太陽電池の新記録 – 太陽電池の新記録

公開：2020年8月10日 /更新：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とシリコン太陽電池の組み合わせを生成するためのさまざまなアプローチがあります。たとえば、2019年以降、フラウンホーファーISEは、III-V半導体層がヒラミドのガリウムからシリコンに伝達されるタンデム太陽電池の34.1％の効率（現在34.5％）の世界記録を保持しています。いわゆるウェーハ結合。この技術は効率的ですが、高価です。このため、Fraunhofer ISEは長年、II-V層が堆積物であるか、シリコン太陽電池にエピタックスされ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、すべての層の高い結晶品質を維持することが重要です - 大きな課題です。シリコンで直接成長したこのようなIII-V/SIタンデム太陽電池について、25.9％の新世界記録効率が現在達成されています。 Fraunhofer ISEの科学者であるMarkus Feifelは最近、第47回IEEE太陽光発電スペシャリスト会議で成功を収めることができました。 「外側から、すべての吸収体が追加の結晶層によって互いに接続され、電気的に配線されているため、細胞の複雑な内部構造が見えません」と若い太陽電池の研究は説明します。 1年未満で25.9％。 「この成功は、複数のセル内の単一の薄い層を交換することで達成されました」と彼は続けます。 「私たちの細胞を慎重に分析すると、この層が電力線に対する障壁が生まれた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

今日の世界の多くの地域では、太陽電池からの電気はエネルギー生成の最も安価な形態です。 「ヨーロッパの太陽光発電研究は、エネルギーターンアラウンドのためにこの重要な技術の効率をさらに発展させるために、多くの概念に取り組んでいます」とDr.教授は言います。 Photovoltaics Research Divisionの責任者、Stefan Glunz。 「私たちは、シリコン太陽電池の生産をさらに持続可能でコスト効果的にすることに取り組んでいるだけでなく、同時に、他の半導体材料と組み合わせて実証済みのシリコンを均等に均一に整理するために、新しい地面を壊しています。タンデム太陽光発電でこれを達成しています。タンデム太陽光発電は、発電の未来への道だけでなく、論文の太陽電池が電圧のためにあるため - 電力分解に最適であり、水の水素と酸素への直接分解に適しています。したがって、この技術は、エネルギー貯蔵媒体としての水素の生産と、エネルギーターンアラウンドの重要なビルディングブロックに貢献しています。

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