Új napelem rekord – Új napelem rekord

Közzétéve: 2020. augusztus 10. / Frissítés: 2020. augusztus 17. - Szerző: Konrad Wolfenstein

Váltás az angol verzióra

Magasabb hatásfok párhuzamosan – új napelemrekord

A fotovoltaikus kutatások keményen dolgoznak a napelemek hatékonyságának további növelésén. Egyre inkább a tandem fotovoltaikára helyezik a hangsúlyt, amelyben a nagy teljesítményű napelem-anyagokat különböző kombinációkban állítják össze, hogy még hatékonyabban használják fel a napspektrumot a fény elektromos energiává alakításakor. A Fraunhofer ISE most új rekordot, 25,9 százalékos hatékonyságot ért el a közvetlenül szilíciumon termesztett III-V/Si tandem napelem esetében. Ezt először gyártották költséghatékony szilícium hordozóra – ez egy fontos mérföldkő a tandem fotovoltaikus rendszerek gazdaságos megoldásai felé vezető úton.

Több III-V tandem napelem 10 cm átmérőjű szilícium hordozón - © Fraunhofer ISE - Fotó: Markus Feifel

A Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE már évek óta dolgozik több napelemen, amelyekben két vagy három alcella van egymás tetején elhelyezve, hogy a különböző hullámhosszú napfényt elektromos árammá alakítsák át. A spektrum infravörös részének abszorberként a szilícium alkalmas, és a tetejére néhány mikrométer vastagságú III-V félvezető rétegeket visznek fel, ezek a periódusos rendszer III. és V. csoportjába tartozó anyagok, amelyek átalakítják az ultraibolya, látható ill. közeli infravörös fény hatékonyabban elektromos séta. A tiszta III-V félvezető napelemeket már használják az űrben és a koncentrátoros fotovoltaikában. A szilíciummal, mint a legalacsonyabb alcellával összekapcsolt költséghatékonyabb eljárások révén a tandem technológiát a jövőben a széles körű fotovoltaikus elemek számára is elérhetővé kell tenni. Addig azonban még hosszú az út.

25,9 százalék a közvetlenül szilíciumon termesztett III-V/Si tandem napelemeknél

Különféle megközelítések léteznek a III-V és a szilícium napelemek kombinációinak létrehozására. 2019 óta a Fraunhofer ISE tartja a világrekordot 34,1 százalékos hatásfokkal (most 34,5 százalék) egy tandem napelem esetében, amelyben a III-V félvezető rétegek gallium-arzenid hordozóról szilíciumra kerülnek át úgy, hogy a rétegek átmennek egy ún. -úgynevezett ostya -Bond kapcsolódnak. Ez a technológia hatékony, de drága. A Fraunhofer ISE ezért sok éve dolgozik közvetlenebb gyártási eljárásokon, amelyek során a III-V rétegeket szilícium napelemre rakják fel vagy epitaxializálják. Kulcsfontosságú a kiváló kristályminőség fenntartása minden rétegben – ez komoly kihívás. Egy ilyen, közvetlenül szilíciumon termesztett III-V/Si tandem napelem esetében új, 25,9 százalékos világrekordot értek el. A Fraunhofer ISE tudósa, Markus Feifel a közelmúltban bemutathatta sikerét a 47. IEEE Photovoltaic Specialists Conference-en, amely számos konferenciához hasonlóan jelenleg is online zajlik, és a Hibrid Tandem Napelemek kategóriában a Student Award díjjal jutalmazták. „Kívülről nem látszik a cella összetett belső szerkezete, mert az összes abszorber össze van kötve egymással, és további kristályrétegekkel kapcsolódnak össze elektromosan” – magyarázza a fiatal napelemkutató, aki 24,3-ról 24,3-ra növelte munkája eredményét. 25,9 kevesebb mint egy év alatt százalékot javulhat. „Ezt a sikert úgy érték el, hogy egyetlen vékony réteget cseréltek ki a több cellában” – magyarázza tovább. "Sejtjeink alapos elemzése feltárta, hogy ez a réteg akadályt képez az elektromos vezetés előtt."

