רשומת תאים סולאריים חדשים - רשומת תאים סולאריים חדשים

פורסם בתאריך: 10 באוגוסט, 2020 / עודכן בתאריך: 17 באוגוסט, 2020 – מחבר: Konrad Wolfenstein

לעבור לגרסה אנגלית

יעילות גבוהה יותר במקביל - שיא ​​חדש של תאים סולאריים

מחקר פוטו-וולטאי פועל במרץ כדי להגביר באופן מתמיד את יעילותם של תאים סולאריים. פוטו-וולטאית טנדם זוכה לתשומת לב גוברת, שבה חומרים של תאים סולאריים בעלי ביצועים גבוהים משולבים בדרכים שונות כדי לנצל את הספקטרום הסולארי בצורה יעילה אף יותר בהמרת אור לאנרגיה חשמלית. Fraunhofer ISE רשמה כעת יעילות שיא חדשה של 25.9 אחוזים עבור תא סולארי טנדם III-V/Si שגודל ישירות על סיליקון. זה היה התא הראשון שיוצר על מצע סיליקון חסכוני - אבן דרך חשובה בדרך לפתרונות כלכליים ברי קיימא עבור פוטו-וולטאית טנדם.

מספר תאי שמש מסוג III-V על גבי מצע סיליקון בקוטר 10 ס"מ – © Fraunhofer ISE – צילום: מרקוס פייפל

מכון פראונהופר למערכות אנרגיה סולארית ISE עובד מזה שנים רבות על תאים סולאריים מרובי צומת, שבהם שניים או שלושה תת-תאים מונחים זה על גבי זה כדי להמיר אורכי גל שונים של אור שמש לחשמל. סיליקון מתאים כבולם לחלק האינפרא אדום של הספקטרום, ומעליו מורחים שכבות דקות של מוליכים למחצה III-V, בעובי של כמה מיקרומטרים בלבד. חומרים אלה הם מקבוצות III ו-V של הטבלה המחזורית וממירים אור אולטרה סגול, אור נראה ואינפרא אדום קרוב לחשמל בצורה יעילה יותר. תאי שמש סולאריים טהורים מסוג III-V כבר נמצאים בשימוש בחלל ובפוטו-וולטאית מרוכזת. תהליכים חסכוניים יותר, בשילוב עם סיליקון כתת-התא התחתון, נועדו להפוך את טכנולוגיית טנדם זו לנגישה לפוטו-וולטאית נרחבת בעתיד. עם זאת, עדיין יש דרך ארוכה לעבור.

25.9 אחוזים עבור תאי שמש טנדם III-V/Si שגדלו ישירות מסיליקון

ישנן גישות שונות לייצור שילובים של תאים סולאריים III-V ותאי סיליקון. מאז 2019, Fraunhofer ISE מחזיקה ביעילות שיא עולמית של 34.1 אחוזים (כיום 34.5 אחוזים) עבור תא סולארי טנדם שבו שכבות מוליכים למחצה III-V מועברות ממצע גליום ארסניד לסיליקון, כאשר השכבות מחוברות יחד באמצעות קשר פרוסות סיליקון. טכנולוגיה זו יעילה אך יקרה. לכן, Fraunhofer ISE עובדת מזה שנים רבות על תהליכי ייצור ישירים יותר שבהם שכבות III-V מופקדות או מחוברות באופן אפיטקסיאלי על גבי תא סולארי סיליקון. שמירה על איכות גביש גבוהה בכל השכבות היא קריטית כאן - אתגר מרכזי. שיא עולמי חדש של יעילות של 25.9 אחוזים הושג כעת עבור תא סולארי טנדם III-V/Si כזה שגדל ישירות על סיליקון. מדען Fraunhofer ISE, מרקוס פייפל, הציג לאחרונה את הצלחתו בכנס ה-47 של IEEE למומחי פוטו-וולטאיקה, אשר, כמו כנסים רבים בימים אלה, מתקיים באופן מקוון, וזכה בפרס הסטודנט בקטגוריית תאי שמש טנדם היברידיים. "המבנה הפנימי המורכב של התא אינו נראה מבחוץ, שכן כל הבולמים מחוברים זה לזה ומחוברים חשמלית על ידי שכבות גביש נוספות", מסביר חוקר תאי השמש הצעיר, שכך הצליח לשפר את יעילות עבודתו מ-24.3 ל-25.9 אחוזים בפחות משנה. "הצלחה זו הושגה על ידי החלפת שכבה דקה אחת בתוך התא הרב-תאי", הוא ממשיך. "ניתוח מדוקדק של התאים שלנו גילה ששכבה זו פעלה כמחסום להולכה חשמלית."

