Nou record al celulelor solare

Treceți la versiunea în limba engleză

Eficiență mai mare în tandem – un nou record pentru celulele solare

Cercetarea fotovoltaică lucrează cu sârguință pentru a crește continuu eficiența celulelor solare. Fotovoltaica în tandem devine din ce în ce mai populară, unde materialele celulelor solare de înaltă performanță sunt combinate în diverse moduri pentru a utiliza spectrul solar și mai eficient în conversia luminii în energie electrică. Fraunhofer ISE a înregistrat acum o nouă eficiență record de 25,9% pentru o celulă solară în tandem III-V/Si crescută direct pe siliciu. Aceasta a fost prima celulă produsă pe un substrat de siliciu rentabil - o piatră de hotar importantă pe calea către soluții viabile din punct de vedere economic pentru fotovoltaica în tandem.

 

 

Institutul Fraunhofer pentru Sisteme de Energie Solară ISE lucrează de mulți ani la celule solare cu joncțiune multiplă, în care două sau trei subcelule sunt suprapuse una peste alta pentru a converti diferite lungimi de undă ale luminii solare în electricitate. Siliciul este potrivit ca absorbant pentru porțiunea infraroșie a spectrului, iar peste acesta se aplică straturi subțiri de semiconductori III-V, cu o grosime de doar câțiva micrometri. Aceste materiale provin din grupele III și V ale tabelului periodic și convertesc lumina ultravioletă, vizibilă și infraroșie apropiată în electricitate mai eficient. Celulele solare semiconductoare pure III-V sunt deja utilizate în spațiu și în fotovoltaica cu concentrator. Procese mai rentabile, combinate cu siliciu ca subcelulă inferioară, sunt menite să facă această tehnologie tandem accesibilă pentru fotovoltaica pe scară largă în viitor. Cu toate acestea, mai este mult de parcurs.

25,9% pentru celule solare tandem III-V/Si cultivate direct cu siliciu

Există diferite abordări pentru fabricarea combinațiilor de celule solare III-V și din siliciu. Din 2019, Fraunhofer ISE a deținut recordul mondial de eficiență de 34,1% (acum 34,5%) pentru o celulă solară tandem în care straturile semiconductoare III-V sunt transferate de pe un substrat de arseniură de galiu pe siliciu, straturile fiind lipite împreună folosind o legătură pe wafer. Această tehnologie este eficientă, dar costisitoare. Prin urmare, Fraunhofer ISE lucrează de mulți ani la procese de fabricație mai directe în care straturile III-V sunt depuse sau lipite epitaxial pe o celulă solară din siliciu. Menținerea unei calități ridicate a cristalelor în toate straturile este crucială aici - o provocare majoră. Un nou record mondial de eficiență de 25,9% a fost atins pentru o astfel de celulă solară tandem III-V/Si crescută direct pe siliciu. Omul de știință Markus Feifel de la Fraunhofer ISE și-a prezentat recent succesul la cea de-a 47-a ediție a Conferinței Specialiștilor în Fotovoltaică IEEE, care, la fel ca multe alte conferințe din zilele noastre, se desfășoară online, și a fost onorat cu Premiul Studențesc la categoria Celule Solare Tandem Hibride. „Structura internă complexă a celulei nu este vizibilă din exterior, deoarece toți absorbitorii sunt interconectați și conectați electric prin straturi cristaline suplimentare”, explică tânărul cercetător în domeniul celulelor solare, care a reușit astfel să își îmbunătățească eficiența muncii de la 24,3 la 25,9% în mai puțin de un an. „Acest succes a fost obținut prin înlocuirea unui singur strat subțire în cadrul multicelulei”, continuă el. „O analiză atentă a celulelor noastre a relevat că acest strat acționa ca o barieră în calea conducției electrice.”

