太陽電池の新記録 – 太陽電池の新記録

公開日: 2020 年 8 月 10 日 / 更新日: 2020 年 8 月 17 日 - 著者: Konrad Wolfenstein

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効率の向上と併用 - 太陽電池の新記録

太陽光発電の研究は、太陽電池の効率をさらに高めるために熱心に取り組んでいます。 光を電気エネルギーに変換する際に太陽スペクトルをより効率的に利用するために、強力な太陽電池材料がさまざまな組み合わせでまとめられるタンデム太陽光発電にますます注目が集まっています。 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/Si タンデム太陽電池の効率 25.9% という新記録を記録しました。 これは、初めて費用対効果の高いシリコン基板上で製造されました。これは、タンデム太陽光発電の経済的なソリューションへの重要なマイルストーンです。

直径 10 cm のシリコン基板上の複数の III-V 族タンデム太陽電池 - © Fraunhofer ISE - 写真: Markus Feifel

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 族太陽電池とシリコン太陽電池の組み合わせを作成するには、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、タンデム型太陽電池の効率34.1パーセント（現在は34.5パーセント）という世界記録を保持している。このタンデム型太陽電池では、III-V族半導体層がガリウムヒ素基板からシリコンに転写され、層はシリコン基板を通過する。 -ウェーハと呼ばれる -ボンドが接続されています。 このテクノロジーは効率的ですが高価です。 したがって、フラウンホーファー ISE は、III-V 層をシリコン太陽電池上に堆積またはエピタキシャル化する、より直接的な製造プロセスに長年取り組んできました。 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、これは大きな課題です。 シリコン上に直接成長させたこのような III-V/Si タンデム太陽電池では、効率 25.9% という新たな世界記録が達成されました。 フラウンホーファー ISE の科学者マルクス・ファイフェル氏は最近、多くの会議と同様に現在オンラインで開催されている第 47 回 IEEE 太陽光発電スペシャリスト会議でその成果を発表し、ハイブリッド タンデム太陽電池部門で学生賞を受賞しました。 「すべての吸収体が互いに接続され、追加の結晶層によって電気的に接続されているため、セルの複雑な内部構造は外部からは見えません」と、研究結果を 24.3 から 50 に増加させた若い太陽電池研究者は説明します。 1 年以内に 25.9 パーセントが改善される可能性があります。 「この成功は、複数のセル内の単一の薄い層を置き換えることによって達成されました」と彼はさらに説明します。 「私たちの細胞を注意深く分析したところ、この層が電気伝導に対する障壁を作っていることが判明しました。」

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

太陽電池からの電気は現在、世界の多くの地域で最も安価なエネルギー生成形式となっています。 「ヨーロッパの太陽光発電研究では、エネルギー転換のためのこの重要な技術の効率をさらに開発するために、数多くのコンセプトが進行中です」と教授博士は言います。 Stefan Glunz 氏、太陽光発電研究責任者。 »当社はシリコン太陽電池の生産をより持続可能かつコスト効率の高いものにすることに取り組んでいるだけでなく、同時に実績のあるシリコンを他の半導体材料と組み合わせて使用​​し、さらに高い効率を達成する新しい方法を模索しています。 これはタンデム太陽光発電で実現できます。« タンデム太陽光発電は発電の未来への道を開くだけでなく、これらの太陽電池は電圧が高いため、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、エネルギー貯蔵装置およびエネルギー移行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 多接合太陽電池の層構造 – © Fraunhofer ISE

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

効率の向上と併用 - 太陽電池の新記録

太陽光発電の研究は、太陽電池の効率を継続的に向上させるために熱心に取り組んでいます。 光を電気エネルギーに変換する際に太陽光スペクトルをより効率的に利用するために、高性能太陽電池材料がさまざまな組み合わせで組み合わされるタンデム太陽光発電にますます注目が集まっています。 フラウンホーファー ISE は現在、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効率 25.9% という新記録を報告しています。 これは初めて、低コストのシリコン基板上で製造されました。これは、タンデム太陽光発電の経済的なソリューションへの重要なマイルストーンです。

直径 10 cm のシリコン基板上の複数の III-V 族タンデム太陽電池 – © Fraunhofer ISE – 写真: Markus Feifel

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 族太陽電池とシリコン太陽電池を組み合わせて製造するには、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族半導体層がガリウムヒ素基板からシリコンに転写され、各層が接続されたタンデム型太陽電池の効率34.1パーセント（現在は34.5パーセント）という世界記録を保持している。いわゆるウェーハボンドによるものです。 このテクノロジー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、III-V 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長年取り組んできました。 ここでは、すべての層の高い結晶品質を維持することが重要であり、これは大きな課題です。 シリコン上に直接成長させたこのような III-V/Si タンデム太陽電池では、効率 25.9% という新たな世界記録が達成されました。 フラウンホーファー ISE の科学者マルクス・ファイフェル氏は最近、第 47 回 IEEE 太陽光発電スペシャリスト会議でその成果を発表することができました。この会議は、現在の多くの会議と同様にオンラインで開催され、ハイブリッド タンデム太陽電池部門で学生賞を受賞しました。 「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によって相互に接続され、電気的に配線されているからです。」とこの若い太陽電池研究者は説明します。 1 年以内に 24.3 パーセントから 25.9 パーセントに向上します。 「この成功は、複数のセル内の単一の薄い層を置き換えることによって達成されました」と彼は続けます。 「私たちのセルを注意深く分析した結果、この層が電力線に対する障壁を形成していることが判明しました。」

フラウンホーファーの研究者は、2007 年以来、イルメナウ工科大学、フィリップス大学と協力して、少しずつこの技術をさらに開発してきました。 マールブルクとエクストロン社は、特別なエピタキシー装置を設置し、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、ドイツ連邦教育研究省 (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にハイライトは、III-V層が以前のように化学機械的に研磨された基板上に成長したのではなく、結晶を切断した後、簡単なプロセスで処理されたシリコンウェーハ上に成長したことである。安価な研削とエッチングプロセスのみを使用します。 欧州プロジェクト「SiTaSol」の中で、デンマークの企業Topsilがこれらのシリコンウェーハを開発し、新しい多接合太陽電池の経済的生産に向けた重要な一歩を実現した。 将来的には、効率をさらに向上させ、タンデム型太陽光発電が太陽光発電の拡大に重要な貢献をすることを目的として、層の堆積をさらに高速化、より高いスループットでよりコスト効率よく実現することが目標となるでしょう。エネルギーの転換に必要です。

エネルギーシステム変革のキーテクノロジー

現在、世界の多くの地域では、太陽電池からの電気が最も安価なエネルギー生成形式です。 「ヨーロッパの太陽光発電研究は、エネルギー転換のためのこの重要な技術の効率をさらに開発するために、数多くのコンセプトに取り組んでいます」と教授博士は言います。 ステファン・グルンツ氏、太陽光発電研究部門責任者。 「私たちはシリコン太陽電池の生産をより持続可能で費用対効果の高いものにすることに取り組んでいるだけでなく、同時に実績のあるシリコンを他の半導体材料と組み合わせてさらに高い効率に導くために新境地も開拓しています」 。 私たちはタンデム太陽光発電でこれを実現しています。 タンデム太陽光発電は、発電の未来への道を開くだけでなく、これらの太陽電池は電圧が高いため、水を水素と酸素に直接分解する電気分解にも理想的に適しています。 したがって、この技術は、エネルギー貯蔵媒体および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 多接合太陽電池の層構造 – © Fraunhofer ISE

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