Nieuw zonnecelrecord - Nieuw zonnecelrecord

Gepubliceerd op: 10 augustus 2020 / Bijgewerkt op: 17 augustus 2020 – Auteur: Konrad Wolfenstein

Schakel over naar de Engelse versie

Hogere efficiëntie in tandem – nieuw record voor zonnecellen

Er wordt hard gewerkt aan het continu verbeteren van de efficiëntie van zonnecellen in onderzoek naar fotovoltaïsche cellen. Tandem-zonnecellen krijgen steeds meer aandacht. Deze technologie combineert hoogwaardige zonnecelmaterialen in verschillende combinaties om het zonnespectrum nog efficiënter te benutten bij het omzetten van licht in elektrische energie. Fraunhofer ISE heeft nu een nieuw recordrendement van 25,9 procent behaald voor een III-V/Si-tandemzonnecel die direct op silicium is gegroeid. Deze cel werd voor het eerst geproduceerd op een kosteneffectief siliciumsubstraat – een belangrijke mijlpaal op weg naar kosteneffectieve oplossingen voor tandem-zonnecellen.

Meerdere III-V tandemzonnecellen op een siliciumsubstraat met een diameter van 10 cm – © Fraunhofer ISE – Foto: Markus Feifel

Het Fraunhofer Instituut voor Zonne-energiesystemen (ISE) werkt al jaren aan multi-junction zonnecellen, waarbij twee of drie subcellen op elkaar worden gestapeld om verschillende golflengten van zonlicht om te zetten in elektriciteit. Silicium is geschikt als absorber voor het infrarode deel van het spectrum, en dunne lagen III-V-halfgeleiders, slechts enkele micrometers dik, worden eroverheen aangebracht. Deze materialen komen uit groep III en V van het periodiek systeem en zetten ultraviolet, zichtbaar en nabij-infrarood licht efficiënter om in elektriciteit. Zuivere III-V-halfgeleiderzonnecellen worden al gebruikt in de ruimte en in geconcentreerde zonnecellen. Kosteneffectievere processen, gecombineerd met silicium als onderste subcel, moeten deze tandemtechnologie in de toekomst toegankelijk maken voor grootschalige zonnecellen. Er is echter nog een lange weg te gaan.

25,9 procent voor direct op silicium gekweekte III-V/Si tandemzonnecellen

Er bestaan ​​verschillende benaderingen voor de productie van combinaties van III-V- en siliciumzonnecellen. Sinds 2019 heeft Fraunhofer ISE het wereldrecordrendement van 34,1 procent (nu 34,5 procent) in handen voor een tandemzonnecel, waarbij de III-V-halfgeleiderlagen van een galliumarsenidesubstraat naar silicium worden overgebracht, waarbij de lagen met elkaar verbonden zijn door een zogenaamde waferbinding. Deze technologie is efficiënt maar duur. Daarom werkt Fraunhofer ISE al jaren aan directere productieprocessen waarbij de III-V-lagen worden afgezet, of epitaxiaal gegroeid, op een siliciumzonnecel. Het handhaven van een hoge kristalkwaliteit in alle lagen is hierbij cruciaal – een grote uitdaging. Een nieuw wereldrecordrendement van 25,9 procent is nu behaald voor een dergelijke III-V/Si-tandemzonnecel die direct op silicium is gegroeid. Fraunhofer ISE-wetenschapper Markus Feifel presenteerde onlangs zijn succes op de 47e IEEE Photovoltaic Specialists Conference, die, net als veel andere conferenties die momenteel online plaatsvinden, werd bekroond met de Student Award in de categorie Hybride Tandem Zonnecellen. "De complexe interne structuur van de cel is van buitenaf niet zichtbaar, omdat alle absorberende elementen met elkaar verbonden zijn en elektrisch verbonden zijn door extra kristallagen", legt de jonge zonnecelonderzoeker uit, die zo de efficiëntie van zijn werk in minder dan een jaar van 24,3 naar 25,9 procent wist te verbeteren. "Dit succes werd bereikt door één dunne laag in de multi-junction cel te vervangen", vervolgt hij. "Een zorgvuldige analyse van onze cellen toonde aan dat deze laag een barrière vormde voor stroomgeleiding."

