Rekor sel surya baru – Rekor sel surya baru

Diterbitkan pada: 10 Agustus 2020 / Diperbarui dari: 17 Agustus 2020 - Penulis: Konrad Wolfenstein

Beralih ke versi bahasa Inggris

Efisiensi yang lebih tinggi secara bersamaan – rekor sel surya baru

Penelitian fotovoltaik bekerja keras untuk lebih meningkatkan efisiensi sel surya. Saat ini, fokusnya semakin meningkat pada fotovoltaik tandem, yaitu bahan sel surya yang kuat disatukan dalam kombinasi berbeda untuk menggunakan spektrum matahari dengan lebih efisien ketika mengubah cahaya menjadi energi listrik. Fraunhofer ISE kini telah mencatat rekor baru efisiensi 25,9 persen untuk sel surya tandem III-V/Si yang ditanam langsung pada silikon. Ini diproduksi untuk pertama kalinya pada substrat silikon yang hemat biaya - sebuah tonggak penting menuju solusi ekonomis untuk fotovoltaik tandem.

Beberapa sel surya tandem III-V pada substrat silikon dengan diameter 10 cm - © Fraunhofer ISE - Foto: Markus Feifel

Institut Fraunhofer untuk Sistem Energi Surya (ISE) telah bekerja selama bertahun-tahun pada beberapa sel surya, di mana dua atau tiga sub-sel disusun satu di atas yang lain untuk mengubah panjang gelombang sinar matahari yang berbeda menjadi listrik. Silikon cocok sebagai penyerap bagian spektrum inframerah dan lapisan semikonduktor III-V setebal beberapa mikrometer diterapkan di atasnya. Ini adalah bahan dari golongan III dan V tabel periodik, yang mengubah ultraviolet, sinar tampak dan cahaya inframerah-dekat lebih efisien menjadi listrik. Sel surya semikonduktor III-V murni sudah digunakan di ruang angkasa dan fotovoltaik konsentrator. Melalui proses yang lebih hemat biaya bersama dengan silikon sebagai sub-sel terendah, teknologi tandem juga harus dapat diakses oleh fotovoltaik secara luas di masa depan. Namun, jalan yang harus ditempuh masih panjang.

25,9 persen untuk sel surya tandem III-V/Si yang ditanam langsung pada silikon

Ada pendekatan berbeda untuk membuat kombinasi sel surya III-V dan silikon. Sejak tahun 2019, Fraunhofer ISE telah memegang rekor nilai efisiensi dunia sebesar 34,1 persen (sekarang 34,5 persen) untuk sel surya tandem di mana lapisan semikonduktor III-V ditransfer dari substrat galium arsenida ke silikon, dengan lapisan melewati lapisan sedemikian rupa. -disebut wafer -Bond terhubung. Teknologi ini efisien tetapi mahal. Oleh karena itu, Fraunhofer ISE telah bekerja selama bertahun-tahun pada proses manufaktur yang lebih langsung di mana lapisan III-V diendapkan atau di-epitaksialisasi ke dalam sel surya silikon. Sangat penting untuk menjaga kualitas kristal yang tinggi di semua lapisan – sebuah tantangan besar. Rekor efisiensi dunia baru sebesar 25,9 persen kini telah dicapai untuk sel surya tandem III-V/Si yang ditanam langsung pada silikon. Ilmuwan Fraunhofer ISE Markus Feifel baru-baru ini dapat mempresentasikan keberhasilannya di Konferensi Spesialis Fotovoltaik IEEE ke-47, yang seperti banyak konferensi lainnya saat ini sedang berlangsung secara online, dan dianugerahi Penghargaan Mahasiswa dalam kategori Sel Surya Tandem Hibrid. “Struktur internal sel yang kompleks tidak terlihat dari luar karena semua peredam terhubung satu sama lain dan dihubungkan secara elektrik oleh lapisan kristal tambahan,” jelas peneliti sel surya muda yang meningkatkan hasil karyanya dari 24,3 menjadi 25,9 dalam waktu kurang dari satu tahun persen bisa meningkat. “Keberhasilan ini dicapai dengan mengganti satu lapisan tipis di dalam banyak sel,” jelasnya lebih lanjut. “Analisis yang cermat terhadap sel-sel kita mengungkapkan bahwa lapisan ini menciptakan penghalang konduksi listrik.”