מאז 2007, חוקרי פראונהופר, יחד עם האוניברסיטה הטכנית של אילמנאו, אוניברסיטת פיליפס של מרבורג וחברת Aixtron, מפתחים בהדרגה את הטכנולוגיה, בונים מערכות אפיטקסיה ייעודיות ובוחנים כל שכבה בנפרד של המבנה. פיתוחים אלה מומנו על ידי משרד החינוך והמחקר הפדרלי הגרמני (BMBF) במסגרת הפרויקטים "III-V-Si" ו-"MehrSi". נקודת עיקרית מיוחדת של תא השמש הטנדם החדש היא ששכבות ה-III-V לא גודלו על מצע מלוטש כימית ומכנית, כפי שהיה מקובל בעבר, אלא על פרוסת סיליקון. לאחר ניסור הגביש, הפרוסה טופלה באמצעות תהליך טחינה וחיטוי פשוט וחסכוני. החברה הדנית Topsil פיתחה פרוסות סיליקון אלו במסגרת הפרויקט האירופי "SiTaSol", ובכך נקטה צעד חשוב לקראת ייצור חסכוני של תאי השמש הרב-צומתיים החדשים. בעתיד, הדגש יהיה על הגברת היעילות והפיכת השקיעה של השכבות למהירה עוד יותר, עם תפוקה גבוהה יותר ולכן חסכונית יותר, במטרה שפוטו-וולטאית טנדם תוכל לתרום תרומה חשובה להרחבת הפוטו-וולטאית הנדרשת למעבר האנרגיה.

טכנולוגיה מרכזית למעבר האנרגיה

חשמל מתאים סולאריים הוא כיום צורת ייצור האנרגיה היעילה ביותר מבחינת עלות בחלקים רבים של העולם. "מחקר פוטו-וולטאי אירופאי עובד על רעיונות רבים כדי לשפר עוד יותר את יעילותה של טכנולוגיה מרכזית זו למעבר האנרגיה", אומר פרופ' ד"ר סטפן גלונץ, ראש מחקר פוטו-וולטאי. "אנחנו לא רק עובדים כדי להפוך את ייצור תאי השמש מסיליקון לבר-קיימא וחסכוני עוד יותר, אלא גם בוחנים דרכים חדשות להשגת יעילות גבוהה עוד יותר עם סיליקון מוכח בשילוב עם חומרי מוליכים למחצה אחרים. אנחנו משיגים זאת באמצעות פוטו-וולטאי טנדם." פוטו-וולטאי טנדם לא רק סוללת את הדרך לעתיד ייצור החשמל, אלא שתאים סולאריים אלה מתאימים באופן אידיאלי - בשל המתח הגבוה שלהם - לאלקטרוליזה, פיצול ישיר של מים למימן וחמצן. טכנולוגיה זו תורמת גם לייצור מימן כמדיום אחסון אנרגיה וכאבן בניין חשובה למעבר האנרגיה.

מבנה שכבות של תא סולארי רב-צומת III-V/Si – © Fraunhofer ISE

מבנה שכבות של תא סולארי רב-צומת III-V/Si, יעילות קוונטית ומאפיין IV בתנאים ספקטרליים של AM 1.5g

יעילות גבוהה יותר במקביל - שיא ​​חדש של תאים סולאריים

מחקר פוטו-וולטאיק עובד קשה כדי להגביר ללא הרף את יעילותם של תאים סולאריים. יותר ויותר, המוקד הוא על פוטו-וולטאיקה טנדם, שבה חומרים של תאים סולאריים בעלי ביצועים גבוהים משולבים יחד בשילובים שונים על מנת להשתמש בספקטרום הסולארי בצורה יעילה אף יותר בהמרת אור לאנרגיה חשמלית. Fraunhofer ISE מדווחת כעת על יעילות שיא חדשה של 25.9 אחוזים עבור תא סולארי טנדם III-V/Si שגודל ישירות על סיליקון. לראשונה, הוא יוצר על מצע סיליקון בעלות נמוכה - אבן דרך חשובה בדרך לפתרונות חסכוניים עבור פוטו-וולטאיקה טנדם.

מספר תאי שמש טנדם III-V על מצע סיליקון בקוטר 10 ס"מ – © Fraunhofer ISE – צילום: מרקוס פייפל

מכון פראונהופר למערכות אנרגיה סולארית ISE עובד מזה שנים רבות על תאים סולאריים מרובי צומת שבהם שניים או שלושה תאים חלקיים מסודרים זה מעל זה כדי להמיר אורכי גל שונים של אור שמש לחשמל. סיליקון מתאים כבולם לחלק האינפרא אדום של הספקטרום, ומעליו מונחות שכבות של מוליכים למחצה III-V, חומרים מקבוצות III ו-V של הטבלה המחזורית, אשר ממירים את האור האולטרה סגול, הנראה והקרוב אינפרא אדום לחשמל בצורה יעילה יותר. תאי שמש סולאריים טהורים מסוג III-V מוליכים למחצה כבר נמצאים בשימוש בחלל ובפוטו-וולטאית מרוכזת. באמצעות תהליכים חסכוניים יותר בשילוב עם סיליקון כתת-התא הנמוך ביותר, טכנולוגיית הטנדם צפויה להיות נגישה לפוטו-וולטאית רחבת היקף בעתיד. עם זאת, עדיין יש דרך ארוכה לעבור עד אז.

