Ny solcellspost - Ny solcellspost

Byt till engelska versionen

Högre effektivitet i kombination – nytt solcellsrekord

Forskning inom solceller arbetar hårt för att kontinuerligt öka solcellers effektivitet. Tandemsolceller får allt större uppmärksamhet. Denna teknik kombinerar högpresterande solcellsmaterial i olika kombinationer för att utnyttja solspektrumet ännu mer effektivt vid omvandling av ljus till elektrisk energi. Fraunhofer ISE har nu uppnått en ny rekordeffektivitet på 25,9 procent för en III-V/Si-tandemsolcell som odlats direkt på kisel. Denna cell producerades för första gången på ett kostnadseffektivt kiselsubstrat – en viktig milstolpe på vägen mot kostnadseffektiva lösningar för tandemsolceller.

 

 

Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE har arbetat med flera solceller i många år, där två eller tre underceller är arrangerade ovanpå varandra för att omvandla olika våglängder för solljus till elektricitet. Silicium är lämplig för den infraröda andelen av spektrumet som absorberare och några få mikrometer av tunna skikt från III-V-Neck-stegar appliceras, dessa är material från grupper III och V i det periodiska systemet, som omvandlar de ultravioletta, synliga och nära infrared ljuset till el. Rena III-V-halvledar solceller används redan i rymd- och koncentratorfotovoltaik. I framtiden kommer tandemteknologi också att göras tillgänglig för breda fotovoltaik genom kostnadseffektiva procedurer i interaktion med kisel som den lägsta undercellen. Fram till dess är det dock fortfarande långt.

25,9 procent för III-V/SI-tandemsolär cell som odlas direkt på Silicium

Det finns olika metoder för att producera kombinationer av III-V- och kiselsolceller. Sedan 2019 har Fraunhofer ISE haft världsrekordet i effektivitet på 34,1 procent (nu 34,5 procent) för en tandemsolcell, där III-V-halvledarskikten överförs från ett galliumarsenidsubstrat till kisel, med skikten sammankopplade med en så kallad waferbindning. Denna teknik är effektiv men dyr. Därför har Fraunhofer ISE i många år arbetat med mer direkta tillverkningsprocesser där III-V-skikten deponeras, eller epitaxiellt odlas, på en kiselsolcell. Att upprätthålla hög kristallkvalitet över alla skikt är avgörande här – en stor utmaning. En ny världsrekordeffektivitet på 25,9 procent har nu uppnåtts för en sådan III-V/Si-tandemsolcell som odlats direkt på kisel. Fraunhofer ISE-forskaren Markus Feifel presenterade nyligen sin framgång vid den 47:e IEEE Photovoltaic Specialists Conference, som, liksom många konferenser som för närvarande hålls online, hedrades med Studentpriset i kategorin Hybrid Tandem Solar Cell. ”Cellens komplexa inre struktur är inte synlig från utsidan, eftersom alla absorbenter är sammankopplade och elektriskt anslutna genom ytterligare kristalllager”, förklarar den unge solcellsforskaren, som därmed kunde förbättra effektiviteten i sitt arbete från 24,3 till 25,9 procent på mindre än ett år. ”Denna framgång uppnåddes genom att ersätta ett enda tunt lager inuti multi-junction-cellen”, fortsätter han. ”En noggrann analys av våra celler avslöjade att detta lager hade skapat en barriär för strömledning.”

I små steg har Fraunhofer -forskarna haft teknik sedan 2007 tillsammans med Tu Ilmenau, Philipps Univ. Marburg och Aixtron -företaget utvecklades vidare, inrättade speciella epitaxi -system och undersökte varje enskilt lager av strukturen. Denna utveckling finansierades av det federala forskningsministeriet BMBF som en del av projekten "III-V-SI" och "Mehrsi". En speciell höjdpunkt i den nya tandemsolcellen är att III-V-skikten inte odlades som vanligt på ett kemiskt mekaniskt polerat substrat, men på en kiselskiva som endast behandlades i en enkel process efter att ha sågat kristallen med användning av billiga slipning och etsningsprocesser. Som en del av det europeiska Sitasol-projektet hade det danska företaget Topsil utvecklat denna kisel-wafer och därmed insett ett viktigt steg mot en ekonomisk produktion av de nya multipla solcellerna. I framtiden kommer det att handla om att öka effektiviteten ytterligare och skilsmässan av lager ännu snabbare, med högre genomströmning och därmed mer kostnadseffektiv, med målet att tandemfotovoltaik kan ge ett viktigt bidrag till den fotovoltaiska perioden som är nödvändig för energiövergången.

Nyckelteknologi för energiövergången

Elektricitet från solceller är nu den billigaste formen av energiproduktion i många delar av världen. ”Europeisk solcellsforskning utvecklar ett flertal koncept för att vidareutveckla effektiviteten hos denna nyckelteknik för energiomställningen”, säger professor Stefan Glunz, chef för solcellsforskning. ”Vi arbetar inte bara med att göra produktionen av kiselsolceller ännu mer hållbar och kostnadseffektiv, utan utforskar också nya sätt att uppnå ännu högre effektivitet med hjälp av beprövad kisel i kombination med andra halvledarmaterial. Vi uppnår detta med tandemsolceller.” Tandemsolceller banar inte bara väg för framtidens elproduktion, utan dessa solceller är också idealiskt lämpade – på grund av sin högre spänning – för elektrolys, direkt nedbrytning av vatten till väte och syre. Denna teknik bidrar därför också till produktionen av väte som energilagringsmedium och en viktig byggsten för energiomställningen.

