Новый рекорд солнечных батарей – Новый рекорд солнечных батарей

Опубликовано: 10 августа 2020 г. / Обновлено: 17 августа 2020 г. – Автор: Konrad Wolfenstein

Переключиться на английскую версию

Повышение эффективности в сочетании – новый рекорд для солнечных батарей

В области фотовольтаики ведется активная работа по постоянному повышению эффективности солнечных элементов. Все большее внимание уделяется тандемной фотовольтаике, где высокоэффективные материалы для солнечных элементов комбинируются различными способами для еще более эффективного использования солнечного спектра при преобразовании света в электрическую энергию. Институт Фраунгофера ISE зафиксировал новый рекорд эффективности в 25,9% для тандемного солнечного элемента на основе соединений III-V/Si, выращенного непосредственно на кремнии. Это был первый элемент, произведенный на экономически эффективной кремниевой подложке – важная веха на пути к экономически целесообразным решениям для тандемной фотовольтаики.

Несколько тандемных солнечных элементов на основе соединений III-V на кремниевой подложке диаметром 10 см – © Fraunhofer ISE – Фото: Маркус Файфель

Институт солнечной энергетики им. Фраунгофера (ISE) много лет работает над многослойными солнечными элементами, в которых два или три субэлемента располагаются друг над другом для преобразования различных длин волн солнечного света в электричество. Кремний подходит в качестве поглотителя для инфракрасной части спектра, а поверх него наносятся тонкие слои полупроводников III-V групп толщиной всего несколько микрометров. Эти материалы относятся к группам III и V периодической таблицы и более эффективно преобразуют ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасный свет в электричество. Солнечные элементы на основе чистых полупроводников III-V групп уже используются в космосе и в концентрирующей фотовольтаике. Более экономичные процессы в сочетании с кремнием в качестве нижнего субэлемента призваны сделать эту тандемную технологию доступной для широкого применения в фотовольтаике в будущем. Однако до полного освоения технологии еще далеко.

25,9 процента для тандемных солнечных элементов на основе соединений III-V/Si, выращенных непосредственно на кремнии

Существуют различные подходы к производству комбинированных солнечных элементов на основе полупроводников III-V групп и кремния. С 2019 года Институт Фраунгофера ISE удерживает мировой рекорд эффективности в 34,1% (сейчас 34,5%) для тандемного солнечного элемента, в котором полупроводниковые слои III-V групп переносятся с подложки из арсенида галлия на кремний, а слои соединяются между собой с помощью пластинчатого соединения. Эта технология эффективна, но дорога. Поэтому Институт Фраунгофера ISE много лет работает над более прямыми процессами производства, в которых слои III-V групп осаждаются или эпитаксиально соединяются с кремниевым солнечным элементом. Поддержание высокого качества кристаллов во всех слоях здесь имеет решающее значение – это серьезная задача. Для такого тандемного солнечного элемента III-V/Si, выращенного непосредственно на кремнии, достигнут новый мировой рекорд эффективности в 25,9%. Ученый из Института Фраунгофера ISE Маркус Файфель недавно представил свой успех на 47-й конференции специалистов по фотовольтаике IEEE, которая, как и многие конференции в наши дни, проводится онлайн, и был удостоен студенческой премии в категории «Гибридные тандемные солнечные элементы». «Сложная внутренняя структура элемента не видна снаружи, поскольку все поглотители взаимосвязаны и электрически соединены между собой дополнительными кристаллическими слоями», — объясняет молодой исследователь солнечных элементов, которому удалось повысить эффективность своей работы с 24,3 до 25,9 процента менее чем за год. «Этот успех был достигнут за счет замены одного тонкого слоя внутри многоэлементной структуры», — продолжает он. «Тщательный анализ наших элементов показал, что этот слой действовал как барьер для электропроводности»

