Nieuw record voor zonnecellen

Schakel over naar de Engelse versie

Hogere efficiëntie in combinatie – nieuw record voor zonnecellen

Fotovoltaïsch onderzoek werkt hard aan het continu verhogen van de efficiëntie van zonnecellen. Tandemfotovoltaïsche cellen komen steeds meer in de belangstelling te staan, waarbij hoogwaardige zonnecelmaterialen op verschillende manieren worden gecombineerd om het zonnespectrum nog efficiënter te benutten bij de omzetting van licht in elektrische energie. Fraunhofer ISE heeft nu een nieuw recordrendement van 25,9 procent behaald voor een III-V/Si-tandemzonnecel die rechtstreeks op silicium is gegroeid. Dit was de eerste cel die op een kosteneffectief siliciumsubstraat werd geproduceerd – een belangrijke mijlpaal op weg naar economisch haalbare oplossingen voor tandemfotovoltaïsche cellen.

 

 

Het Fraunhofer Instituut voor Zonne-energiesystemen ISE werkt al jaren aan meerlaagse zonnecellen, waarbij twee of drie subcellen op elkaar gestapeld zijn om verschillende golflengten van zonlicht om te zetten in elektriciteit. Silicium is geschikt als absorber voor het infrarode deel van het spectrum, en daarop worden dunne lagen III-V-halfgeleiders aangebracht, slechts enkele micrometers dik. Deze materialen behoren tot de groepen 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 ruimtevaart en in geconcentreerde fotovoltaïsche systemen. Kostenefficiëntere processen, in combinatie met silicium als onderste subcel, moeten deze tandemtechnologie in de toekomst toegankelijk maken voor grootschalige fotovoltaïsche toepassingen. 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 het Fraunhofer ISE het wereldrecord voor rendement 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 en de lagen vervolgens met elkaar worden verbonden door middel van een waferverbinding. Deze technologie is efficiënt, maar duur. Daarom werkt het Fraunhofer ISE al jaren aan meer directe productieprocessen waarbij de III-V-lagen op een siliciumzonnecel worden gedeponeerd of epitaxiaal worden gebonden. Het behoud van een hoge kristalkwaliteit in alle lagen is hierbij cruciaal – een grote uitdaging. Er is nu een nieuw wereldrecordrendement van 25,9 procent behaald voor een dergelijke III-V/Si-tandemzonnecel die direct op silicium is gegroeid. Markus Feifel, wetenschapper bij Fraunhofer ISE, presenteerde onlangs zijn succes op de 47e IEEE Photovoltaic Specialists Conference, die, net als veel andere conferenties tegenwoordig, online plaatsvindt. Hij 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 absorptielagen met elkaar verbonden en elektrisch bedraad zijn door verdere kristallagen", legt de jonge zonnecelonderzoeker uit. Hij wist de efficiëntie van zijn werk in minder dan een jaar tijd te verbeteren van 24,3 naar 25,9 procent. "Dit succes werd bereikt door een enkele dunne laag in de meerlagige cel te vervangen", vervolgt hij. "Een zorgvuldige analyse van onze cellen bracht aan het licht dat deze laag fungeerde als een barrière voor de elektrische geleiding."

Sinds 2007 hebben Fraunhofer-onderzoekers, samen met de Technische Universiteit Ilmenau, de Philipps Universiteit Marburg en het bedrijf Aixtron, de technologie geleidelijk ontwikkeld door gespecialiseerde epitaxiesystemen te bouwen en elke afzonderlijke laag van de structuur te onderzoeken. 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 kenmerk 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", waarmee een belangrijke stap werd gezet richting de economische productie van de nieuwe meerlaagse zonnecellen. In de toekomst zal de focus liggen op het verder verhogen van de efficiëntie en het versnellen van de laagafzetting, met een hogere doorvoer en daardoor een lagere kosteneffectiviteit. Het doel is dat tandem-fotovoltaïsche cellen een belangrijke bijdrage kunnen leveren aan de noodzakelijke uitbreiding van de fotovoltaïsche sector voor de energietransitie.