 

 

Latiostruktur för III-V/SI multipel solcell, kvanteffektivitet och IV-egenskaper under de 1,5 g spektrala förhållandena

Högre effektivitet i kombination – nytt solcellsrekord

Forskning inom solceller arbetar hårt för att kontinuerligt öka effektiviteten hos solceller. Fokus ligger i allt högre grad på tandemsolceller, där högpresterande solcellsmaterial kombineras i olika kombinationer för att ännu mer effektivt använda solspektrumet för att omvandla ljus till elektrisk energi. Fraunhofer ISE rapporterar nu en ny rekordeffektivitet på 25,9 procent för en III-V/Si-tandemsolcell som odlats direkt på kisel. För första gången producerades denna på ett billigt kiselsubstrat – en viktig milstolpe på vägen mot ekonomiska lösningar för tandemsolceller.

 

 

Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE har varit att arbeta i många år på solceller med flera korsningar där två eller tre partiella celler är ordnade över den andra för att omvandla olika våglängder för solljus till elektricitet. Kisel är lämpligt som en absorberare för den infraröda delen av spektrumet och skikt av III-V-halvledare, material från grupper III och V i det periodiska bordet, som omvandlar det ultravioletta, synliga och nära infraröd ljuset mer effektivt till elektricitet, deponeras ovanpå den. Ren III-V halvledar solceller används redan i rymden och i koncentratorfotovoltaik. Genom mer kostnadseffektiva processer i kombination med kisel som den lägsta undercellen ska tandemtekniken göras tillgänglig för bredbaserad fotovoltaik i framtiden. Men det finns fortfarande en lång väg att gå fram till dess.

25,9 procent för III-V/SI-tandemsolceller som odlas direkt på kisel

Det finns olika metoder för att producera kombinationer av III-V- och kiselsolceller. Till exempel har Fraunhofer ISE sedan 2019 haft världsrekordet med 34,1 procents effektivitet (nu 34,5 procent) för en tandemsolcell där III-V-halvledarskikten överförs från ett galliumarsenidsubstrat till kisel, varvid skikten är sammankopplade med en så kallad waferbindning. Denna teknik är effektiv men dyr. Av denna anledning har Fraunhofer ISE i många år arbetat med mer direkta tillverkningsprocesser där III-V-skikten deponeras eller epitaxeras på en kiselsolcell. Här är det avgörande att bibehålla en hög kristallkvalitet i alla skikt – en stor utmaning. En ny världsrekordeffektivitet på 25,9 procent har nu uppnåtts för en sådan III-V/Si-tandemsolcell som odlats direkt på kisel. Fraunhofer ISE-forskaren Markus Feifel kunde nyligen presentera sin framgång vid den 47:e IEEE Photovoltaic Specialists Conference, som liksom många konferenser för närvarande hålls online, och tilldelades studentpriset i kategorin Hybrid Tandem Solar Cells. ”Utifrån är cellens komplexa interna struktur inte synlig, eftersom alla absorbenter är sammankopplade med varandra via ytterligare kristalllager och elektriskt kopplade”, förklarar den unge solcellsforskaren, som därmed kunde förbättra resultatet av sitt arbete från 24,3 till 25,9 procent på mindre än ett år. ”Denna framgång uppnåddes genom att ersätta ett enda tunt lager inom den flera cellen”, fortsätter han. ”En noggrann analys av våra celler visade att detta lager skapade en barriär mot kraftledningen.”

I små steg har Fraunhofer -forskarna utvecklat tekniken vidare sedan 2007 i samarbete med det tekniska universitetet i Ilmenau, Philipps Univ. Marburg och företaget Aixtron, inrättar speciell epitaxutrustning och undersöker varje enskilt lager av strukturen. Avhandlingsutvecklingen finansierades av det tyska federala ministeriet för utbildning och forskning (BMBF) som en del av "III-V-SI" och "Mehrsi" -projekten. En speciell höjdpunkt i den nya tandemsolcellen är att III-V-skikt inte odlades på ett kemiskt mekaniskt polerat underlag som tidigare fallet, men på en kiselskiva som, efter att ha såg kristallen, vad som behandlades i en enkel process med endast billiga slipning och etsningsprocesser. Inom det europeiska projektet ”Sitasol” hade det danska företaget Topsil utvecklat avhandlingssilikonskivor och därmed insett att ett viktigt steg mot ekonomisk produktion av de nya solcellerna med flera korsningar. I framtiden kommer syftet att vara att rökas effektiviteten ytterligare och så att inse avsättningen av skikten ännu snabbare, med hög hög genom och därmed mer kostnadsfektivt, med syftet att tandemfotovoltaik kan ge ett importerat bidrag till den fotovoltaiska expansionen som är nödvändig för energifunktionen.

Nyckelteknologi för energisystemomvandling

I många delar av världen är elektricitet från solceller idag den billigaste formen av energiproduktion. ”Europeisk solcellsforskning arbetar med ett flertal koncept för att vidareutveckla effektiviteten hos denna nyckelteknik för energiomvandlingen”, säger professor Stefan Glunz, chef för forskningsavdelningen för solceller. ”Vi arbetar inte bara med att göra produktionen av kiselsolceller ännu mer hållbar och kostnadseffektiv, utan samtidigt bryter vi ny mark för att leda det beprövade kislet i kombination med andra halvledarmaterial till ännu högre effektivitet. Vi uppnår detta med tandemsolceller. Tandemsolceller öppnar inte bara vägen in i framtidens kraftproduktion, dessa solceller är – på grund av sin högre spänning – också idealiskt lämpade för elektrolys, direkt nedbrytning av vatten till väte och syre. Denna teknik bidrar därmed också till produktionen av väte som energilagringsmedium och en viktig byggsten för energiomvandlingen.”

 

 

Skiktstruktur för III-V/SI Multi-korsning solcell, kvanteffektivitet och IV-egenskaper under på 1,5 g spektrala förhållanden