Új napelemes rekord – új napelemrekord

Váltás az angol verzióra

Magasabb hatékonyság párhuzamosan – új napelem rekord

A fotovoltaikus kutatások keményen dolgoznak a napelemek hatékonyságának folyamatos növelésén. A tandem fotovoltaikus rendszerek egyre nagyobb figyelmet kapnak. Ez a technológia nagy teljesítményű napelemanyagokat kombinál különböző kombinációkban, hogy a napspektrumot még hatékonyabban hasznosítsa a fény elektromos energiává alakításában. A Fraunhofer ISE most új rekordot jelentő, 25,9 százalékos hatásfokot ért el egy közvetlenül szilíciumra növesztett III-V/Si tandem napelem esetében. Ezt a cellát elsőként állították elő költséghatékony szilícium hordozón – ami fontos mérföldkő a tandem fotovoltaikus rendszerek költséghatékony megoldásai felé vezető úton.

 

 

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 szilícium alkalmas abszorbernek a spektrum infravörös részére, 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

Különböző megközelítések léteznek a III-V és szilícium napelemek kombinációinak előállítására. 2019 óta a Fraunhofer ISE tartja a tandem napelemek 34,1 százalékos (jelenleg 34,5 százalékos) világrekord-hatékonyságát, amelyben a III-V félvezető rétegeket egy gallium-arzenid szubsztrátumról szilíciumra viszik át, a rétegeket pedig úgynevezett ostyakötéssel kötik össze. Ez a technológia hatékony, de drága. Ezért a Fraunhofer ISE évek óta dolgozik olyan közvetlenebb gyártási eljárásokon, amelyek során a III-V rétegeket egy szilícium napelemre rakják le, vagyis epitaxiálisan növesztik. Itt kulcsfontosságú a magas kristályminőség fenntartása minden rétegben – ami komoly kihívást jelent. Most új, 25,9 százalékos világrekord-hatékonyságot értek el egy ilyen, közvetlenül szilíciumra növesztett III-V/Si tandem napelem esetében. A Fraunhofer ISE tudósa, Markus Feifel nemrégiben bemutatta sikerét a 47. IEEE Photovoltaic Specialists Conference-en, amely – sok jelenleg online megrendezett konferenciához hasonlóan – Diákdíjjal tüntette ki a Hibrid Tandem Napelem kategóriában. „A cella komplex belső szerkezete kívülről nem látható, mivel az összes abszorber további kristályrétegek révén összekapcsolódik és elektromosan csatlakozik egymáshoz” – magyarázza a fiatal napelem-kutató, aki így kevesebb mint egy év alatt 24,3-ról 25,9 százalékra tudta javítani munkájának hatékonyságát. „Ezt a sikert úgy érték el, hogy egyetlen vékony réteget cseréltek ki a többpontos cellán belül” – folytatja. „Celláink gondos elemzése kimutatta, hogy ez a réteg gátat állított az áramvezetésnek.”

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. bővítése érhető el.

Kulcstechnológia az energetikai átálláshoz

A napelemekből származó villamos energia ma a világ számos részén a legolcsóbb energiatermelési forma. „Az európai fotovoltaikus kutatások számos koncepciót fejlesztenek ki, hogy továbbfejlesszék ennek a kulcsfontosságú technológiának a hatékonyságát az energiaátmenet szempontjából” – mondja Dr. Stefan Glunz professzor, – kutatások vezetője. „Nemcsak azon dolgozunk, hogy a szilícium napelemek gyártását még fenntarthatóbbá és költséghatékonyabbá tegyük, hanem új módszereket is keresünk a még nagyobb hatékonyság elérésére a bevált szilícium és más félvezető anyagok kombinációjának felhasználásával. Ezt tandem fotovoltaikus rendszerekkel érjük el.” A tandem fotovoltaikus rendszer nemcsak a villamosenergia-termelés jövőjét nyitja meg, hanem ezek a napelemek – magasabb feszültségüknek köszönhetően – ideálisan alkalmasak az elektrolízisre, a víz hidrogénné és oxigénné történő közvetlen bontására is. Ez a technológia tehát hozzájárul a hidrogén, mint energiatároló közeg előállításához és az energiaátmenet fontos építőköveként való felhasználásához is.

 

 

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

Magasabb hatékonyság párhuzamosan – új napelem rekord

A fotovoltaikus kutatások keményen dolgoznak a napelemek hatékonyságának folyamatos növelésén. Egyre inkább a tandem fotovoltaikus rendszerekre összpontosítanak, amelyekben nagy teljesítményű napelemanyagokat kombinálnak különböző kombinációkban, hogy a napspektrumot még hatékonyabban használják fel a fény elektromos energiává alakításában. A Fraunhofer ISE most új rekordnak számító, 25,9 százalékos hatásfokot jelentett egy közvetlenül szilíciumra növesztett III-V/Si tandem napelem esetében. Ezt első alkalommal állították elő olcsó szilícium hordozón – ami fontos mérföldkő a tandem fotovoltaikus rendszerek gazdaságos megoldásai felé vezető úton.

