Új napelemes rekord

Megjelent: 2020. augusztus 10. / Frissítve: 2020. augusztus 17. – Szerző: Konrad Wolfenstein

Váltás az angol verzióra

Magasabb hatékonyság párhuzamosan – új napelem rekord

A fotovoltaikus kutatások szorgalmasan dolgoznak a napelemek hatékonyságának folyamatos növelésén. Egyre nagyobb hangsúlyt kap a tandem fotovoltaikus technológia, ahol a nagy teljesítményű napelemanyagokat különböző módokon kombinálják, hogy a napspektrumot még hatékonyabban használják fel a fény elektromos energiává alakításában. A Fraunhofer ISE most új rekordot, 25,9 százalékos hatásfokot ért el egy közvetlenül szilíciumra növesztett III-V/Si tandem napelem esetében. Ez volt az első olyan cella, amelyet költséghatékony szilícium hordozón állítottak elő – ami fontos mérföldkő a tandem fotovoltaikus rendszerek gazdaságilag életképes megoldásai felé vezető úton.

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

A Fraunhofer Napenergia Rendszerek Intézete (ISE) évek óta dolgozik több átmenetes napelemeken, amelyekben két vagy három alcellát egymásra helyeznek, hogy a napfény különböző hullámhosszúságait elektromos árammá alakítsák. A szilícium alkalmas a spektrum infravörös részének elnyelésére, és rá vékony, néhány mikrométer vastag III-V félvezető rétegeket visznek fel. Ezek az anyagok a periódusos rendszer III. és V. csoportjába tartoznak, és hatékonyabban alakítják át az ultraibolya, a látható és a közeli infravörös fényt elektromos árammá. A tiszta III-V félvezető napelemeket már használják az űrben és a koncentrátoros fotovoltaikus rendszerekben. A költséghatékonyabb eljárások, a szilíciummal, mint alsó alcellával kombinálva, a jövőben elérhetővé teszik ezt a tandem technológiát a széles körű fotovoltaikus rendszerek számára. Azonban még hosszú út áll előttünk.

25,9 százalék közvetlenül szilíciummal termesztett III-V/Si tandem napelemek esetében

Különböző megközelítések léteznek a III-V és szilícium napelemek kombinációinak gyártására. 2019 óta a Fraunhofer ISE tartja a 34,1 százalékos (jelenleg 34,5 százalékos) világrekord hatásfokot egy olyan tandem napelem esetében, amelyben a III-V félvezető rétegeket egy gallium-arzenid szubsztrátumról szilíciumra viszik át, és a rétegeket 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 vagy epitaxiálisan kötik. Itt kulcsfontosságú a magas kristályminőség fenntartása minden rétegben – ami komoly kihívást jelent. Most új, 25,9 százalékos világrekord hatásfokot értek el egy ilyen, közvetlenül szilíciumon növesztett III-V/Si tandem napelem esetében. Markus Feifel, a Fraunhofer ISE tudósa nemrégiben bemutatta sikerét a 47. IEEE Photovoltaic Specialists Conference-en, amely – mint manapság sok konferencia – online kerül megrendezésre, és diákdíjjal tüntették ki a Hibrid Tandem Napelemek kategóriában. „A cella komplex belső szerkezete kívülről nem látható, mivel az összes abszorber további kristályrétegek révén összekapcsolódik és elektromosan be van kötve” – 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 értük el, hogy a többcellás rendszeren belül egyetlen vékony réteget cseréltünk ki” – folytatja. „Cellaink gondos elemzése kimutatta, hogy ez a réteg gátként szolgált az elektromos vezetés szempontjából.”

2007 óta a Fraunhofer kutatói az Ilmenaui Műszaki Egyetemmel, a Marburgi Philipps Egyetemmel és az Aixtron vállalattal együttműködve fokozatosan fejlesztették a technológiát, speciális epitaxiális rendszereket építettek, és a szerkezet minden egyes rétegét megvizsgálták. Ezeket a fejlesztéseket a Német Szövetségi Oktatási és Kutatási Minisztérium (BMBF) finanszírozta a "III-V-Si" és a "MehrSi" projektek keretében. Az új tandem napelem egyik különlegessége, hogy a III-V rétegeket nem kémiailag és mechanikusan polírozott hordozóra növesztették, ahogy az korábban megszokott volt, hanem egy szilíciumlapra. A kristály fűrészelése után a lapkát egy egyszerű, költséghatékony csiszolási és maratási eljárással kezelték. A dán Topsil vállalat ezeket a szilíciumlapokat az európai "SiTaSol" projekt keretében fejlesztette ki, ezzel fontos lépést téve az új többpontos napelemek gazdaságos gyártása felé. A jövőben a hangsúly a hatékonyság további növelésén és a rétegek lerakásának még gyorsabbá, nagyobb áteresztőképességgel és ezáltal költséghatékonyabbá tételén lesz, azzal a céllal, hogy a tandem fotovoltaikus rendszerek jelentősen hozzájárulhassanak az energetikai átálláshoz szükséges fotovoltaikus expanzióhoz.

