Nový záznam solárních článků – nový záznam solárních článků

Přepnout na anglickou verzi

Vyšší účinnost v tandemu – nový rekord v oblasti solárních článků

Výzkum fotovoltaiky usilovně pracuje na neustálém zvyšování účinnosti solárních článků. Tandemová fotovoltaika získává stále větší pozornost. Tato technologie kombinuje vysoce výkonné materiály solárních článků v různých kombinacích, aby ještě efektivněji využívala sluneční spektrum při přeměně světla na elektrickou energii. Fraunhofer ISE nyní dosáhla nového rekordu účinnosti 25,9 procenta u tandemového solárního článku III-V/Si, který byl vypěstován přímo na křemíku. Tento článek byl poprvé vyroben na cenově dostupném křemíkovém substrátu – což je důležitý milník na cestě k cenově efektivním řešením pro tandemovou fotovoltaiku.

 

 

Fraunhoferův institut pro solární energetické systémy ISE již mnoho let pracuje na více solárních článcích, ve kterých jsou dva nebo tři dílčí články uspořádány jeden na druhém, aby přeměnily různé vlnové délky slunečního světla na elektřinu. Křemík je vhodný jako absorbér pro infračervenou část spektra a na něj jsou naneseny vrstvy III-V polovodičů o tloušťce několika mikrometrů.Jedná se o materiály ze skupiny III a V periodické tabulky, které přeměňují ultrafialové, viditelné a blízké infračervené světlo efektivněji do elektřiny chodit. Čisté III-V polovodičové solární články se již používají ve vesmíru a v koncentrátorové fotovoltaice. Prostřednictvím hospodárnějších procesů ve spojení s křemíkem jako nejnižším dílčím článkem by měla být tandemová technologie v budoucnu zpřístupněna i široké fotovoltaice. Do té doby je však ještě dlouhá cesta.

25,9 procenta pro tandemové solární články III-V/Si pěstované přímo na křemíku

Existují různé přístupy k výrobě kombinací III-V a křemíkových solárních článků. Od roku 2019 drží Fraunhofer ISE světový rekord v účinnosti 34,1 procenta (nyní 34,5 procenta) pro tandemový solární článek, ve kterém jsou vrstvy polovodičů III-V přeneseny ze substrátu z arsenidu galia na křemík, přičemž vrstvy jsou spojeny tzv. destičkovou vazbou. Tato technologie je efektivní, ale nákladná. Proto Fraunhofer ISE již mnoho let pracuje na přímějších výrobních procesech, ve kterých jsou vrstvy III-V nanášeny nebo epitaxně pěstovány na křemíkový solární článek. Udržení vysoké kvality krystalů napříč všemi vrstvami je zde klíčové – což je velká výzva. Pro takový tandemový solární článek III-V/Si pěstovaný přímo na křemíku byl nyní dosažen nový světový rekord v účinnosti 25,9 procenta. Vědec z Fraunhofer ISE Markus Feifel nedávno prezentoval svůj úspěch na 47. konferenci specialistů na fotovoltaiku IEEE, která, stejně jako mnoho konferencí, které se v současnosti konají online, byla oceněna studentskou cenou v kategorii hybridních tandemových solárních článků. „Složitá vnitřní struktura článku není zvenčí viditelná, protože všechny absorbéry jsou vzájemně propojeny a elektricky propojeny dalšími krystalovými vrstvami,“ vysvětluje mladý výzkumník solárních článků, který tak dokázal za méně než rok zlepšit účinnost své práce z 24,3 na 25,9 procenta. „Tohoto úspěchu bylo dosaženo nahrazením jediné tenké vrstvy uvnitř vícespojového článku,“ pokračuje. „Pečlivá analýza našich článků odhalila, že tato vrstva vytvořila bariéru pro vedení proudu.“