Sleuteltechnologie voor de energietransitie

Elektriciteit opgewekt met zonnecellen is momenteel in veel delen van de wereld de meest kosteneffectieve vorm van energieopwekking. "Europees fotovoltaïsch onderzoek werkt aan talrijke concepten om de efficiëntie van deze sleuteltechnologie voor de energietransitie verder te ontwikkelen", aldus prof. dr. Stefan Glunz, hoofd van het fotovoltaïsch onderzoek. "We werken er niet alleen aan om de productie van siliciumzonnecellen nog duurzamer en kosteneffectiever te maken, maar onderzoeken ook nieuwe mogelijkheden om een ​​nog hogere efficiëntie te bereiken met bewezen silicium in combinatie met andere halfgeleidermaterialen. Dit bereiken we met tandemfotovoltaïsche cellen." Tandemfotovoltaïsche cellen effenen niet alleen de weg voor de toekomst van elektriciteitsopwekking, maar deze zonnecellen zijn – vanwege hun hogere spanning – ook bij uitstek geschikt voor elektrolyse, de directe splitsing van water in waterstof en zuurstof. Deze technologie draagt ​​zo ook bij aan de productie van waterstof als energieopslagmedium en een belangrijk onderdeel van de energietransitie.

 

 

Laagstructuur van de III-V/Si meerlaagse zonnecel, kwantumrendement en IV-karakteristiek onder AM 1.5g spectrale omstandigheden

Hogere efficiëntie in combinatie – nieuw record voor zonnecellen

Onderzoek naar fotovoltaïsche cellen is erop gericht de efficiëntie ervan voortdurend te verhogen. De focus ligt steeds meer op tandemfotovoltaïsche cellen, waarbij hoogwaardige materialen voor zonnecellen in verschillende combinaties worden samengebracht om het zonnespectrum nog efficiënter te benutten bij de omzetting van licht in elektrische energie. Fraunhofer ISE meldt nu een nieuw recordrendement van 25,9 procent voor een III-V/Si-tandemzonnecel die rechtstreeks op silicium is gegroeid. Dit is voor het eerst gelukt op een goedkoop siliciumsubstraat – een belangrijke mijlpaal op weg naar economische oplossingen voor tandemfotovoltaïsche cellen.

 

 

Het Fraunhofer Instituut voor Zonne-energiesystemen ISE werkt al jaren aan meerlaagse zonnecellen, waarbij twee of drie deelcellen boven elkaar zijn geplaatst om verschillende golflengten van zonlicht om te zetten in elektriciteit. Silicium is geschikt als absorber voor het infrarode deel van het spectrum, en daar bovenop worden lagen III-V-halfgeleiders aangebracht – materialen uit de groepen III en V van het periodiek systeem – die ultraviolet, zichtbaar en nabij-infrarood licht efficiënter omzetten in elektriciteit. Zuivere III-V-halfgeleiderzonnecellen worden al gebruikt in de ruimtevaart en in geconcentreerde fotovoltaïsche systemen. Door middel van kostenefficiëntere processen in combinatie met silicium als onderste subcel, moet de tandemtechnologie in de toekomst toegankelijk worden voor grootschalige fotovoltaïsche toepassingen. Er is echter nog een lange weg te gaan.

