Нов рекорд за слънчеви клетки

Публикувано на: 10 август 2020 г. / Актуализирано на: 17 август 2020 г. – Автор: Konrad Wolfenstein

Превключване към английска версия

По-висока ефективност едновременно – нов рекорд за слънчеви клетки

Фотоволтаичните изследвания работят усърдно за непрекъснато повишаване на ефективността на слънчевите клетки. Тандемните фотоволтаици все повече се фокусират върху тандемните фотоволтаици, където високоефективните материали за слънчеви клетки се комбинират по различни начини, за да се използва слънчевият спектър още по-ефективно при преобразуването на светлината в електрическа енергия. Fraunhofer ISE вече регистрира нов рекорд за ефективност от 25,9% за тандемна слънчева клетка III-V/Si, отгледана директно върху силиций. Това е първата клетка, произведена върху рентабилен силициев субстрат – важен етап по пътя към икономически жизнеспособни решения за тандемни фотоволтаици.

Няколко тандемни слънчеви клетки III-V клас върху силициев субстрат с диаметър 10 см – © Fraunhofer ISE – Снимка: Маркус Файфел

Институтът Фраунхофер за слънчеви енергийни системи (ISE) работи от много години върху многопреходни слънчеви клетки, в които две или три подклетки са подредени една върху друга, за да преобразуват различни дължини на вълната на слънчевата светлина в електричество. Силицият е подходящ като абсорбатор за инфрачервената част на спектъра, а върху него се нанасят тънки слоеве от III-V полупроводници, дебели само няколко микрометра. Тези материали са от групи III и V на периодичната таблица и преобразуват ултравиолетовата, видимата и близката инфрачервена светлина в електричество по-ефективно. Чистите III-V полупроводникови слънчеви клетки вече се използват в космоса и в концентраторни фотоволтаици. По-рентабилни процеси, комбинирани със силиций като долна подклетка, са предназначени да направят тази тандемна технология достъпна за широко разпространени фотоволтаици в бъдеще. Предстои обаче още дълъг път.

25,9% за директно отгледани от силиций III-V/Si тандемни слънчеви клетки

Съществуват различни подходи за производство на комбинации от III-V и силициеви слънчеви клетки. От 2019 г. насам Fraunhofer ISE държи световния рекорд за ефективност от 34,1% (сега 34,5%) за тандемна слънчева клетка, в която III-V полупроводниковите слоеве се прехвърлят от субстрат от галиев арсенид към силиций, като слоевете се свързват чрез пластинкова връзка. Тази технология е ефективна, но скъпа. Поради това Fraunhofer ISE работи от много години върху по-директни производствени процеси, при които III-V слоевете се отлагат или епитаксиално се свързват върху силициева слънчева клетка. Поддържането на високо качество на кристалите във всички слоеве е от решаващо значение тук – основно предизвикателство. Вече е постигнат нов световен рекорд за ефективност от 25,9% за такава III-V/Si тандемна слънчева клетка, отгледана директно върху силиций. Ученият от Fraunhofer ISE Маркус Файфел наскоро представи успеха си на 47-ата конференция на специалистите по фотоволтаици на IEEE, която, подобно на много конференции в наши дни, се провежда онлайн, и беше удостоена със студентската награда в категорията „Хибридни тандемни слънчеви клетки“. „Сложната вътрешна структура на клетката не се вижда отвън, тъй като всички абсорбатори са свързани помежду си и електрически свързани чрез допълнителни кристални слоеве“, обяснява младият изследовател на слънчеви клетки, който по този начин успя да подобри ефективността на работата си от 24,3 на 25,9 процента за по-малко от година. „Този ​​успех беше постигнат чрез замяна на един тънък слой в мултиклетката“, продължава той. „Внимателен анализ на нашите клетки разкри, че този слой действа като бариера пред електрическата проводимост.“