Para peneliti Fraunhofer telah mengembangkan teknologi ini dalam langkah-langkah kecil sejak tahun 2007 bersama dengan TU Ilmenau, Philipps Univ. Marburg dan perusahaan Aixtron, sistem epitaksi khusus dipasang dan setiap lapisan struktur diperiksa. Perkembangan ini didanai oleh BMBF Kementerian Riset Federal sebagai bagian dari proyek “III-V-Si” dan “MehrSi”. Sorotan khusus dari sel surya tandem baru adalah bahwa lapisan III-V tidak ditumbuhkan pada substrat yang dipoles secara kimia-mekanis, seperti yang terjadi sebelumnya, tetapi pada wafer silikon, yang setelah digergaji kristalnya dalam proses sederhana hanya menggunakan penggilingan murah - dan proses etsa diproses. Sebagai bagian dari proyek “SiTaSol” Eropa, perusahaan Denmark Topsil mengembangkan wafer silikon ini, sehingga mengambil langkah penting menuju produksi sel surya multi-junction baru yang ekonomis. Di masa depan, tujuannya adalah untuk lebih meningkatkan efisiensi dan mendeposisikan lapisan lebih cepat, dengan hasil yang lebih tinggi sehingga lebih hemat biaya, dengan tujuan fotovoltaik tandem memberikan kontribusi penting terhadap fotovoltaik yang diperlukan untuk transisi energi - dapat mencapai perluasan.

Teknologi kunci untuk transisi energi

Listrik dari sel surya kini menjadi bentuk pembangkit energi termurah di banyak belahan dunia. “Penelitian fotovoltaik Eropa memiliki banyak konsep yang sedang dikembangkan untuk lebih mengembangkan efisiensi teknologi kunci transisi energi ini,” kata Prof. Stefan Glunz, Kepala Fotovoltaik – Penelitian. »Kami tidak hanya berupaya membuat produksi sel surya silikon menjadi lebih berkelanjutan dan hemat biaya, namun pada saat yang sama kami mencari cara baru untuk menggunakan silikon yang telah terbukti dalam kombinasi dengan bahan semikonduktor lainnya untuk mencapai efisiensi yang lebih tinggi. Kita dapat mencapai hal ini dengan fotovoltaik tandem.« Fotovoltaik tandem tidak hanya membuka jalan menuju pembangkit listrik masa depan, sel surya ini - karena tegangannya yang lebih tinggi - juga ideal untuk elektrolisis, penguraian langsung air menjadi hidrogen dan oksigen . Oleh karena itu, teknologi ini juga berkontribusi terhadap produksi hidrogen sebagai perangkat penyimpanan energi dan bahan penting dalam transisi energi.

Struktur lapisan sel surya sambungan ganda III-V/Si – © Fraunhofer ISE

Struktur lapisan sel surya ganda III-V/Si, efisiensi kuantum, dan karakteristik IV dalam kondisi spektral AM 1,5g

Efisiensi yang lebih tinggi secara bersamaan – rekor sel surya baru

Penelitian fotovoltaik bekerja keras untuk terus meningkatkan efisiensi sel surya. Fokusnya kini semakin besar pada fotovoltaik tandem, yang mana material sel surya berperforma tinggi disatukan dalam berbagai kombinasi agar spektrum matahari dapat digunakan secara lebih efisien dalam mengubah cahaya menjadi energi listrik. Fraunhofer ISE kini melaporkan rekor efisiensi baru sebesar 25,9 persen untuk sel surya tandem III-V/Si yang ditanam langsung pada silikon. Untuk pertama kalinya, ini diproduksi pada substrat silikon berbiaya rendah – sebuah tonggak penting menuju solusi ekonomis untuk fotovoltaik tandem.

Beberapa sel surya tandem III-V pada substrat silikon berdiameter 10 cm – © Fraunhofer ISE – Foto: Markus Feifel

Institut Fraunhofer untuk Sistem Energi Surya (ISE) telah bekerja selama bertahun-tahun pada sel surya multi-persimpangan di mana dua atau tiga sel parsial disusun satu di atas yang lain untuk mengubah panjang gelombang sinar matahari yang berbeda menjadi listrik. Silikon cocok sebagai penyerap bagian spektrum inframerah, dan lapisan semikonduktor III-V, bahan dari golongan III dan V tabel periodik, yang mengubah sinar ultraviolet, cahaya tampak, dan inframerah dekat secara lebih efisien menjadi listrik yang diendapkan pada di atasnya. Sel surya semikonduktor III-V murni sudah digunakan di ruang angkasa dan fotovoltaik konsentrator. Melalui proses yang lebih hemat biaya dan dikombinasikan dengan silikon sebagai sub-sel terendah, teknologi tandem ini dapat diakses oleh fotovoltaik berbasis luas di masa depan. Namun, jalan yang harus ditempuh masih panjang.

