Nowy rekord ogniw słonecznych – Nowy rekord ogniw słonecznych

Opublikowano: 10 sierpnia 2020 / Aktualizacja z: 17 sierpnia 2020 - Autor: Konrad Wolfenstein

Przełącz na wersję angielską

Wyższa wydajność w tandemie – nowy rekord ogniw słonecznych

W badaniach nad fotowoltaiką trwają intensywne prace nad dalszym zwiększeniem wydajności ogniw słonecznych. Coraz większy nacisk kładzie się na fotowoltaikę tandemową, w której potężne materiały ogniw słonecznych łączy się w różnych kombinacjach, aby jeszcze efektywniej wykorzystywać widmo słoneczne podczas przekształcania światła w energię elektryczną. Fraunhofer ISE odnotował obecnie nowy rekord sprawności wynoszący 25,9% w przypadku tandemowego ogniwa słonecznego III-V/Si hodowanego bezpośrednio na krzemie. Został on po raz pierwszy wyprodukowany na ekonomicznym podłożu krzemowym, co stanowi ważny kamień milowy na drodze do ekonomicznych rozwiązań dla fotowoltaiki tandemowej.

Kilka tandemowych ogniw słonecznych III-V na podłożu krzemowym o średnicy 10 cm - © Fraunhofer ISE - Zdjęcie: Markus Feifel

Instytut Fraunhofera ds. Systemów Energii Słonecznej ISE od wielu lat pracuje nad wieloma ogniwami słonecznymi, w których dwa lub trzy podogniwa są ułożone jedno na drugim w celu przekształcania światła słonecznego o różnych długościach fal w energię elektryczną. Krzem nadaje się jako absorber dla podczerwonej części widma, na który nanoszone są warstwy półprzewodników III-V o grubości kilku mikrometrów, są to materiały z III i V grupy układu okresowego, które przekształcają ultrafiolet, światło widzialne i Światło bliskiej podczerwieni bardziej efektywnie przechodzi na spacer elektryczny. Czyste półprzewodnikowe ogniwa słoneczne III-V są już stosowane w kosmosie i fotowoltaice koncentracyjnej. Dzięki bardziej opłacalnym procesom w połączeniu z krzemem jako najniższym podogniwem technologia tandemowa powinna w przyszłości stać się dostępna także dla szeroko pojętej fotowoltaiki. Jednakże do tego czasu jeszcze długa droga przed nami.

25,9 procent w przypadku tandemowych ogniw słonecznych III-V/Si hodowanych bezpośrednio na krzemie

Istnieją różne podejścia do tworzenia kombinacji ogniw słonecznych III-V i krzemowych. Od 2019 r. Fraunhofer ISE utrzymuje rekord świata wynoszący 34,1% sprawności (obecnie 34,5%) w przypadku tandemowego ogniwa słonecznego, w którym warstwy półprzewodników III-V są przenoszone z podłoża z arsenku galu na krzem, przy czym warstwy przechodzą przez tzw. -tzw. opłatek -Bond są połączone. Technologia ta jest wydajna, ale droga. Dlatego też Fraunhofer ISE od wielu lat pracuje nad bardziej bezpośrednimi procesami produkcyjnymi, w których warstwy III-V są osadzane lub epitaksjyzowane na krzemowym ogniwie słonecznym. Kluczowe jest utrzymanie wysokiej jakości kryształów we wszystkich warstwach – to duże wyzwanie. W przypadku takiego tandemowego ogniwa słonecznego III-V/Si hodowanego bezpośrednio na krzemie osiągnięto nowy rekord świata na poziomie 25,9%. Naukowiec z Fraunhofer ISE, Markus Feifel, mógł niedawno zaprezentować swój sukces na 47. Konferencji Specjalistów IEEE Photovoltaic Specialists Conference, która podobnie jak wiele konferencji odbywa się obecnie w Internecie, i został uhonorowany nagrodą studencką w kategorii hybrydowych tandemowych ogniw słonecznych. „Złożona struktura wewnętrzna ogniwa nie jest widoczna z zewnątrz, ponieważ wszystkie absorbery są ze sobą połączone i elektrycznie połączone dodatkowymi warstwami kryształów” – wyjaśnia młody badacz ogniw słonecznych, który zwiększył wynik swojej pracy z 24,3 do 24,3 25,9 w niecały rok procent może się poprawić. „Sukces ten osiągnięto poprzez wymianę pojedynczej cienkiej warstwy w obrębie wielu ogniw” – wyjaśnia dalej. „Dokładna analiza naszych komórek ujawniła, że ​​warstwa ta stworzyła barierę dla przewodzenia elektrycznego”.

