Nieuw zonnecelrecord - Nieuw zonnecelrecord

Gepubliceerd op: 10 augustus 2020 / Update van: 17 augustus 2020 - Auteur: Konrad Wolfenstein

Schakel over naar de Engelse versie

Hogere efficiëntie in tandem - Nieuw zonnecelrecord

Fotovoltaïsch onderzoek reproduceert zich om de efficiëntie van zonnecellen verder te vergroten. Tandem fotovoltaïscheën zijn in toenemende mate gericht, waarbij krachtige materialen voor zonnecellen in verschillende combinaties worden gecombineerd om het zonspectrum nog efficiënter te gebruiken bij het omzetten van licht in elektrische energie. De Fraunhofer ISE heeft nu 25,9 procent efficiëntie een nieuw record voor een III-V/Si tandemsolaire cel die direct op silicium is gekweekt. Dit werd voor het eerst geproduceerd op een goedkope siliconensubstraat-een belangrijke mijlpaal op weg naar economische oplossingen voor tandem fotovoltaïscheën.

Verschillende III-V tandemsolaire cellen op een siliconensubstraat met een diameter van 10 cm- © Fraunhofer ISE-Photo: Markus Feifel

Het Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE werkt al vele jaren op meerdere zonnecellen, waarin twee of drie subcellen op elkaar zijn gerangschikt om verschillende golflengten van zonlicht in elektriciteit om te zetten. Silicium is geschikt voor het infraroodaandeel van het spectrum als absorber en een paar micrometers dunne lagen van III-V-hals ladders worden toegepast, dit zijn materialen uit groepen III en V van het periodieke systeem, dat het ultraviolette, zichtbare en dichtbij infraroodlicht omzet in elektriciteit. Pure III-V halfgeleider zonnecellen worden al gebruikt in de ruimte en concentrator fotovoltaïscheën. In de toekomst zal tandem-technologie ook toegankelijk worden gemaakt voor brede fotovoltaïscheën door kosteneffectieve procedures in interactie met silicium als de laagste subcel. Tot die tijd is het echter nog een lange weg.

25,9 procent voor III-V/Si tandemsolaire cel die direct op silicium wordt gekweekt

Er zijn verschillende benaderingen om combinaties van III V- en silicium zonnecellen te creëren. Sinds 2019 heeft Fraunhofer de wereldrecordwaarde van 34,1 procent efficiëntie (nieuwe 34,5 procent) voor een tandem zonnecel waarin de III-V halfgeleiderlagen worden overgebracht van een galliumarsenidesubstraat naar silicium, met de lagen verbonden door een zogenaamde wafelkom. Deze technologie is efficiënt maar duur. Daarom werkt de Fraunhofer ISE al vele jaren aan meer directe productieprocessen, waarin de III-V-lagen worden gescheiden of epitaxed op een silicium zonnecel. Het is cruciaal om een ​​hoge kristalkwaliteit van alle lagen te krijgen - een grote uitdaging. Er is nu een nieuwe wereldrecordefficiëntie bereikt voor zo'n III-V/Si tandemsolaire cel die rechtstreeks op Silicium gegroeid is. Fraunhofer ISE -wetenschapper Markus Feifel presenteerde onlangs zijn succes op de 47e IEEE fotovoltaïsche specialistenconferentie, die, net als veel conferenties, momenteel online plaatsvindt en werd geëerd met de Student Award in de categorie Hybrid tandemsolaire cellen. "Van buitenaf is de complexe binnenstructuur van de cel niet zichtbaar, omdat alle absorbers zijn verbonden en elektrisch onderling verbonden door verdere kristallagen", legt de jonge onderzoeker van zonnecellen uit, die in staat was om het resultaat van zijn werk van zijn werk te verbeteren van 24,3 tot 25,9 procent in minder dan een jaar. "Dit succes was succesvol door een enkele dunne laag in de meervoudige cel uit te wisselen", legt hij uit. "Een zorgvuldige analyse van onze cellen toonde aan dat deze laag leidde tot een barrière voor de stroomlijn."

