Ny solcelle-rekord

Udgivet den: 10. august 2020 / Opdateret den: 17. august 2020 – Forfatter: Konrad Wolfenstein

Skift til engelsk version

Højere effektivitet i tandem – ny solcelle-rekord

Forskning i solceller arbejder ihærdigt på løbende at øge effektiviteten af ​​solceller. Tandem-solceller kommer i stigende grad i fokus, hvor højtydende solcellematerialer kombineres på forskellige måder for at udnytte solspektret endnu mere effektivt i omdannelsen af ​​lys til elektrisk energi. Fraunhofer ISE har nu registreret en ny rekordeffektivitet på 25,9 procent for en III-V/Si-tandem-solcelle dyrket direkte på silicium. Dette var den første celle, der blev produceret på et omkostningseffektivt siliciumsubstrat – en vigtig milepæl på vejen mod økonomisk rentable løsninger til tandem-solceller.

Flere III-V tandemsolceller på et siliciumsubstrat med en diameter på 10 cm – © Fraunhofer ISE – Foto: Markus Feifel

Fraunhofer Instituttet for Solenergisystemer (ISE) har i mange år arbejdet med multi-junction solceller, hvor to eller tre delceller stables oven på hinanden for at omdanne forskellige bølgelængder af sollys til elektricitet. Silicium er egnet som absorber til den infrarøde del af spektret, og tynde lag af III-V halvledere, kun få mikrometer tykke, påføres ovenpå det. Disse materialer er fra gruppe III og V i det periodiske system og omdanner ultraviolet, synligt og nær-infrarødt lys til elektricitet mere effektivt. Rene III-V halvledersolceller bruges allerede i rummet og i koncentratorsolceller. Mere omkostningseffektive processer, kombineret med silicium som bunddelcelle, har til formål at gøre denne tandemteknologi tilgængelig for udbredt solcelleteknologi i fremtiden. Der er dog stadig lang vej at gå.

25,9 procent for direkte siliciumdyrket III-V/Si tandemsolcelle

Der findes forskellige tilgange til fremstilling af kombinationer af III-V- og siliciumsolceller. Siden 2019 har Fraunhofer ISE haft verdensrekordeffektiviteten på 34,1 procent (nu 34,5 procent) for en tandemsolcelle, hvor III-V-halvlederlagene overføres fra et galliumarsenidsubstrat til silicium, hvor lagene bindes sammen ved hjælp af en waferbinding. Denne teknologi er effektiv, men dyr. Derfor har Fraunhofer ISE i mange år arbejdet på mere direkte fremstillingsprocesser, hvor III-V-lagene aflejres eller epitaksialt bindes på en siliciumsolcelle. Det er afgørende at opretholde en høj krystalkvalitet i alle lag – en stor udfordring. En ny verdensrekordeffektivitet på 25,9 procent er nu opnået for en sådan III-V/Si-tandemsolcelle, der er dyrket direkte på silicium. Fraunhofer ISE-forsker Markus Feifel præsenterede for nylig sin succes på den 47. IEEE Photovoltaic Specialists Conference, der ligesom mange andre konferencer i disse dage afholdes online, og blev hædret med Student Award i kategorien Hybrid Tandem Solar Cells. "Cellens komplekse indre struktur er ikke synlig udefra, da alle absorbere er forbundet og elektrisk forbundet af yderligere krystallag," forklarer den unge solcelleforsker, som dermed var i stand til at forbedre effektiviteten af ​​sit arbejde fra 24,3 til 25,9 procent på mindre end et år. "Denne succes blev opnået ved at erstatte et enkelt tyndt lag i multicellen," fortsætter han. "En omhyggelig analyse af vores celler afslørede, at dette lag fungerede som en barriere for elektrisk ledning."

