Нови рекорд соларних ћелија

Објављено: 10. августа 2020. / Ажурирано: 17. августа 2020. – Аутор: Konrad Wolfenstein

Пређи на енглеску верзију

Већа ефикасност у тандему – нови рекорд соларних ћелија

Фотонапонска истраживања марљиво раде на континуираном повећању ефикасности соларних ћелија. Тандем фотонапонски системи све више долазе у фокус, где се високо ефикасни материјали за соларне ћелије комбинују на различите начине како би се још ефикасније искористио соларни спектар у конверзији светлости у електричну енергију. Фраунхоферов ISE је сада забележио нови рекорд ефикасности од 25,9 процената за III-V/Si тандем соларну ћелију узгајану директно на силицијуму. Ово је била прва ћелија произведена на исплативој силицијумској подлози – важна прекретница на путу ка економски исплативим решењима за тандем фотонапонске системе.

Неколико III-V тандемских соларних ћелија на силицијумској подлози пречника 10 цм – © Fraunhofer ISE – Фотографија: Маркус Фајфел

Фраунхоферов институт за системе соларне енергије (ISE) већ дуги низ година ради на вишеспојним соларним ћелијама, у којима су две или три подћелије наслагане једна на другу како би се различите таласне дужине сунчеве светлости претвориле у електричну енергију. Силицијум је погодан као апсорбер за инфрацрвени део спектра, а преко њега се наносе танки слојеви полупроводника III-V класе, дебљине само неколико микрометара. Ови материјали су из групе III и V периодног система елемената и ефикасније претварају ултраљубичасту, видљиву и блиску инфрацрвену светлост у електричну енергију. Чисте полупроводничке соларне ћелије III-V класе се већ користе у свемиру и у концентраторским фотонапонским системима. Исплативији процеси, у комбинацији са силицијумом као доњом подћелијом, имају за циљ да ову тандем технологију учине доступном за широко распрострањене фотонапонске системе у будућности. Међутим, још увек је дуг пут пред нама.

25,9 процената за директно силицијумски узгојену III-V/Si тандемску соларну ћелију

Постоје различити приступи производњи комбинација III-V и силицијумских соларних ћелија. Од 2019. године, Фраунхоферов ISE држи светски рекорд ефикасности од 34,1 одсто (сада 34,5 одсто) за тандемску соларну ћелију у којој се III-V полупроводнички слојеви преносе са подлоге галијум арсенида на силицијум, при чему се слојеви спајају помоћу везивања плочице. Ова технологија је ефикасна, али скупа. Стога, Фраунхоферов ISE већ дуги низ година ради на директнијим производним процесима у којима се III-V слојеви таложе или епитаксијално везују на силицијумску соларну ћелију. Одржавање високог квалитета кристала у свим слојевима је овде кључно – велики изазов. Сада је постигнут нови светски рекорд ефикасности од 25,9 одсто за такву III-V/Si тандемску соларну ћелију узгајану директно на силицијуму. Научник са Фраунхоферовог ИСЕ-а, Маркус Фајфел, недавно је представио свој успех на 47. ИЕЕЕ конференцији специјалиста за фотонапонске системе, која се, као и многе конференције ових дана, одржава онлајн, и награђен је Студентском наградом у категорији Хибридне тандемске соларне ћелије. „Сложена унутрашња структура ћелије није видљива споља, јер су сви апсорбери међусобно повезани и електрично повезани даљим кристалним слојевима“, објашњава млади истраживач соларних ћелија, који је тако успео да побољша ефикасност свог рада са 24,3 на 25,9 процената за мање од годину дана. „Овај успех је постигнут заменом једног танког слоја унутар вишећелије“, наставља он. „Пажљива анализа наших ћелија открила је да је овај слој деловао као баријера електричној проводљивости.“

