רשומת תאים סולאריים חדשים – רשומת תאים סולאריים חדשים

פורסם ב: 10 באוגוסט 2020 / עדכון מאת: 17 באוגוסט 2020 – מחבר: קונרד וולפנשטיין

לעבור לגרסה אנגלית

יעילות גבוהה יותר במקביל – רשומת תאים סולאריים חדשים

המחקר הפוטו -וולטאי מתרבות כדי להגדיל עוד יותר את היעילות של תאים סולאריים. פוטו -וולטאי טנדם ממוקדים יותר ויותר, בהם משולבים חומרים תאים סולאריים חזקים בשילובים שונים על מנת להשתמש בספקטרום השמש בצורה יעילה עוד יותר בעת המרת האור לאנרגיה חשמלית. ל- Fraunhofer ISE יש כעת יעילות של 25.9 אחוזים, רשומה חדשה לתא III-V/Si Tandemsolar שגדל ישירות על סיליקון. זה הופק לראשונה על מצע סיליקון לא יקר – אבן דרך חשובה בדרך לפתרונות כלכליים לפוטו -וולטאי טנדם.

מספר תאים טנדמים סולריים III-V על מצע סיליקון בקוטר של 10 ס"מ- – fraunhofer – צילום: Markus Feifel

המכון Fraunhofer למערכות אנרגיה סולארית ISE עובד על מספר תאים סולאריים במשך שנים רבות, בו מסודרים שניים או שלושה תאי משנה זה על גבי זה על מנת להמיר אורכי גל שונים של אור שמש לחשמל. סילסיום מתאים לחלק האינפרא אדום של הספקטרום כבולם וכמה מיקרומטר של שכבות דקיקות מסולמות צווארון III-V-VECT, אלה הם חומרים מקבוצות III ו- V של המערכת התקופתית, הממירים את האור האולטרה-סגול, גלוי וסגור אינפרא אדום לחשמל. תאים סולאריים מוליכים למחצה של מוליכים למחצה III-V משמשים כבר בחלל ובפוטו-וולטאים ריכוזיים. בעתיד, טכנולוגיית טנדם תיגיש גם לפוטו וולטאים רחבים באמצעות נהלים חסכוניים באינטראקציה עם סיליקון כתאי המשנה הנמוכים ביותר. עד אז, אולם זו עדיין דרך ארוכה.

25.9 אחוזים לתא Tandemsolar של III-V/Si שגדל ישירות על סילסיום

ישנן גישות שונות ליצירת שילובים של תאים סולאריים III V ו- Silicon. מאז 2019, Fraunhofer מחזיקה בערך השיא העולמי של 34.1 אחוזים יעילות (34.5 אחוזים חדשים) עבור תא סולארי טנדם בו מועברים שכבות המוליכים למחצה III-V מוליכים מוליך ממצע ארסניד לסיליקון, עם השכבות המחוברות על ידי קשר עם כביכול. טכנולוגיה זו יעילה אך יקרה. לפיכך, ה- Fraunhofer ISE עובד על תהליכי ייצור ישירים יותר במשך שנים רבות, בהן שכבות ה- III-V מופרדות או מופרכות על תא סולארי סיליקון. חשוב מאוד לקבל איכות גבישים גבוהה של כל השכבות – אתגר גדול. יעילות שיא עולמית חדשה הושגה כעת עבור תא טנדמי סולרי III-V/Si כזה שגדל ישירות על סילסיום. המדען של Fraunhofer ISE, מרקוס פייפל, הציג לאחרונה את הצלחתו בכנס ה- IEEE המומחים הפוטו -וולטאיים ה -47, שכמו ועידות רבות, מתקיים כעת ברשת וכיבד את פרס הסטודנטים בקטגוריית התאים הטנדמניים ההיברידיים. "מבחוץ, המבנה הפנימי המורכב של התא אינו נראה לעין, מכיוון שכל הבולמים מחוברים ומחוברים זה לזה באופן חשמלי על ידי שכבות קריסטל נוספות", מסביר חוקר תאי השמש הצעיר, שהצליח לשפר את התוצאה של עבודתו מ 24.3 ל- 25.9 אחוזים בפחות משנה. "ההצלחה הזו הצליחה על ידי החלפת שכבה דקה אחת בתוך התא המרובה", הוא מסביר. "ניתוח מדוקדק של התאים שלנו הראה כי שכבה זו הובילה למחסום לקו הכוח."

