Nový rekord v solárních článcích

Publikováno: 10. srpna 2020 / Aktualizováno: 17. srpna 2020 – Autor: Konrad Wolfenstein

Přepnout na anglickou verzi

Vyšší účinnost v tandemu – nový rekord v oblasti solárních článků

Výzkum v oblasti fotovoltaiky pilně pracuje na neustálém zvyšování účinnosti solárních článků. Stále více se do popředí zájmu dostává tandemová fotovoltaika, kde se vysoce výkonné materiály solárních článků kombinují různými způsoby, aby se sluneční spektrum ještě efektivněji využilo při přeměně světla na elektrickou energii. Fraunhofer ISE nyní zaznamenala nový rekordní výkon 25,9 procenta u tandemového solárního článku III-V/Si, který byl vypěstován přímo na křemíku. Jednalo se o první článek vyrobený na cenově dostupném křemíkovém substrátu – důležitý milník na cestě k ekonomicky životaschopným řešením pro tandemovou fotovoltaiku.

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

Fraunhoferův institut pro solární energetické systémy (ISE) se již mnoho let zabývá vývojem vícepólových solárních článků, ve kterých jsou dva nebo tři dílčí články naskládány na sebe a přeměňují sluneční záření různých vlnových délek na elektřinu. Křemík je vhodný jako absorbér pro infračervenou část spektra a na něj se nanášejí tenké vrstvy polovodičů III-V, silné jen několik mikrometrů. Tyto materiály pocházejí ze skupin III a V periodické tabulky a efektivněji přeměňují ultrafialové, viditelné a blízké infračervené záření na elektřinu. Čisté polovodičové solární články III-V se již používají ve vesmíru a v koncentrátorových fotovoltaických systémech. Cenově efektivnější procesy v kombinaci s křemíkem jako spodním dílčím článkem mají v budoucnu zpřístupnit tuto tandemovou technologii pro širokou fotovoltaiku. Je však před námi ještě dlouhá cesta.

25,9 procenta pro tandemové solární články III-V/Si vyrobené přímo z 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 pomocí destičkového spoje. 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 vázány na křemíkový solární článek. Udržení vysoké kvality krystalů ve všech vrstvách 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 se stejně jako mnoho dalších konferencí v dnešní době koná online, a byla oceněna studentskou cenou v kategorii hybridních tandemových solárních článků. „Složitá vnitřní struktura článku není zvenčí viditelná, protože všechny absorbéry jsou 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 multičlánku,“ pokračuje. „Pečlivá analýza našich článků odhalila, že tato vrstva fungovala jako bariéra pro elektrické vedení.“

Od roku 2007 výzkumníci z Fraunhoferova institutu společně s Technickou univerzitou v Ilmenau, Philippsovou univerzitou v Marburgu a společností Aixtron postupně vyvíjejí tuto technologii, vytvářejí specializované epitaxní systémy a zkoumají každou jednotlivou vrstvu struktury. Tento vývoj byl financován německým Federálním ministerstvem školství a výzkumu (BMBF) v rámci projektů „III-V-Si“ a „MehrSi“. Zvláštní zajímavostí nového tandemového solárního článku je, že vrstvy III-V nebyly pěstovány na chemicky a mechanicky leštěném substrátu, jak bylo dříve normou, ale na křemíkové destičce. Po rozřezání krystalu byl destička ošetřena jednoduchým a nákladově efektivním procesem broušení a leptání. Dánská společnost Topsil vyvinula tyto křemíkové destičky v rámci evropského projektu „SiTaSol“, čímž učinila důležitý krok k ekonomické výrobě nových vícepólových solárních článků. V budoucnu se zaměříme na další zvyšování účinnosti a ještě rychlejší nanášení vrstev s vyšší propustností, a tedy i vyšší nákladovou efektivitou, s cílem, aby tandemová fotovoltaika mohla významně přispět k rozšíření fotovoltaiky nezbytnému pro energetickou transformaci.

Klíčová technologie pro energetickou transformaci

Elektřina ze solárních článků je v současnosti v mnoha částech světa nejnákladově nejefektivnější formou výroby energie. „Evropský výzkum fotovoltaiky pracuje na řadě konceptů pro další zlepšení účinnosti této klíčové technologie pro energetickou transformaci,“ říká prof. Dr. Stefan Glunz, vedoucí výzkumu fotovoltaiky. „Nejenže pracujeme na tom, aby byla výroba křemíkových solárních článků ještě udržitelnější a nákladově efektivnější, ale také zkoumáme nové cesty k dosažení ještě vyšší účinnosti s osvědčeným křemíkem 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, tedy přímé štěpení vody na vodík a kyslík. Tato technologie tak také přispívá k výrobě vodíku jako média pro ukládání energie a důležitého stavebního kamene pro energetickou transformaci.

Vrstvená struktura vícepólového solárního článku III-V/Si – © Fraunhofer ISE

Struktura vrstev vícepřechodového solárního článku III-V/Si, kvantová účinnost a IV charakteristika 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 – důležitý milník na cestě k ekonomickým řešením pro tandemovou fotovoltaiku.

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

Fraunhoferův institut pro solární energetické systémy (ISE) se již mnoho let zabývá vývojem vícepólových solárních článků, u kterých jsou dva nebo tři dílčí články uspořádány nad sebou a přeměňují sluneční záření různých vlnových délek na elektřinu. Křemík je vhodný jako absorbér pro infračervenou část spektra a na něj se nanášejí vrstvy polovodičů III-V, materiálů ze skupin III a V periodické tabulky, které účinněji přeměňují ultrafialové, viditelné a blízké infračervené světlo na elektřinu. Čisté polovodičové solární články III-V se již používají ve vesmíru a v koncentrátorových fotovoltaických systémech. Díky cenově efektivnějším procesům v kombinaci s křemíkem jako nejnižším dílčím článkem má být tandemová technologie v budoucnu dostupná 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. wafer bondem. 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.“

Výzkumníci z Fraunhoferova institutu ve spolupráci s Technickou univerzitou v Ilmenau, Philippsovou univerzitou v Marburgu a společností Aixtron tuto technologii dále rozvíjejí od roku 2007 malými kroky. Zřizují speciální epitaxní zařízení a zkoumají každou jednotlivou vrstvu struktury. Tento vývoj byl financován německým Federálním ministerstvem školství a výzkumu (BMBF) v rámci projektů „III-V-Si“ a „MehrSi“. Zvláštním lákadlem nového tandemového solárního článku je, že vrstvy III-V nebyly pěstovány na chemicky-mechanicky leštěném substrátu, jak tomu bylo dříve, ale na křemíkové destičce, která byla po rozřezání krystalu ošetřena jednoduchým procesem pouze s použitím levných procesů broušení a leptání. V rámci evropského projektu „SiTaSol“ vyvinula dánská společnost Topsil tyto křemíkové destičky, a tím učinila důležitý krok k ekonomické výrobě nových vícepólových solárních článků. V budoucnu bude cílem dále zvýšit účinnost a také realizovat nanášení vrstev ještě rychleji, s vyšší propustností a tím i nákladově efektivněji, s cílem, aby tandemová fotovoltaika mohla významně přispět k rozšíření fotovoltaiky nezbytnému pro energetickou revoluci.

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 ideální 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.“

Vrstvená struktura vícepólového solárního článku III-V/Si – © Fraunhofer ISE

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