新しい太陽電池記録 – 新しい太陽電池記録

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より高い効率を同時達成 – 太陽電池の新記録

太陽光発電研究は、太陽電池の効率を継続的に向上させることに注力しています。タンデム型太陽光発電はますます注目を集めています。この技術は、高性能太陽電池材料を様々な組み合わせで組み合わせることで、太陽光スペクトルをより効率的に利用し、光を電気エネルギーに変換するものです。フラウンホーファーISEは、シリコン上に直接成長させたIII-V族/Siタンデム型太陽電池で、25.9%という新たな記録的な効率を達成しました。この太陽電池は、コスト効率の高いシリコン基板上に初めて製造されたもので – タンデム型太陽光発電のコスト効率の高いソリューションへの道のりにおける重要なマイルストーンです。

 

 

フラウンホーファー太陽エネルギーシステム研究所 ISE は、複数の太陽電池の開発に長年取り組んできました。この太陽電池では、2 つまたは 3 つのサブセルが上下に配置され、異なる波長の太陽光を電気に変換します。 シリコンはスペクトルの赤外線部分の吸収体として適しており、その上に数マイクロメートルの厚さの III-V 族半導体の層が適用されています。これらは周期表の III 族と V 族の材料であり、紫外、可視光、および光を変換します。近赤外線をより効率よく電気歩行します。 純粋な III-V 族半導体太陽電池は、すでに宇宙や集光型太陽光発電で使用されています。 最下層のサブセルとしてシリコンを組み合わせた、よりコスト効率の高いプロセスを通じて、将来的にはタンデム技術も広範な太陽光発電に利用できるようになるはずです。 しかし、それまでにはまだ長い道のりがあります。

シリコン上に直接成長させた III-V/Si タンデム太陽電池の場合は 25.9%

III-V族とシリコンの太陽電池の組み合わせを製造するには、さまざまなアプローチがあります。2019年以来、フラウンホーファーISEは、III-V族半導体層をガリウムヒ素基板からシリコンに転写し、いわゆるウェーハボンドで層を接続するタンデム型太陽電池で、34.1%（現在34.5%）の世界記録効率を保持しています。この技術は効率的ですが高価です。そのため、フラウンホーファーISEは長年、III-V族層をシリコン太陽電池上に堆積（エピタキシャル成長）させる、より直接的な製造プロセスに取り組んできました。ここでは、すべての層にわたって高い結晶品質を維持することが非常に重要であり – 大きな課題です。今回、このようなシリコン上に直接成長させたIII-V族/Siタンデム型太陽電池で、25.9%という新たな世界記録効率が達成されました。フラウンホーファーISEの科学者、マルクス・ファイフェル氏は先日、第47回IEEE太陽光発電専門家会議で自身の成果を発表しました。現在オンラインで開催されている多くの会議と同様に、この会議もハイブリッドタンデム太陽電池部門の学生賞を受賞しました。「セルの複雑な内部構造は外部からは見えません。すべての吸収体が追加の結晶層によって相互接続され、電気的に接続されているためです」と、若き太陽電池研究者であるファイフェル氏は説明します。これにより、彼は1年足らずで研究の効率を24.3%から25.9%に向上させることができました。「この成功は、多接合セル内の薄い層を1つ置き換えることで達成されました」と彼は続けます。「セルを詳細に分析した結果、この層が電流伝導の障壁となっていたことが明らかになりました。」

フラウンホーファーの研究者は、フィリップス大学イルメナウ工科大学と共同で、2007 年以来この技術を少しずつ開発してきました。 Marburg と Aixtron 社は、特別なエピタキシー システムをセットアップし、構造のすべての層を検査しました。 これらの開発は、「III-V-Si」および「MehrSi」プロジェクトの一環として連邦研究省BMBFから資金提供を受けました。 新しいタンデム型太陽電池の特別なハイライトは、III-V層が、これまでのように化学機械研磨された基板上ではなく、シリコンウェーハ上に成長したことである。安価な研削加工とエッチング加工を施しました。 欧州の「SiTaSol」プロジェクトの一環として、デンマークの会社Topsilはこれらのシリコンウェーハを開発し、それによって新しい多接合太陽電池の経済的な生産に向けた重要な一歩を踏み出しました。 将来的には、タンデム型太陽光発電がエネルギー転換に必要な太陽光発電に重要な貢献をすることを目的として、効率をさらに向上させ、より高いスループットで層をより速く堆積させ、よりコスト効率よく蒸着させることが目標となるでしょう。拡大を達成できる。

エネルギー転換の鍵となるテクノロジー

太陽電池による発電は、現在、世界の多くの地域で最も安価なエネルギー生成手段となっています。「欧州の太陽光発電研究では、エネルギー転換におけるこの重要な技術の効率をさらに向上させるため、様々なコンセプトを開発しています」と、 – 研究部門長のシュテファン・グルンツ教授は述べています。「私たちは、シリコン太陽電池の生産をより持続可能かつ費用対効果の高いものにするだけでなく、実績のあるシリコンを他の半導体材料と組み合わせて、より高い効率を達成する新しい方法も模索しています。私たちはこれをタンデム太陽光発電によって実現しています。」タンデム太陽光発電は、発電の未来を切り開くだけでなく – 高い – を持つため、水を水素と酸素に直接分解する電気分解にも最適です。したがって、この技術は、エネルギー貯蔵媒体として、そしてエネルギー転換の重要な構成要素としての水素の生産にも貢献します。

 

 

