Uus päikeseelementide rekord – uus päikeseelementide kirje

Lülitage ingliskeelsele versioonile

Suurem efektiivsus koos – uus päikesepatareide rekord

Fotogalvaanika valdkonnas tehakse kõvasti tööd, et pidevalt suurendada päikesepatareide efektiivsust. Tandem-fotogalvaanika on üha enam tähelepanu pälvinud. See tehnoloogia ühendab kõrgjõudlusega päikesepatareide materjale erinevates kombinatsioonides, et kasutada päikesespektrit veelgi tõhusamalt valguse elektrienergiaks muundamisel. Fraunhofer ISE on nüüd saavutanud uue rekordilise efektiivsuse 25,9 protsenti III-V/Si tandem-päikesepatarei puhul, mis on kasvatatud otse ränile. See element toodeti esmakordselt kulutõhusal ränisubstraadil – see on oluline verstapost tandem-fotogalvaanika kulutõhusate lahenduste suunas.

 

 

Fraunhoferi päikeseenergia süsteemide instituut ISE on töötanud mitu aastat mitmel päikeseelemendil, kus kaks või kolm alarakku on paigutatud üksteise peale, et muuta päikesevalguse erinevad lainepikkused elektriks. Siliklicum sobib spektri infrapunaosakaalu jaoks absorbeerijana ja rakendatakse III-V-kaelaredede õhukeste kihtide mõned mikromeetrid, need on perioodilise süsteemi III ja V materjalid, mis muudavad ultraviolettkiirguse, nähtava ja lähedase infrapuna valguse elektrienergiaks. Puhta III-V pooljuhtide päikeseelemente kasutatakse juba kosmoses ja kontsentraatori fotogalvaanides. Tulevikus tehakse tandem-tehnoloogia ka laiapõhjalistele fotogalvaanidele juurdepääsetavaks kulutõhusate protseduuride kaudu suhtlemisel räniga kui madalaima alarakuga. Kuni selle ajani on see siiski pikk tee.

25,9 protsenti III-V/Si tandemsolaarse raku kohta, mida kasvatatakse otse räniumil

III-V ja räni päikesepatareide kombinatsioonide tootmiseks on mitmesuguseid lähenemisviise. Alates 2019. aastast on Fraunhofer ISE hoidnud tandem-päikesepatareide maailmarekordilist efektiivsust 34,1 protsenti (praegu 34,5 protsenti), kus III-V pooljuhtkihid kantakse galliumarseniidsubstraadilt ränile, kusjuures kihid on ühendatud nn vahvelsidemega. See tehnoloogia on tõhus, kuid kallis. Seetõttu on Fraunhofer ISE juba aastaid töötanud otsesemate tootmisprotsesside kallal, kus III-V kihid sadestatakse ehk epitaksiaalselt kasvatatakse räni-päikesepatareile. Kõrge kristallikvaliteedi säilitamine kõigis kihtides on siin ülioluline – see on suur väljakutse. Sellise otse ränile kasvatatud III-V/Si tandem-päikesepatarei puhul on nüüd saavutatud uus maailmarekordiline efektiivsus 25,9 protsenti. Fraunhofer ISE teadlane Markus Feifel esitles hiljuti oma edu 47. IEEE fotogalvaanika spetsialistide konverentsil, mis, nagu paljud praegu veebis toimuvad konverentsid, pälvis tudengiauhinna hübriid-tandem-päikesepatareide kategoorias. „Raku keerukas sisemine struktuur pole väljastpoolt nähtav, kuna kõik neelajad on omavahel ühendatud ja elektriliselt ühendatud täiendavate kristallkihtide abil,“ selgitab noor päikesepatareide uurija, kes suutis seeläbi oma töö efektiivsust vähem kui aastaga parandada 24,3 protsendilt 25,9 protsendile. „See edu saavutati mitme ühenduskohaga elemendi ühe õhukese kihi asendamisega,“ jätkab ta. „Meie elementide hoolikas analüüs näitas, et see kiht oli loonud voolujuhtivusele barjääri.“