A Fraunhofer kutatói 2007 óta fejlesztik kis lépésekben a technológiát a TU Ilmenau, Philipps Univ egyetemmel közösen. Marburg és az Aixtron cég speciális epitaxiás rendszereket állítottak fel, és a szerkezet minden egyes rétegét megvizsgálták. Ezeket a fejlesztéseket a Szövetségi Kutatási Minisztérium BMBF finanszírozta a „III-V-Si” és „MehrSi” projektek részeként. Az új tandem napelem különlegessége, hogy a III-V rétegeket nem vegyi-mechanikusan polírozott szubsztrátumon, mint korábban, hanem szilícium ostyán növesztették, amely a kristály fűrészelése után egyszerű eljárással, csak olcsó köszörülési és maratási eljárásokat kezeltek. Az európai „SiTaSol” projekt részeként a dán Topsil cég fejlesztette ki ezeket a szilícium lapkákat, és ezzel fontos lépést tett az új, több csomópontos napelemek gazdaságos gyártása felé. A jövőben a hatékonyság további növelése és a rétegek még gyorsabb, nagyobb áteresztőképességű, ezáltal költséghatékonyabb lerakódása lesz a cél, azzal a céllal, hogy a tandem fotovoltaik jelentősen hozzájáruljanak az energiaátmenethez szükséges fotovoltaikához. bővülést érhet el.

Kulcstechnológia az energetikai átálláshoz

A napelemekből származó villamos energia ma a világ számos részén a legolcsóbb energiatermelési forma. „Az európai fotovoltaikus kutatásban számos koncepció van folyamatban az energiaátállás szempontjából kulcsfontosságú technológia hatékonyságának továbbfejlesztésére” – mondja Prof. Dr. Stefan Glunz, a fotovoltaikus kutatás vezetője. »Nem csak azon dolgozunk, hogy a szilícium napelemek gyártását még fenntarthatóbbá és költséghatékonyabbá tegyük, hanem egyúttal új módokat is kutatunk annak érdekében, hogy a bevált szilíciumot más félvezető anyagokkal együtt felhasználhassuk a még nagyobb hatásfok elérése érdekében. Ezt tandem fotovoltaikával érhetjük el.« A tandem fotovoltaik nemcsak a villamosenergia-termelés jövője felé nyitja meg az utat, hanem ezek a napelemek – magasabb feszültségük miatt – ideálisak az elektrolízishez, a víz közvetlen hidrogénné és oxigénné történő lebontásához is. Ez a technológia tehát a hidrogén előállításához is hozzájárul, mint energiatároló eszköz és az energiaátmenet fontos építőköve.

A III-V/Si többszörös csomópontú napelem rétegszerkezete – © Fraunhofer ISE

A III-V/Si többszörös napelem rétegszerkezete, kvantumhatékonysága és IV karakterisztikája AM 1,5g spektrális körülmények között

Magasabb hatásfok párhuzamosan – új napelemrekord

A fotovoltaikus kutatások keményen dolgoznak a napelemek hatékonyságának folyamatos növelésén. Egyre inkább a tandem fotovoltaikára helyezik a hangsúlyt, amelyben a nagy teljesítményű napelem-anyagokat különféle kombinációkban egyesítik annak érdekében, hogy a napspektrumot még hatékonyabban használják fel a fény elektromos energiává alakításában. A Fraunhofer ISE most új, 25,9 százalékos rekordhatékonyságról számol be a közvetlenül szilíciumon termesztett III-V/Si tandem napelem esetében. Ez az első alkalom, hogy ezt alacsony költségű szilícium hordozón állították elő – ez fontos mérföldkő a tandem fotovoltaikus energiatakarékos megoldások felé vezető úton.

Több III-V tandem napelem 10 cm átmérőjű szilícium hordozón – © Fraunhofer ISE – Fotó: Markus Feifel

A Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE már évek óta dolgozik több csomópontos napelemeken, amelyekben két vagy három részleges cella van egymás fölött elhelyezve, hogy a különböző hullámhosszú napfényt elektromos árammá alakítsák át. A szilícium alkalmas a spektrum infravörös részének elnyelőjére, valamint a III-V félvezető rétegekre, a periódusos rendszer III. és V. csoportjába tartozó anyagokra, amelyek az ultraibolya, látható és közeli infravörös fényt hatékonyabban alakítják át a felületen lerakódott elektromossággá. tetejére. A tiszta III-V félvezető napelemeket már használják az űrben és a koncentrátoros fotovoltaikában. Költséghatékonyabb eljárások és a szilícium, mint a legalacsonyabb alcella kombinációja révén a tandem technológiát a jövőben elérhetővé kell tenni a széles körű fotovoltaik számára. Addig azonban még hosszú az út.

