوير التكنولوجيا بخطوات صغيرة منذ عام 2007 بالتعاون مع جامعة TU Ilmenau، Philipps Univ. ماربورغ وشركة Aixtron، تم إنشاء أنظمة خاصة للفحص وتم فحص كل طبقة من طبقات الهيكل. تم تمويل هذه التطورات من قبل وزارة الأبحاث الفيدرالية BMBF كجزء من مشروعي "III-V-Si" و"MehrSi". ومن أبرز مميزات الخلية الشمسية الترادفية الجديدة أن الطبقات III-V لم تتم زراعتها على ركيزة مصقولة كيميائيًا وميكانيكيًا، كما كان الحال سابقًا، ولكن على رقاقة سيليكون، والتي بعد نشر البلورة في عملية بسيطة باستخدام فقط تمت معالجة عمليات الطحن والنقش غير المكلفة. وكجزء من مشروع "SiTaSol" الأوروبي، قامت الشركة الدنماركية Topsil بتطوير رقائق السيليكون هذه، وبذلك اتخذت خطوة مهمة نحو الإنتاج الاقتصادي للخلايا الشمسية الجديدة متعددة الوصلات. في المستقبل، سيكون الهدف هو زيادة الكفاءة بشكل أكبر وترسيب الطبقات بشكل أسرع، مع إنتاجية أعلى وبالتالي أكثر فعالية من حيث التكلفة، بهدف أن تساهم الخلايا الكهروضوئية الترادفية بشكل مهم في الخلايا الكهروضوئية اللازمة لانتقال الطاقة - يمكن تحقيق التوسع.

التكنولوجيا الرئيسية لانتقال الطاقة

تعد الكهرباء من الخلايا الشمسية أرخص أشكال توليد الطاقة في أجزاء كثيرة من العالم اليوم. وقال البروفيسور الدكتور ستيفان غلونز ، رئيس الأبحاث الكهروضوئية – "البحوث الكهروضوئية الأوروبية لديها العديد من المفاهيم الجارية لتطوير كفاءة هذه التكنولوجيا الرئيسية لانتقال الطاقة إلى أبعد من ذلك". »نحن لا نعمل فقط على جعل إنتاج الخلايا الشمسية السيليكون أكثر استدامة وأرخص ، ولكن في الوقت نفسه ، فتح أرضية جديدة لقيادة السيليكون المؤكدة فيما يتعلق بمواد أشباه الموصلات الأخرى إلى كفاءة أعلى. ننجح مع الأسلوب الكهروضوئية الترادفية. «لا يفتح الكهروضوهيدي التترافئ الطريق إلى مستقبل توليد الكهرباء فحسب ، بل هذه الخلايا الشمسية – بسبب ارتفاع الجهد – مثالي أيضًا للتحليل الكهربائي ، والانهيار المباشر للمياه في الهيدروجين والأكسجين. تقدم هذه التكنولوجيا أيضًا مساهمة في استخراج الهيدروجين كتخزين للطاقة وبلاط بناء مهم لنقل الطاقة.

بنية الشريحة من – الشمسية المتعددة II-V/SI- © Fraunhofer ISE

بنية الطبقة للخلية الشمسية المتعددة III-V/Si والكفاءة الكمية وخصائص IV في ظل الظروف الطيفية AM 1.5g

كفاءة أعلى في ترادفي – سجل خلايا شمسية جديدة

تعمل أبحاث الألواح الكهروضوئية بجد لاستمرار كفاءة الخلايا الشمسية. على نحو متزايد ، ينصب التركيز على الخلايا الكهروضوئية الترادفية ، حيث تكون مواد الخلايا الشمسية عالية الأداء تجمع في مجموعات مختلفة من أجل استخدام الطيف الشمسي بشكل أكثر كفاءة في تحويل الضوء إلى الطاقة الكهربائية. تقوم Fraunhofer ISE الآن بالإبلاغ عن كفاءة قياسية جديدة قدرها 25.9 في المائة لخلية شمسية III-V/SI Tandem التي تزرع مباشرة على السيليكون. لأول مرة ، تم إنتاج هذا على ركيزة من السيليكون منخفضة التكلفة – وهو معلم مهم في الطريق إلى الحلول الاقتصادية للخلايا الكهروضوئية الترادفية.

العديد من الخلايا الشمسية III-V جنبا إلى جنب على ركيزة السيليكون – قطرها 10 سم-© Fraunhofer – الصورة: Markus Feifel

يعمل معهد فراونهوفر لأنظمة الطاقة الشمسية ISE منذ سنوات عديدة على خلايا شمسية متعددة الوصلات يتم فيها ترتيب خليتين أو ثلاث خلايا جزئية واحدة فوق الأخرى لتحويل أطوال موجية مختلفة من ضوء الشمس إلى كهرباء. يعتبر السيليكون مناسبًا كممتص للجزء تحت الأحمر من الطيف، وطبقات أشباه الموصلات III-V، وهي مواد من المجموعتين III وV من الجدول الدوري، والتي تحول الأشعة فوق البنفسجية والضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء القريبة بكفاءة أكبر إلى كهرباء تترسب على أعلى من ذلك. تُستخدم الخلايا الشمسية شبه الموصلة النقية من النوع III-V بالفعل في الفضاء وفي الخلايا الكهروضوئية المركزة. ومن خلال عمليات أكثر فعالية من حيث التكلفة بالاشتراك مع السيليكون باعتباره الخلية الفرعية الأدنى، سيتم إتاحة التكنولوجيا الترادفية للخلايا الكهروضوئية ذات القاعدة العريضة في المستقبل. ومع ذلك، لا يزال هناك طريق طويل لنقطعه حتى ذلك الحين.

