Nieuw zonnecelrecord – Nieuw zonnecelrecord

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.

 

 

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 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."

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 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 – 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 – – 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.

 

 

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 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.

 

 

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