태양전지 신기록 – 태양전지 신기록

게시 날짜: 2020년 8월 10일 / 업데이트 날짜: 2020년 8월 17일 - 작성자: Konrad Wolfenstein

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동시에 더 높은 효율성 – 새로운 태양전지 기록

태양광 연구에서는 태양전지의 효율을 더욱 높이기 위해 열심히 노력하고 있습니다. 빛을 전기 에너지로 변환할 때 태양 스펙트럼을 더욱 효율적으로 사용하기 위해 강력한 태양 전지 재료를 다양한 조합으로 결합하는 직렬형 광전지에 점점 더 초점이 맞춰지고 있습니다. Fraunhofer ISE는 실리콘에 직접 성장한 III-V/Si 직렬 태양전지에서 25.9% 효율이라는 신기록을 세웠습니다. 이는 비용 효율적인 실리콘 기판에서 처음으로 제조되었으며, 이는 직렬 광전지의 경제적인 솔루션을 향한 중요한 이정표입니다.

직경 10cm의 실리콘 기판 위에 있는 여러 개의 III-V 직렬 태양전지 - © Fraunhofer ISE - 사진: Markus Feifel

프라운호퍼 태양 에너지 시스템 연구소 ISE는 여러 태양광 전지에 대해 수년 동안 연구해 왔습니다. 이 태양 전지에서는 2~3개의 하위 전지가 서로 다른 파장의 햇빛을 전기로 변환하기 위해 하나씩 배열되어 있습니다. 실리콘은 스펙트럼의 적외선 부분에 대한 흡수제로 적합하며 그 위에 수 마이크로미터 두께의 III-V 반도체 층이 적용됩니다. 이들은 주기율표의 III족과 V족에 속하며 자외선, 가시광선 및 빛을 변환합니다. 근적외선 빛을 더 효율적으로 전기 보행에 투입합니다. 순수 III-V 반도체 태양전지는 이미 우주 및 집속기 태양광 발전에 사용되고 있습니다. 가장 낮은 하위 셀인 실리콘과 함께 보다 비용 효과적인 프로세스를 통해 직렬 기술은 향후 광범위한 광전지에 접근할 수 있어야 합니다. 그러나 그때까지는 아직 갈 길이 멀다.

실리콘에서 직접 성장한 III-V/Si 직렬 태양전지의 경우 25.9%

III-V 태양전지와 실리콘 태양전지의 조합을 만드는 데는 다양한 접근 방식이 있습니다. Fraunhofer ISE는 2019년부터 III-V 반도체 층이 갈륨 비소 기판에서 실리콘으로 전사되는 직렬형 태양전지 효율 34.1%(현재 34.5%)라는 세계 기록을 보유하고 있습니다. - 웨이퍼라 불리는 - 본드가 연결되어 있습니다. 이 기술은 효율적이지만 비용이 많이 듭니다. 따라서 Fraunhofer ISE는 III-V 층을 실리콘 태양전지에 증착하거나 에피택셜화하는 보다 직접적인 제조 공정을 수년간 연구해 왔습니다. 모든 층에서 높은 결정 품질을 유지하는 것이 중요하며 이는 주요 과제입니다. 실리콘에서 직접 성장한 III-V/Si 직렬 태양전지의 경우 효율성 25.9%라는 새로운 세계 기록을 달성했습니다. Fraunhofer ISE 과학자 Markus Feifel은 최근 많은 컨퍼런스와 마찬가지로 온라인으로 진행되고 있는 제47회 IEEE 광전지 전문가 컨퍼런스에서 자신의 성공을 발표할 수 있었고 하이브리드 직렬 태양전지 부문에서 학생상을 받는 영예를 안았습니다. 24.3에서 24.3으로 연구 성과를 늘린 젊은 태양전지 연구자는 “모든 흡수체가 서로 연결되어 있고 추가적인 결정층에 의해 전기적으로 연결되어 있기 때문에 셀의 복잡한 내부 구조가 외부에서 보이지 않는다”고 설명했다. 1년 이내에 25.9%가 향상될 수 있습니다. “이러한 성공은 다중 셀 내의 단일 얇은 층을 교체함으로써 달성되었습니다.”라고 그는 덧붙였습니다. "우리 세포를 면밀히 분석한 결과 이 ​​층이 전기 전도에 대한 장벽을 생성한다는 사실이 밝혀졌습니다."