Siden 2007 har Fraunhofer-forskere sammen med det Tekniske Universitet i Ilmenau, Philipps Universitet i Marburg og virksomheden Aixtron gradvist udviklet teknologien, bygget specialiserede epitaksisystemer og undersøgt hvert enkelt lag i strukturen. Disse udviklinger blev finansieret af det tyske forbundsministerium for uddannelse og forskning (BMBF) inden for rammerne af projekterne "III-V-Si" og "MehrSi". Et særligt højdepunkt ved den nye tandemsolcelle er, at III-V-lagene ikke blev dyrket på et kemisk og mekanisk poleret substrat, som det tidligere var normen, men snarere på en siliciumwafer. Efter at krystallen var savet, blev waferen behandlet ved hjælp af en simpel, omkostningseffektiv slibe- og ætsningsproces. Den danske virksomhed Topsil udviklede disse siliciumwafere inden for rammerne af det europæiske projekt "SiTaSol" og tog dermed et vigtigt skridt i retning af økonomisk produktion af de nye multi-junction solceller. I fremtiden vil fokus være på yderligere at øge effektiviteten og gøre aflejringen af ​​lagene endnu hurtigere, med højere gennemløbshastighed og dermed mere omkostningseffektiv, med det formål at tandem-solceller kan yde et vigtigt bidrag til den solcelleudvidelse, der er nødvendig for energiomstillingen.

Nøgleteknologi for energiomstillingen

Elektricitet fra solceller er i øjeblikket den mest omkostningseffektive form for energiproduktion i mange dele af verden. "Europæisk solcelleforskning arbejder på adskillige koncepter for yderligere at forbedre effektiviteten af ​​denne nøgleteknologi for energiomstillingen," siger professor dr. Stefan Glunz, chef for solcelleforskning. "Vi arbejder ikke kun på at gøre produktionen af ​​siliciumsolceller endnu mere bæredygtig og omkostningseffektiv, men udforsker også nye veje til at opnå endnu højere effektivitet med dokumenteret silicium i kombination med andre halvledermaterialer. Vi opnår dette med tandem-solceller." Tandem-solceller baner ikke kun vejen for fremtidens elproduktion, men disse solceller er også ideelt egnede – på grund af deres højere spænding – til elektrolyse, den direkte opdeling af vand i brint og ilt. Denne teknologi bidrager således også til produktionen af ​​brint som energilagringsmedium og en vigtig byggesten for energiomstillingen.

Lagstruktur af III-V/Si multi-junction solcellen – © Fraunhofer ISE

Lagstruktur af III-V/Si multi-junction solcellen, kvanteeffektivitet og IV karakteristik under AM 1.5g spektrale forhold

Højere effektivitet i tandem – ny solcelle-rekord

Forskning i solceller arbejder hårdt på løbende at øge effektiviteten af ​​solceller. Fokus er i stigende grad på tandem-solceller, hvor højtydende solcellematerialer bringes sammen i forskellige kombinationer for at bruge solspektret endnu mere effektivt til at omdanne lys til elektrisk energi. Fraunhofer ISE rapporterer nu en ny rekordeffektivitet på 25,9 procent for en III-V/Si-tandem-solcelle dyrket direkte på silicium. For første gang blev denne produceret på et billigt siliciumsubstrat – en vigtig milepæl på vejen til økonomiske løsninger til tandem-solceller.

Flere III-V tandemsolceller på et siliciumsubstrat med en diameter på 10 cm – © Fraunhofer ISE – Foto: Markus Feifel

Fraunhofer Instituttet for Solenergisystemer (ISE) har i mange år arbejdet med multi-junction solceller, hvor to eller tre delceller er anbragt oven på hinanden for at omdanne forskellige bølgelængder af sollys til elektricitet. Silicium er egnet som absorber til den infrarøde del af spektret, og lag af III-V halvledere, materialer fra gruppe III og V i det periodiske system, som omdanner ultraviolet, synligt og nær-infrarødt lys mere effektivt til elektricitet, er aflejret ovenpå. Rene III-V halvledersolceller anvendes allerede i rummet og i koncentratorsolceller. Gennem mere omkostningseffektive processer i kombination med silicium som den laveste delcelle skal tandemteknologien gøres tilgængelig for bredt baseret solceller i fremtiden. Der er dog stadig lang vej endnu.