25,9 procent voor III-V/Si tandemzonnecellen die rechtstreeks op silicium zijn gekweekt

Er bestaan ​​verschillende benaderingen voor de productie van combinaties van III-V- en siliciumzonnecellen. Zo heeft Fraunhofer ISE sinds 2019 het wereldrecord in handen met een rendement van 34,1 procent (inmiddels 34,5 procent) voor een tandemzonnecel waarbij de III-V-halfgeleiderlagen van een galliumarsenidesubstraat naar silicium worden overgebracht en met elkaar verbonden worden door een zogenaamde waferverbinding. Deze technologie is efficiënt, maar duur. Daarom werkt Fraunhofer ISE al jaren aan meer directe productieprocessen waarbij de III-V-lagen op een siliciumzonnecel worden afgezet of geëpitaxeerd. Hierbij is het cruciaal om een ​​hoge kristalkwaliteit van alle lagen te behouden – een grote uitdaging. Er is nu een nieuw wereldrecordrendement van 25,9 procent behaald voor een dergelijke III-V/Si-tandemzonnecel die direct op silicium is gegroeid. Markus Feifel, wetenschapper bij Fraunhofer ISE, presenteerde onlangs zijn succes op de 47e IEEE Photovoltaic Specialists Conference, die, net als veel andere conferenties momenteel, online plaatsvindt. Hij werd bekroond met de Student Award in de categorie Hybride Tandem Zonnecellen. "Van buitenaf is de complexe interne structuur van de cel niet zichtbaar, omdat alle absorptielagen met elkaar verbonden zijn door extra kristallagen en elektrisch bedraad zijn", legt de jonge zonnecelonderzoeker uit. Hij wist het resultaat van zijn werk in minder dan een jaar tijd te verbeteren van 24,3 naar 25,9 procent. "Dit succes werd bereikt door een enkele dunne laag in de meerlagige cel te vervangen", vervolgt hij. "Een zorgvuldige analyse van onze cellen bracht aan het licht dat deze laag een barrière vormde voor de stroomleiding."

In kleine stapjes hebben de Fraunhofer-onderzoekers de technologie sinds 2007 verder ontwikkeld in samenwerking met de Technische Universiteit Ilmenau, de Philipps Universiteit Marburg en het bedrijf Aixtron. Ze hebben speciale epitaxie-apparatuur opgezet 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 kenmerk 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, op een eenvoudige manier is bewerkt met behulp van goedkope slijp- en etsprocessen. Binnen het Europese project "SiTaSol" heeft het Deense bedrijf Topsil deze siliciumwafers ontwikkeld en daarmee een belangrijke stap gezet richting een economische productie van de nieuwe meerlaagse zonnecellen. In de toekomst is het doel de efficiëntie nog verder te verhogen en de afzetting van de lagen nog sneller, met een hogere doorvoer en dus kosteneffectiever te realiseren. Het doel is dat tandem-fotovoltaïsche systemen een belangrijke bijdrage kunnen leveren aan de noodzakelijke uitbreiding van de fotovoltaïsche sector voor de energietransitie.

Sleuteltechnologie voor de transformatie van het energiesysteem

In veel delen van de wereld is elektriciteit uit zonnecellen tegenwoordig de goedkoopste vorm van energieopwekking. "Europees fotovoltaïsch onderzoek werkt aan tal van concepten om de efficiëntie van deze sleuteltechnologie voor de energietransitie verder te ontwikkelen", aldus prof. dr. Stefan Glunz, hoofd van de onderzoeksafdeling Fotovoltaïsche cellen. "We werken niet alleen aan het duurzamer en kosteneffectiever maken van de productie van siliciumzonnecellen, maar we verleggen tegelijkertijd ook grenzen om het bewezen silicium in combinatie met andere halfgeleidermaterialen naar nog hogere rendementen te leiden. We bereiken dit met tandemfotovoltaïsche cellen. Tandemfotovoltaïsche cellen openen niet alleen de weg naar de toekomst van energieopwekking, deze zonnecellen zijn – vanwege hun hogere spanning – ook bij uitstek geschikt voor elektrolyse, de directe ontleding van water in waterstof en zuurstof. Deze technologie draagt ​​zo ook bij aan de productie van waterstof als energieopslagmedium en een belangrijke bouwsteen voor de energietransitie.".

 

 

Laagstructuur van een III-V/Si meerlaagse zonnecel, kwantumrendement en IV-karakteristieken onder AM 1.5g spectrale omstandigheden