От 2007 г. насам изследователи от Fraunhofer, заедно с Техническия университет в Илменау, Университета Филипс в Марбург и компанията Aixtron, постепенно разработват технологията, изграждат специализирани епитаксийни системи и изследват всеки отделен слой от структурата. Тези разработки са финансирани от Федералното министерство на образованието и изследванията на Германия (BMBF) в рамките на проектите "III-V-Si" и "MehrSi". Особен акцент на новата тандемна слънчева клетка е, че III-V слоевете не са отгледани върху химически и механично полирана подложка, както е било правилото преди, а върху силициева пластина. След като кристалът е бил нарязан, пластината е била обработена с помощта на прост, рентабилен процес на шлайфане и ецване. Датската компания Topsil разработи тези силициеви пластини в рамките на европейския проект "SiTaSol", като по този начин направи важна стъпка към икономичното производство на новите многопреходни слънчеви клетки. В бъдеще фокусът ще бъде върху по-нататъшното повишаване на ефективността и още по-бързото нанасяне на слоевете, с по-висока производителност и следователно по-рентабилно, с цел тандемните фотоволтаици да могат да дадат важен принос за разширяването на фотоволтаиката, необходимо за енергийния преход.

Ключова технология за енергийния преход

Електричеството от слънчеви клетки в момента е най-рентабилната форма на производство на енергия в много части на света. „Европейските фотоволтаични изследвания работят върху множество концепции за по-нататъшно подобряване на ефективността на тази ключова технология за енергийния преход“, казва проф. д-р Стефан Глунц, ръководител на отдела за фотоволтаични изследвания. „Ние не само работим, за да направим производството на силициеви слънчеви клетки още по-устойчиво и рентабилно, но и проучваме нови пътища за постигане на още по-висока ефективност с доказан силиций в комбинация с други полупроводникови материали. Постигаме това с тандемни фотоволтаици.“ Тандемните фотоволтаици не само проправят пътя за бъдещето на производството на електроенергия, но тези слънчеви клетки са идеално подходящи – поради по-високото си напрежение – за електролиза, директното разделяне на водата на водород и кислород. По този начин тази технология допринася и за производството на водород като среда за съхранение на енергия и важен градивен елемент за енергийния преход.

Слоеста структура на многопреходната III-V/Si слънчева клетка – © Fraunhofer ISE

Слоеста структура на многопреходна III-V/Si слънчева клетка, квантова ефективност и IV характеристика при спектрални условия AM 1.5g

По-висока ефективност едновременно – нов рекорд за слънчеви клетки

Изследванията в областта на фотоволтаиката работят усилено за непрекъснато повишаване на ефективността на слънчевите клетки. Все по-голям фокус е върху тандемните фотоволтаици, при които високоефективните материали за слънчеви клетки се комбинират в различни комбинации, за да се използва слънчевият спектър още по-ефективно при преобразуването на светлината в електрическа енергия. Fraunhofer ISE вече отчита нов рекорд за ефективност от 25,9% за тандемна слънчева клетка III-V/Si, отгледана директно върху силиций. За първи път това е произведено върху евтин силициев субстрат – важен етап по пътя към икономични решения за тандемни фотоволтаици.

Няколко тандемни слънчеви клетки III-V клас върху силициев субстрат с диаметър 10 см – © Fraunhofer ISE – Снимка: Маркус Файфел

Институтът Фраунхофер за слънчеви енергийни системи (ISE) работи от много години върху многопреходни слънчеви клетки, в които две или три частични клетки са разположени една над друга, за да преобразуват различни дължини на вълната на слънчевата светлина в електричество. Силицият е подходящ като абсорбатор за инфрачервената част на спектъра, а върху него се отлагат слоеве от III-V полупроводници, материали от групи III и V на периодичната таблица, които по-ефективно преобразуват ултравиолетова, видима и близка инфрачервена светлина в електричество. Чистите III-V полупроводникови слънчеви клетки вече се използват в космоса и в концентраторни фотоволтаици. Чрез по-рентабилни процеси в комбинация със силиций като най-ниска подклетка, тандемната технология ще стане достъпна за широкообхватни фотоволтаици в бъдеще. Въпреки това, дотогава все още има дълъг път.