Vědci Fraunhofer vyvíjejí technologii malými krůčky od roku 2007 společně s TU Ilmenau, Philipps Univ. Marburg a společnost Aixtron byly vytvořeny speciální epitaxní systémy a byla prozkoumána každá jednotlivá vrstva konstrukce. Tento vývoj byl financován federálním ministerstvem výzkumu BMBF v rámci projektů „III-V-Si“ a „MehrSi“. Zvláštní předností nového tandemového solárního článku je, že vrstvy III-V nebyly pěstovány na chemicko-mechanicky leštěném substrátu, jak tomu bylo dříve, ale na křemíkové destičce, která po rozřezání krystalu jednoduchým procesem pouze za použití byly ošetřeny levné broušení a leptání. V rámci evropského projektu „SiTaSol“ vyvinula dánská společnost Topsil tyto křemíkové destičky, čímž učinila důležitý krok k ekonomické výrobě nových solárních článků s vícenásobnými spoji. V budoucnu bude cílem ještě dále zvýšit účinnost a nanášení vrstev ještě rychleji, s vyšší propustností a tedy i nákladově efektivněji, s cílem tandemové fotovoltaiky významně přispět k fotovoltaice nezbytné pro energetický přechod – lze dosáhnout rozšíření.

Klíčová technologie pro energetický přechod

Elektřina ze solárních článků je nyní v mnoha částech světa nejlevnější formou výroby energie. „Evropský výzkum fotovoltaiky vyvíjí řadu konceptů pro další rozvoj účinnosti této klíčové technologie pro energetickou transformaci,“ říká prof. Dr. Stefan Glunz, vedoucí výzkumu – . „Nejenže pracujeme na tom, aby byla výroba křemíkových solárních článků ještě udržitelnější a nákladově efektivnější, ale také zkoumáme nové způsoby, jak dosáhnout ještě vyšší účinnosti s využitím osvědčeného křemíku v kombinaci s dalšími polovodičovými materiály. Toho dosahujeme s tandemovou fotovoltaikou.“ Tandemová fotovoltaika nejenže dláždí cestu pro budoucnost výroby elektřiny, ale tyto solární články jsou také – díky svému vyššímu napětí – ideálně vhodné pro elektrolýzu, přímý rozklad vody na vodík a kyslík. Tato technologie proto také přispívá k výrobě vodíku jako média pro ukládání energie a důležitého stavebního kamene pro energetickou transformaci.

 

 

Struktura vrstev vícenásobného solárního článku III-V/Si, kvantová účinnost a IV charakteristiky za spektrálních podmínek AM 1,5g

Vyšší účinnost v tandemu – nový rekord v oblasti solárních článků

Výzkum v oblasti fotovoltaiky usilovně pracuje na neustálém zvyšování účinnosti solárních článků. Stále více se zaměřuje na tandemovou fotovoltaiku, ve které se vysoce výkonné materiály solárních článků kombinují v různých kombinacích, aby se sluneční spektrum ještě efektivněji využilo k přeměně světla na elektrickou energii. Fraunhofer ISE nyní hlásí novou rekordní účinnost 25,9 procenta u tandemového solárního článku III-V/Si, který byl vyroben přímo na křemíku. Poprvé byl vyroben na levném křemíkovém substrátu – což je důležitý milník na cestě k ekonomickým řešením pro tandemovou fotovoltaiku.

 

 

Fraunhoferův institut pro solární energetické systémy ISE již mnoho let pracuje na vícenásobných solárních článcích, ve kterých jsou dva nebo tři dílčí články uspořádány nad sebou, aby přeměnily různé vlnové délky slunečního světla na elektřinu. Křemík je vhodný jako absorbér pro infračervenou část spektra a vrstvy III-V polovodičů, materiálů ze skupiny III a V periodické tabulky, které přeměňují ultrafialové, viditelné a blízké infračervené světlo efektivněji na elektřinu uloženou na vrchol toho. Čisté III-V polovodičové solární články se již používají ve vesmíru a v koncentrátorové fotovoltaice. Prostřednictvím hospodárnějších procesů v kombinaci s křemíkem jako nejnižším dílčím článkem má být tandemová technologie v budoucnu zpřístupněna pro širokou fotovoltaiku. Do té doby je však ještě dlouhá cesta.