프라운호퍼 연구진은 2007년부터 Philipps Univ. Ilmenau TU와 함께 작은 단계로 기술을 개발해 왔습니다. Marburg와 Aixtron 회사는 특수 에피택시 시스템을 설치하고 구조의 모든 단일 레이어를 검사했습니다. 이러한 개발은 "III-V-Si" 및 "MehrSi" 프로젝트의 일환으로 연방 연구부 BMBF의 자금 지원을 받았습니다. 새로운 직렬형 태양전지의 특별한 하이라이트는 III-V 층이 이전의 경우처럼 화학적으로 기계적으로 연마된 기판 위에 성장한 것이 아니라 실리콘 웨이퍼 위에 성장했다는 것입니다. 저렴한 연삭 및 에칭 공정이 처리되었습니다. 유럽의 "SiTaSol" 프로젝트의 일환으로 덴마크 회사 Topsil이 이러한 실리콘 웨이퍼를 개발하여 새로운 다중 접합 태양 전지의 경제적인 생산을 향한 중요한 단계를 밟았습니다. 앞으로 목표는 에너지 전환에 필요한 광전지에 중요한 기여를 하는 직렬 광전지를 목표로 효율성을 더욱 높이고 처리량을 높여 비용 효율적으로 레이어를 더욱 빠르게 증착하는 것입니다. 확장을 이룰 수 있습니다.

에너지전환 핵심기술

태양전지에서 나오는 전기는 이제 세계 여러 지역에서 가장 저렴한 에너지 생산 형태가 되었습니다. "유럽 태양광 연구에서는 에너지 전환을 위한 핵심 기술의 효율성을 더욱 발전시키기 위해 수많은 개념이 진행 중입니다."라고 Dr. Stefan Glunz, 태양광전지 연구 책임자. »우리는 실리콘 태양전지의 생산을 더욱 지속 가능하고 비용 효율적으로 만들기 위해 노력할 뿐만 아니라 동시에 입증된 실리콘을 다른 반도체 재료와 결합하여 훨씬 더 높은 효율성을 달성하는 새로운 방법을 모색하고 있습니다. 우리는 직렬형 광전지로 이를 달성할 수 있습니다. « 직렬형 광전지는 발전의 미래를 열어줄 뿐만 아니라, 이러한 태양전지는 더 높은 전압으로 인해 물을 수소와 산소로 직접 분해하는 전기분해에도 이상적입니다. 따라서 이 기술은 에너지 저장 장치이자 에너지 전환을 위한 중요한 구성 요소인 수소 생산에도 기여합니다.

III-V/Si 다중접합 태양전지의 층 구조 – © Fraunhofer ISE

AM 1.5g 스펙트럼 조건에서 III-V/Si 다중 태양전지의 층 구조, 양자 효율 및 IV 특성

동시에 더 높은 효율성 – 새로운 태양전지 기록

광전지 연구는 태양전지의 효율을 지속적으로 높이기 위해 열심히 노력하고 있습니다. 빛을 전기 에너지로 변환하는 데 태양 스펙트럼을 더욱 효율적으로 사용하기 위해 고성능 태양 전지 재료를 다양한 조합으로 결합하는 직렬형 광전지에 점점 더 초점이 맞춰지고 있습니다. Fraunhofer ISE는 실리콘에 직접 성장한 III-V/Si 직렬 태양전지에서 25.9%라는 새로운 기록적인 효율성을 보고했습니다. 처음으로 이 제품은 저가형 실리콘 기판에서 생산되었으며, 이는 직렬형 광전지를 위한 경제적인 솔루션을 향한 중요한 이정표입니다.

직경 10cm의 실리콘 기판에 있는 여러 개의 III-V 직렬 태양전지 – © Fraunhofer ISE – 사진: Markus Feifel

Fraunhofer 태양 에너지 시스템 연구소 ISE는 서로 다른 파장의 햇빛을 전기로 변환하기 위해 2개 또는 3개의 부분 셀이 서로 겹쳐 배열되어 있는 다중 접합 태양 전지에 대해 수년 동안 연구해 왔습니다. 실리콘은 스펙트럼의 적외선 부분과 주기율표 III 및 V족의 물질인 III-V 반도체 층에 대한 흡수제로 적합합니다. 이 물질은 자외선, 가시광선 및 근적외선을 보다 효율적으로 전기로 변환합니다. 그것의 꼭대기. 순수 III-V 반도체 태양전지는 이미 우주 및 집속기 태양광 발전에 사용되고 있습니다. 가장 낮은 하위 셀인 실리콘과 결합된 보다 비용 효과적인 프로세스를 통해 직렬 기술은 향후 광범위한 기반의 광전지에 접근 가능하게 될 것입니다. 그러나 그때까지는 아직 갈 길이 멀다.