25,9% за III-V/Si тандемни слънчеви клетки, отгледани директно върху силиций

Съществуват различни подходи за производство на комбинации от III-V и силициеви слънчеви клетки. Например, от 2019 г. насам Fraunhofer ISE държи световния рекорд от 34,1% ефективност (сега 34,5%) за тандемна слънчева клетка, в която III-V полупроводниковите слоеве се прехвърлят от субстрат от галиев арсенид към силиций, като слоевете са свързани чрез така наречената пластинкова връзка. Тази технология е ефективна, но скъпа. Поради тази причина Fraunhofer ISE работи от много години върху по-директни производствени процеси, при които III-V слоевете се отлагат или епитаксират върху силициева слънчева клетка. Тук е от решаващо значение да се поддържа високо качество на кристалите на всички слоеве – основно предизвикателство. Вече е постигнат нов световен рекорд за ефективност от 25,9% за такава III-V/Si тандемна слънчева клетка, отгледана директно върху силиций. Ученият от Fraunhofer ISE Маркус Файфел наскоро успя да представи успеха си на 47-ата конференция на специалистите по фотоволтаика на IEEE, която, подобно на много конференции в момента, се провежда онлайн, и беше удостоена със студентска награда в категорията „Хибридни тандемни слънчеви клетки“. „Отвън сложната вътрешна структура на клетката не се вижда, тъй като всички абсорбатори са свързани помежду си чрез допълнителни кристални слоеве и са електрически окабелени“, обяснява младият изследовател на слънчеви клетки, който по този начин успя да подобри резултата от работата си от 24,3 на 25,9 процента за по-малко от година. „Този ​​успех беше постигнат чрез замяна на един тънък слой в рамките на множествената клетка“, продължава той. „Внимателен анализ на нашите клетки разкри, че този слой е създал бариера пред електропровода.“

С малки стъпки, изследователите от Fraunhofer развиват технологията допълнително от 2007 г. насам в сътрудничество с Техническия университет в Илменау, Университета Филипс в Марбург и компанията Aixtron, като създават специално оборудване за епитаксия и изследват всеки един слой от структурата. Тези разработки са финансирани от Федералното министерство на образованието и изследванията на Германия (BMBF) като част от проектите „III-V-Si“ и „MehrSi“. Особен акцент на новата тандемна слънчева клетка е, че III-V слоевете не са отгледани върху химически-механично полирана подложка, както беше преди, а върху силициева пластина, която след нарязване на кристала е обработена по прост процес, използващ само евтини процеси на шлайфане и ецване. В рамките на европейския проект „SiTaSol“ датската компания Topsil е разработила тези силициеви пластини и по този начин е реализирала важна стъпка към икономично производство на новите многопреходни слънчеви клетки. В бъдеще целта ще бъде да се повиши още повече ефективността, както и да се осъществи още по-бързо отлагане на слоевете, с по-висока производителност и по този начин по-рентабилно, с цел тандемните фотоволтаици да могат да допринесат значително за разширяването на фотоволтаиката, необходимо за енергийния обрат.

Ключова технология за трансформация на енергийната система

В много части на света днес електричеството от слънчеви клетки е най-евтината форма на производство на енергия. „Европейските фотоволтаични изследвания работят върху множество концепции за по-нататъшно развитие на ефективността на тази ключова технология за енергийния обрат“, казва проф. д-р Стефан Глунц, ръководител на отдела за фотоволтаични изследвания. „Ние не само работим върху това да направим производството на силициеви слънчеви клетки още по-устойчиво и рентабилно, но същевременно и откриваме нови възможности, за да доведем доказания силиций в комбинация с други полупроводникови материали до още по-висока ефективност. Постигаме това с тандемни фотоволтаици. Тандемните фотоволтаици не само отварят пътя към бъдещето на производството на енергия, но тези слънчеви клетки - поради по-високото си напрежение - са идеално подходящи и за електролиза, директно разлагане на водата на водород и кислород. По този начин тази технология допринася и за производството на водород като среда за съхранение на енергия и важен градивен елемент за енергийния обрат.“.

Слоеста структура на многопреходната III-V/Si слънчева клетка – © Fraunhofer ISE

Слоеста структура на многопреходна III-V/Si слънчева клетка, квантова ефективност и IV характеристики при спектрални условия на AM 1.5g