25,9 procenta pro tandemové solární články III-V/Si pěstované přímo na křemíku

Existují různé přístupy k výrobě kombinací III-V a křemíkových solárních článků. Například od roku 2019 drží Fraunhofer ISE světový rekord v účinnosti 34,1 procenta (nyní 34,5 procenta) pro tandemový solární článek, ve kterém jsou vrstvy polovodičů III-V přeneseny ze substrátu z arsenidu galia na křemík, přičemž vrstvy jsou spojeny tzv. waferovou vazbou. Tato technologie je efektivní, ale nákladná. Z tohoto důvodu Fraunhofer ISE již mnoho let pracuje na přímějších výrobních procesech, ve kterých jsou vrstvy III-V nanášeny nebo epitaxovány na křemíkový solární článek. Zde je zásadní zachovat vysokou krystalovou kvalitu všech vrstev – což je velká výzva. U takového tandemového solárního článku III-V/Si pěstovaného přímo na křemíku bylo nyní dosaženo nového světového rekordu v účinnosti 25,9 procenta. Vědec z Fraunhofer ISE Markus Feifel nedávno prezentoval svůj úspěch na 47. konferenci specialistů na fotovoltaiku IEEE, která se stejně jako mnoho současných konferencí koná online, a byla oceněna studentskou cenou v kategorii Hybridní tandemové solární články. „Zvenčí není složitá vnitřní struktura článku viditelná, protože všechny absorbéry jsou vzájemně propojeny dalšími krystalovými vrstvami a elektricky propojeny,“ vysvětluje mladý výzkumník solárních článků, kterému se tak podařilo zlepšit výsledek své práce z 24,3 na 25,9 procenta za méně než rok. „Tohoto úspěchu bylo dosaženo nahrazením jediné tenké vrstvy uvnitř vícečlánku,“ pokračuje. „Pečlivá analýza našich článků odhalila, že tato vrstva vytvořila bariéru pro elektrické vedení.“

V malých krocích vědci Fraunhofer tuto technologii dále rozvíjejí od roku 2007 ve spolupráci s Technical University of Ilmenau, Philipps Univ. Marburg a společnost Aixtron, zřízení speciálního epitaxního vybavení a zkoumání každé jednotlivé vrstvy struktury. Vývoj práce byl financován německým federálním ministerstvem školství a výzkumu (BMBF) v rámci projektů „III-V-SI“ a „Mehrsi“. Zvláštním vrcholem nového tandemového solárního článku je to, že vrstvy III-V nebyly pěstovány na chemicky mechanicky leštěném substrátu, jako tomu bylo dříve, ale na křemíkovou destičce, která po řezání krystalu ošetřovala jednoduchým procesem pomocí pouze levného mletí a Procesy leptání. V rámci evropského projektu „Sitasol“ vyvinula dánská společnost Topsil diplomová práce silikonové destičky, a tak si uvědomila důležitý krok k ekonomické produkci nových multi-spojení solárních článků. V budoucnu bude cílem ještě více kadidla účinnosti a tak si uvědomit depozice vrstev ještě rychleji, s vysokou výškou a tak nákladněji, s cílem, že tandemová fotovoltaika může dovážet přispět k fotovoltaické expanzi Nezbytné pro energetický obrat.

Klíčová technologie pro transformaci energetického systému

V mnoha částech světa je dnes elektřina ze solárních článků nejlevnější formou výroby energie. „Evropský výzkum fotovoltaiky pracuje na řadě konceptů pro další rozvoj účinnosti této klíčové technologie pro energetickou revoluci,“ říká prof. Dr. Stefan Glunz, vedoucí divize výzkumu fotovoltaiky. „Nejenže pracujeme na tom, aby byla výroba křemíkových solárních článků ještě udržitelnější a nákladově efektivnější, ale zároveň také otevíráme nové cesty, abychom osvědčený křemík v kombinaci s dalšími polovodičovými materiály dovedli k ještě vyšší účinnosti. Toho dosahujeme s tandemovou fotovoltaikou. Tandemová fotovoltaika nejen otevírá cestu do budoucnosti výroby energie, ale tyto solární články – díky svému vyššímu napětí – jsou také ideálně vhodné pro elektrolýzu, přímý rozklad vody na vodík a kyslík. Tato technologie tak také přispívá k výrobě vodíku jako média pro ukládání energie a důležitého stavebního kamene pro energetickou revoluci.“

 

 

Struktura vrstev III-V/Si vícepřechodového solárního článku, kvantová účinnost a IV charakteristiky za AM 1,5g spektrálních podmínek