Din 2007, cercetătorii Fraunhofer, împreună cu Universitatea Tehnică din Ilmenau, Universitatea Philipps din Marburg și compania Aixtron, au dezvoltat treptat tehnologia, construind sisteme specializate de epitaxie și examinând fiecare strat individual al structurii. Aceste dezvoltări au fost finanțate de Ministerul Federal German al Educației și Cercetării (BMBF) în cadrul proiectelor „III-V-Si” și „MehrSi”. Un punct culminant al noii celule solare tandem este faptul că straturile III-V nu au fost crescute pe un substrat lustruit chimic și mecanic, așa cum era normal anterior, ci mai degrabă pe o plachetă de siliciu. După ce cristalul a fost tăiat, placheta a fost tratată folosind un proces simplu și rentabil de măcinare și gravare. Compania daneză Topsil a dezvoltat aceste plachete de siliciu în cadrul proiectului european „SiTaSol”, făcând astfel un pas important către producția economică a noilor celule solare multi-joncțiune. În viitor, accentul se va pune pe creșterea în continuare a eficienței și pe accelerarea depunerii straturilor, cu un randament mai mare și, prin urmare, mai rentabilă, cu scopul ca fotovoltaica în tandem să poată aduce o contribuție importantă la extinderea fotovoltaică necesară pentru tranziția energetică.

Tehnologie cheie pentru tranziția energetică

Electricitatea din celule solare este în prezent cea mai rentabilă formă de generare a energiei în multe părți ale lumii. „Cercetarea europeană în domeniul fotovoltaic lucrează la numeroase concepte pentru a îmbunătăți în continuare eficiența acestei tehnologii cheie pentru tranziția energetică”, spune prof. dr. Stefan Glunz, șeful departamentului de cercetare fotovoltaică. „Nu numai că lucrăm pentru a face producția de celule solare din siliciu și mai sustenabilă și rentabilă, dar explorăm și noi căi pentru a obține eficiențe și mai mari cu siliciu dovedit în combinație cu alte materiale semiconductoare. Realizăm acest lucru cu fotovoltaica în tandem.” Fotovoltaica în tandem nu numai că deschide calea pentru viitorul generării de energie electrică, dar aceste celule solare sunt, de asemenea, ideale – datorită tensiunii lor mai mari – pentru electroliză, descompunerea directă a apei în hidrogen și oxigen. Astfel, această tehnologie contribuie și la producerea de hidrogen ca mediu de stocare a energiei și ca element constitutiv important pentru tranziția energetică.

 

 

Structura stratificată a celulei solare multi-joncțiune III-V/Si, eficiența cuantică și caracteristica IV în condiții spectrale AM ​​1.5g

Eficiență mai mare în tandem – un nou record pentru celulele solare

Cercetarea în domeniul fotovoltaic depune eforturi mari pentru a crește continuu eficiența celulelor solare. Accentul se pune din ce în ce mai mult pe fotovoltaica în tandem, în care materialele celulelor solare de înaltă performanță sunt reunite în diverse combinații pentru a utiliza spectrul solar și mai eficient în transformarea luminii în energie electrică. Fraunhofer ISE raportează acum o nouă eficiență record de 25,9% pentru o celulă solară în tandem III-V/Si crescută direct pe siliciu. Pentru prima dată, aceasta a fost produsă pe un substrat de siliciu cu cost redus - o piatră de hotar importantă pe calea către soluții economice pentru fotovoltaica în tandem.

 

 

Institutul Fraunhofer pentru Sisteme de Energie Solară ISE lucrează de mulți ani la celule solare cu joncțiune multiplă, în care două sau trei celule parțiale sunt aranjate una deasupra celeilalte pentru a converti diferite lungimi de undă ale luminii solare în electricitate. Siliciul este potrivit ca absorbant pentru partea infraroșie a spectrului, iar deasupra acestuia sunt depuse straturi de semiconductori III-V, materiale din grupele III și V ale tabelului periodic, care convertesc lumina ultravioletă, vizibilă și infraroșie apropiată mai eficient în electricitate. Celulele solare semiconductoare pure III-V sunt deja utilizate în spațiu și în fotovoltaica cu concentrator. Prin procese mai rentabile, în combinație cu siliciul ca subcelulă inferioară, tehnologia tandem va deveni accesibilă pentru fotovoltaica pe bază largă în viitor. Cu toate acestea, mai este mult de parcurs până atunci.