Väikestes sammudes on Fraunhoferi teadlastel olnud tehnoloogia alates 2007. aastast koos Tu Ilmenauga, Philipps Univ. Marburg ja Aixtron Company arendasid edasi, asutasid spetsiaalsed epitaxia süsteemid ja uurisid iga konstruktsiooni kihti. Neid arenguid rahastas föderaalne teadusministeerium BMBF osana projektidest "III-V-SI" ja "Mehrsi". Uue tandem-päikeseelemendi eriline esiletõst on see, et III-V kihid ei kasvatatud nagu tavaliselt keemiliselt mehaaniliselt poleeritud substraadil, vaid räni vahvlil, mida töödeldi ainult lihtsas protsessis pärast kristalli saatmist, kasutades odavaid lihvimisprotsesse. Euroopa Sitasoli projekti raames oli Taani ettevõte Topsil selle räni-waferi välja töötanud ja mõistnud olulist sammu uute mitme päikeseelemendi majandusliku tootmise suunas. Tulevikus seisneb see tõhususe suurendamine veelgi kaugemale ja kihtide lahutus veelgi kiiremini, suurema läbilaskevõimega ja seega kulutõhusamaga, eesmärgiga, et tandem-fotogalvaaniline võib anda olulise panuse energiasiirde jaoks vajaliku fotogalvaanilise perioodi jaoks.

Energia ülemineku põhitehnoloogia

Päikesepatareidest saadav elekter on nüüd paljudes maailma paikades kõige odavam energia tootmise viis. „Euroopa fotogalvaanika uuringud arendavad arvukalt kontseptsioone, et edasi arendada selle energiaülemineku jaoks võtmetehnoloogia tõhusust,“ ütleb – uuringute juht professor dr Stefan Glunz. „Me ei tööta mitte ainult selle nimel, et muuta räni päikesepatareide tootmine veelgi jätkusuutlikumaks ja kulutõhusamaks, vaid uurime ka uusi viise veelgi suurema efektiivsuse saavutamiseks, kasutades tõestatud räni koos teiste pooljuhtmaterjalidega. Me saavutame selle tandem-fotogalvaanika abil.“ Tandem-fotogalvaanika mitte ainult ei silluta teed elektrienergia tootmise tulevikule, vaid need päikesepatareid sobivad oma kõrgema pinge tõttu – ka elektrolüüsiks, – on vee otsene lagundamine vesinikuks ja hapnikuks. Seega aitab see tehnoloogia kaasa ka vesiniku tootmisele energia salvestamise keskkonnana ja oluliseks ehituskiviks energiaüleminekul.

 

 

III-V/Si mitme päikeseelemendi, kvanttõhususe ja IV omaduste latio struktuur 1,5 g spektraaltingimustes

Suurem efektiivsus koos – uus päikesepatareide rekord

Fotogalvaanika uuringutes tehakse kõvasti tööd päikesepatareide efektiivsuse pidevaks suurendamiseks. Üha enam keskendutakse tandem-fotogalvaanikale, kus suure jõudlusega päikesepatareide materjale kombineeritakse erinevates kombinatsioonides, et kasutada päikesespektrit veelgi tõhusamalt valguse elektrienergiaks muundamiseks. Fraunhofer ISE teatab nüüd uuest rekordilisest efektiivsusest 25,9 protsenti III-V/Si tandem-päikesepatarei puhul, mis on kasvatatud otse ränile. Esmakordselt toodeti see odaval ränisubstraadil – see on oluline verstapost tandem-fotogalvaanika ökonoomsete lahenduste suunas.

 

 

Fraunhoferi päikeseenergia süsteemide instituut ISE on mitu aastat töötanud mitme ristmikega päikesepatareidega, kus kaks või kolm osalist rakku on paigutatud üksteise kohal, et muuta päikesevalguse erinevad lainepikkused elektriks. Räni on sobiv kui spektri infrapunaosa absorbeerija ning III-V pooljuhtide kihid, perioodilise tabeli III ja V materjalid, mis muudavad ultraviolettkiirguse, nähtava ja lähedase valguse tõhusamalt elektri, on selle peal. Puhta III-V pooljuhtide päikeseenergia rakke kasutatakse juba kosmoses ja kontsentraatori fotogalvaanilises. Kuluefektiivsemate protsesside kaudu koos räni kui madalaima alarakuga tuleb tandem-tehnoloogia tulevikus teha laiapõhjalistele fotogalvaanidele kättesaadavaks. Kuni selle ajani on siiski veel pikk tee minna.