Naukowcy z Fraunhofer rozwijają tę technologię małymi krokami od 2007 roku wspólnie z TU Ilmenau, Philipps Univ. Marburg i firma Aixtron, założono specjalne systemy epitaksji i zbadano każdą pojedynczą warstwę konstrukcji. Prace te zostały sfinansowane przez Federalne Ministerstwo Badań BMBF w ramach projektów „III-V-Si” i „MehrSi”. Szczególną cechą nowego tandemowego ogniwa słonecznego jest to, że warstwy III-V nie zostały wyhodowane na podłożu polerowanym chemicznie-mechanicznie, jak miało to miejsce wcześniej, ale na płytce krzemowej, która po przepiłowaniu kryształu w prostym procesie przy użyciu wyłącznie poddano niedrogiemu procesowi szlifowania i trawienia. W ramach europejskiego projektu „SiTaSol” duńska firma Topsil opracowała te płytki krzemowe, czyniąc tym samym ważny krok w kierunku ekonomicznej produkcji nowych wielozłączowych ogniw słonecznych. W przyszłości celem będzie jeszcze dalsze zwiększenie wydajności i jeszcze szybsze osadzanie warstw, przy większej wydajności, a tym samym bardziej opłacalne, tak aby fotowoltaika tandemowa wniosła istotny wkład w fotowoltaikę niezbędną do transformacji energetyki – może osiągnąć ekspansję.

Kluczowa technologia transformacji energetycznej

Energia elektryczna z ogniw słonecznych jest obecnie najtańszą formą wytwarzania energii w wielu częściach świata. „Europejskie badania nad fotowoltaiką mają w toku wiele koncepcji mających na celu dalszy rozwój wydajności tej kluczowej technologii dla transformacji energetycznej” – mówi prof. dr. Stefan Glunz, Kierownik Działu Fotowoltaiki – Badania. »Nie tylko pracujemy nad tym, aby produkcja krzemowych ogniw słonecznych była jeszcze bardziej zrównoważona i opłacalna, ale jednocześnie badamy nowe sposoby wykorzystania sprawdzonego krzemu w połączeniu z innymi materiałami półprzewodnikowymi w celu osiągnięcia jeszcze wyższej wydajności. Możemy to osiągnąć dzięki fotowoltaice tandemowej. « Fotowoltaika tandemowa nie tylko otwiera drogę do przyszłości wytwarzania energii elektrycznej, te ogniwa słoneczne – ze względu na wyższe napięcie – idealnie nadają się również do elektrolizy, czyli bezpośredniego rozkładu wody na wodór i tlen. Technologia ta przyczynia się zatem również do produkcji wodoru jako urządzenia magazynującego energię i ważnego elementu transformacji energetycznej.

Struktura warstwowa wielozłączowego ogniwa słonecznego III-V/Si – © Fraunhofer ISE

Struktura warstwowa wieloogniwowego ogniwa słonecznego III-V/Si, wydajność kwantowa i charakterystyka IV w warunkach widmowych AM 1,5 g

Wyższa wydajność w tandemie – nowy rekord ogniw słonecznych

Badania nad fotowoltaiką ciężko pracują, aby stale zwiększać wydajność ogniw słonecznych. Coraz większy nacisk kładzie się na fotowoltaikę tandemową, w której wysokowydajne materiały ogniw słonecznych łączy się w różnych kombinacjach, aby jeszcze efektywniej wykorzystywać widmo słoneczne do przekształcania światła w energię elektryczną. Fraunhofer ISE odnotowuje obecnie nowy rekord wydajności wynoszący 25,9 procent w przypadku tandemowego ogniwa słonecznego III-V/Si hodowanego bezpośrednio na krzemie. Po raz pierwszy wyprodukowano go na niedrogim podłożu krzemowym – co stanowi ważny kamień milowy na drodze do ekonomicznych rozwiązań dla fotowoltaiki tandemowej.

Kilka tandemowych ogniw słonecznych III-V na podłożu krzemowym o średnicy 10 cm – © Fraunhofer ISE – Zdjęcie: Markus Feifel

Instytut Fraunhofera ds. Systemów Energii Słonecznej ISE od wielu lat pracuje nad wielozłączowymi ogniwami słonecznymi, w których dwa lub trzy ogniwa częściowe są rozmieszczone jedno nad drugim w celu przetwarzania różnych długości fal światła słonecznego na energię elektryczną. Krzem nadaje się jako absorber dla podczerwonej części widma oraz warstw półprzewodników III-V, materiałów z grup III i V układu okresowego, które efektywniej przekształcają światło ultrafioletowe, widzialne i bliskiej podczerwieni w energię elektryczną osadzoną na na górze. Czyste półprzewodnikowe ogniwa słoneczne III-V są już stosowane w kosmosie i fotowoltaice koncentracyjnej. Dzięki bardziej opłacalnym procesom w połączeniu z krzemem jako najniższym podogniwem technologia tandemowa ma w przyszłości stać się dostępna dla szeroko zakrojonych fotowoltaiki. Jednakże do tego czasu jeszcze długa droga przed nami.

