Novo recorde de células solares – Novo recorde de células solares

Publicado em: 10 de agosto de 2020 / Atualização de: 17 de agosto de 2020 - Autor: Konrad Wolfenstein

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Maior eficiência em conjunto – novo recorde de células solares

A pesquisa fotovoltaica está trabalhando duro para aumentar ainda mais a eficiência das células solares. Cada vez mais, o foco está na energia fotovoltaica tandem, na qual materiais poderosos de células solares são reunidos em diferentes combinações para usar o espectro solar de forma ainda mais eficiente na conversão de luz em energia elétrica. O Fraunhofer ISE registrou agora um novo recorde de eficiência de 25,9% para uma célula solar tandem III-V/Si cultivada diretamente em silício. Ele foi fabricado pela primeira vez em um substrato de silício econômico – um marco importante no caminho para soluções econômicas para energia fotovoltaica tandem.

Várias células solares em tandem III-V em um substrato de silício com diâmetro de 10 cm - © Fraunhofer ISE - Foto: Markus Feifel

O Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energia Solar ISE trabalha há muitos anos em múltiplas células solares, nas quais duas ou três subcélulas são dispostas uma sobre a outra para converter diferentes comprimentos de onda da luz solar em eletricidade. O silício é adequado como absorvedor da parte infravermelha do espectro e sobre ele são aplicadas camadas de semicondutores III-V com alguns micrômetros de espessura, materiais dos grupos III e V da tabela periódica, que convertem ultravioleta, visível e luz infravermelha próxima com mais eficiência em caminhada de eletricidade. Células solares semicondutoras puras III-V já são utilizadas no espaço e em concentradores fotovoltaicos. Através de processos mais económicos em conjunto com o silício como a subcélula mais baixa, a tecnologia tandem também deverá ser tornada acessível à ampla energia fotovoltaica no futuro. No entanto, ainda há um longo caminho a percorrer até lá.

25,9 por cento para células solares em tandem III-V/Si cultivadas diretamente em silício

Existem diferentes abordagens para criar combinações de células solares III-V e de silício. Desde 2019, o Fraunhofer ISE detém o valor recorde mundial de 34,1 por cento de eficiência (agora 34,5 por cento) para uma célula solar tandem na qual as camadas semicondutoras III-V são transferidas de um substrato de arsenieto de gálio para silício, com as camadas passando por um tão -chamado wafer -Bond estão conectados. Esta tecnologia é eficiente, mas cara. Portanto, o Fraunhofer ISE trabalha há muitos anos em processos de fabricação mais diretos, nos quais as camadas III-V são depositadas ou epitaxializadas em uma célula solar de silício. É crucial manter a alta qualidade do cristal em todas as camadas – um grande desafio. Um novo recorde mundial de eficiência de 25,9% foi agora alcançado para uma célula solar tandem III-V/Si cultivada diretamente em silício. O cientista do Fraunhofer ISE, Markus Feifel, pôde recentemente apresentar seu sucesso na 47ª Conferência de Especialistas Fotovoltaicos do IEEE, que, como muitas conferências, está ocorrendo on-line, e foi homenageado com o Student Award na categoria Hybrid Tandem Solar Cells. “A complexa estrutura interna da célula não é visível do exterior porque todos os absorvedores estão conectados entre si e eletricamente conectados por camadas de cristal adicionais”, explica o jovem pesquisador de células solares, que aumentou o resultado de seu trabalho de 24,3 para 25,9% em menos de um ano poderiam melhorar. “Esse sucesso foi alcançado através da substituição de uma única camada fina dentro da célula múltipla”, explica ele ainda. “Uma análise cuidadosa das nossas células revelou que esta camada criou uma barreira à condução elétrica”.