בצעדים קטנים, החוקרים Fraunhofer עברו טכנולוגיה מאז 2007 יחד עם Tu ilmenau, ה- Philipps Univ. מרבורג וחברת Aixtron פיתחו עוד יותר, הקימו מערכות אפיטקסיה מיוחדות ובחנו כל שכבה אחת במבנה. התפתחויות אלה מומנו על ידי משרד המחקר הפדרלי BMBF כחלק מפרויקטים "III-V-SI" ו- "Mehrsi". גולת הכותרת המיוחדת של התא הסולארי החדש של טנדם היא ששכבות ה- III-V לא גודלו כרגיל על מצע מלוטש כימית-מכנית, אלא על רקיק סיליקון שטופל רק בתהליך פשוט לאחר ניסור הגביש באמצעות תהליכי תריס ותחריט זולים. כחלק מפרויקט סיטאסול האירופי, החברה הדנית טופסיל פיתחה את הסיליקון-וופר הזה ובכך הבינה צעד חשוב לעבר ייצור כלכלי של התאים הסולאריים המרובים החדשים. בעתיד זה יהיה על הגברת היעילות עוד יותר ועל גירושין של שכבות עוד יותר מהירות, עם תפוקה גבוהה יותר ובכך חסכוני יותר, במטרה שהפוטו-וולטאי הטנדם יכול לתרום תרומה חשובה לתקופה הפוטו-וולטאית הנחוצה למעבר האנרגיה.

טכנולוגיית מפתח למעבר האנרגיה

חשמל מתאים סולאריים הוא הצורה הזולה ביותר של ייצור אנרגיה באזורים רבים בעולם כיום. "למחקר פוטו -וולטאי אירופי יש מושגים רבים שמתבצעים לפיתוח היעילות של טכנולוגיית מפתח זו למעבר האנרגיה עוד יותר", אמר פרופ 'ד"ר סטפן גלונץ, ראש מחקר פוטו – . »אנו לא רק פועלים לייצור תאי סולארי סיליקון לקיימים יותר וזולים יותר, אלא יחד עם זאת שוברים קרקע חדשה כדי להוביל את הסיליקון המוכח בקשר לחומרים אחרים של מוליכים למחצה ליעילות גבוהה יותר. אנו מצליחים עם פוטו -וולטאים טנדם. «הפוטו -וולטאי הטנדם לא רק פותח את הדרך לעתיד ייצור החשמל, תאים סולאריים אלה הם – בגלל המתח הגבוה יותר שלהם – גם אידיאלי לאלקטרוליזה, פירוק המים הישיר למימן וחמצן. טכנולוגיה זו תורמת גם תרומה למיצוי מימן כאחסון אנרגיה ואבן בניין חשובה למעבר האנרגיה.

מבנה שקופיות של – סולארי מרובים III-V/Si- © fraunhofer ise

מבנה לטיו של תאים סולאריים מרובים III-V/Si, יעילות קוונטית ומאפייני IV בתנאי הספקטרום של 1.5 גרם

יעילות גבוהה יותר במקביל – רשומת תאים סולאריים חדשים

מחקר פוטו -וולטאיקה עובד קשה כדי להמציא את היעילות של תאים סולאריים. יותר ויותר, המיקוד הוא בפוטו-וולטאים טנדם, בהם חומרי תאי סולאריים בעלי ביצועים גבוהים מתנשאים יחד בשילובים שונים על מנת להשתמש בספקטרום השמש בצורה יעילה עוד יותר בהמרת האור לאנרגיה חשמלית. Fraunhofer ISE מדווחת כעת על יעילות רשומה חדשה של 25.9 אחוזים עבור תא סולארי III-V/SI שגדל ישירות על סיליקון. לראשונה, זה הופק על מצע סיליקון בעלות נמוכה – אבן דרך חשובה בדרך לפתרונות חסכוניים לפוטו -וולטאים טנדם.

מספר תאים סולאריים של טנדם III-V על מצע סיליקון – 10 ס"מ- © fraunhofer – צילום: Markus Feifel

המכון Fraunhofer למערכות אנרגיה סולארית ISE פועל במשך שנים רבות על תאים סולאריים מרובי צומת, בהם מסודרים שני תאים חלקים או שלושה אחד מעל השני כדי להמיר אורכי גל שונים של אור שמש לחשמל. הסיליקון מתאים לבולם לחלק האינפרא אדום של הספקטרום, ושכבות של מוליכים למחצה III-V, חומרים מקבוצות III ו- V של הטבלה התקופתית, הממירים את האולטרה סגול, גלויים וכמעט אינפרא אדום אור בצורה יעילה יותר לחשמל, מופקדים עליו. תאים סולאריים מוליכים למחצה מוליכים למחצה טהורים III-V משמשים כבר בחלל ובפוטו-וולטאים ריכוזיים. באמצעות תהליכים חסכוניים יותר בשילוב עם סיליקון כתאי המשנה הנמוכים ביותר, יש להפוך את טכנולוגיית הטנדם לנגישה עבור פוטו וולטאים מבוססי רחב בעתיד. עם זאת, עדיין יש דרך ארוכה לעבור עד אז.