25,9 procent w przypadku tandemowych ogniw słonecznych III-V/Si hodowanych bezpośrednio na krzemie

Istnieją różne podejścia do produkcji kombinacji ogniw słonecznych III-V i krzemowych. Na przykład od 2019 r. w ośrodku Fraunhofer ISE ustanowiono światowy rekord sprawności wynoszący 34,1% (obecnie 34,5%) w przypadku tandemowego ogniwa słonecznego, w którym warstwy półprzewodników III-V są przenoszone z podłoża z arsenku galu na krzem, przy czym warstwy są połączone przez tak zwane wiązanie opłatkowe. Technologia ta jest wydajna, ale droga. Z tego powodu Fraunhofer ISE od wielu lat pracuje nad bardziej bezpośrednimi procesami produkcyjnymi, w których warstwy III-V są osadzane lub epitaksowane na krzemowym ogniwie słonecznym. Kluczowe jest tutaj utrzymanie wysokiej jakości kryształów wszystkich warstw – to duże wyzwanie. W przypadku takiego tandemowego ogniwa słonecznego III-V/Si hodowanego bezpośrednio na krzemie osiągnięto nowy rekord świata na poziomie 25,9%. Naukowiec z Fraunhofer ISE, Markus Feifel, mógł niedawno zaprezentować swój sukces na 47. Konferencji Specjalistów IEEE Photovoltaic Specialists Conference, która podobnie jak wiele obecnych konferencji odbywa się w Internecie, i został uhonorowany nagrodą studencką w kategorii hybrydowe tandemowe ogniwa słoneczne. „Z zewnątrz złożona struktura wewnętrzna ogniwa nie jest widoczna, ponieważ wszystkie absorbery są połączone ze sobą dodatkowymi warstwami kryształu i okablowane elektrycznie” – wyjaśnia młody badacz ogniw słonecznych, dzięki czemu mógł poprawić wynik swojego pracy z 24,3 do 25,9 proc. w niecały rok. „Ten sukces udało się osiągnąć poprzez zastąpienie pojedynczej cienkiej warstwy w wielu komórkach” – kontynuuje. „Dokładna analiza naszych ogniw ujawniła, że ​​warstwa ta stworzyła barierę dla linii energetycznej”.

Od 2007 roku badacze Fraunhofer rozwijają technologię małymi krokami we współpracy z Politechniką w Ilmenau, Philipps Univ. Marburg i firma Aixtron, konfigurując specjalny sprzęt do epitaksji i badając każdą pojedynczą warstwę konstrukcji. Prace te zostały sfinansowane przez niemieckie Federalne Ministerstwo Edukacji i Badań (BMBF) w ramach projektów „III-V-Si” i „MehrSi”. Szczególną cechą nowego tandemowego ogniwa słonecznego jest to, że warstwy III-V nie zostały wyhodowane na chemicznie-mechanicznie wypolerowanym podłożu, jak miało to miejsce wcześniej, ale na płytce krzemowej, która po przepiłowaniu kryształu została poddana obróbce w prostym procesie stosując wyłącznie niedrogie procesy szlifowania i trawienia. W ramach europejskiego projektu „SiTaSol” duńska firma Topsil opracowała te płytki krzemowe i tym samym wykonała ważny krok w kierunku ekonomicznej produkcji nowych wielozłączowych ogniw słonecznych. W przyszłości celem będzie dalsze zwiększenie wydajności, a także jeszcze szybsze osadzanie warstw, z większą wydajnością, a tym samym bardziej opłacalne, tak aby fotowoltaika tandemowa mogła wnieść istotny wkład w rozwój fotowoltaiki niezbędne do zwrotu energii.

Kluczowa technologia transformacji systemu energetycznego

Obecnie w wielu częściach świata energia elektryczna z ogniw słonecznych jest najtańszą formą wytwarzania energii. „Europejskie badania nad fotowoltaiką pracują nad licznymi koncepcjami, które pozwolą na dalszy rozwój wydajności tej kluczowej technologii dla zwrotu energii” – mówi prof. dr. Stefan Glunz, kierownik Działu Badań nad Fotowoltaiką. „Nie tylko pracujemy nad tym, aby produkcja krzemowych ogniw słonecznych była jeszcze bardziej zrównoważona i opłacalna, ale jednocześnie wkraczamy na nowe szlaki, aby doprowadzić sprawdzony krzem w połączeniu z innymi materiałami półprzewodnikowymi do jeszcze wyższej wydajności . Osiągamy to dzięki fotowoltaice tandemowej. Fotowoltaika tandemowa nie tylko otwiera drogę do przyszłości wytwarzania energii, te ogniwa słoneczne – ze względu na wyższe napięcie – idealnie nadają się również do elektrolizy, czyli bezpośredniego rozkładu wody na wodór i tlen. Technologia ta przyczynia się zatem również do produkcji wodoru jako nośnika energii i ważnego elementu przemiany energetycznej.

Struktura warstwowa wielozłączowego ogniwa słonecznego III-V/Si – © Fraunhofer ISE

Struktura warstwowa wielozłączowego ogniwa słonecznego III-V/Si, wydajność kwantowa i charakterystyka IV w warunkach widmowych AM 1,5 g