25,9 persen untuk sel surya tandem III-V/Si yang ditanam langsung pada silikon

Ada pendekatan berbeda untuk menghasilkan kombinasi sel surya III-V dan silikon. Misalnya, sejak tahun 2019, Fraunhofer ISE telah memegang rekor dunia dengan efisiensi 34,1 persen (sekarang 34,5 persen) untuk sel surya tandem di mana lapisan semikonduktor III-V ditransfer dari substrat galium arsenida ke silikon, dengan lapisan-lapisan tersebut dihubungkan. oleh apa yang disebut ikatan wafer. Teknologi ini efisien tetapi mahal. Karena alasan ini, Fraunhofer ISE telah bekerja selama bertahun-tahun pada proses manufaktur yang lebih langsung di mana lapisan III-V diendapkan atau di-eptakan ke sel surya silikon. Di sini, sangat penting untuk menjaga kualitas kristal yang tinggi di semua lapisan – sebuah tantangan besar. Rekor efisiensi dunia baru sebesar 25,9 persen kini telah dicapai untuk sel surya tandem III-V/Si yang ditanam langsung pada silikon. Ilmuwan Fraunhofer ISE Markus Feifel baru-baru ini dapat mempresentasikan keberhasilannya di Konferensi Spesialis Fotovoltaik IEEE ke-47, yang, seperti banyak konferensi saat ini, diadakan secara online, dan dianugerahi Penghargaan Mahasiswa dalam kategori Sel Surya Tandem Hibrid. “Dari luar, struktur internal sel yang kompleks tidak terlihat, karena semua peredam dihubungkan satu sama lain melalui lapisan kristal tambahan dan kabel listrik,” jelas peneliti sel surya muda, yang mampu meningkatkan hasil penelitiannya. bekerja dari 24,3 menjadi 25,9 persen dalam waktu kurang dari setahun. “Keberhasilan ini dicapai dengan mengganti satu lapisan tipis di dalam beberapa sel,” lanjutnya. “Analisis yang cermat terhadap sel-sel kita mengungkapkan bahwa lapisan ini menciptakan penghalang pada saluran listrik.”

Dalam langkah kecil, para peneliti Fraunhofer telah mengembangkan teknologi ini lebih jauh sejak tahun 2007 bekerja sama dengan Universitas Teknik Ilmenau, Philipps Univ. Marburg dan perusahaan Aixtron, menyiapkan peralatan epitaksi khusus dan memeriksa setiap lapisan struktur. Perkembangan ini didanai oleh Kementerian Pendidikan dan Penelitian Federal Jerman (BMBF) sebagai bagian dari proyek “III-V-Si” dan “MehrSi”. Sorotan khusus dari sel surya tandem baru adalah bahwa lapisan III-V tidak ditumbuhkan pada substrat yang dipoles secara kimia-mekanis seperti sebelumnya, tetapi pada wafer silikon yang, setelah kristal digergaji, diolah dalam proses sederhana. hanya menggunakan proses penggilingan dan etsa yang murah. Dalam proyek Eropa “SiTaSol”, perusahaan Denmark Topsil telah mengembangkan wafer silikon ini dan dengan demikian merealisasikan langkah penting menuju produksi ekonomi sel surya multi-persimpangan baru. Di masa depan, tujuannya adalah untuk meningkatkan efisiensi lebih jauh dan juga mewujudkan pengendapan lapisan lebih cepat, dengan keluaran lebih tinggi sehingga lebih hemat biaya, dengan tujuan agar fotovoltaik tandem dapat memberikan kontribusi penting terhadap perluasan fotovoltaik. diperlukan untuk perputaran energi.

Teknologi kunci untuk transformasi sistem energi

Di banyak belahan dunia saat ini, listrik dari sel surya merupakan pembangkit energi yang paling murah. “Penelitian fotovoltaik Eropa sedang mengerjakan berbagai konsep untuk mengembangkan lebih lanjut efisiensi teknologi utama untuk perputaran energi ini,” kata Prof. Stefan Glunz, kepala Divisi Penelitian Fotovoltaik. “Kami tidak hanya berupaya membuat produksi sel surya silikon menjadi lebih berkelanjutan dan hemat biaya, namun pada saat yang sama kami juga membuat terobosan baru untuk memimpin silikon yang telah terbukti dikombinasikan dengan bahan semikonduktor lainnya menuju efisiensi yang lebih tinggi. . Kami mencapai hal ini dengan fotovoltaik tandem. Fotovoltaik tandem tidak hanya membuka jalan menuju masa depan pembangkit listrik, sel surya ini – karena tegangannya yang lebih tinggi – juga cocok untuk elektrolisis, penguraian langsung air menjadi hidrogen dan oksigen. Teknologi ini juga berkontribusi terhadap produksi hidrogen sebagai media penyimpanan energi dan unsur penting dalam perputaran energi.

Struktur lapisan sel surya multi-persimpangan III-V/Si – © Fraunhofer ISE

Struktur lapisan sel surya multi-persimpangan III-V/Si, efisiensi kuantum, dan karakteristik IV dalam kondisi spektral AM 1,5g