 

 

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

Különböző megközelítések léteznek a III-V és szilícium napelemek kombinációinak előállítására. Például 2019 óta a Fraunhofer ISE tartja a 34,1 százalékos hatásfok világrekordját (jelenleg 34,5 százalék) egy olyan tandem napelem esetében, amelyben a III-V félvezető rétegeket egy gallium-arzenid szubsztrátumról szilíciumra viszik át, és a rétegeket úgynevezett ostyakötéssel kötik össze. Ez a technológia hatékony, de drága. Emiatt a Fraunhofer ISE évek óta dolgozik olyan közvetlenebb gyártási eljárásokon, amelyek során a III-V rétegeket egy szilícium napelemre rakják le vagy epitaxiálisan ráhelyezik. Itt kulcsfontosságú az összes réteg magas kristályminőségének fenntartása – ami komoly kihívást jelent. Egy ilyen, közvetlenül szilíciumra növesztett III-V/Si tandem napelem esetében most új, 25,9 százalékos hatásfokot értek el. A Fraunhofer ISE tudósa, Markus Feifel nemrégiben bemutathatta sikerét a 47. IEEE Photovoltaic Specialists Conference-en, amely – sok más jelenlegi konferenciához hasonlóan – online zajlik, és a hibrid tandem napelemek kategóriában Diákdíjjal tüntették ki. „Kívülről a cella komplex belső szerkezete nem látható, mivel az összes abszorber további kristályrétegekkel van összekapcsolva és elektromosan be van huzalozva” – magyarázza a fiatal napelemkutató, aki így kevesebb mint egy év alatt 24,3 százalékról 25,9 százalékra tudta javítani munkája eredményét. „Ezt a sikert úgy értük el, hogy a többszörös cellákon belül egyetlen vékony réteget cseréltünk ki” – folytatja. „Celláink gondos elemzése kimutatta, hogy ez a réteg gátat képezett az elektromos vezeték számára.”

Kis lépésekben a Fraunhofer kutatói 2007 óta tovább fejlesztik a technológiát az Ilmenau Műszaki Egyetemen, a Philipps Egyetemen. Marburg és az Aixtron cég, speciális epitaxis berendezések felállítása és a szerkezet minden egyes rétegének vizsgálata. A tézisfejlesztéseket a Német Szövetségi Oktatási és Kutatási Minisztérium (BMBF) finanszírozta a „III-V-SI” és a „MEHRSI” projektek részeként. Az új tandem napelemek különleges kiemelt fénypontja az, hogy a III-V rétegeket nem kémiai-mechanikusan polírozott szubsztráton termesztették, mint korábban, hanem egy szilícium ostyán, amely a kristály fűrészelése után az egyszerű eljárásban csak olcsó őrlést és Maratási folyamatok. A „Sitasol” európai projekten belül a dán Topsil kifejlesztette a Szilícium ostyáit, és így felismerte az új multi-junkciós napelemek gazdasági termelésének felé irányuló fontos lépést. A jövőben a cél a füstölő hatékonysága még tovább, és így a rétegek lerakódásának felismerése még gyorsabban, a magas szintű és így költségekkel, azzal a céllal, hogy a tandem fotovoltaika behozott hozzájárulást nyújtson a fotovoltaikus bővítéshez Szükséges az energia fordulásához.

Kulcstechnológia az energiarendszer átalakításához

A világ számos részén a napelemekből származó villamos energia a legolcsóbb energiatermelési forma. „Az európai fotovoltaikus kutatás számos koncepción dolgozik, hogy továbbfejlessze ennek a kulcsfontosságú technológiának a hatékonyságát az energiafordulat szempontjából” – mondja Dr. Stefan Glunz professzor, a Fotovoltaikus Kutató Osztály vezetője. „Nemcsak azon dolgozunk, hogy a szilícium napelemek gyártását még fenntarthatóbbá és költséghatékonyabbá tegyük, hanem egyúttal új utat törünk annak érdekében, hogy a bevált szilíciumot más félvezető anyagokkal kombinálva még nagyobb hatékonysággal tudjuk használni. Ezt tandem fotovoltaikus rendszerekkel érjük el. A tandem fotovoltaikus rendszer nemcsak az energiatermelés jövője felé nyit utat, hanem ezek a napelemek – magasabb feszültségüknek köszönhetően – ideálisan alkalmasak elektrolízisre, a víz hidrogénné és oxigénné történő közvetlen bontására is. Ez a technológia így hozzájárul a hidrogén, mint energiatároló közeg és az energiafordulat fontos építőköve előállításához is.”

 

 

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