Ny solcellspost - Ny solcellspost

Publicerad den: 10 augusti 2020 / Uppdaterad den: 17 augusti 2020 – Författare: Konrad Wolfenstein

Växla till engelsk version

Högre effektivitet i kombination – nytt solcellsrekord

Forskning inom solceller arbetar flitigt för att kontinuerligt öka effektiviteten hos solceller. Tandemsolceller hamnar alltmer i fokus, där högpresterande solcellsmaterial kombineras på olika sätt för att utnyttja solspektrumet ännu mer effektivt vid omvandling av ljus till elektrisk energi. Fraunhofer ISE har nu registrerat en ny rekordeffektivitet på 25,9 procent för en III-V/Si-tandemsolcell odlad direkt på kisel. Detta var den första cellen som producerades på ett kostnadseffektivt kiselsubstrat – en viktig milstolpe på vägen mot ekonomiskt hållbara lösningar för tandemsolceller.

Flera III-V tandemsolceller på ett kiselsubstrat med 10 cm diameter – © Fraunhofer ISE – Foto: Markus Feifel

Fraunhofer-institutet för solenergisystem (ISE) har i många år arbetat med multi-junction solceller, där två eller tre delceller staplas ovanpå varandra för att omvandla olika våglängder av solljus till elektricitet. Kisel är lämpligt som absorber för den infraröda delen av spektrumet, och tunna lager av III-V-halvledare, bara några mikrometer tjocka, appliceras ovanpå det. Dessa material kommer från grupperna III och V i det periodiska systemet och omvandlar ultraviolett, synligt och nära infrarött ljus till elektricitet mer effektivt. Rena III-V-halvledarsolceller används redan i rymden och i koncentratorsolceller. Mer kostnadseffektiva processer, i kombination med kisel som bottendelcell, är avsedda att göra denna tandemteknik tillgänglig för utbredd solcellsanvändning i framtiden. Det är dock fortfarande en lång väg att gå.

25,9 procent för direkt kiselodlad III-V/Si-tandemsolcell

Det finns olika metoder för att tillverka kombinationer av III-V- och kiselsolceller. Sedan 2019 har Fraunhofer ISE haft världsrekordeffektiviteten på 34,1 procent (nu 34,5 procent) för en tandemsolcell där III-V-halvledarskikten överförs från ett galliumarsenidsubstrat till kisel, varvid skikten binds samman med hjälp av en 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 binds på en kiselsolcell. Att upprätthålla hög kristallkvalitet i alla lager 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 andra konferenser nuförtiden hålls online, och tilldelades Studentpriset i kategorin Hybrid Tandem Solar Cells. "Cellens komplexa interna struktur är inte synlig från utsidan, eftersom alla absorbenter är sammankopplade och elektriskt kopplade av 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 multicellen", fortsätter han. "En noggrann analys av våra celler visade att detta lager fungerade som en barriär för elektrisk ledning."

Sedan 2007 har Fraunhofer-forskare, tillsammans med Tekniska universitetet i Ilmenau, Philipps universitet i Marburg och företaget Aixtron, gradvis utvecklat tekniken, byggt specialiserade epitaxisystem och undersökt varje enskilt lager i strukturen. Denna utveckling finansierades av det tyska federala ministeriet för utbildning och forskning (BMBF) inom ramen för projekten "III-V-Si" och "MehrSi". En särskild höjdpunkt med den nya tandemsolcellen är att III-V-skikten inte odlades på ett kemiskt och mekaniskt polerat substrat, som tidigare var normen, utan snarare på en kiselskiva. Efter att kristallen sågats behandlades skivan med en enkel, kostnadseffektiv slipnings- och etsningsprocess. Det danska företaget Topsil utvecklade dessa kiselskivor inom ramen för det europeiska projektet "SiTaSol" och tog därmed ett viktigt steg mot ekonomisk produktion av de nya multi-junction solcellerna. I framtiden kommer fokus att ligga på att ytterligare öka effektiviteten och göra deponeringen av lagren ännu snabbare, med högre genomströmning och därmed mer kostnadseffektiv, med målet att tandemsolceller kan ge ett viktigt bidrag till den solcellsutbyggnad som är nödvändig för energiomställningen.

Nyckelteknik för energiomställningen

Elektricitet från solceller är för närvarande den mest kostnadseffektiva formen av energiproduktion i många delar av världen. ”Europeisk solcellsforskning arbetar med ett flertal koncept för att ytterligare förbättra 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 vägar för att uppnå ännu högre effektivitet med beprövat 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 uppdelning av vatten till väte och syre. Denna teknik bidrar därmed också till produktionen av väte som energilagringsmedium och en viktig byggsten för energiomställningen.

Skiktstruktur för III-V/Si-solcellen med flera övergångar – © Fraunhofer ISE

Skiktstruktur för III-V/Si-multi-junction-solcellen, kvanteffektivitet och IV-karakteristik under AM 1,5g spektrala förhållanden

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.

Flera III-V tandemsolceller på ett kiselsubstrat med 10 cm diameter – © Fraunhofer ISE – Foto: Markus Feifel

Fraunhofer-institutet för solenergisystem (ISE) har i många år arbetat med multi-junction solceller där två eller tre partiella celler är anordnade ovanpå varandra för att omvandla olika våglängder av solljus till elektricitet. Kisel är lämpligt som absorber för den infraröda delen av spektrumet, och lager av III-V halvledare, material från grupperna III och V i det periodiska systemet, som omvandlar ultraviolett, synligt och nära-infrarött ljus mer effektivt till elektricitet, avsätts ovanpå det. Rena III-V halvledarsolceller används redan i rymden och i koncentratorsolceller. Genom mer kostnadseffektiva processer i kombination med kisel som den lägsta delcellen ska tandemtekniken göras tillgänglig för bredbaserad solcell i framtiden. Det är dock fortfarande en lång väg att gå tills dess.

25,9 procent för III-V/Si-tandemsolceller odlade 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 Fraunhoferforskarna sedan 2007 vidareutvecklat tekniken i samarbete med Tekniska universitetet i Ilmenau, Philipps Univ. Marburg och företaget Aixtron, genom att sätta upp speciell epitaxiutrustning och undersöka varje enskilt lager i strukturen. Denna utveckling finansierades av det tyska federala ministeriet för utbildning och forskning (BMBF) som en del av projekten "III-V-Si" och "MehrSi". En särskild höjdpunkt med den nya tandemsolcellen är att III-V-skikten inte odlades på ett kemiskt-mekaniskt polerat substrat som tidigare var fallet, utan på en kiselskiva som, efter att kristallen sågades, behandlades i en enkel process med endast billiga slipnings- och etsningsprocesser. Inom det europeiska projektet "SiTaSol" hade det danska företaget Topsil utvecklat dessa kiselskivor och därmed realiserat ett viktigt steg mot en ekonomisk produktion av de nya multi-junction solcellerna. I framtiden kommer målet att vara att öka effektiviteten ytterligare och även att realisera deponeringen av lagren ännu snabbare, med högre genomströmning och därmed mer kostnadseffektivt, med målet att tandem-solceller kan ge ett viktigt bidrag till den solcellsutbyggnad som är nödvändig för energiomvandlingen.

Nyckelteknik 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-solcellen med flera övergångar – © Fraunhofer ISE

Skiktstruktur av III-V/Si multi-junction solcell, kvanteffektivitet och IV-egenskaper under AM 1.5g spektrala förhållanden