Од 2007. године, истраживачи Фраунхофера, заједно са Техничким универзитетом у Илменау, Универзитетом Филипс у Марбургу и компанијом Aixtron, постепено развијају технологију, градећи специјализоване системе епитаксе и испитујући сваки појединачни слој структуре. Овај развој финансирало је немачко Савезно министарство образовања и истраживања (BMBF) у оквиру пројеката „III-V-Si“ и „MehrSi“. Посебна карактеристика нове тандем соларне ћелије је то што III-V слојеви нису узгајани на хемијски и механички полираној подлози, као што је раније била норма, већ на силицијумској плочици. Након што је кристал исечен, плочица је обрађена једноставним, исплативим поступком брушења и нагризања. Данска компанија Topsil развила је ове силицијумске плочице у оквиру европског пројекта „SiTaSol“, чиме је направљен важан корак ка економичној производњи нових вишеспојних соларних ћелија. У будућности, фокус ће бити на даљем повећању ефикасности и још бржем наношењу слојева, са већим протоком и самим тим исплативијим, са циљем да тандем фотонапонски системи могу дати важан допринос ширењу фотонапонског система неопходном за енергетску транзицију.

Кључна технологија за енергетску транзицију

Електрична енергија из соларних ћелија тренутно је најисплативији облик производње енергије у многим деловима света. „Европска истраживања фотонапонског система раде на бројним концептима како би додатно побољшали ефикасност ове кључне технологије за енергетску транзицију“, каже проф. др Стефан Глунц, шеф истраживања фотонапонског система. „Не само да радимо на томе да производња силицијумских соларних ћелија буде још одрживија и исплативија, већ истражујемо нове путеве за постизање још веће ефикасности са доказаним силицијумом у комбинацији са другим полупроводничким материјалима. То постижемо тандемским фотонапонским системима.“ Тандемски фотонапонски системи не само да отварају пут будућности производње електричне енергије, већ су ове соларне ћелије идеално прилагођене – због свог већег напона – и за електролизу, директно разлагање воде на водоник и кисеоник. Ова технологија тако доприноси и производњи водоника као медијума за складиштење енергије и важног градивног блока за енергетску транзицију.

Слојна структура вишеспојне III-V/Si соларне ћелије – © Fraunhofer ISE

Слојна структура III-V/Si вишеспојне соларне ћелије, квантна ефикасност и IV карактеристика под спектралним условима AM 1.5g

Већа ефикасност у тандему – нови рекорд соларних ћелија

Истраживања у области фотонапонских система вредно раде на континуираном повећању ефикасности соларних ћелија. Све више се фокусира на тандемске фотонапонске системе, у којима се високо ефикасни материјали соларних ћелија комбинују у различитим комбинацијама како би се соларни спектар још ефикасније користио у претварању светлости у електричну енергију. Фраунхоферов ISE сада извештава о новој рекордној ефикасности од 25,9 процената за III-V/Si тандемску соларну ћелију узгајану директно на силицијуму. По први пут, ово је произведено на јефтиној силицијумској подлози – важна прекретница на путу ка економичним решењима за тандемске фотонапонске системе.

Неколико III-V тандемских соларних ћелија на силицијумској подлози пречника 10 цм – © Fraunhofer ISE – Фотографија: Маркус Фајфел

Фраунхоферов институт за системе соларне енергије (ISE) већ годинама ради на вишеспојним соларним ћелијама у којима су две или три делимичне ћелије распоређене једна изнад друге како би претвориле различите таласне дужине сунчеве светлости у електричну енергију. Силицијум је погодан као апсорбер за инфрацрвени део спектра, а слојеви III-V полупроводника, материјала из III и V група периодног система елемената, који ефикасније претварају ултраљубичасту, видљиву и блиску инфрацрвену светлост у електричну енергију, наносе се на њега. Чисте III-V полупроводничке соларне ћелије се већ користе у свемиру и у концентраторским фотонапонским системима. Кроз исплативије процесе у комбинацији са силицијумом као најнижом подћелијом, тандем технологија ће у будућности бити доступна за широко распрострањене фотонапонске системе. Међутим, до тада је још дуг пут.