25.9 אחוזים עבור תאים סולאריים של טנדם III-V/Si שגדלו ישירות על סיליקון

ישנן גישות שונות לייצור שילובים של תאים סולאריים III-V וסיליקון. לדוגמה, מאז 2019, Fraunhofer Ise החזיקה את השיא העולמי של 34.1 אחוז יעילות (כיום 34.5 אחוזים) עבור תא סולארי טנדם בו מועברים שכבות מוליכים למחצה III-V III-V ממצע ארסניד לסיליקון, כאשר שכבות הליג 'מחוברות על ידי אג"ח Wafer שנקרא. טכנולוגיה זו יעילה אך יקרה. מסיבה זו, Fraunhofer ISE עובד שנים רבות בתהליכי ייצור ישירים יותר בהם שכבות ה- III-V אינן מדויקות או מופיעות על תא סולארי סיליקון. כאן, חשוב לשמור על איכות קריסטל גבוהה של כל השכבות – אתגר מרכזי. יעילות שיא עולמית חדשה של 25.9 אחוזים הושגה כעת עבור תאי סולארי מסוג זה III-V/Si שגדל ישירות על סיליקון. המדען של Fraunhofer ISE, מרקוס פייפל, הצליח לאחרונה להציג את הצלחתו בכנס ה- IEEE המומחים הפוטו -וולטאיים ה -47, שכמו כנסים רבים כרגע, וזכה בפרס הסטודנטים בקטגוריה תאי סולאריים טנדם היברידיים. "מבחוץ, המבנה הפנימי המורכב של התא אינו גלוי, מכיוון שכל הבולמים מחוברים זה לזה על ידי שכבות קריסטל נוספות וחוטי חשמלית", מסביר מחקר תאי השמש הצעיר 25.9 אחוזים בפחות משנה. "הצלחה זו הושגה על ידי החלפת שכבה דקה אחת בתוך התא המרובה," הוא ממשיך. "ניתוח מדוקדק של התאים שלנו גילה כי שכבה זו יצרה מחסום לקו הכוח."

בצעדים קטנים, חוקרי Fraunhofer מפתחים את הטכנולוגיה עוד יותר מאז 2007 בשיתוף עם האוניברסיטה הטכנית של אילמנאו, פיליפס יוניב. מרבורג והחברה אייקטרון, מקימים ציוד אפיטקסי מיוחד ובוחנים כל שכבה של המבנה. התפתחויות התזה מומנו על ידי משרד החינוך והמחקר הפדרלי הגרמני (BMBF) כחלק מפרויקטים "III-V-SI" ו- "Mehrsi". גולת הכותרת המיוחדת של התא הסולארי החדש של טנדם היא ששכבות III-V לא גודלו על מצע מלוטש כימי-מכני כפי שקודם לכן, אלא על רקיק סיליקון שאחרי ניסוי הגביש, מה שטפל בתהליך פשוט תוך שימוש רק בתהליכי טחינה ותחריטים זולים בלבד. בתוך הפרויקט האירופי "Sitasol", פיתחה חברת Topsil של החברה הדנית את פליי הסיליקון של תזה ובכך הבינה לצעד חשוב לעבר הייצור הכלכלי של התאים הסולאריים הרב-צונקיים החדשים. בעתיד, המטרה תהיה יעילות קטורת עוד יותר וכך לממש את התמצאות השכבות עוד יותר מהר, עם גבוה גבוה יותר ובכך יותר בעלות עלות, במטרה לפוטו-וולטאי טנדם יכול לתרום תרומה מיובאת להרחבה הפוטו-וולטאית הנחוצה לעיצוב האנרגיה.

טכנולוגיית מפתח לשינוי מערכות אנרגיה

באזורים רבים בעולם כיום, חשמל מתאים סולאריים הוא הצורה הזולה ביותר של ייצור אנרגיה. "מחקר פוטו -וולטאי אירופי עובד על מושגים רבים כדי לפתח עוד יותר את היעילות של טכנולוגיית מפתח זו למהפך האנרגיה", אומר פרופ 'ד"ר סטפן גלונץ, ראש החטיבה לחקר פוטו -וולטאי. "אנחנו לא רק עובדים על ייצור תאי סילארי סיליקון לקיימים יותר וחסכוניים יותר, אלא יחד עם זאת אנו כל כך שוברים קרקע חדשה על מנת להוביל את הסיליקון המוכח בשילוב עם חומרים מוליכים למחצה אחרים ליעילות גבוהה אפילו גבוהה. – זו עם – -וולטאי פוטו-וולטי.

מבנה שכבה של תאי השמש – -צבועים III-V/SI

מבנה שכבה של תאי סולארי רב-צומת III-V/SI, יעילות קוונטית ומאפייני IV בתנאים ספקטרליים של 1.5 גרם