Nowy rekord ogniw słonecznych – Nowy rekord ogniw słonecznych

Przełącz na wersję angielską

Wyższa wydajność w tandemie – nowy rekord ogniw słonecznych

Badania fotowoltaiczne są intensywnie prowadzone w celu ciągłego zwiększania wydajności ogniw słonecznych. Coraz większym zainteresowaniem cieszy się fotowoltaika tandemowa, w której wysokowydajne materiały ogniw słonecznych są łączone na różne sposoby, aby jeszcze wydajniej wykorzystać widmo słoneczne do konwersji światła na energię elektryczną. Instytut Fraunhofer ISE odnotował nowy rekord sprawności wynoszący 25,9% dla tandemowego ogniwa słonecznego III-V/Si, wyhodowanego bezpośrednio na krzemie. Było to pierwsze ogniwo wyprodukowane na ekonomicznym podłożu krzemowym – ważny kamień milowy na drodze do ekonomicznie opłacalnych rozwiązań dla fotowoltaiki tandemowej.

 

 

Instytut Fraunhofera ds. Systemów Energii Słonecznej (ISE) od wielu lat pracuje nad wielozłączowymi ogniwami słonecznymi, w których dwa lub trzy podogniwa są ułożone jedno na drugim, aby przekształcać światło słoneczne o różnych długościach fal w energię elektryczną. Krzem nadaje się jako absorber dla podczerwonej części widma, a na niego nakładane są cienkie warstwy półprzewodników III-V, o grubości zaledwie kilku mikrometrów. Materiały te należą do grup III i V układu okresowego i efektywniej przekształcają promieniowanie ultrafioletowe, widzialne i bliską podczerwień w energię elektryczną. Czyste półprzewodnikowe ogniwa słoneczne III-V są już wykorzystywane w kosmosie i w fotowoltaice koncentratorowej. Bardziej ekonomiczne procesy, w połączeniu z krzemem jako dolnym podogniwem, mają uczynić tę technologię tandemową dostępną dla powszechnej fotowoltaiki w przyszłości. Jednak przed nami jeszcze długa droga.

25,9 procent dla ogniw słonecznych typu tandem III-V/Si wytwarzanych bezpośrednio z krzemu

Istnieją różne podejścia do produkcji kombinacji ogniw słonecznych III-V i krzemowych. Od 2019 roku Instytut Fraunhofera ISE utrzymuje światowy rekord sprawności wynoszący 34,1% (obecnie 34,5%) dla tandemowego ogniwa słonecznego, w którym warstwy półprzewodnikowe III-V są przenoszone z podłoża z arsenku galu na krzem, a warstwy te są łączone ze sobą za pomocą wiązania waflowego. Technologia ta jest wydajna, ale kosztowna. Dlatego Instytut Fraunhofera ISE od wielu lat pracuje nad bardziej bezpośrednimi procesami produkcyjnymi, w których warstwy III-V są osadzane lub łączone epitaksjalnie na krzemowym ogniwie słonecznym. Utrzymanie wysokiej jakości kryształu we wszystkich warstwach ma tutaj kluczowe znaczenie – jest to duże wyzwanie. Nowy światowy rekord sprawności wynoszący 25,9% został osiągnięty dla tandemowego ogniwa słonecznego III-V/Si hodowanego bezpośrednio na krzemie. Markus Feifel, naukowiec z Fraunhofer ISE, zaprezentował niedawno swój sukces na 47. Konferencji Specjalistów Fotowoltaicznych IEEE, która, podobnie jak wiele innych konferencji, odbywa się obecnie online. Został on 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 połączone elektrycznie kolejnymi warstwami kryształu” – wyjaśnia młody badacz ogniw słonecznych, który w ten sposób w niecały rok poprawił wydajność swojej pracy z 24,3 do 25,9 procent. „Ten sukces został osiągnięty dzięki wymianie pojedynczej cienkiej warstwy wewnątrz wieloogniwa” – kontynuuje. „Dokładna analiza naszych ogniw wykazała, że ​​warstwa ta działała jak bariera dla przewodzenia prądu”.

