Uus päikeseelementide rekord - uus päikeseelementide kirje

Avaldatud: 10. augustil 2020 / Uuendatud: 17. augustil 2020 – Autor: Konrad Wolfenstein

Lülitu ingliskeelsele versioonile

Suurem efektiivsus koos – uus päikesepatareide rekord

Fotogalvaanika uuringud töötavad usinalt selle nimel, et pidevalt suurendada päikesepatareide efektiivsust. Üha enam tähelepanu keskpunktis on tandem-fotogalvaanika, kus kõrgjõudlusega päikesepatareide materjale kombineeritakse mitmel viisil, et päikesespektrit veelgi tõhusamalt valguse elektrienergiaks muundamisel ära kasutada. Fraunhofer ISE on nüüd registreerinud uue rekordilise efektiivsuse 25,9 protsenti III-V/Si tandem-päikesepatarei puhul, mis on kasvatatud otse ränile. See oli esimene element, mis toodeti kulutõhusal ränisubstraadil – see on oluline verstapost majanduslikult elujõuliste tandem-fotogalvaanika lahenduste suunas.

Mitu III-V tandem-päikesepatareid 10 cm läbimõõduga ränisubstraadil – © Fraunhofer ISE – Foto: Markus Feifel

Fraunhoferi Päikeseenergiasüsteemide Instituut ISE on aastaid töötanud mitmesiirdega päikesepatareide kallal, milles kaks või kolm alamelementi on üksteise peale laotud, et muuta päikesevalguse erinevad lainepikkused elektriks. Räni sobib spektri infrapunase osa neeldajaks ja selle peale kantakse õhukesed, vaid mõne mikromeetri paksused III-V pooljuhtide kihid. Need materjalid pärinevad perioodilisustabeli III ja V rühmast ning muudavad ultraviolett-, nähtava ja lähiinfrapunavalguse tõhusamalt elektriks. Puhtaid III-V pooljuhtpäikesepatareid kasutatakse juba kosmoses ja kontsentraatoriga fotogalvaanikas. Kulutõhusamad protsessid koos räni kui alumise alamelemendiga peaksid muutma selle tandemtehnoloogia tulevikus laialdase fotogalvaanika jaoks kättesaadavaks. Siiski on veel pikk tee minna.

25,9 protsenti otse räni abil kasvatatud III-V/Si tandem-päikesepatareide puhul

III-V ja räni päikesepatareide kombinatsioonide tootmiseks on erinevaid lähenemisviise. Alates 2019. aastast on Fraunhofer ISE hoidnud tandem-päikesepatarei maailmarekordilist efektiivsust 34,1 protsenti (praegu 34,5 protsenti) – III-V pooljuhtkihid kantakse galliumarseniidsubstraadilt ränile, kusjuures kihid liimitakse kokku vahvelühendi abil. See tehnoloogia on tõhus, kuid kallis. Seetõttu on Fraunhofer ISE juba aastaid töötanud otsesemate tootmisprotsesside kallal, kus III-V kihid sadestatakse või epitaksiaalselt liimitakse räni-päikesepatareile. Kõrge kristallikvaliteedi säilitamine kõigis kihtides on siin ülioluline – see on suur väljakutse. Sellise otse ränile kasvatatud III-V/Si tandem-päikesepatarei uus maailmarekordi efektiivsus 25,9 protsenti on nüüd saavutatud. Fraunhofer ISE teadlane Markus Feifel esitles hiljuti oma edu 47. IEEE fotogalvaanika spetsialistide konverentsil, mis, nagu paljud tänapäeva konverentsid, toimub veebis, ja 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 mitmerakulise ühe õhukese kihi asendamisega,“ jätkab ta. „Meie patareide hoolikas analüüs näitas, et see kiht toimis elektrijuhtivuse barjäärina.“

Alates 2007. aastast on Fraunhoferi teadlased koos Ilmenau tehnikaülikooli, Marburgi Philippsi ülikooli ja ettevõttega Aixtron tehnoloogiat järk-järgult arendanud, ehitanud spetsiaalseid epitaksiaalsüsteeme ja uurinud iga üksikut struktuuri kihti. Neid arendusi rahastas Saksamaa Liitvabariigi Haridus- ja Teadusministeerium (BMBF) projektide "III-V-Si" ja "MehrSi" raames. Uue tandem-päikesepatarei eriline esiletõst on see, et III-V kihte ei kasvatatud keemiliselt ja mehaaniliselt poleeritud aluspinnale, nagu varem oli norm, vaid räniplaadile. Pärast kristalli saagimist töödeldi plaati lihtsa ja kulutõhusa lihvimis- ja söövitusprotsessi abil. Taani ettevõte Topsil töötas need räniplaadid välja Euroopa projekti "SiTaSol" raames, astudes seega olulise sammu uute mitmesiirdega päikesepatareide ökonoomse tootmise suunas. Tulevikus keskendutakse efektiivsuse edasisele suurendamisele ja kihtide sadestamise veelgi kiiremaks, suurema läbilaskevõimega ja seega kulutõhusamaks muutmisele, eesmärgiga, et tandem-fotogalvaanika saaks anda olulise panuse energiasiirdeks vajaliku fotogalvaanilise laienemisse.