25,9 процената за III-V/Si тандемске соларне ћелије узгајане директно на силицијуму

Постоје различити приступи за производњу комбинација III-V и силицијумских соларних ћелија. На пример, од 2019. године, Фраунхофер ИСЕ држи светски рекорд од 34,1% ефикасности (сада 34,5%) за тандемску соларну ћелију у којој се III-V полупроводнички слојеви преносе са подлоге галијум арсенида на силицијум, при чему су слојеви повезани такозваном везом плочице. Ова технологија је ефикасна, али скупа. Из тог разлога, Фраунхофер ИСЕ већ дуги низ година ради на директнијим производним процесима у којима се III-V слојеви таложе или епитаксирају на силицијумску соларну ћелију. Овде је кључно одржати висок квалитет кристала свих слојева – што је велики изазов. Сада је постигнут нови светски рекорд ефикасности од 25,9% за такву III-V/Si тандемску соларну ћелију узгајану директно на силицијуму. Научник са Фраунхоферовог ИСЕ-а, Маркус Фајфел, недавно је могао да представи свој успех на 47. ИЕЕЕ конференцији специјалиста за фотонапонске системе, која се, као и многе конференције данас, одржава онлајн, и награђен је Студентском наградом у категорији Хибридне тандемске соларне ћелије. „Споља, сложена унутрашња структура ћелије није видљива, јер су сви апсорбери међусобно повезани додатним кристалним слојевима и електрично повезани“, објашњава млади истраживач соларних ћелија, који је тако успео да побољша резултат свог рада са 24,3 на 25,9 процената за мање од годину дана. „Овај успех је постигнут заменом једног танког слоја унутар вишеструке ћелије“, наставља он. „Пажљива анализа наших ћелија открила је да је овај слој створио баријеру за далековод.“

Истраживачи са Фраунхофера, у малим корацима, даље развијају технологију од 2007. године у сарадњи са Техничким универзитетом у Илменау, Универзитетом Филипс у Марбургу и компанијом Aixtron, постављајући посебну опрему за епитаксију и испитујући сваки слој структуре. Овај развој финансирало је немачко Савезно министарство образовања и истраживања (BMBF) у оквиру пројеката „III-V-Si“ и „MehrSi“. Посебна карактеристика нове тандем соларне ћелије је то што III-V слојеви нису узгајани на хемијски-механички полираној подлози као што је раније био случај, већ на силицијумској плочици која је, након сечења кристала, обрађена једноставним поступком користећи само јефтине процесе брушења и нагризања. У оквиру европског пројекта „SiTaSol“, данска компанија Topsil развила је ове силицијумске плочице и тиме остварила важан корак ка економској производњи нових вишеспојних соларних ћелија. У будућности, циљ ће бити да се ефикасност још више повећа, а такође и да се наношење слојева оствари још брже, са већим протоком и тиме исплативијим, са циљем да тандем фотонапонски системи могу дати важан допринос експанзији фотонапонског система неопходној за енергетски преокрет.

Кључна технологија за трансформацију енергетског система

У многим деловима света данас, електрична енергија из соларних ћелија је најјефтинији облик производње енергије. „Европска истраживања у области фотонапонске енергије раде на бројним концептима како би даље развила ефикасност ове кључне технологије за енергетски преокрет“, каже проф. др Стефан Глунц, шеф Одељења за истраживање фотонапонске енергије. „Не само да радимо на томе да производња силицијумских соларних ћелија буде још одрживија и исплативија, већ истовремено отварамо нове путеве како бисмо доказани силицијум у комбинацији са другим полупроводничким материјалима довели до још веће ефикасности. То постижемо тандемским фотонапонским системима. Тандемски фотонапонски системи не само да отварају пут у будућност производње електричне енергије, већ су ове соларне ћелије - због свог већег напона - идеално погодне и за електролизу, директно разлагање воде на водоник и кисеоник. Ова технологија тако доприноси и производњи водоника као медијума за складиштење енергије и важног градивног блока за енергетски преокрет.“.

Слојна структура вишеспојне III-V/Si соларне ћелије – © Fraunhofer ISE

Слојна структура III-V/Si вишеспојне соларне ћелије, квантна ефикасност и IV карактеристике под спектралним условима AM 1.5g