Sinds 2007 hebben Fraunhofer-onderzoekers, samen met de Technische Universiteit Ilmenau, de Philipps-Universität Marburg en het bedrijf Aixtron, de technologie geleidelijk verder ontwikkeld, gespecialiseerde epitaxiesystemen gebouwd en elke afzonderlijke laag van de structuur onderzocht. Deze ontwikkelingen werden gefinancierd door het Duitse Federale Ministerie van Onderwijs en Onderzoek (BMBF) in het kader van de projecten "III-V-Si" en "MehrSi". Een bijzonder hoogtepunt van de nieuwe tandemzonnecel is dat de III-V-lagen niet op een chemisch en mechanisch gepolijst substraat zijn gegroeid, zoals voorheen gebruikelijk was, maar op een siliciumwafer. Nadat het kristal was gezaagd, werd de wafer bewerkt met een eenvoudig en kosteneffectief slijp- en etsproces. Het Deense bedrijf Topsil ontwikkelde deze siliciumwafers in het kader van het Europese project "SiTaSol" en zette daarmee een belangrijke stap in de richting van de economische productie van de nieuwe multi-junction zonnecellen. In de toekomst zal de focus liggen op het verder verhogen van de efficiëntie en het nog sneller, met een hogere doorvoer en dus kosteneffectiever maken van de afzetting van de lagen. Doel is om tandemzonnepanelen een belangrijke bijdrage te leveren aan de voor de energietransitie noodzakelijke uitbreiding van de fotovoltaïsche sector.

Sleuteltechnologie voor de energietransitie

Elektriciteit uit zonnecellen is nu in veel delen van de wereld de goedkoopste vorm van energieopwekking. "Europees onderzoek naar fotovoltaïsche cellen ontwikkelt talloze concepten om de efficiëntie van deze sleuteltechnologie voor de energietransitie verder te ontwikkelen", aldus prof. dr. Stefan Glunz, hoofd van het onderzoek naar fotovoltaïsche cellen. "We werken niet alleen aan het verder verduurzamen en kosteneffectiever maken van de productie van siliciumzonnecellen, maar onderzoeken ook nieuwe manieren om nog hogere efficiënties te bereiken met bewezen silicium in combinatie met andere halfgeleidermaterialen. We bereiken dit met tandemzonnecellen." Tandemzonnecellen effenen niet alleen de weg voor de toekomst van elektriciteitsopwekking, maar zijn door hun hogere spanning ook uitermate geschikt voor elektrolyse, de directe ontleding van water in waterstof en zuurstof. Deze technologie draagt ​​daarmee ook bij aan de productie van waterstof als energieopslagmedium en een belangrijke bouwsteen voor de energietransitie.

Laagstructuur van de III-V/Si multi-junctie zonnecel – © Fraunhofer ISE

Laagstructuur van de III-V/Si multi-junctie zonnecel, kwantumrendement en IV-karakteristiek onder AM 1,5g spectrale omstandigheden

Hogere efficiëntie in tandem – nieuw record voor zonnecellen

In het onderzoek naar fotovoltaïsche cellen wordt hard gewerkt aan het continu verbeteren van de efficiëntie van zonnecellen. De focus ligt steeds meer op tandem-fotovoltaïsche cellen, waarbij hoogwaardige zonnecelmaterialen in verschillende combinaties worden gecombineerd om het zonnespectrum nog efficiënter te gebruiken bij het omzetten van licht in elektrische energie. Fraunhofer ISE meldt nu een nieuw recordrendement van 25,9 procent voor een III-V/Si-tandem-zonnecel die direct op silicium is gegroeid. Deze werd voor het eerst geproduceerd op een voordelig siliciumsubstraat – een belangrijke mijlpaal op weg naar economische oplossingen voor tandem-fotovoltaïsche cellen.

Meerdere III-V tandemzonnecellen op een siliciumsubstraat met een diameter van 10 cm – © Fraunhofer ISE – Foto: Markus Feifel

Het Fraunhofer Instituut voor Zonne-energiesystemen (ISE) werkt al jaren aan multi-junctie zonnecellen, waarbij twee of drie deelcellen boven elkaar worden geplaatst om verschillende golflengten van zonlicht om te zetten in elektriciteit. Silicium is geschikt als absorber voor het infrarode deel van het spectrum. Daarop worden lagen III-V halfgeleiders aangebracht, materialen uit groep III en V van het periodiek systeem die ultraviolet, zichtbaar en nabij-infrarood licht efficiënter omzetten in elektriciteit. Zuivere III-V halfgeleider zonnecellen worden al gebruikt in de ruimte en in geconcentreerde zonnecellen. Door kosteneffectievere processen in combinatie met silicium als onderste subcel zal de tandemtechnologie in de toekomst toegankelijk worden gemaakt voor breed inzetbare zonnecellen. Tot die tijd is er echter nog een lange weg te gaan.