Os pesquisadores do Fraunhofer têm desenvolvido a tecnologia em pequenos passos desde 2007, juntamente com a TU Ilmenau, Philipps Univ. Marburg e a empresa Aixtron, foram montados sistemas especiais de epitaxia e examinadas todas as camadas da estrutura. Esses desenvolvimentos foram financiados pelo Ministério Federal de Pesquisa BMBF como parte dos projetos “III-V-Si” e “MehrSi”. Um destaque especial da nova célula solar tandem é que as camadas III-V não foram cultivadas em um substrato químico-mecanicamente polido, como acontecia anteriormente, mas em uma pastilha de silício, que após serrar o cristal em um processo simples usando apenas processos baratos de moagem e ataque foram tratados. No âmbito do projecto europeu “SiTaSol”, a empresa dinamarquesa Topsil desenvolveu estas pastilhas de silício, dando assim um passo importante para a produção económica das novas células solares de junção múltipla. No futuro, o objectivo será aumentar ainda mais a eficiência e depositar as camadas ainda mais rapidamente, com maior rendimento e, portanto, mais rentável, com o objectivo de que a energia fotovoltaica tandem dê um contributo importante para a energia fotovoltaica necessária para a transição energética - pode alcançar a expansão.

Tecnologia chave para a transição energética

A eletricidade proveniente de células solares é hoje a forma mais barata de geração de energia em muitas partes do mundo. “A investigação fotovoltaica europeia tem numerosos conceitos em curso para desenvolver ainda mais a eficiência desta tecnologia chave para a transição energética”, afirma o Prof. Stefan Glunz, Chefe de Fotovoltaica – Pesquisa. »Não estamos apenas trabalhando para tornar a produção de células solares de silício ainda mais sustentável e econômica, mas ao mesmo tempo estamos explorando novas maneiras de usar o silício comprovado em combinação com outros materiais semicondutores para alcançar eficiências ainda maiores. Podemos conseguir isso com a energia fotovoltaica tandem.« A energia fotovoltaica tandem não só abre o caminho para o futuro da geração de eletricidade, essas células solares - devido à sua voltagem mais alta - também são ideais para eletrólise, a decomposição direta da água em hidrogênio e oxigênio. Esta tecnologia também contribui, portanto, para a produção de hidrogénio como dispositivo de armazenamento de energia e um importante alicerce para a transição energética.

Estrutura de camadas da célula solar de junção múltipla III-V/Si – © Fraunhofer ISE

Estrutura de camadas da célula solar múltipla III-V/Si, eficiência quântica e características IV sob condições espectrais AM 1,5g

Maior eficiência em conjunto – novo recorde de células solares

A pesquisa em energia fotovoltaica está trabalhando arduamente para aumentar continuamente a eficiência das células solares. Cada vez mais, o foco está na energia fotovoltaica tandem, na qual materiais de células solares de alto desempenho são reunidos em diversas combinações, a fim de utilizar o espectro solar de forma ainda mais eficiente na conversão de luz em energia elétrica. O Fraunhofer ISE está relatando agora um novo recorde de eficiência de 25,9% para uma célula solar tandem III-V/Si cultivada diretamente em silício. Pela primeira vez, isto foi produzido num substrato de silício de baixo custo – um marco importante no caminho para soluções económicas para energia fotovoltaica em tandem.

Várias células solares tandem III-V em substrato de silício com 10 cm de diâmetro – © Fraunhofer ISE – Foto: Markus Feifel

O Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energia Solar ISE trabalha há muitos anos em células solares multijunções nas quais duas ou três células parciais são dispostas uma acima da outra para converter diferentes comprimentos de onda da luz solar em eletricidade. O silício é adequado como absorvedor da parte infravermelha do espectro e das camadas de semicondutores III-V, materiais dos grupos III e V da tabela periódica, que convertem com mais eficiência a luz ultravioleta, visível e infravermelha próxima em eletricidade depositada em topo disso. Células solares semicondutoras puras III-V já são utilizadas no espaço e em concentradores fotovoltaicos. Através de processos mais econômicos em combinação com o silício como a subcélula mais baixa, a tecnologia tandem deverá se tornar acessível para a energia fotovoltaica de base ampla no futuro. No entanto, ainda há um longo caminho a percorrer até lá.