Od 2007 roku naukowcy z Fraunhofera, wspólnie z Uniwersytetem Technicznym w Ilmenau, Uniwersytetem Philippsa w Marburgu i firmą Aixtron, stopniowo rozwijają tę technologię, budując specjalistyczne systemy epitaksji i badając każdą warstwę struktury. Prace te były finansowane przez Federalne Ministerstwo Edukacji i Badań Naukowych (BMBF) w ramach projektów „III-V-Si” i „MehrSi”. Szczególną zaletą nowego tandemowego ogniwa słonecznego jest to, że warstwy III-V nie były wytwarzane na chemicznie i mechanicznie polerowanym podłożu, jak to było dotychczas normą, lecz na płytce krzemowej. Po przecięciu kryształu, płytka była obrabiana prostym i ekonomicznym procesem szlifowania i trawienia. Duńska firma Topsil opracowała te płytki krzemowe w ramach europejskiego projektu „SiTaSol”, czyniąc tym samym ważny krok w kierunku ekonomicznej produkcji nowych wielozłączowych ogniw słonecznych. W przyszłości nacisk zostanie położony na dalsze zwiększenie wydajności i jeszcze szybsze osadzanie warstw, przy większej przepustowości, a zatem i bardziej opłacalne, przy założeniu, że fotowoltaika tandemowa może wnieść istotny wkład w rozwój fotowoltaiki niezbędny do transformacji energetycznej.

Kluczowa technologia dla transformacji energetycznej

Energia elektryczna z ogniw słonecznych jest obecnie najbardziej opłacalną formą wytwarzania energii w wielu częściach świata. „Europejskie badania fotowoltaiczne pracują nad licznymi koncepcjami mającymi na celu dalszą poprawę efektywności tej kluczowej technologii dla transformacji energetycznej” – mówi prof. dr hab. Stefan Glunz, kierownik ds. badań fotowoltaicznych. „Nie tylko pracujemy nad tym, aby produkcja krzemowych ogniw słonecznych była jeszcze bardziej zrównoważona i opłacalna, ale także poszukujemy nowych możliwości osiągnięcia jeszcze wyższej efektywności dzięki sprawdzonemu krzemowi w połączeniu z innymi materiałami półprzewodnikowymi. Osiągamy to dzięki tandemowym ogniwom fotowoltaicznym”. Tandemowe ogniwa słoneczne nie tylko torują drogę przyszłości wytwarzania energii elektrycznej, ale dzięki wyższemu napięciu idealnie nadają się również do elektrolizy, czyli bezpośredniego rozszczepiania wody na wodór i tlen. Technologia ta przyczynia się zatem również do produkcji wodoru jako nośnika energii i ważnego elementu składowego transformacji energetycznej.

 

 

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

Wyższa wydajność w tandemie – nowy rekord ogniw słonecznych

Badania fotowoltaiczne intensywnie pracują nad ciągłym zwiększaniem wydajności ogniw słonecznych. Coraz większy nacisk kładzie się na fotowoltaikę tandemową, w której wysokowydajne materiały ogniw słonecznych są łączone w różnych kombinacjach, aby jeszcze wydajniej wykorzystać widmo promieniowania słonecznego do konwersji światła na energię elektryczną. Instytut Fraunhofera ISE odnotował nowy rekord sprawności wynoszący 25,9% dla tandemowego ogniwa słonecznego III-V/Si, wyhodowanego bezpośrednio na krzemie. Po raz pierwszy zostało ono wyprodukowane na niedrogim podłożu krzemowym – to ważny krok na drodze do ekonomicznych rozwiązań dla fotowoltaiki tandemowej.

 

 

Instytut Fraunhofera ds. Systemów Energii Słonecznej (ISE) od wielu lat pracuje nad wielozłączowymi ogniwami słonecznymi, w których dwa lub trzy ogniwa częściowe są ułożone jedno nad drugim, aby przekształcać światło słoneczne o różnych długościach fal w energię elektryczną. Krzem nadaje się jako absorber dla podczerwonej części widma, a na nim osadzane są warstwy półprzewodników III-V, materiałów z grup III i V układu okresowego, które efektywniej przekształcają promieniowanie ultrafioletowe, widzialne i bliską podczerwień w energię elektryczną. Czyste ogniwa słoneczne z półprzewodników III-V są już wykorzystywane w kosmosie i w fotowoltaice koncentratorowej. Dzięki bardziej ekonomicznym procesom w połączeniu z krzemem jako najniższym podogniwem, technologia tandemowa ma być w przyszłości dostępna dla szerokiej gamy fotowoltaiki. Jednak do tego czasu wciąż daleka droga.