25.9 אחוזים עבור תאי שמש טנדם III-V/Si שגודלו ישירות על סיליקון

ישנן גישות שונות לייצור שילובים של תאים סולאריים III-V ותאי סיליקון. לדוגמה, מאז 2019, Fraunhofer ISE מחזיקה בשיא עולמי של יעילות של 34.1 אחוזים (כיום 34.5 אחוזים) עבור תא סולארי טנדם שבו שכבות מוליכים למחצה III-V מועברות ממצע גליום ארסניד לסיליקון, כאשר השכבות מחוברות באמצעות מה שנקרא קשר פרוסות (wafer bond). טכנולוגיה זו יעילה אך יקרה. מסיבה זו, Fraunhofer ISE עובדת מזה שנים רבות על תהליכי ייצור ישירים יותר שבהם שכבות III-V מופקדות או מודבקות על גבי תא סולארי סיליקון. כאן, חיוני לשמור על איכות גביש גבוהה של כל השכבות - אתגר מרכזי. שיא עולמי חדש של יעילות של 25.9 אחוזים הושג כעת עבור תא סולארי טנדם III-V/Si כזה שגודל ישירות על סיליקון. מדען Fraunhofer ISE, מרקוס פייפל, הציג לאחרונה את הצלחתו בכנס ה-47 של IEEE למומחי פוטו-וולטאיקה, אשר, כמו כנסים רבים כיום, מתקיים באופן מקוון, וזכה בפרס הסטודנט בקטגוריית תאי שמש טנדם היברידיים. "מבחוץ, המבנה הפנימי המורכב של התא אינו נראה לעין, מכיוון שכל הבולמים מחוברים זה לזה באמצעות שכבות גביש נוספות ומחווטים חשמלית", מסביר חוקר תאי השמש הצעיר, שכך הצליח לשפר את תוצאת עבודתו מ-24.3 ל-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 ששכבה זו יצרה מחסום לקו החשמל."

בצעדים קטנים, חוקרי פראונהופר מפתחים את הטכנולוגיה עוד יותר מאז 2007 בשיתוף פעולה עם האוניברסיטה הטכנית של אילמנאו, אוניברסיטת פיליפס במרבורג וחברת Aixtron, תוך הקמת ציוד אפיטקסיה מיוחד ובחינת כל שכבה במבנה. פיתוחים אלה מומנו על ידי משרד החינוך והמחקר הפדרלי הגרמני (BMBF) כחלק מהפרויקטים "III-V-Si" ו-"MehrSi". נקודת עיקרית מיוחדת של תא הסולארי הטנדם החדש היא ששכבות ה-III-V לא גודלו על מצע מלוטש כימית-מכנית כפי שהיה נהוג בעבר, אלא על פרוסת סיליקון אשר, לאחר ניסור הגביש, טופלה בתהליך פשוט תוך שימוש בתהליכי השחזה וחריטה זולים בלבד. במסגרת הפרויקט האירופי "SiTaSol", חברת Topsil הדנית פיתחה את פרוסות הסיליקון הללו ובכך השלימה צעד חשוב לקראת ייצור כלכלי של תאי השמש הרב-צומתיים החדשים. בעתיד, המטרה תהיה להגביר את היעילות עוד יותר וגם לממש את שקיעת השכבות מהר יותר, עם תפוקה גבוהה יותר ולכן חסכונית יותר, במטרה שאנרגיה פוטו-וולטאית טנדם תוכל לתרום תרומה חשובה להרחבת הפוטו-וולטאית הנדרשת להפיכת האנרגיה.

טכנולוגיה מרכזית לשינוי מערכת האנרגיה

בחלקים רבים של העולם כיום, חשמל מתאים סולאריים הוא הצורה הזולה ביותר לייצור אנרגיה. "מחקר פוטו-וולטאי אירופאי עובד על רעיונות רבים כדי לפתח עוד יותר את יעילותה של טכנולוגיה מרכזית זו למחזור אנרגיה", אומר פרופ' ד"ר סטפן גלונץ, ראש חטיבת המחקר פוטו-וולטאי. "אנחנו לא רק עובדים על הפיכת ייצור תאי סיליקון סולאריים לבר-קיימא וחסכוני עוד יותר, אלא במקביל אנחנו גם פורצים דרך חדשה על מנת להוביל את הסיליקון המוכח בשילוב עם חומרי מוליכים למחצה אחרים ליעילות גבוהה עוד יותר. אנחנו משיגים זאת באמצעות פוטו-וולטאי טנדם. פוטו-וולטאי טנדם לא רק פותח את הדרך לעתיד ייצור החשמל, תאים סולאריים אלה - בשל המתח הגבוה שלהם - מתאימים באופן אידיאלי גם לאלקטרוליזה, פירוק ישיר של מים למימן וחמצן. טכנולוגיה זו תורמת גם לייצור מימן כמדיום אחסון אנרגיה ואבן בניין חשובה למחזור אנרגיה."

מבנה שכבות של תא סולארי רב-צומת III-V/Si – © Fraunhofer ISE

מבנה שכבות של תא סולארי רב-צומת III-V/Si, יעילות קוונטית ומאפייני IV בתנאים ספקטרליים של AM 1.5g