25,9% pentru celulele solare tandem III-V/Si cultivate direct pe siliciu

Există diferite abordări pentru a produce combinații de celule solare III-V și de siliciu. De exemplu, din 2019, Fraunhofer ISE deține recordul mondial de eficiență de 34,1% (acum 34,5%) pentru o celulă solară tandem în care straturile semiconductoare III-V sunt transferate de pe un substrat de arseniură de galiu pe siliciu, straturile fiind conectate printr-o așa-numită legătură de tip wafer. Această tehnologie este eficientă, dar costisitoare. Din acest motiv, Fraunhofer ISE lucrează de mulți ani la procese de fabricație mai directe în care straturile III-V sunt depuse sau epitaxiate pe o celulă solară de siliciu. Aici, este crucial să se mențină o calitate ridicată a cristalelor pentru toate straturile - o provocare majoră. Un nou record mondial de eficiență de 25,9% a fost atins pentru o astfel de celulă solară tandem III-V/Si crescută direct pe siliciu. Omul de știință Markus Feifel de la Fraunhofer ISE a putut recent să-și prezinte succesul la cea de-a 47-a ediție a Conferinței IEEE a Specialiștilor în Fotovoltaică, care, la fel ca multe conferințe din prezent, se desfășoară online, și a fost onorat cu Premiul Studențesc la categoria Celule Solare Tandem Hibride. „Din exterior, structura internă complexă a celulei nu este vizibilă, deoarece toți absorbitorii sunt conectați între ei prin straturi cristaline suplimentare și cablați electric”, explică tânărul cercetător în domeniul celulelor solare, care a reușit astfel să îmbunătățească rezultatul muncii sale de la 24,3 la 25,9% în mai puțin de un an. „Acest succes a fost obținut prin înlocuirea unui singur strat subțire în cadrul celulei multiple”, continuă el. „O analiză atentă a celulelor noastre a relevat că acest strat a creat o barieră pentru linia electrică.”

În pași mici, cercetătorii Fraunhofer au dezvoltat tehnologia din 2007, în colaborare cu Universitatea Tehnică din Ilmenau, Universitatea Philipps din Marburg și compania Aixtron, instalând echipamente speciale de epitaxie și examinând fiecare strat al structurii. Aceste dezvoltări au fost finanțate de Ministerul Federal German al Educației și Cercetării (BMBF) ca parte a proiectelor „III-V-Si” și „MehrSi”. Un punct culminant al noii celule solare tandem este faptul că straturile III-V nu au fost crescute pe un substrat lustruit chimic-mecanic, așa cum se întâmpla anterior, ci pe o plachetă de siliciu care, după tăierea cristalului, a fost tratată într-un proces simplu, folosind doar procese ieftine de măcinare și gravare. În cadrul proiectului european „SiTaSol”, compania daneză Topsil a dezvoltat aceste plachete de siliciu și a realizat astfel un pas important către o producție economică a noilor celule solare multi-joncțiune. În viitor, scopul va fi creșterea și mai multă a eficienței și, de asemenea, realizarea depunerii straturilor și mai rapid, cu un randament mai mare și, prin urmare, mai rentabil, cu scopul ca sistemele fotovoltaice în tandem să poată aduce o contribuție importantă la extinderea fotovoltaică necesară pentru redresarea energetică.

Tehnologie cheie pentru transformarea sistemului energetic

În multe părți ale lumii de astăzi, electricitatea din celulele solare este cea mai ieftină formă de generare a energiei. „Cercetarea europeană în domeniul fotovoltaic lucrează la numeroase concepte pentru a dezvolta în continuare eficiența acestei tehnologii cheie pentru redresarea energetică”, spune prof. dr. Stefan Glunz, șeful Diviziei de Cercetare Fotovoltaică. „Nu numai că lucrăm la o producție de celule solare din siliciu și mai sustenabilă și mai rentabilă, dar, în același timp, deschidem noi drumuri pentru a conduce siliciul dovedit în combinație cu alte materiale semiconductoare la eficiențe și mai mari. Realizăm acest lucru cu fotovoltaica în tandem. Fotovoltaica în tandem nu numai că deschide calea către viitorul generării de energie, aceste celule solare - datorită tensiunii lor mai mari - sunt, de asemenea, ideale pentru electroliză, descompunerea directă a apei în hidrogen și oxigen. Această tehnologie contribuie astfel și la producerea de hidrogen ca mediu de stocare a energiei și ca element constitutiv important pentru redresarea energetică.”.

 

 

Structura stratificată a celulei solare multi-joncțiune III-V/Si, eficiența cuantică și caracteristicile IV în condiții spectrale AM ​​1.5g