Nový rekord solárních článků – Nový rekord solárních článků

Publikováno dne: 10. srpna 2020 / Aktualizace od: 17. srpna 2020 - Autor: Konrad Wolfenstein

Přepnout na anglickou verzi

Vyšší účinnost v tandemu – nový rekord solárních článků

Fotovoltaický výzkum usilovně pracuje na dalším zvýšení účinnosti solárních článků. Stále více se zaměřuje na tandemovou fotovoltaiku, ve které se výkonné materiály solárních článků spojují v různých kombinacích, aby bylo možné ještě efektivněji využít sluneční spektrum při přeměně světla na elektrickou energii. Společnost Fraunhofer ISE nyní zaznamenala nový rekord účinnosti 25,9 procenta pro tandemový solární článek III-V/Si pěstovaný přímo na křemíku. Ten byl poprvé vyroben na cenově výhodném křemíkovém substrátu – důležitý milník na cestě k ekonomickým řešením pro tandemovou fotovoltaiku.

Několik tandemových solárních článků III-V na silikonovém substrátu o průměru 10 cm - © Fraunhofer ISE - Foto: Markus Feifel

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 vytvoření kombinací III-V a křemíkových solárních článků. Od roku 2019 drží Fraunhofer ISE světový rekord v hodnotě 34,1 procenta účinnosti (nyní 34,5 procenta) pro tandemový solární článek, ve kterém jsou polovodičové vrstvy III-V přenášeny ze substrátu arsenidu galia na křemík, přičemž vrstvy procházejí tzv. -zvané wafer -Bond jsou spojeny. Tato technologie je účinná, ale drahá. Fraunhofer ISE proto již mnoho let pracuje na přímějších výrobních procesech, ve kterých jsou vrstvy III-V nanášeny nebo epitaxelizovány na křemíkový solární článek. Je důležité udržet vysokou kvalitu krystalů ve všech vrstvách – to je velká výzva. U takového tandemového solárního článku III-V/Si pěstovaného přímo na křemíku bylo nyní dosaženo nového světového rekordu účinnosti 25,9 procenta. Vědec Fraunhofer ISE Markus Feifel mohl nedávno prezentovat svůj úspěch na 47. konferenci IEEE Photovoltaic Specialists Conference, která jako mnoho konferencí právě probíhá online, a byl oceněn Studentskou cenou v kategorii Hybrid Tandem Solar Cells. „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 zvýšil výsledek své práce z 24,3 na 25,9 za méně než rok procento by se mohlo zlepšit. „Tohoto úspěchu bylo dosaženo nahrazením jediné tenké vrstvy ve více buňkách,“ vysvětluje dále. "Pečlivá analýza našich buněk odhalila, že tato vrstva vytvořila bariéru pro elektrické vedení."

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 nejlevnější formou výroby energie v mnoha částech světa. „Evropský fotovoltaický výzkum má rozpracovaných mnoho konceptů pro další rozvoj účinnosti této klíčové technologie pro přechod na energii,“ říká Prof. Dr. Stefan Glunz, vedoucí oddělení Fotovoltaika – výzkum. »Pracujeme nejen na tom, aby byla výroba křemíkových solárních článků ještě udržitelnější a nákladově efektivnější, ale zároveň zkoumáme nové způsoby, jak využít osvědčený křemík v kombinaci s jinými polovodičovými materiály k dosažení ještě vyšší účinnosti. Toho můžeme dosáhnout tandemovou fotovoltaikou.« Tandemová fotovoltaika nejen otevírá cestu do budoucnosti výroby elektřiny, tyto solární články jsou díky svému vyššímu napětí také ideální pro elektrolýzu, přímý rozklad vody na vodík a kyslík. Tato technologie tedy také přispívá k výrobě vodíku jako zařízení pro uchovávání energie a důležitého stavebního kamene pro energetický přechod.

Struktura vrstev solárního článku III-V/Si s vícenásobným spojením – © Fraunhofer ISE

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 solárních článků

Výzkum fotovoltaiky tvrdě pracuje na neustálém zvyšování účinnosti solárních článků. Stále více se zaměřuje na tandemovou fotovoltaiku, ve které se vysoce výkonné materiály solárních článků spojují v různých kombinacích, aby bylo možné ještě efektivněji využít sluneční spektrum při přeměně světla na elektrickou energii. Fraunhofer ISE nyní hlásí nový rekord účinnosti 25,9 procenta pro tandemový solární článek III-V/Si pěstovaný přímo na křemíku. Poprvé byl vyroben na levném silikonovém substrátu – důležitý milník na cestě k ekonomickým řešením pro tandemovou fotovoltaiku.

Několik tandemových solárních článků III-V na silikonovém substrátu o průměru 10 cm – © Fraunhofer ISE – Foto: Markus Feifel

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 vytváření kombinací solárních článků III-V a křemíku. Například od roku 2019 držel Fraunhofer Ise světový rekord 34,1 procentní účinnosti (nyní 34,5 procenta) pro tandemový solární článek, ve kterém jsou III-V polovodičové vrstvy přenášeny z gallia arzenidového substrátu na silikon, s vrstvami ligg spojených a a Takzvaná vazba oplatky. Tato technologie je efektivní, ale drahá. Z tohoto důvodu Fraunhofer ISE pracuje po mnoho let na přímějších výrobních procesech, ve kterých jsou vrstvy III-V depozitní nebo epitaxovány na křemíkový solární článek. Zde je zásadní udržovat vysokou kvalitu krystalů všech vrstev - hlavní výzva. Nový světový rekordní účinnost 25,9 procenta byla nyní dosažena pro takové tandemové solární články III-V/SI pěstované přímo na křemíku. Vědec Fraunhofer Ise Markus Feifel byl nedávno schopen představit svůj úspěch na 47. konferenci IEEE Photovoltaic Specialists Conference, která, stejně jako mnoho konferencí v současné době, a byl oceněn studentskou cenou v kategorií hybridních tandemových solárních článků. „Z vnější strany není viditelná složitá vnitřní struktura buňky, protože všechny absorbéry jsou vzájemně spojeny dalšími křišťálovými vrstvami a elektricky zapojenými,“ vysvětluje výzkum mladých solárních článků 25,9 procenta za méně než rok. "Tento úspěch byl dosažen nahrazením jedné tenké vrstvy ve více buňkách," pokračuje. "Pečlivá analýza našich buněk odhalila, že tato vrstva vytvořila bariéru pro elektrickou 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 dnešního světa je elektřina ze solárních článků nejlevnější formou výroby energie. „Evropský fotovoltaický výzkum pracuje na mnoha koncepcích, aby dále rozvíjel účinnost této klíčové technologie pro energetický obrat,“ říká Prof. Dr. Stefan Glunz, vedoucí divize fotovoltaického výzkumu. „Pracujeme nejen na výrobě silikonových solárních článků ještě udržitelnějších a nákladově výhodnějších, ale zároveň tak prolomíme novou půdu, abychom osvědčený křemík v kombinaci s jinými polovodičovými materiály dokonce efektivitovali. Dosahujeme toho s tandemovou fotovoltaikou. Tandemová fotovoltaika nejen cesta do budoucnosti výroby energie, diplomové solární články - kvůli jejich vyššímu napětí - jsou ideální pro elektrolýzu, přímý rozklad vody do vodíku a kyslíku. Tato technologie tak přispívá k výrobě vodíku jako média pro skladování energie a důležitému stavebnímu bloku pro obrat energie.

Struktura vrstev solárního článku III-V/Si s více články – © Fraunhofer ISE

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