С 2007 года исследователи Института Фраунгофера совместно с Техническим университетом Ильменау, Университетом Филиппа в Марбурге и компанией Aixtron постепенно разрабатывали эту технологию, создавая специализированные системы эпитаксии и изучая каждый отдельный слой структуры. Эти разработки финансировались Федеральным министерством образования и науки Германии (BMBF) в рамках проектов «III-V-Si» и «MehrSi». Особое значение новой тандемной солнечной батареи имеет то, что слои III-V групп выращивались не на химически и механически полированной подложке, как это было принято ранее, а на кремниевой пластине. После распиловки кристалла пластина обрабатывалась с помощью простого и экономичного процесса шлифовки и травления. Датская компания Topsil разработала эти кремниевые пластины в рамках европейского проекта «SiTaSol», сделав тем самым важный шаг к экономичному производству новых многопереходных солнечных элементов. В будущем основное внимание будет уделено дальнейшему повышению эффективности и ускорению процесса нанесения слоев, увеличению производительности и, следовательно, снижению затрат, с целью внесения существенного вклада в развитие фотоэлектрической энергетики, необходимое для энергетического перехода.

Ключевые технологии для энергетического перехода

В настоящее время электроэнергия, получаемая от солнечных батарей, является наиболее экономически эффективным способом производства энергии во многих частях мира. «Европейские исследования в области фотовольтаики работают над многочисленными концепциями для дальнейшего повышения эффективности этой ключевой технологии для энергетического перехода», — говорит профессор Стефан Глунц, руководитель отдела исследований в области фотовольтаики. «Мы работаем не только над тем, чтобы сделать производство кремниевых солнечных элементов еще более экологичным и экономически эффективным, но и изучаем новые пути достижения еще более высокой эффективности с использованием проверенного кремния в сочетании с другими полупроводниковыми материалами. Мы достигаем этого с помощью тандемных фотоэлементов». Тандемные фотоэлементы не только открывают путь в будущее производства электроэнергии, но и идеально подходят — благодаря более высокому напряжению — для электролиза, прямого расщепления воды на водород и кислород. Таким образом, эта технология также способствует производству водорода как носителя энергии и важного элемента для энергетического перехода.

Слоистая структура многопереходного солнечного элемента III-V/Si – © Fraunhofer ISE

Структура слоев многопереходного солнечного элемента III-V/Si, квантовая эффективность и вольт-амперные характеристики в условиях спектра AM 1.5g

Повышение эффективности в сочетании – новый рекорд для солнечных батарей

Исследования в области фотовольтаики активно работают над постоянным повышением эффективности солнечных элементов. Все большее внимание уделяется тандемным фотоэлектрическим системам, в которых высокоэффективные материалы для солнечных элементов объединяются в различных комбинациях для еще более эффективного использования солнечного спектра при преобразовании света в электрическую энергию. Институт Фраунгофера ISE сообщает о новом рекордном показателе эффективности в 25,9% для тандемного солнечного элемента III-V/Si, выращенного непосредственно на кремнии. Впервые этот элемент был получен на недорогой кремниевой подложке – важная веха на пути к экономичным решениям для тандемных фотоэлектрических систем.

Несколько тандемных солнечных элементов на основе соединений III-V на кремниевой подложке диаметром 10 см – © Fraunhofer ISE – Фото: Маркус Файфель

Институт солнечной энергетики им. Фраунгофера (ISE) много лет работает над многослойными солнечными элементами, в которых два или три частичных элемента расположены один над другим для преобразования различных длин волн солнечного света в электричество. Кремний подходит в качестве поглотителя для инфракрасной части спектра, а поверх него наносятся слои полупроводников III-V групп, материалов из III и V групп периодической таблицы, которые более эффективно преобразуют ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасный свет в электричество. Солнечные элементы на основе чистых полупроводников III-V групп уже используются в космосе и в концентрирующей фотовольтаике. Благодаря более экономичным процессам в сочетании с кремнием в качестве нижнего субэлемента, тандемная технология в будущем должна стать доступной для широкого спектра фотоэлектрических систем. Однако до этого еще долгий путь.