In kleine stappen hebben de Fraunhofer -onderzoekers sinds 2007 technologie samen met de Tu Ilmenau, de Philipps Univ. Marburg en het Aixtron Company ontwikkelden zich verder, hebben speciale Epitaxia -systemen opgezet en elke enkele laag van de structuur onderzocht. Deze ontwikkelingen werden gefinancierd door het Federal Ministry of Research BMBF als onderdeel van de "III-V-Si" en "Mehrsi" -projecten. Een speciaal hoogtepunt van de nieuwe tandem zonnecel is dat de III-V-lagen niet zoals gewoonlijk werden gekweekt op een chemisch mechanisch gepolijst substraat, maar op een siliciumwafer die alleen werd behandeld in een eenvoudig proces na het zagen van het kristal met behulp van goedkope slijp- en etsenprocessen. Als onderdeel van het Europese Sitasol-project had het Deense bedrijf Topsil deze silicium-wafer ontwikkeld en realiseerde hij zich dus een belangrijke stap in de richting van een economische productie van de nieuwe meerdere zonnecellen. In de toekomst zal het gaan om de efficiëntie nog verder te vergroten en de scheiding van lagen nog sneller, met hogere doorvoer en dus kosteneffectiever, met als doel dat de Tandem-fotovoltaïsch een belangrijke bijdrage kan leveren aan de fotovoltaïsche periode die nodig is voor de energietransitie.

Belangrijkste technologie voor de energietransitie

Elektriciteit uit zonnecellen is tegenwoordig de goedkoopste vorm van energieopwekking in veel delen van de wereld. "Europees fotovoltaïsch onderzoek heeft talloze concepten aan de gang om de efficiëntie van deze belangrijke technologie voor de energietransitie nog verder te ontwikkelen", aldus prof. Dr. Stefan Glunz, hoofd van fotovoltaïsch onderzoek. »We werken niet alleen om de productie van silicium zonnecellen nog duurzamer en goedkoper te maken, maar breekt tegelijkertijd een nieuwe grond om het bewezen silicium te leiden in verband met andere halfgeleidermaterialen tot een nog hogere efficiëntie. We slagen erin met Tandem fotovoltaïscheën. «De tandem fotovoltaïsche opent niet alleen de weg naar de toekomst van elektriciteitsopwekking, deze zonnecellen zijn ook verdeeld aan hun hogere spanning-ook ideaal voor elektrolyse, de directe afbraak van water in waterstof en zuurstof. Deze technologie levert ook een bijdrage aan de extractie van waterstof als een energieopslag en een belangrijke bouwsteen voor de energietransitie.

Schuifstructuur van de III-V/SI Multiple Solar Cell- © Fraunhofer ISE

Latio-structuur van de III-V/SI meervoudige zonnecellen, kwantumefficiëntie en IV-kenmerken onder de 1,5 g spectrale omstandigheden

Hogere efficiëntie in tandem - Nieuw zonnecelrecord

Fotovoltaics Research werkt hard om de efficiëntie van zonnecellen voortdurend door te nemen. In toenemende mate ligt de focus op tandem fotovoltaïscheën, waarbij krachtige materialen voor zonnecellen samen in verschillende combinaties in verschillende combinaties zijn om het zonnespectrum nog efficiënter te gebruiken in het omzetten van licht in elektrische energie. Fraunhofer ISE meldt nu een nieuwe recordefficiëntie van 25,9 procent voor een III-V/SI tandem zonnecel die direct op silicium wordt gekweekt. Voor het eerst werd dit geproduceerd op een goedkope siliconensubstraat-een belangrijke mijlpaal op weg naar economische oplossingen voor tandem fotovoltaïscheën.

Verschillende III-V tandem zonnecellen op een siliconensubstraat met een diameter van 10 cm © Fraunhofer ISE-Photo: Markus Feifel

Het Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE werkt al vele jaren aan zonnecellen met multi-junctie waarin twee of drie gedeeltelijke cellen worden gerangschikt boven elkaar gerangschikt om verschillende golflengten van zonlicht in elektriciteit om te zetten. Silicium is geschikt als een absorber voor het infraroodgedeelte van het spectrum, en lagen van III-V halfgeleiders, materialen uit groepen III en V van het periodiek systeem, die het ultraviolet, zichtbare en bijna infraroodlicht efficiënter in elektriciteit omzetten, worden op de hoogte gesteld. Pure III-V halfgeleider zonnecellen worden al gebruikt in de ruimte en in concentrator fotovoltaïscheën. Door meer kosteneffectieve processen in combinatie met silicium als de laagste subcel, moet de tandem-technologie in de toekomst toegankelijk worden gemaakt voor brede fotovoltaïscheën. 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 worden gekweekt