III-V/Siマルチ太陽電池の層構造、AM 1.5gスペクトル条件下での量子効率およびIV特性

より高い効率を同時達成 – 太陽電池の新記録

太陽光発電の研究では、太陽電池の効率を継続的に向上させることに尽力しています。特に注目されているのはタンデム型太陽光発電です。タンデム型太陽光発電では、高性能太陽電池材料を様々な組み合わせで用いることで、太陽光スペクトルをより効率的に光エネルギーに変換します。フラウンホーファーISEは、シリコン上に直接成長させたIII-V族/Siタンデム型太陽電池で、25.9%という新たな記録的な効率を達成したと報告しています。これは、低コストのシリコン基板上に初めて作製されたもので – 、タンデム型太陽光発電の経済的なソリューションに向けた重要なマイルストーンです。

 

 

フラウンホーファー太陽エネルギーシステム研究所 ISE は、2 つまたは 3 つの部分セルを上下に配置して異なる波長の太陽光を電気に変換する多接合太陽電池の研究に長年取り組んできました。 シリコンは、スペクトルの赤外線部分の吸収体として適しており、周期表の III 族と V 族の材料である III-V 半導体の層は、紫外線、可視光、近赤外線をより効率的に電気に変換します。その一番上。 純粋な III-V 族半導体太陽電池は、すでに宇宙や集光型太陽光発電で使用されています。 最下層のサブセルとしてシリコンを組み合わせた、よりコスト効率の高いプロセスを通じて、タンデム技術は将来、広範囲の太陽光発電に利用可能になる予定です。 しかし、それまでにはまだ長い道のりがあります。

シリコン上に直接成長させた III-V/Si タンデム太陽電池の場合は 25.9%

III-V族とシリコンの太陽電池の組み合わせを製造するには、さまざまなアプローチがあります。たとえば、フラウンホーファーISEは2019年以来、III-V族半導体層をガリウムヒ素基板からシリコンに転写し、いわゆるウェーハボンドで層を接続したタンデム型太陽電池で34.1%（現在は34.5%）の効率の世界記録を保持しています。この技術は効率的ですが高価です。このため、フラウンホーファーISEは長年、III-V族層をシリコン太陽電池上に堆積またはエピタキシャル成長させる、より直接的な製造プロセスに取り組んできました。このプロセスでは、すべての層で高い結晶品質を維持することが重要であり – 大きな課題です。現在、このようなシリコン上に直接成長したIII-V/Siタンデム型太陽電池で、25.9%という新しい世界記録の効率が達成されています。フラウンホーファーISEの科学者マルクス・ファイフェル氏は最近、第47回IEEE太陽光発電専門家会議（現在多くの会議と同様にオンラインで開催）で自身の成功を発表し、ハイブリッドタンデム太陽電池部門で学生賞を受賞した。「外部からは、セルの複雑な内部構造は見えません。すべての吸収体が追加の結晶層で互いに接続され、電気的に接続されているためです」と、この若き太陽電池研究者は説明する。こうして彼は、1年足らずで研究結果を24.3%から25.9%に向上させることができた。「この成功は、多重セル内の単一の薄い層を置き換えることで達成されました」と彼は続ける。「セルを注意深く分析したところ、この層が電力線に対する障壁を作っていることが明らかになりました。」

少し段階的に、フラウンホーファーの研究者は、フィリップス大学のイルメナウ工科大学と協力して、2007年以来、技術をさらに開発しています。 MarburgとA Company Aixtronは、特別なエピタキシー機器をセットアップし、構造のすべての層を調べます。論文の開発は、「III-V-SI」および「Mehrsi」プロジェクトの一環として、ドイツ連邦教育省（BMBF）によって資金提供されました。新しいタンデム太陽電池の特定のハイライトは、III-V層が以前のように化学機械的に磨かれた基質上で成長しなかったが、結晶をのこぎりをのこぎりで採取した後、安価な研削とのみを使用して単純なプロセスで処理されたシリコンウェーハで成長したことです。エッチングプロセス。ヨーロッパのプロジェクト「シタソール」内で、デンマークの会社Topsilは論文シリコンウェーハを開発し、したがって、新しいマルチジャンクション太陽電池の経済的生産に向けた重要なステップに実現しました。将来的には、目的は香の効率性をさらに高くすることであり、タンデム太陽光発電が太陽光発電の拡大に輸入された貢献をすることができるという目的で、より高速でより高速でより高速で、より速く層の堆積を実現することです。エネルギーのターンアラウンドに必要です。

エネルギーシステム変革のキーテクノロジー

今日、世界の多くの地域では、太陽電池による発電が最も安価なエネルギー生成手段となっています。「欧州の太陽光発電研究では、エネルギー転換の鍵となるこの技術の効率をさらに向上させるため、様々なコンセプトに取り組んでいます」と、太陽光発電研究部門の責任者であるシュテファン・グルンツ教授は述べています。「私たちは、シリコン太陽電池の生産をより持続可能かつ費用対効果の高いものにするだけでなく、実績のあるシリコンを他の半導体材料と組み合わせることで、さらに高い効率を実現するための新たな境地を開拓しています。私たちはこれをタンデム太陽光発電によって実現しています。タンデム太陽光発電は、発電の未来を切り開くだけでなく – 高い – を持つこれらの太陽電池は、水を水素と酸素に直接分解する電気分解にも最適です。したがって、この技術は、エネルギー貯蔵媒体としての水素の製造、そしてエネルギー転換の重要な構成要素にも貢献します。」

 

 

III-V/Si多接合太陽電池の層構造、AM 1.5gスペクトル条件下での量子効率およびIV特性