Nuevo récord de células solares – Nuevo récord de células solares

Publicado el: 10 de agosto de 2020 / Actualización desde: 17 de agosto de 2020 - Autor: Konrad Wolfenstein

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Mayor eficiencia en tándem: nuevo récord de células solares

La investigación fotovoltaica está trabajando arduamente para aumentar aún más la eficiencia de las células solares. Cada vez más, la atención se centra en la energía fotovoltaica en tándem, en la que se reúnen potentes materiales de células solares en diferentes combinaciones para utilizar el espectro solar de forma aún más eficiente al convertir la luz en energía eléctrica. Fraunhofer ISE ha registrado un nuevo récord de eficiencia del 25,9 por ciento para una célula solar en tándem III-V/Si cultivada directamente sobre silicio. Se fabricó por primera vez sobre un sustrato de silicio rentable, un hito importante en el camino hacia soluciones económicas para la energía fotovoltaica en tándem.

Varias células solares en tándem III-V sobre un sustrato de silicio con un diámetro de 10 cm - © Fraunhofer ISE - Foto: Markus Feifel

El Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar (ISE) trabaja desde hace muchos años en múltiples células solares, en las que se colocan dos o tres subcélulas una encima de otra para convertir diferentes longitudes de onda de la luz solar en electricidad. El silicio es adecuado como absorbente para la parte infrarroja del espectro y sobre él se aplican capas de semiconductores III-V de unos pocos micrómetros de espesor, materiales de los grupos III y V de la tabla periódica, que convierten los rayos ultravioleta, visible y luz infrarroja cercana de manera más eficiente en paseo eléctrico. Las células solares semiconductoras puras III-V ya se utilizan en el espacio y en concentradores fotovoltaicos. Mediante procesos más rentables en combinación con el silicio como subcélula más baja, la tecnología tándem también debería ser accesible a una amplia gama de sistemas fotovoltaicos. Sin embargo, todavía queda un largo camino por recorrer hasta entonces.

25,9 por ciento para células solares en tándem III-V/Si cultivadas directamente sobre silicio

Existen diferentes enfoques para crear combinaciones de células solares III-V y de silicio. Desde 2019, Fraunhofer ISE ostenta el valor récord mundial de eficiencia del 34,1 por ciento (ahora 34,5 por ciento) para una célula solar en tándem en la que las capas semiconductoras III-V se transfieren de un sustrato de arseniuro de galio al silicio, pasando las capas a través de un -llamado oblea -Los enlaces están conectados. Esta tecnología es eficiente pero costosa. Por eso, Fraunhofer ISE trabaja desde hace muchos años en procesos de fabricación más directos, en los que las capas III-V se depositan o epitaxializan sobre una célula solar de silicio. Es crucial mantener una alta calidad del cristal en todas las capas, un desafío importante. Se ha logrado un nuevo récord mundial de eficiencia del 25,9 por ciento para una célula solar en tándem III-V/Si cultivada directamente sobre silicio. El científico de Fraunhofer ISE, Markus Feifel, pudo presentar recientemente su éxito en la 47ª Conferencia de Especialistas Fotovoltaicos del IEEE, que como muchas conferencias se celebra actualmente en línea, y fue honrado con el Premio de Estudiante en la categoría de Células solares híbridas en tándem. "La compleja estructura interna de la célula no es visible desde el exterior, porque todos los absorbentes están conectados entre sí y conectados eléctricamente mediante capas de cristal adicionales", explica el joven investigador de células solares, que ha aumentado el resultado de su trabajo de 24,3 a 25,9 por ciento en menos de un año podría mejorar. "Este éxito se logró reemplazando una única capa delgada dentro de la celda múltiple", explica con más detalle. "Un análisis cuidadoso de nuestras células reveló que esta capa creaba una barrera a la conducción eléctrica".