Er zijn verschillende benaderingen om combinaties van III-V en silicium zonnecellen te produceren. Sinds 2019 bevatte Fraunhofer Ise bijvoorbeeld het wereldrecord van 34,1 procent efficiëntie (nu 34,5 procent) voor een tandem zonnecel waarin III-V halfgeleiderlagen worden overgebracht van een galliumarsenidesubstraat naar siliconen, met de lagen van het ligg verbonden door een zogenaamde wafonds. Deze technologie is efficiënt maar duur. Om deze reden werkt Fraunhofer ISE al vele jaren aan meer directe productieprocessen waarin de III-V-lagen afgezet of epitaxied op een silicium zonnecel zijn. Hier is het cruciaal om een ​​hoge kristalkwaliteit van alle lagen te handhaven - een grote uitdaging. Een nieuwe wereldrecordefficiëntie van 25,9 procent is nu bereikt voor zo'n III-V/Si tandem zonnecel die direct op silicium wordt gekweekt. Fraunhofer ISE -wetenschapper Markus Feifel was onlangs in staat om zijn succes te presenteren op de 47e IEEE fotovoltaïsche specialistenconferentie, die, zoals veel conferenties op dit moment, werd geëerd met de Student Award in de categorie Hybrid tandem zonnecellen. "Van buitenaf is de complexe binnenstructuur van de cel niet zichtbaar, omdat alle absorbers met elkaar zijn verbonden door extra kristallagen en elektrisch bekabeld", legt het jonge onderzoek van zonnecellen 25,9 procent uit in minder dan een jaar. "Dit succes werd bereikt door een enkele dunne laag in de meervoudige cel te vervangen," vervolgt hij. "Een zorgvuldige analyse van onze cellen onthulde dat deze laag een barrière voor de elektriciteitsleiding creëerde."

In kleine stappen ontwikkelen de Fraunhofer -onderzoekers de technologie sinds 2007 verder in samenwerking met de technische Universiteit van Ilmenau, Philipps Univ. Marburg en het bedrijf Aixtron, het opzetten van speciale epitaxy -apparatuur en onderzoeken elke enkele laag van de structuur. Thesis-ontwikkelingen werden gefinancierd door het Duitse federale ministerie van Onderwijs en Onderzoek (BMBF) als onderdeel van de "III-V-Si" en "Mehrsi" -projecten. Een bijzonder hoogtepunt van de nieuwe tandem zonnecel is dat III-V-lagen niet werden gekweekt op een chemisch-mechanisch gepolijst substraat zoals eerder het geval, maar op een siliciumwafer die, na het kristal te hebben gezien, wat in een eenvoudig proces werd behandeld met alleen goedkope slijp- en etsprocessen. Binnen het Europese project "Sitasol" had het Deense bedrijf Topsil scriptie-siliciumwafels ontwikkeld en dus gerealiseerd tot een belangrijke stap in de richting van de economische productie van de nieuwe multi-junctie zonnecellen. In de toekomst zal het doel zijn om de efficiëntie van wierook nog verder en dus de afzetting van de lagen nog sneller te realiseren, met hoge high-to-en dus meer kostenfectiever, met als doel dat tandem fotovoltaïscheën een geïmporteerde bijdrage kan leveren aan de fotovoltaïsche expansie die nodig is voor de energieturnaround.

Belangrijkste technologie voor transformatie van energiesysteem

In veel delen van de wereld van vandaag is elektriciteit uit zonnecellen de goedkoopste vorm van energieopwekking. "Europees fotovoltaïsch onderzoek werkt aan talloze concepten om de efficiëntie van deze belangrijke technologie voor de energieturnaround verder te ontwikkelen", zegt prof. Dr. Stefan Glunz, hoofd van de Photovoltaics Research Division. “We werken niet alleen aan het maken van de productie van silicium-zonnecellen nog duurzamer en kosteneffectiever, maar tegelijkertijd zijn we zo nieuwe terrein te breken om het bewezen silicium te leiden in combinatie met andere halfgeleidermaterialen tot zelfs hoge efficiëntie.

Laagstructuur van de III-V/SI Multi-Junction Solar Cell- © Fraunhofer ISE

Laagstructuur van III-V/SI Multi-Junction zonnecel, kwantumefficiëntie en IV-kenmerken onder op 1,5 g spectrale omstandigheden