25,9 procent voor III-V/Si tandem zonnecellen die direct op silicium zijn gegroeid

Er bestaan ​​verschillende benaderingen om combinaties van III-V- en siliciumzonnecellen te produceren. Zo heeft Fraunhofer ISE sinds 2019 het wereldrecord van 34,1 procent efficiëntie (nu 34,5 procent) in handen voor een tandemzonnecel waarbij de III-V-halfgeleiderlagen van een galliumarsenidesubstraat naar silicium worden overgebracht, waarbij de lagen met elkaar worden verbonden door een zogenaamde waferbinding. Deze technologie is efficiënt maar duur. Daarom werkt Fraunhofer ISE al jaren aan directere productieprocessen waarbij de III-V-lagen op een siliciumzonnecel worden afgezet of geëpitaxieerd. Hierbij is het cruciaal om een ​​hoge kristalkwaliteit van alle lagen te behouden – een grote uitdaging. Een nieuw wereldrecord van 25,9 procent efficiëntie is nu behaald voor een dergelijke III-V/Si-tandemzonnecel die direct op silicium is gegroeid. Fraunhofer ISE-wetenschapper Markus Feifel kon onlangs zijn succes presenteren op de 47e IEEE Photovoltaic Specialists Conference, die, zoals veel conferenties tegenwoordig, online plaatsvindt, en werd onderscheiden met de Studentenprijs in de categorie Hybride Tandem Zonnecellen. "Van buitenaf is de complexe interne structuur van de cel niet zichtbaar, omdat alle absorberende elementen met elkaar verbonden zijn door extra kristallagen en elektrisch verbonden zijn", legt de jonge zonnecelonderzoeker uit, die zo het resultaat van zijn werk in minder dan een jaar van 24,3 naar 25,9 procent wist te verbeteren. "Dit succes werd bereikt door één dunne laag binnen de meervoudige cel te vervangen", vervolgt hij. "Een zorgvuldige analyse van onze cellen toonde aan dat deze laag een barrière vormde voor de elektriciteitsleiding."

In kleine stapjes hebben de Fraunhofer-onderzoekers de technologie sinds 2007 verder ontwikkeld in samenwerking met de Technische Universiteit Ilmenau, de Philipps-Universität Marburg en het bedrijf Aixtron. Ze hebben speciale epitaxie-apparatuur geïnstalleerd en elke afzonderlijke laag van de structuur onderzocht. Deze ontwikkelingen werden gefinancierd door het Duitse Federale Ministerie van Onderwijs en Onderzoek (BMBF) in het kader van de projecten "III-V-Si" en "MehrSi". Een bijzonder hoogtepunt van de nieuwe tandemzonnecel is dat de III-V-lagen niet op een chemisch-mechanisch gepolijst substraat zijn gegroeid, zoals voorheen het geval was, maar op een siliciumwafer die, na het zagen van het kristal, in een eenvoudig proces met slechts goedkope slijp- en etsprocessen is behandeld. Binnen het Europese project "SiTaSol" heeft het Deense bedrijf Topsil deze siliciumwafers ontwikkeld en daarmee een belangrijke stap gezet in de richting van een economische productie van de nieuwe multi-junction zonnecellen. In de toekomst zal het doel zijn om de efficiëntie nog verder te verhogen en de afzetting van de lagen nog sneller, met een hogere doorvoer en daarmee nog kostenefficiënter te realiseren. Daarmee kan tandemzonnepanelen een belangrijke bijdrage leveren aan de voor de energietransitie noodzakelijke uitbreiding van de fotovoltaïsche sector.

Sleuteltechnologie voor de transformatie van het energiesysteem

In veel delen van de wereld is elektriciteit uit zonnecellen tegenwoordig de goedkoopste vorm van energieopwekking. "Europees onderzoek op het gebied van fotovoltaïsche technologie werkt aan talloze concepten om de efficiëntie van deze sleuteltechnologie voor de energietransitie verder te ontwikkelen", aldus prof. dr. Stefan Glunz, hoofd van de afdeling Fotovoltaïsch Onderzoek. "We werken niet alleen aan het nog duurzamer en kosteneffectiever maken van de productie van siliciumzonnecellen, maar we betreden tegelijkertijd ook nieuwe wegen om het bewezen silicium in combinatie met andere halfgeleidermaterialen naar een nog hogere efficiëntie te leiden. We bereiken dit met tandemzonnecellen. Tandemzonnecellen openen niet alleen de weg naar de toekomst van energieopwekking, deze zonnecellen zijn - dankzij hun hogere spanning - ook uitermate geschikt voor elektrolyse, de directe ontleding van water in waterstof en zuurstof. Deze technologie draagt ​​daarmee ook bij aan de productie van waterstof als energieopslagmedium en een belangrijke bouwsteen voor de energietransitie.

Laagstructuur van de III-V/Si multi-junctie zonnecel – © Fraunhofer ISE

Laagstructuur van III-V/Si multi-junctie zonnecel, kwantumrendement en IV-karakteristieken onder AM 1,5g spectrale omstandigheden