Energiaülemineku võtmetehnoloogia

Päikesepatareidest saadav elekter on praegu paljudes maailma paikades kõige kulutõhusam energia tootmise viis. „Euroopa fotogalvaanika uuringud töötavad arvukate kontseptsioonide kallal, et veelgi parandada selle energiaülemineku jaoks võtmetehnoloogia tõhusust,“ ütleb fotogalvaanika 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 võimalusi 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 ideaalselt ka elektrolüüsiks, mis 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 mitmesiirdega päikesepatarei kihiline struktuur – © Fraunhofer ISE

III-V/Si mitmesiirdega päikesepatarei kihiline struktuur, kvantefektiivsus ja IV karakteristik AM 1,5g 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.

Mitu III-V tandem-päikesepatareid 10 cm läbimõõduga ränisubstraadil – © Fraunhofer ISE – Foto: Markus Feifel

Fraunhoferi Päikeseenergiasüsteemide Instituut ISE on aastaid töötanud mitmesiirdega päikesepatareide kallal, kus kaks või kolm osaelementi on paigutatud üksteise peale, et muuta päikesevalguse erinevad lainepikkused elektriks. Räni sobib spektri infrapunase osa neeldajaks ja selle peale on sadestatud III-V pooljuhtide kihid, perioodilisustabeli III ja V rühma materjalid, mis muudavad ultraviolett-, nähtava ja lähiinfrapunavalguse tõhusamalt elektriks. Puhtaid III-V pooljuhtpäikesepatareisid kasutatakse juba kosmoses ja kontsentraatoriga fotogalvaanikas. Tänu kulutõhusamatele protsessidele koos räni kui madalaima alamelemendiga tehakse tandemtehnoloogia tulevikus kättesaadavaks laiapõhjalise fotogalvaanika jaoks. Selleni on aga veel pikk tee minna.

25,9 protsenti otse ränile kasvatatud III-V/Si tandem-päikesepatareide puhul

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.“

Fraunhoferi teadlased on tehnoloogiat alates 2007. aastast väikeste sammudega edasi arendanud koostöös Ilmenau tehnikaülikooli, Marburgi Philippsi ülikooli ja ettevõttega Aixtron, paigaldades spetsiaalseid epitaksiaseadmeid ja uurides struktuuri iga üksikut kihti. Neid arendusi rahastas Saksamaa Liitvabariigi Haridus- ja Teadusministeerium (BMBF) projektide „III-V-Si“ ja „MehrSi“ raames. Uue tandem-päikesepatarei eriline esiletõst on see, et III-V kihte ei kasvatatud keemiliselt-mehaaniliselt poleeritud aluspinnale nagu varem, vaid räniplaadile, mida pärast kristalli saagimist töödeldi lihtsa protsessiga, kasutades ainult odavaid lihvimis- ja söövitusprotsesse. Euroopa projekti „SiTaSol“ raames töötas Taani ettevõte Topsil välja need räniplaadid ja tegi seega olulise sammu uute mitmesiirdega päikesepatareide majandusliku tootmise suunas. Tulevikus on eesmärk efektiivsust veelgi suurendada ning kihtide sadestamist veelgi kiiremini, suurema läbilaskevõimega ja seega kulutõhusamalt teostada, et tandem-fotogalvaanika saaks anda olulise panuse energia ümberpööramiseks vajaliku fotogalvaanilise paisumise saavutamisse.

Energiasüsteemi ümberkujundamise võtmetehnoloogia

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, vaid need päikesepatareid sobivad tänu oma kõrgemale pingele 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 mitmesiirdega päikesepatarei kihiline struktuur – © Fraunhofer ISE

III-V/Si mitmesiirdega päikesepatarei kihiline struktuur, kvantefektiivsus ja IV karakteristikud AM 1,5g spektraaltingimustes