Novo registro de células solares – novo registro de células solares

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Maior eficiência em conjunto – novo recorde de células solares

A pesquisa fotovoltaica está empenhada em aumentar continuamente a eficiência das células solares. A energia fotovoltaica em tandem vem ganhando cada vez mais atenção. Essa tecnologia combina materiais de células solares de alto desempenho em diversas combinações para utilizar o espectro solar de forma ainda mais eficiente na conversão de luz em energia elétrica. O Fraunhofer ISE atingiu um novo recorde de eficiência de 25,9% para uma célula solar tandem III-V/Si cultivada diretamente em silício. Esta célula foi produzida pela primeira vez em um substrato de silício de baixo custo – um marco importante no caminho para soluções econômicas para energia fotovoltaica em tandem.

 

 

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. São 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 várias abordagens para produzir combinações de células solares III-V e de silício. 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 o silício, com as camadas conectadas por uma chamada ligação wafer. Essa tecnologia é eficiente, mas cara. Portanto, o Fraunhofer ISE vem trabalhando há muitos anos em processos de fabricação mais diretos, nos quais as camadas III-V são depositadas, ou cultivadas epitaxialmente, em uma célula solar de silício. Manter a alta qualidade do cristal em todas as camadas é crucial aqui – um grande desafio. Um novo recorde mundial de eficiência de 25,9% foi alcançado para uma célula solar tandem III-V/Si cultivada diretamente em silício. O cientista do Fraunhofer ISE, Markus Feifel, apresentou recentemente seu sucesso na 47ª Conferência de Especialistas em Fotovoltaica do IEEE, que, como muitas conferências atualmente realizadas online, foi agraciada com o Prêmio de Estudante na categoria Célula Solar Híbrida Tandem. "A complexa estrutura interna da célula não é visível do exterior, pois todos os absorvedores estão interconectados e eletricamente conectados por camadas de cristal adicionais", explica o jovem pesquisador de células solares, que conseguiu, assim, aumentar a eficiência de seu trabalho de 24,3% para 25,9% em menos de um ano. "Esse sucesso foi alcançado pela substituição de uma única camada fina dentro da célula multijunção", continua. "Uma análise cuidadosa de nossas células revelou que essa camada havia criado uma barreira à condução de corrente."

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 a partir de células solares é atualmente a forma mais barata de geração de energia em muitas partes do mundo. "A pesquisa europeia em energia fotovoltaica está desenvolvendo inúmeros conceitos para aprimorar ainda mais a eficiência dessa tecnologia essencial para a transição energética", afirma o Prof. Dr. Stefan Glunz, Chefe de Pesquisa – . "Não estamos apenas trabalhando para tornar a produção de células solares de silício ainda mais sustentável e econômica, mas também explorando novas maneiras de alcançar eficiências ainda maiores usando silício comprovado em combinação com outros materiais semicondutores. Estamos alcançando isso com a energia fotovoltaica em tandem." A energia fotovoltaica em tandem não apenas abre caminho para o futuro da geração de eletricidade, mas essas células solares também são ideais – devido à sua maior voltagem – para eletrólise, a decomposição direta de água em hidrogênio e oxigênio. Essa tecnologia, portanto, também contribui para a produção de hidrogênio como meio de armazenamento de energia e um importante componente para a transição energética.

 

 

Estrutura de camadas da célula solar multijunção 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 empenhada em 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 para utilizar o espectro solar de forma ainda mais eficiente na conversão de luz em energia elétrica. O Fraunhofer ISE relata um novo recorde de eficiência de 25,9% para uma célula solar tandem III-V/Si cultivada diretamente em silício. Pela primeira vez, a célula foi produzida em um substrato de silício de baixo custo – um marco importante no caminho para soluções econômicas para energia fotovoltaica tandem.

 

 

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 34,1% de eficiência (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 o silício, com as camadas sendo conectadas por uma chamada ligação de wafer. Essa tecnologia é eficiente, mas cara. Por esse motivo, o Fraunhofer ISE vem trabalhando 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 alcançado para uma célula solar tandem III-V/Si cultivada diretamente em silício. O cientista do Fraunhofer ISE, Markus Feifel, apresentou recentemente seu sucesso na 47ª Conferência de Especialistas em Fotovoltaica do IEEE, que, como muitas conferências atuais, é realizada online, e foi agraciado com o Prêmio de Estudante na categoria Células Solares Híbridas em Tandem. "De fora, a complexa estrutura interna da célula não é visível, já que todos os absorvedores estão conectados uns aos outros por camadas de cristal adicionais e eletricamente conectados", explica o jovem pesquisador de células solares, que conseguiu, assim, melhorar o resultado de seu trabalho de 24,3% para 25,9% em menos de um ano. "Esse sucesso foi alcançado pela substituição de uma única camada fina dentro da célula múltipla", continua ele. "Uma análise cuidadosa de nossas células revelou que essa camada criava uma barreira à linha de energia."

Em pequenos passos, os pesquisadores de Fraunhofer desenvolvem ainda mais a tecnologia desde 2007 em colaboração com a Universidade Técnica de Ilmenau, Philipps Univ. Marburg e a empresa Aixtron, criando equipamentos de epitaxia especiais e examinando todas as camadas da estrutura. Os desenvolvimentos da tese foram financiados pelo Ministério Federal de Educação e Pesquisa Alemão (BMBF) como parte dos projetos “III-V-Si” e “Mehrsi”. Um destaque particular da nova célula solar em tandem é que as camadas III-V não foram cultivadas em um substrato químico mecânico polido como anteriormente, mas em uma bolacha de silício que, depois de serra o cristal, o que tratou em um processo simples usando apenas uma moagem barata e Processos de gravação. Dentro do projeto europeu "Setasol", a empresa dinamarquesa Topsil havia desenvolvido bolachas de silício de tese e, assim, percebeu um passo importante em direção à produção econômica das novas células solares de junção multi-junção. No futuro, o objetivo será incensar ainda mais e, portanto, realizar o depoimento das camadas ainda mais rápido, com alto alto e, portanto, mais custa-de forma-de forma futiva, com o objetivo de que os fotovoltaicos em tandem possam fazer uma contribuição importada para a expansão fotovoltaica Necessário para a reviravolta de energia.

Tecnologia chave para a transformação do sistema energético

Em muitas partes do mundo, atualmente, a eletricidade proveniente de células solares é a forma mais barata de geração de energia. “A pesquisa fotovoltaica europeia está trabalhando em diversos conceitos para desenvolver ainda mais a eficiência dessa tecnologia essencial para a transição energética”, afirma o Prof. Dr. 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 inovando para levar o silício, em combinação com outros materiais semicondutores, a eficiências ainda maiores. Estamos alcançando isso com a energia fotovoltaica em tandem. A energia fotovoltaica em tandem não apenas abre caminho para o futuro da geração de energia, como essas células solares – devido à sua maior voltagem – também são ideais para eletrólise, a decomposição direta da água em hidrogênio e oxigênio. Essa tecnologia também contribui para a produção de hidrogênio como meio de armazenamento de energia e um importante componente para a transição energética.

 

 

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