실리콘에서 직접 성장한 III-V/Si 직렬 태양전지의 경우 25.9%

III-V 태양전지와 실리콘 태양전지의 조합을 생산하는 다양한 접근법이 있습니다. 예를 들어, 2019년부터 Fraunhofer ISE는 III-V 반도체 층이 갈륨 비소 기판에서 실리콘으로 이동되고 층이 연결되는 직렬 태양 전지에서 효율 34.1%(현재 34.5%)의 세계 기록을 보유했습니다. 소위 웨이퍼 본드에 의해. 이 기술은 효율적이지만 비용이 많이 듭니다. 이러한 이유로 Fraunhofer ISE는 III-V 층을 실리콘 태양전지에 증착하거나 에피택시화하는 보다 직접적인 제조 공정을 수년간 연구해 왔습니다. 여기에서는 모든 층의 높은 결정 품질을 유지하는 것이 중요하며 이는 주요 과제입니다. 실리콘에서 직접 성장한 III-V/Si 직렬 태양전지의 경우 효율성 25.9%라는 새로운 세계 기록을 달성했습니다. Fraunhofer ISE 과학자 Markus Feifel은 최근 제47회 IEEE 광전지 전문가 컨퍼런스에서 자신의 성공을 발표할 수 있었습니다. 이 컨퍼런스는 현재 많은 컨퍼런스와 마찬가지로 온라인으로 개최되며 하이브리드 직렬 태양전지 부문에서 학생상을 받는 영예를 안았습니다. “외부에서 보면 셀의 복잡한 내부 구조가 보이지 않습니다. 왜냐하면 모든 흡수체가 추가 결정층으로 서로 연결되고 전기적으로 배선되어 있기 때문입니다.”라고 젊은 태양전지 연구원은 설명합니다. 1년 이내에 24.3%에서 25.9%로 일합니다. “이러한 성공은 여러 셀 내의 단일 얇은 층을 교체함으로써 달성되었습니다.”라고 그는 계속합니다. "우리 셀을 면밀히 분석한 결과 이 ​​층이 전력선에 대한 장벽을 생성한 것으로 나타났습니다."

Fraunhofer 연구진은 2007년부터 Philipps Univ의 Ilmenau 기술 대학교와 협력하여 작은 단계로 이 기술을 더욱 발전시켜 왔습니다. Marburg와 Aixtron 회사는 특수 에피택시 장비를 설치하고 구조의 모든 단일 레이어를 검사합니다. 이러한 개발은 "III-V-Si" 및 "MehrSi" 프로젝트의 일환으로 독일 연방 교육 연구부(BMBF)의 자금 지원을 받았습니다. 새로운 직렬형 태양전지의 특별한 하이라이트는 III-V 층이 이전처럼 화학적으로 기계적으로 연마된 기판 위에 성장한 것이 아니라 결정을 톱질한 후 간단한 공정으로 처리된 실리콘 웨이퍼 위에 성장했다는 것입니다. 저렴한 연삭 및 에칭 공정만을 사용합니다. 유럽 ​​프로젝트 "SiTaSol" 내에서 덴마크 회사 Topsil은 이러한 실리콘 웨이퍼를 개발하여 새로운 다중 접합 태양 전지의 경제적인 생산을 향한 중요한 단계를 실현했습니다. 앞으로 목표는 효율을 더욱 높이고 처리량을 높여 비용 효율적으로 층 증착을 더욱 빠르게 실현하는 것입니다. 목표는 직렬형 광전지가 광전지 확장에 중요한 기여를 할 수 있다는 것입니다. 에너지 전환에 꼭 필요합니다.

에너지시스템 전환을 위한 핵심기술

오늘날 세계 여러 지역에서 태양전지의 전기는 가장 저렴한 에너지 생성 형태입니다. “유럽 태양광 연구에서는 에너지 전환을 위한 핵심 기술의 효율성을 더욱 발전시키기 위해 수많은 개념을 연구하고 있습니다.”라고 Dr. 태양광발전 연구부서 책임자인 Stefan Glunz. “우리는 실리콘 태양전지의 생산을 더욱 지속 가능하고 비용 효율적으로 만들기 위해 노력할 뿐만 아니라 동시에 다른 반도체 재료와 결합하여 입증된 실리콘을 더욱 높은 효율성으로 이끌기 위해 새로운 지평을 열고 있습니다. . 우리는 직렬형 광전지를 통해 이를 달성하고 있습니다. 직렬형 광전지는 발전의 미래를 열어줄 뿐만 아니라, 이러한 태양전지는 전압이 더 높기 때문에 물을 수소와 산소로 직접 분해하는 전기분해에도 이상적으로 적합합니다. 따라서 이 기술은 에너지 저장 매체이자 에너지 전환을 위한 중요한 구성 요소인 수소 생산에도 기여합니다.

III-V/Si 다중접합 태양전지의 층 구조 – © Fraunhofer ISE

III-V/Si 다중접합 태양전지의 층 구조, AM 1.5g 스펙트럼 조건에서의 양자 효율 및 IV 특성