Az energetikai átállás kulcsfontosságú technológiája

A napelemekből származó villamos energia jelenleg a világ számos részén a legköltséghatékonyabb energiatermelési forma. „Az európai fotovoltaikus kutatás számos koncepción dolgozik, hogy tovább javítsa ennek a kulcsfontosságú technológiának a hatékonyságát az energiaátmenet szempontjából” – mondja Dr. Stefan Glunz professzor, a fotovoltaikus kutatások vezetője. „Nemcsak azon dolgozunk, hogy a szilícium napelemek gyártását még fenntarthatóbbá és költséghatékonyabbá tegyük, hanem új utakat is keresünk a még nagyobb hatékonyság elérésére a bevált szilícium és más félvezető anyagok kombinációjával. 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 közvetlen hidrogénné és oxigénné történő bontására is. Ez a technológia így hozzájárul a hidrogén, mint energiatároló közeg előállításához és az energiaátmenet fontos építőköveként való felhasználásához is.

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

A III-V/Si többpontos átmenetű napelem rétegszerkezete, kvantumhatásfok és IV karakterisztika 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.

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

A Fraunhofer Napenergia Rendszerek Intézete (ISE) évek óta dolgozik többpontos napelemeken, amelyekben két vagy három részcella egymás felett helyezkedik el, hogy a napfény különböző hullámhosszúságait elektromos árammá alakítsák. A szilícium alkalmas a spektrum infravörös részének elnyelésére, és rá rétegeznek III-V félvezetőket, a periódusos rendszer III. és V. csoportjába tartozó anyagokat, amelyek hatékonyabban alakítják át az ultraibolya, a látható és a közeli infravörös fényt elektromos árammá. A tiszta III-V félvezető napelemeket már alkalmazzák az űrben és a koncentrátoros fotovoltaikus rendszerekben. A költséghatékonyabb eljárások révén, a szilíciummal, mint legalacsonyabb alcellával kombinálva, a tandem technológia a jövőben elérhetővé válik a széleskörű fotovoltaikus rendszerek számára. Addig azonban még hosszú út áll előttünk.

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

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.”

A Fraunhofer kutatói 2007 óta kis lépésekben fejlesztik tovább a technológiát az Ilmenaui Műszaki Egyetemmel, a Marburgi Philipps Egyetemmel és az Aixtron céggel együttműködve, speciális epitaxiális berendezéseket állítva fel, és a szerkezet minden egyes rétegét megvizsgálva. Ezeket a fejlesztéseket a Német Szövetségi Oktatási és Kutatási Minisztérium (BMBF) finanszírozta a „III-V-Si” és a „MehrSi” projektek keretében. Az új tandem napelem egyik különlegessége, hogy a III-V rétegeket nem kémiailag-mechanikusan polírozott hordozóra növesztették, mint korábban, hanem egy szilíciumlapra, amelyet a kristály fűrészelése után egy egyszerű eljárással, csak olcsó csiszolási és maratási eljárásokkal kezeltek. Az európai „SiTaSol” projekt keretében a dán Topsil cég fejlesztette ki ezeket a szilíciumlapokat, és ezzel fontos lépést tettek az új többpontos napelemek gazdaságos gyártása felé. A jövőben a cél a hatékonyság további növelése, valamint a rétegek még gyorsabb, nagyobb áteresztőképességű és így költséghatékonyabb lerakása lesz, azzal a céllal, hogy a tandem fotovoltaikus rendszerek jelentősen hozzájárulhassanak az energiafordulathoz szükséges fotovoltaikus expanzióhoz.

Kulcsfontosságú technológia 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 többrétegű napelem rétegszerkezete – © Fraunhofer ISE

III-V/Si többpontos átmenetű napelem rétegszerkezete, kvantumhatásfok és IV jellemzők AM 1,5g spektrális körülmények között