Los investigadores del Fraunhofer llevan desde 2007 desarrollando esta tecnología en pequeños pasos junto con la TU Ilmenau, Philipps Univ. Marburg y la empresa Aixtron, se instalaron sistemas especiales de epitaxia y se examinó cada capa de la estructura. Estos desarrollos fueron financiados por el Ministerio Federal de Investigación (BMBF) en el marco de los proyectos “III-V-Si” y “MehrSi”. Lo más destacado de la nueva célula solar tándem es que las capas III-V no se cultivaron, como hasta ahora, sobre un sustrato pulido química y mecánicamente, sino sobre una oblea de silicio, que después de serrar el cristal en un proceso sencillo con solo Se trataron procesos económicos de rectificado y grabado. La empresa danesa Topsil desarrolló estas obleas de silicio en el marco del proyecto europeo "SiTaSol", dando así un paso importante hacia la producción económica de las nuevas células solares de unión múltiple. En el futuro, el objetivo será aumentar aún más la eficiencia y depositar las capas aún más rápido, con mayor rendimiento y, por lo tanto, más rentable, con el objetivo de que la energía fotovoltaica en tándem contribuya de manera importante a la energía fotovoltaica necesaria para la transición energética. puede lograr la expansión.

Tecnología clave para la transición energética

La electricidad procedente de células solares es actualmente la forma más barata de generación de energía en muchas partes del mundo. "La investigación fotovoltaica europea tiene numerosos conceptos en marcha para seguir desarrollando la eficiencia de esta tecnología clave para la transición energética", afirma el Prof. Dr. Stefan Glunz, Jefe de Energía Fotovoltaica – Investigación. »No sólo estamos trabajando para hacer que la producción de células solares de silicio sea aún más sostenible y rentable, sino que al mismo tiempo estamos explorando nuevas formas de utilizar el silicio probado en combinación con otros materiales semiconductores para lograr niveles aún mayores. eficiencias. Esto lo podemos lograr con la energía fotovoltaica en tándem.« La energía fotovoltaica en tándem no sólo abre el camino hacia el futuro de la generación de electricidad, sino que estas células solares, debido a su mayor voltaje, también son ideales para la electrólisis, la descomposición directa del agua en hidrógeno y oxígeno. Por lo tanto, esta tecnología también contribuye a la producción de hidrógeno como dispositivo de almacenamiento de energía y un componente importante para la transición energética.

Estructura de capas de la célula solar de unión múltiple III-V/Si – © Fraunhofer ISE

Estructura de capas de la célula solar múltiple III-V/Si, eficiencia cuántica y características IV en condiciones espectrales AM 1,5 g

Mayor eficiencia en tándem: nuevo récord de células solares

La investigación en energía fotovoltaica está trabajando arduamente para aumentar continuamente la eficiencia de las células solares. Cada vez más, la atención se centra en la energía fotovoltaica en tándem, en la que materiales de células solares de alto rendimiento se combinan en diversas combinaciones para utilizar el espectro solar de manera aún más eficiente para convertir la luz en energía eléctrica. Fraunhofer ISE informa ahora de un nuevo récord de eficiencia del 25,9 por ciento para una célula solar en tándem III-V/Si cultivada directamente sobre silicio. Por primera vez se produjo sobre un sustrato de silicio económico, un hito importante en el camino hacia soluciones económicas para la energía fotovoltaica en tándem.

Varias células solares en tándem III-V sobre un sustrato de silicio de 10 cm de diámetro – © Fraunhofer ISE – Foto: Markus Feifel

El Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar (ISE) trabaja desde hace muchos años en células solares de uniones múltiples, en las que dos o tres células parciales están dispuestas una encima de otra para convertir diferentes longitudes de onda de la luz solar en electricidad. El silicio es adecuado como absorbente de la parte infrarroja del espectro y las capas de semiconductores III-V, materiales de los grupos III y V de la tabla periódica, que convierten de manera más eficiente la luz ultravioleta, visible e infrarroja cercana en electricidad depositada en encima. Las células solares semiconductoras puras III-V ya se utilizan en el espacio y en concentradores fotovoltaicos. Mediante procesos más rentables en combinación con silicio como subcélula más baja, la tecnología tándem será accesible en el futuro para la fotovoltaica de base amplia. Sin embargo, todavía queda un largo camino por recorrer hasta entonces.