25,9 procent dla ogniw słonecznych typu tandem III-V/Si hodowanych bezpośrednio na krzemie

Istnieją różne podejścia do produkcji kombinacji ogniw słonecznych III-V i krzemowych. Na przykład, od 2019 roku Fraunhofer ISE utrzymuje światowy rekord sprawności wynoszącej 34,1% (obecnie 34,5%) dla tandemowego ogniwa słonecznego, w którym warstwy półprzewodnikowe III-V są przenoszone z podłoża z arsenku galu na krzem, przy czym warstwy te są połączone tzw. wiązaniem waflowym. Technologia ta jest wydajna, ale kosztowna. 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. W tym przypadku kluczowe jest utrzymanie wysokiej jakości kryształu wszystkich warstw – jest to duże wyzwanie. Nowy światowy rekord sprawności wynoszący 25,9% został właśnie osiągnięty dla takiego tandemowego ogniwa słonecznego III-V/Si hodowanego bezpośrednio na krzemie. Markus Feifel, naukowiec z Fraunhofer ISE, miał niedawno okazję zaprezentować swój sukces na 47. Konferencji Specjalistów Fotowoltaicznych IEEE, która, podobnie jak wiele innych konferencji, odbywa się online, i została uhonorowana Nagrodą Studencką w kategorii Hybrydowe Tandemowe Ogniwa Słoneczne. „Z zewnątrz złożona struktura wewnętrzna ogniwa jest niewidoczna, ponieważ wszystkie absorbery są połączone ze sobą dodatkowymi warstwami kryształu i połączone elektrycznie” – wyjaśnia młody badacz ogniw słonecznych, który w ten sposób poprawił wynik swojej pracy z 24,3 do 25,9 procent w niecały rok. „Ten sukces został osiągnięty dzięki wymianie pojedynczej cienkiej warstwy wewnątrz ogniwa wielowarstwowego” – kontynuuje. „Dokładna analiza naszych ogniw wykazała, że ​​warstwa ta stanowiła barierę dla linii energetycznej”.

Od 2007 roku naukowcy z Fraunhofera małymi krokami rozwijają tę technologię we współpracy z Politechniką Ilmenau, Philipps Univ. Marburg i firmą Aixtron, instalując specjalistyczny sprzęt do epitaksji i badając każdą warstwę struktury. Prace te były finansowane przez niemieckie Federalne Ministerstwo Edukacji i Badań Naukowych (BMBF) w ramach projektów „III-V-Si” i „MehrSi”. Szczególną zaletą nowego tandemowego ogniwa słonecznego jest to, że warstwy III-V nie były hodowane na chemicznie mechanicznie polerowanym podłożu, jak miało to miejsce wcześniej, lecz na płytce krzemowej, która po przecięciu kryształu została poddana prostemu procesowi, wykorzystując jedynie niedrogie procesy szlifowania i trawienia. W ramach europejskiego projektu „SiTaSol” duńska firma Topsil opracowała te płytki krzemowe i w ten sposób wykonała ważny krok w kierunku ekonomicznej produkcji nowych wielozłączowych ogniw słonecznych. W przyszłości celem będzie dalsze zwiększenie wydajności oraz jeszcze szybsze, wydajniejsze i tym samym bardziej ekonomiczne osadzanie warstw, tak aby ogniwa fotowoltaiczne w układzie tandemowym mogły wnieść istotny wkład w rozwój sektora fotowoltaicznego niezbędny do transformacji energetycznej.

Kluczowa technologia dla transformacji systemu energetycznego

W wielu częściach świata energia elektryczna z ogniw słonecznych jest obecnie najtańszą formą wytwarzania energii. „Europejskie badania fotowoltaiczne pracują nad licznymi koncepcjami, aby dalej rozwijać wydajność tej kluczowej technologii dla transformacji energetycznej” – mówi prof. dr Stefan Glunz, kierownik Działu Badań Fotowoltaicznych. „Pracujemy nie tylko nad tym, aby produkcja krzemowych ogniw słonecznych była jeszcze bardziej zrównoważona i opłacalna, ale jednocześnie wyznaczamy nowe trendy, aby doprowadzić sprawdzony krzem w połączeniu z innymi materiałami półprzewodnikowymi do jeszcze wyższej wydajności. Osiągamy to dzięki tandemowej fotowoltaice. Tandemowa fotowoltaika nie tylko otwiera drogę do przyszłości wytwarzania energii, ale te ogniwa słoneczne – dzięki wyższemu napięciu – 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 w transformacji energetycznej”.

 

 

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