25.9 بالمائة للخلايا الشمسية الترادفية III-V/Si المزروعة مباشرة على السيليكون

هناك طرق مختلفة لإنتاج مجموعات من الخلايا الشمسية II-V والسيليكون. على سبيل المثال ، منذ عام 2019 ، حقق Fraunhofer ISE الرقم القياسي العالمي الكفاءة بنسبة 34.1 في المائة (الآن 34.5 في المائة) لخلية شمسية ترادفية يتم فيها نقل طبقات أشباه الموصلات III-V من رتبة مالية مالية. هذه التكنولوجيا فعالة ولكنها باهظة الثمن. لهذا السبب ، تعمل Fraunhofer ISE لسنوات عديدة على عمليات التصنيع المباشرة التي تكون فيها طبقات III-V مستمدة أو محفوظة على خلية شمسية من السيليكون. هنا ، من الأهمية بمكان الحفاظ على جودة بلورية عالية لجميع الطبقات – وهو تحد كبير. تم الآن تحقيق كفاءة قياسية عالمية جديدة قدرها 25.9 في المائة لمثل هذه الخلايا الشمسية III-V/SI Tandem التي تزرع مباشرة على السيليكون. تمكن عالم Fraunhofer ISE Markus Feifel مؤخرًا من تقديم نجاحه في مؤتمر أخصائيي IEEE الكهروضوئي السابع والأربعين ، والذي تم تكريمه ، مثل العديد من المؤتمرات في الوقت الحاضر ، بجائزة الطالب في الخلايا الشمسية الترالية الهجينة. "من الخارج ، لا يكون البنية الداخلية المعقدة للخلية مرئية ، حيث أن جميع الامتصاصات متصلة ببعضها البعض بواسطة طبقات بلورية إضافية وسلكية كهربائيا" ، يوضح أبحاث الخلايا الشمسية الشابة 25.9 في المائة في أقل من عام. "تم تحقيق هذا النجاح من خلال استبدال طبقة رقيقة واحدة داخل الخلية المتعددة" ، يتابع. "كشف تحليل دقيق لخلايانا أن هذه الطبقة خلقت حاجزًا على خط الطاقة."

في خطوات صغيرة ، قام باحثو Fraunhofer بتطوير التكنولوجيا بشكل أكبر منذ عام 2007 بالتعاون مع جامعة إيلمناو التقنية ، جامعة فيليبس. Marburg و Company Aixtron ، وضع معدات epitaxy خاصة وفحص كل طبقة واحدة من الهيكل. تم تمويل تطورات الأطروحة من قبل وزارة التعليم والبحوث الفيدرالية الألمانية (BMBF) كجزء من مشاريع "III-V-SI" و "Mehrsi". ومن أبرز ما يميز الخلية الشمسية الترادفية الجديدة أن طبقات II-V لم يتم زراعتها على ركيزة مصقولة كيميائية ميكانيكيًا كما كان الحال سابقًا ، ولكن على رقاقة السيليكون ، بعد نشر البلورة ، ما الذي تعامل في عملية بسيطة باستخدام طحن غير مكلف فقط و عمليات الحفر. ضمن المشروع الأوروبي "Sitasol" ، طورت الشركة الدنماركية Topsil رقائق السيليكون الأطروحة ، وبالتالي أدركت خطوة مهمة نحو الإنتاج الاقتصادي للخلايا الشمسية الجديدة متعددة الوظائف. في المستقبل ، سيكون الهدف هو تبخير كفاءة أبعد من ذلك ، وهكذا ندرك ترسب الطبقات بشكل أسرع ، مع ارتفاع في جميع أنحاء وبالتالي أكثر من التكلفة ، بهدف يمكن أن يقدم الخلايا الكهروضوئية الترادفية مساهمة استيراد في التوسع الضوئي ضروري لتحول الطاقة.

التكنولوجيا الرئيسية لتحويل نظام الطاقة

في أجزاء كثيرة من العالم اليوم ، تعد الكهرباء من الخلايا الشمسية أرخص أشكال توليد الطاقة. يقول البروفيسور الدكتور ستيفان غلونز ، رئيس قسم أبحاث الأبحاث الضوئية: "تعمل الأبحاث الكهروضوئية الأوروبية على العديد من المفاهيم لزيادة تطوير كفاءة هذه التكنولوجيا الرئيسية لتحول الطاقة". "نحن لا نعمل فقط على جعل إنتاج الخلايا الشمسية السيليكون أكثر استدامة وتكلفة من حيث التكلفة ، ولكن في الوقت نفسه ، نقوم بتفكيك أرضية جديدة للغاية من – قيادة السيليكون – بالاقتران مع مواد أشباه الموصلات الأخرى إلى كفاءة أعلى من طاقة البناء.

بنية طبقة من الخلية الشمسية متعددة الوظائف III-V/SI- – Fraunhofer ISE

بنية الطبقة للخلية الشمسية متعددة الوصلات III-V/Si والكفاءة الكمومية وخصائص IV في ظل الظروف الطيفية AM 1.5g