25,9 por ciento para células solares en tándem III-V/Si cultivadas directamente sobre silicio

Existen diferentes enfoques para producir combinaciones de células solares III-V y de silicio. Por ejemplo, desde 2019, Fraunhofer ISE ostenta el récord mundial de eficiencia del 34,1 por ciento (ahora 34,5 por ciento) para una célula solar en tándem en la que las capas semiconductoras III-V se transfieren de un sustrato de arseniuro de galio al silicio, con las capas conectadas entre sí. mediante el llamado enlace de oblea. Esta tecnología es eficiente pero costosa. Por este motivo, el Fraunhofer ISE lleva muchos años trabajando en procesos de fabricación más directos, en los que las capas III-V se depositan o epitaxian sobre una célula solar de silicio. En este caso, es crucial mantener una alta calidad cristalina en todas las capas, lo que supone un gran desafío. Se ha logrado un nuevo récord mundial de eficiencia del 25,9 por ciento para una célula solar en tándem III-V/Si cultivada directamente sobre silicio. El científico de Fraunhofer ISE, Markus Feifel, pudo presentar recientemente su éxito en la 47ª Conferencia de Especialistas Fotovoltaicos del IEEE, que como muchas conferencias actuales se celebra en línea, y fue honrado con el Premio de Estudiante en la categoría Células solares híbridas en tándem. "Desde el exterior, la compleja estructura interna de la célula no es visible, ya que todos los absorbentes están conectados entre sí mediante capas de cristal adicionales y cableados eléctricamente", explica el joven investigador de células solares, que pudo así mejorar el resultado de su investigación. trabajar del 24,3 al 25,9 por ciento en menos de un año. "Este éxito se logró reemplazando una única capa delgada dentro de las múltiples células", continúa. "Un análisis cuidadoso de nuestras células reveló que esta capa creaba una barrera a la línea eléctrica".

Desde 2007, los investigadores de Fraunhofer han ido desarrollando la tecnología poco a poco en colaboración con la Universidad Técnica de Ilmenau, Philipps Univ. Marburg y la empresa Aixtron, instalaron equipos especiales de epitaxia y examinaron cada capa de la estructura. Estos desarrollos fueron financiados por el Ministerio Federal Alemán de Educación e Investigación (BMBF) en el marco de los proyectos “III-V-Si” y “MehrSi”. Lo más destacado de la nueva célula solar tándem es que las capas III-V no se cultivaron sobre un sustrato pulido química y mecánicamente, como ocurría hasta ahora, sino sobre una oblea de silicio que, después de serrar el cristal, se trató mediante un proceso sencillo. utilizando únicamente procesos económicos de rectificado y grabado. En el marco del proyecto europeo “SiTaSol”, la empresa danesa Topsil desarrolló estas obleas de silicio y dio así un paso importante hacia la producción económica de las nuevas células solares multiunión. En el futuro, el objetivo será aumentar aún más la eficiencia y también realizar la deposición de las capas aún más rápido, con mayor rendimiento y, por lo tanto, más rentable, con el fin de que la energía fotovoltaica en tándem pueda contribuir de manera importante a la expansión fotovoltaica. necesario para el cambio energético.

Tecnología clave para la transformación del sistema energético

Hoy en día, en muchas partes del mundo, la electricidad procedente de células solares es la forma más barata de generación de energía. "La investigación fotovoltaica europea está trabajando en numerosos conceptos para seguir desarrollando la eficiencia de esta tecnología clave para el cambio energético", afirma el Prof. Dr. Stefan Glunz, jefe de la división de investigación en energía fotovoltaica. “No sólo estamos trabajando para hacer que la producción de células solares de silicio sea aún más sostenible y rentable, sino que al mismo tiempo también estamos abriendo nuevos caminos para llevar el silicio probado en combinación con otros materiales semiconductores a eficiencias aún mayores. . Lo estamos consiguiendo con la energía fotovoltaica en tándem. La energía fotovoltaica en tándem no sólo abre el camino hacia el futuro de la generación de energía, sino que estas células solares, debido a su mayor voltaje, también son ideales para la electrólisis, la descomposición directa del agua en hidrógeno y oxígeno. De este modo, esta tecnología también contribuye a la producción de hidrógeno como medio de almacenamiento de energía y como elemento importante para el cambio energético.

Estructura de capas de la célula solar multiunión III-V/Si – © Fraunhofer ISE

Estructura de capas de una célula solar multiunión III-V/Si, eficiencia cuántica y características IV en condiciones espectrales AM 1,5 g