25,9 por cento para células solares em tandem III-V/Si cultivadas diretamente em silício

Existem diferentes abordagens para produzir combinações de células solares III-V e de silício. Por exemplo, desde 2019, o Fraunhofer ISE detém o recorde mundial de eficiência de 34,1% (agora 34,5%) para uma célula solar tandem na qual as camadas semicondutoras III-V são transferidas de um substrato de arsenieto de gálio para silício, com as camadas sendo conectadas por uma chamada ligação wafer. Esta tecnologia é eficiente, mas cara. Por esta razão, o Fraunhofer ISE trabalha há muitos anos em processos de fabricação mais diretos, nos quais as camadas III-V são depositadas ou epitaxiadas em uma célula solar de silício. Aqui, é crucial manter uma alta qualidade cristalina de todas as camadas – um grande desafio. Um novo recorde mundial de eficiência de 25,9% foi agora alcançado para uma célula solar tandem III-V/Si cultivada diretamente em silício. O cientista do Fraunhofer ISE, Markus Feifel, pôde recentemente apresentar seu sucesso na 47ª Conferência de Especialistas Fotovoltaicos do IEEE, que, como muitas conferências atualmente, é realizada on-line, e foi homenageado com o Student Award na categoria Hybrid Tandem Solar Cells. “Do lado de fora, a complexa estrutura interna da célula não é visível, uma vez que todos os absorvedores estão conectados entre si por camadas de cristal adicionais e conectados eletricamente”, explica o jovem pesquisador de células solares, que conseguiu assim melhorar o resultado de seu trabalho. trabalham de 24,3 para 25,9 por cento em menos de um ano. “Esse sucesso foi alcançado através da substituição de uma única camada fina dentro das múltiplas células”, continua ele. “Uma análise cuidadosa das nossas células revelou que esta camada criou uma barreira para a linha de energia.”

Em pequenos passos, os investigadores da Fraunhofer têm vindo a desenvolver a tecnologia desde 2007, em colaboração com a Universidade Técnica de Ilmenau, Philipps Univ. Marburg e a empresa Aixtron, montando equipamentos especiais de epitaxia e examinando cada camada da estrutura. Estes desenvolvimentos foram financiados pelo Ministério Federal Alemão de Educação e Pesquisa (BMBF) como parte dos projetos “III-V-Si” e “MehrSi”. Um destaque particular da nova célula solar tandem é que as camadas III-V não foram cultivadas em um substrato quimicamente-mecanicamente polido como acontecia anteriormente, mas em uma pastilha de silício que, após serrar o cristal, foi tratada em um processo simples. usando apenas processos de moagem e gravação baratos. No âmbito do projecto europeu “SiTaSol”, a empresa dinamarquesa Topsil desenvolveu estas pastilhas de silício e assim deu um passo importante para a produção económica das novas células solares multijunções. No futuro, o objectivo será aumentar ainda mais a eficiência e também realizar a deposição das camadas ainda mais rapidamente, com maior rendimento e, portanto, mais rentável, com o objectivo de que a energia fotovoltaica em tandem possa dar um contributo importante para a expansão fotovoltaica. necessário para a recuperação energética.

Tecnologia chave para a transformação do sistema energético

Em muitas partes do mundo hoje, a eletricidade proveniente de células solares é a forma mais barata de geração de energia. “A investigação fotovoltaica europeia está a trabalhar em numerosos conceitos para desenvolver ainda mais a eficiência desta tecnologia chave para a recuperação energética”, afirma o Prof. Stefan Glunz, chefe da Divisão de Pesquisa Fotovoltaica. “Não estamos apenas trabalhando para tornar a produção de células solares de silício ainda mais sustentável e econômica, mas ao mesmo tempo também estamos abrindo novos caminhos para levar o silício comprovado em combinação com outros materiais semicondutores a eficiências ainda mais altas. . Estamos conseguindo isso com energia fotovoltaica tandem. A energia fotovoltaica tandem não só abre o caminho para o futuro da geração de energia, como estas células solares – devido à sua voltagem mais elevada – também são ideais para a eletrólise, a decomposição direta da água em hidrogénio e oxigénio. Esta tecnologia também contribui, assim, para a produção de hidrogénio como meio de armazenamento de energia e um importante alicerce para a recuperação energética.

Estrutura de camadas da célula solar multijunção III-V/Si – © Fraunhofer ISE

Estrutura de camadas da célula solar multijunção III-V/Si, eficiência quântica e características IV sob condições espectrais AM 1,5g