25,9 процента для тандемных солнечных элементов III-V/Si, выращенных непосредственно на кремнии

Существуют различные подходы к созданию комбинированных солнечных элементов на основе полупроводников III-V групп и кремния. Например, с 2019 года Институт Фраунгофера ISE удерживает мировой рекорд эффективности в 34,1% (сейчас 34,5%) для тандемного солнечного элемента, в котором полупроводниковые слои III-V групп переносятся с подложки из арсенида галлия на кремний, а слои соединяются так называемым методом «склеивания пластин». Эта технология эффективна, но дорога. По этой причине Институт Фраунгофера ISE много лет работает над более прямыми процессами производства, в которых слои III-V групп осаждаются или эпитаксиально на кремниевый солнечный элемент. Здесь крайне важно поддерживать высокое качество кристаллов всех слоев – это серьезная задача. Для такого тандемного солнечного элемента III-V/Si, выращенного непосредственно на кремнии, был достигнут новый мировой рекорд эффективности в 25,9%. Ученый из Института Фраунгофера ISE Маркус Файфель недавно представил свой успех на 47-й конференции специалистов по фотовольтаике IEEE, которая, как и многие конференции в настоящее время, проводится онлайн, и был удостоен студенческой премии в категории «Гибридные тандемные солнечные элементы». «Снаружи сложная внутренняя структура элемента не видна, поскольку все поглотители соединены друг с другом дополнительными кристаллическими слоями и электрически связаны», — объясняет молодой исследователь солнечных элементов, которому удалось улучшить результат своей работы с 24,3 до 25,9 процента менее чем за год. «Этот успех был достигнут за счет замены одного тонкого слоя внутри многоэлементной структуры», — продолжает он. «Тщательный анализ наших элементов показал, что этот слой создавал барьер для линии электропередачи»

Начиная с 2007 года, исследователи Института Фраунгофера постепенно развивают эту технологию в сотрудничестве с Техническим университетом Ильменау, Университетом Филиппа в Марбурге и компанией Aixtron, устанавливая специальное эпитаксиальное оборудование и исследуя каждый отдельный слой структуры. Эти разработки финансировались Федеральным министерством образования и науки Германии (BMBF) в рамках проектов «III-V-Si» и «MehrSi». Особое значение новой тандемной солнечной батареи имеет то, что слои III-V групп выращивались не на химико-механически полированной подложке, как это было раньше, а на кремниевой пластине, которая после распиловки кристалла обрабатывалась простым способом с использованием только недорогих процессов шлифовки и травления. В рамках европейского проекта «SiTaSol» датская компания Topsil разработала эти кремниевые пластины и таким образом сделала важный шаг к экономичному производству новых многопереходных солнечных элементов. В будущем цель будет заключаться в дальнейшем повышении эффективности, а также в ускорении процесса нанесения слоев, увеличении производительности и, следовательно, снижении затрат, с целью внесения существенного вклада в развитие фотоэлектрической энергетики, необходимое для энергетического перехода.

Ключевые технологии для трансформации энергетической системы

Сегодня во многих частях мира электроэнергия, получаемая от солнечных батарей, является самым дешевым способом производства энергии. «Европейские исследования в области фотовольтаики работают над многочисленными концепциями для дальнейшего повышения эффективности этой ключевой технологии для энергетического перехода», — говорит профессор Стефан Глунц, руководитель отдела исследований в области фотовольтаики. «Мы работаем не только над тем, чтобы сделать производство кремниевых солнечных элементов еще более экологичным и экономически эффективным, но и одновременно открываем новые горизонты, чтобы вывести проверенный кремний в сочетании с другими полупроводниковыми материалами на еще более высокий уровень эффективности. Мы достигаем этого с помощью тандемных фотоэлементов. Тандемные фотоэлементы не только открывают путь в будущее производства электроэнергии, но и, благодаря своему более высокому напряжению, идеально подходят для электролиза — прямого разложения воды на водород и кислород. Таким образом, эта технология также способствует производству водорода в качестве накопителя энергии и важного элемента для энергетического перехода».

Слоистая структура многопереходного солнечного элемента III-V/Si – © Fraunhofer ISE

Структура слоев многослойного солнечного элемента III-V/Si, квантовая эффективность и вольт-амперные характеристики в условиях спектра AM 1.5g