25,9 procent for III-V/Si tandem-solceller dyrket direkte på silicium

Der findes forskellige tilgange til at producere kombinationer af III-V- og siliciumsolceller. For eksempel har Fraunhofer ISE siden 2019 haft verdensrekorden med en effektivitet på 34,1 procent (nu 34,5 procent) for en tandemsolcelle, hvor III-V-halvlederlagene overføres fra et galliumarsenidsubstrat til silicium, hvor lagene er forbundet med en såkaldt waferbinding. Denne teknologi er effektiv, men dyr. Af denne grund har Fraunhofer ISE i mange år arbejdet på mere direkte fremstillingsprocesser, hvor III-V-lagene aflejres eller epitakseres på en siliciumsolcelle. Her er det afgørende at opretholde en høj krystalkvalitet i alle lag – en stor udfordring. En ny verdensrekordeffektivitet på 25,9 procent er nu opnået for en sådan III-V/Si-tandemsolcelle dyrket direkte på silicium. Fraunhofer ISE-forsker Markus Feifel kunne for nylig præsentere sin succes på den 47. IEEE Photovoltaic Specialists Conference, der ligesom mange andre konferencer i øjeblikket afholdes online, og blev hædret med Student Award i kategorien Hybrid Tandem Solar Cells. "Udefra er cellens komplekse indre struktur ikke synlig, da alle absorbere er forbundet med hinanden af ​​yderligere krystallag og elektrisk fortrådede," forklarer den unge solcelleforsker, som dermed kunne forbedre resultatet af sit arbejde fra 24,3 til 25,9 procent på mindre end et år. "Denne succes blev opnået ved at erstatte et enkelt tyndt lag i den flercellede celle," fortsætter han. "En omhyggelig analyse af vores celler afslørede, at dette lag skabte en barriere for strømforsyningen."

Fraunhofer-forskerne har siden 2007 i små skridt videreudviklet teknologien i samarbejde med det Tekniske Universitet i Ilmenau, Philipps Univ. Marburg og virksomheden Aixtron. De har opstillet specielt epitaksiudstyr og undersøgt hvert eneste lag af strukturen. Disse udviklinger blev finansieret af det tyske forbundsministerium for uddannelse og forskning (BMBF) som en del af projekterne "III-V-Si" og "MehrSi". Et særligt højdepunkt ved den nye tandemsolcelle er, at III-V-lagene ikke blev dyrket på et kemisk-mekanisk poleret substrat, som det tidligere var tilfældet, men på en siliciumwafer, der efter at have savet krystallen, blev behandlet i en simpel proces ved kun at bruge billige slibe- og ætsningsprocesser. Inden for det europæiske projekt "SiTaSol" havde den danske virksomhed Topsil udviklet disse siliciumwafere og dermed realiseret et vigtigt skridt mod en økonomisk produktion af de nye multi-junction solceller. I fremtiden vil målet være at øge effektiviteten yderligere og også at realisere aflejringen af ​​lagene endnu hurtigere, med højere gennemløbshastighed og dermed mere omkostningseffektivt, med det formål at tandem-solceller kan yde et vigtigt bidrag til den solcelleudvidelse, der er nødvendig for energiomlægningen.

Nøgleteknologi til transformation af energisystemet

I mange dele af verden i dag er elektricitet fra solceller den billigste form for energiproduktion. "Europæisk fotovoltaisk forskning arbejder på adskillige koncepter for at videreudvikle effektiviteten af ​​denne nøgleteknologi til energiomlægning," siger professor dr. Stefan Glunz, leder af afdelingen for fotovoltaisk forskning. "Vi arbejder ikke kun på at gøre produktionen af ​​siliciumsolceller endnu mere bæredygtig og omkostningseffektiv, men samtidig bryder vi også ny jord for at føre det dokumenterede silicium i kombination med andre halvledermaterialer til endnu højere effektivitet. Vi opnår dette med tandem-fotovoltaik. Tandem-fotovoltaik åbner ikke kun vejen ind i fremtiden for elproduktion, disse solceller er - på grund af deres højere spænding - også ideelt egnede til elektrolyse, direkte nedbrydning af vand til brint og ilt. Denne teknologi bidrager således også til produktionen af ​​brint som et energilagringsmedium og en vigtig byggesten til energiomlægning.".

Lagstruktur af III-V/Si multi-junction solcellen – © Fraunhofer ISE

Lagstruktur af III-V/Si multi-junction solcelle, kvanteeffektivitet og IV-karakteristika under AM 1.5g spektrale forhold