25,9 protsenti III-V/Si tandemi päikeserakkude kohta, mida kasvatatakse otse ränil

III-V ja räni päikesepatareide kombinatsioonide tootmiseks on erinevaid lähenemisviise. Näiteks on Fraunhofer ISE alates 2019. aastast hoidnud maailmarekordit 34,1-protsendilise efektiivsusega (nüüd 34,5 protsenti) tandem-päikesepatarei puhul, milles III-V pooljuhtkihid kantakse galliumarseniidsubstraadilt ränile, kusjuures kihid on ühendatud nn vahvelühendusega. See tehnoloogia on tõhus, kuid kallis. Sel põhjusel on Fraunhofer ISE juba aastaid töötanud otsesemate tootmisprotsesside kallal, kus III-V kihid sadestatakse või epitaksitakse räni-päikesepatareile. Siin on ülioluline säilitada kõigi kihtide kõrge kristallide kvaliteet – see on suur väljakutse. Sellise otse ränile kasvatatud III-V/Si tandem-päikesepatarei puhul on nüüd saavutatud uus maailmarekordiline efektiivsus 25,9 protsenti. Fraunhoferi ISE teadlane Markus Feifel sai hiljuti esitleda oma edu 47. IEEE fotogalvaanika spetsialistide konverentsil, mis, nagu paljud praegused konverentsid, toimub veebis, ning pälvis tudengiauhinna hübriidsete tandem-päikesepatareide kategoorias. „Väljastpoolt pole patarei keerukas sisemine struktuur nähtav, kuna kõik neelajad on omavahel ühendatud täiendavate kristallkihtide abil ja elektriliselt ühendatud,“ selgitab noor päikesepatareide uurija, kes suutis seeläbi oma töö tulemust vähem kui aastaga parandada 24,3 protsendilt 25,9 protsendile. „See edu saavutati mitme patarei sees ühe õhukese kihi asendamisega,“ jätkab ta. „Meie patareide hoolikas analüüs näitas, et see kiht lõi elektriliinile tõkke.“

Väikestes sammudes on Fraunhoferi teadlased seda tehnoloogiat alates 2007. aastast edasi arendanud koostöös Philipps Univ Ilmenau tehnikaülikooliga. Marburg ja ettevõte Aixtron, asutades spetsiaalsed epitaksiaseadmed ja uurides iga konstruktsiooni kihti. Lõputöö arenguid rahastas Saksamaa föderaalne haridus- ja teadusministeerium (BMBF) osana projektidest “III-V-SI” ja “Mehrsi”. Uue tandem-päikeseelemendi konkreetne esiletõst on see, et III-V kihte ei kasvatatud mitte keemilise mehaanilise poleeritud substraadil nagu varem, vaid räni vahvlil, mis pärast kristalli saatmist töötas lihtsas protsessis, kasutades ainult odavaid lihvimisprotsesse. Euroopa projektis “Sitasol” oli Taani ettevõte Topsil välja töötanud lõputöö räni vahvlid ja seega realiseerinud olulise sammu uute mitme ristmikega päikesepatareide majandusliku tootmise poole. Tulevikus on eesmärk viirukitõhusus veelgi kaugemale ja nii kihtide sadestumine veelgi kiiremini, kõrgel läbi ja seega kulukamalt, eesmärgiga, et tandem-fotogalvaanilised ained saavad anda imporditud panuse fotogalvaanilise laienemise jaoks vajaliku pöörde jaoks.

Energiasüsteemi muundamise põhitehnoloogia

Tänapäeval on paljudes maailma paikades päikesepatareidest saadav elekter kõige odavam energiatootmise viis. „Euroopa fotogalvaanika uuringud töötavad arvukate kontseptsioonide kallal, et edasi arendada selle energiapöörde jaoks võtmetehnoloogia tõhusust,“ ütleb fotogalvaanika uuringute osakonna juhataja professor dr Stefan Glunz. „Me ei tööta mitte ainult selle nimel, et muuta räni päikesepatareide tootmine veelgi jätkusuutlikumaks ja kulutõhusamaks, vaid samal ajal murrame ka uusi teid, et viia end tõestanud räni koos teiste pooljuhtmaterjalidega veelgi suurema efektiivsuseni. Me saavutame selle tandem-fotogalvaanika abil. Tandem-fotogalvaanika mitte ainult ei ava teed energiatootmise tulevikku, – need päikesepatareid sobivad tänu oma kõrgemale – ideaalselt ka elektrolüüsiks, vee otseseks lagundamiseks vesinikuks ja hapnikuks. Seega aitab see tehnoloogia kaasa ka vesiniku tootmisele energia salvestamise keskkonnana ja oluliseks ehituskiviks energiapöörde jaoks.“

 

 

III-V/SI multi-ristmike päikeseelemendi kihi struktuur, kvant efektiivsus ja IV omadused 1,5 g spektraaltingimustel