25,9 százalék a közvetlenül szilíciumon termesztett III-V/Si tandem napelemeknél

Különféle megközelítések léteznek a III-V és a szilícium napelemek kombinációinak előállítására. Például 2019 óta a Fraunhofer ISE tartja a világrekordot 34,1 százalékos hatékonysággal (most 34,5 százalék) egy tandem napelem esetében, amelyben a III-V félvezető rétegeket gallium-arzenid hordozóról szilíciumra visszük át, és a rétegeket összekapcsoljuk. úgynevezett ostyakötéssel. Ez a technológia hatékony, de drága. Emiatt a Fraunhofer ISE már sok éve dolgozik közvetlenebb gyártási eljárásokon, amelyek során a III-V rétegeket szilícium napelemre rakják vagy epitaxizák. Itt kulcsfontosságú az összes réteg magas kristályminőségének fenntartása – ez komoly kihívás. Egy ilyen, közvetlenül szilíciumon termesztett III-V/Si tandem napelem új, 25,9 százalékos hatásfoka világrekordot ért el. A Fraunhofer ISE tudósa, Markus Feifel a közelmúltban bemutathatta sikerét a 47. IEEE Photovoltaic Specialists Conference-en, amely a jelenlegi sok konferenciához hasonlóan online zajlik, és a Hibrid Tandem Napelemek kategóriában a Student Award díjjal jutalmazták. „Kívülről nem látszik a cella bonyolult belső szerkezete, hiszen az összes abszorber további kristályrétegekkel kapcsolódik egymáshoz, és elektromosan huzalozva van egymással” – magyarázza a fiatal napelemkutató, aki így javítani tudott a cella eredményén. kevesebb mint egy év alatt 24,3-ról 25,9 százalékra dolgozott. „Ezt a sikert egyetlen vékony réteg cseréjével érték el a több cellában” – folytatja. "Sejtjeink alapos elemzése feltárta, hogy ez a réteg akadályt képez az elektromos vezeték előtt."

A Fraunhofer kutatói kis lépésekben 2007 óta fejlesztik tovább a technológiát az Ilmenaui Műszaki Egyetemmel (Philips Univ) együttműködve. Marburg és az Aixtron cég, speciális epitaxia berendezést állítanak fel, és megvizsgálják a szerkezet minden egyes rétegét. Ezeket a fejlesztéseket a Német Szövetségi Oktatási és Kutatási Minisztérium (BMBF) finanszírozta a „III-V-Si” és „MehrSi” projektek részeként. Az új tandem napelem különlegessége, hogy a III-V rétegeket nem kémiailag-mechanikailag polírozott hordozón növesztették, mint korábban, hanem szilícium ostyán, amelyet a kristály fűrészelése után egy egyszerű eljárással kezeltek. csak olcsó köszörülési és maratási eljárásokkal. A „SiTaSol” európai projekt keretében a dán Topsil cég fejlesztette ki ezeket a szilícium ostyákat, és ezzel fontos lépést tett az új, több csomópontos napelemek gazdaságos gyártása felé. A jövőben a hatékonyság további növelése, valamint a rétegek lerakódásának még gyorsabb, nagyobb áteresztőképességű és így költséghatékonyabb megvalósítása lesz a cél, azzal a céllal, hogy a tandem fotovoltaik jelentősen hozzájárulhassanak a fotovoltaikus expanzióhoz. szükséges az energiacseréhez.

Kulcstechnológia az energiarendszer átalakításához

A világ számos részén ma a napelemekből származó villamos energia a legolcsóbb energiatermelési forma. „Az európai fotovoltaikus kutatás számos koncepción dolgozik annak érdekében, hogy tovább fejlessze ennek a kulcsfontosságú technológiának a hatékonyságát az energiafordulat szempontjából” – mondja Prof. Dr. Stefan Glunz, a fotovoltaikus kutatási részleg vezetője. „Nemcsak azon dolgozunk, hogy a szilícium napelemek gyártását még fenntarthatóbbá és költséghatékonyabbá tegyük, hanem egyúttal új utakat is törünk annak érdekében, hogy a bevált szilíciumot más félvezető anyagokkal kombinálva még nagyobb hatékonyságot érjünk el. . Ezt tandem fotovoltaikával érjük el. A tandem fotovoltaik nemcsak az energiatermelés jövője felé nyit utat, hanem ezek a napelemek – nagyobb feszültségük miatt – ideálisak elektrolízisre, a víz közvetlen hidrogénné és oxigénné történő lebontására is. Ez a technológia így hozzájárul a hidrogén előállításához is, mint energiatároló közeg és az energiafordulat fontos építőköve.

A III-V/Si többcsomópontos napelem rétegszerkezete – © Fraunhofer ISE

A III-V/Si többcsatlakozású napelem rétegszerkezete, kvantumhatékonysága és IV karakterisztikája AM 1,5g spektrális körülmények között