Güneş pillerinde yeni rekor

Yayınlanma tarihi: 10 Ağustos 2020 / Güncelleme tarihi: 17 Ağustos 2020 – Yazar: Konrad Wolfenstein

İngilizce sürüme geç

Eş zamanlı kullanımda daha yüksek verimlilik – yeni güneş pili rekoru

Fotovoltaik araştırmalar, güneş pillerinin verimliliğini sürekli olarak artırmak için yoğun bir şekilde çalışmaktadır. Yüksek performanslı güneş pili malzemelerinin, ışığı elektrik enerjisine dönüştürmede güneş spektrumunu daha verimli bir şekilde kullanmak için çeşitli şekillerde birleştirildiği tandem fotovoltaik sistemler giderek daha fazla ilgi görmektedir. Fraunhofer ISE, silikon üzerine doğrudan yetiştirilen bir III-V/Si tandem güneş pili için %25,9'luk yeni bir verimlilik rekoru kaydetti. Bu, ekonomik olarak uygulanabilir tandem fotovoltaik çözümlere giden yolda önemli bir kilometre taşı olan, uygun maliyetli bir silikon alt tabaka üzerinde üretilen ilk pil oldu.

10 cm çapında silikon bir alt tabaka üzerinde bulunan birkaç III-V tandem güneş hücresi – © Fraunhofer ISE – Fotoğraf: Markus Feifel

Fraunhofer Güneş Enerjisi Sistemleri Enstitüsü (ISE), uzun yıllardır, güneş ışığının farklı dalga boylarını elektriğe dönüştürmek için iki veya üç alt hücrenin üst üste istiflendiği çok katmanlı güneş pilleri üzerinde çalışmaktadır. Silikon, spektrumun kızılötesi kısmı için uygun bir emici malzemedir ve üzerine sadece birkaç mikrometre kalınlığında ince III-V yarı iletken katmanları uygulanır. Bu malzemeler periyodik tablonun III ve V gruplarından olup ultraviyole, görünür ve yakın kızılötesi ışığı daha verimli bir şekilde elektriğe dönüştürür. Saf III-V yarı iletken güneş pilleri halihazırda uzayda ve yoğunlaştırıcı fotovoltaiklerde kullanılmaktadır. Silikonun alt hücre olarak kullanıldığı daha uygun maliyetli süreçler, bu tandem teknolojisini gelecekte yaygın fotovoltaik uygulamalar için erişilebilir hale getirmeyi amaçlamaktadır. Ancak, kat edilecek daha uzun bir yol var.

Doğrudan silikonla büyütülmüş III-V/Si tandem güneş pili için %25,9

III-V ve silikon güneş pillerinin kombinasyonlarının üretiminde farklı yaklaşımlar mevcuttur. Fraunhofer ISE, 2019'dan beri, III-V yarı iletken katmanlarının galyum arsenit alt tabakadan silikona aktarıldığı ve katmanların bir wafer bond kullanılarak birbirine bağlandığı bir tandem güneş pili için %34,1'lik (şimdi %34,5) dünya rekoru verimliliğini elinde tutuyordu. Bu teknoloji verimli ancak pahalıdır. Bu nedenle, Fraunhofer ISE uzun yıllardır III-V katmanlarının silikon güneş pili üzerine biriktirildiği veya epitaksiyel olarak bağlandığı daha doğrudan üretim süreçleri üzerinde çalışmaktadır. Burada tüm katmanlarda yüksek kristal kalitesini korumak çok önemlidir - büyük bir zorluktur. Silikon üzerine doğrudan yetiştirilen bu tür bir III-V/Si tandem güneş pili için %25,9'luk yeni bir dünya rekoru verimliliği elde edildi. Fraunhofer ISE bilim insanı Markus Feifel, son zamanlarda birçok konferans gibi çevrimiçi olarak düzenlenen 47. IEEE Fotovoltaik Uzmanları Konferansı'nda başarısını sundu ve Hibrit Tandem Güneş Pilleri kategorisinde Öğrenci Ödülü'ne layık görüldü. Genç güneş pili araştırmacısı, "Hücrenin karmaşık iç yapısı dışarıdan görünmüyor, çünkü tüm soğurucular birbirine bağlı ve daha fazla kristal katmanla elektriksel olarak kablolanmış durumda," diye açıklıyor ve bu sayede çalışmasının verimliliğini bir yıldan kısa bir sürede %24,3'ten %25,9'a çıkarmayı başardığını belirtiyor. "Bu başarı, çok hücreli yapının içindeki tek bir ince katmanın değiştirilmesiyle elde edildi," diye devam ediyor. "Hücrelerimizin dikkatli bir analizi, bu katmanın elektriksel iletim için bir bariyer görevi gördüğünü ortaya koydu."

2007 yılından bu yana, Fraunhofer araştırmacıları, Ilmenau Teknik Üniversitesi, Marburg Philipps Üniversitesi ve Aixtron şirketi ile birlikte, özel epitaksi sistemleri kurarak ve yapının her bir katmanını inceleyerek teknolojiyi kademeli olarak geliştiriyorlar. Bu gelişmeler, Alman Federal Eğitim ve Araştırma Bakanlığı (BMBF) tarafından "III-V-Si" ve "MehrSi" projeleri çerçevesinde finanse edildi. Yeni tandem güneş pilinin en önemli özelliği, III-V katmanlarının daha önce olduğu gibi kimyasal ve mekanik olarak parlatılmış bir alt tabaka üzerinde değil, silikon bir levha üzerinde yetiştirilmiş olmasıdır. Kristal kesildikten sonra, levha basit ve uygun maliyetli bir taşlama ve aşındırma işlemiyle işlendi. Danimarkalı Topsil şirketi, bu silikon levhaları Avrupa "SiTaSol" projesi çerçevesinde geliştirerek, yeni çok katmanlı güneş pillerinin ekonomik üretimine doğru önemli bir adım attı. Gelecekte, odak noktası verimliliği daha da artırmak ve katmanların biriktirilmesini daha hızlı, daha yüksek verimle ve dolayısıyla daha uygun maliyetli hale getirmek olacak; böylece tandem fotovoltaik sistemler, enerji geçişi için gerekli olan fotovoltaik genişlemeye önemli bir katkı sağlayabilecektir.

Enerji dönüşümü için kilit teknoloji

Güneş pillerinden elde edilen elektrik, şu anda dünyanın birçok yerinde en uygun maliyetli enerji üretim biçimidir. Fotovoltaik Araştırma Başkanı Prof. Dr. Stefan Glunz, "Avrupa fotovoltaik araştırmaları, enerji geçişi için bu kilit teknolojinin verimliliğini daha da artırmak için çok sayıda konsept üzerinde çalışıyor" diyor. "Sadece silikon güneş pillerinin üretimini daha sürdürülebilir ve uygun maliyetli hale getirmekle kalmıyoruz, aynı zamanda kanıtlanmış silikonu diğer yarı iletken malzemelerle birleştirerek daha yüksek verimlilikler elde etmek için yeni yollar da araştırıyoruz. Bunu tandem fotovoltaiklerle başarıyoruz." Tandem fotovoltaikler sadece elektrik üretiminin geleceğine yol açmakla kalmıyor, aynı zamanda bu güneş pilleri -daha yüksek voltajları nedeniyle- suyun doğrudan hidrojen ve oksijene ayrıştırılması olan elektroliz için de idealdir. Bu teknoloji, enerji depolama ortamı ve enerji geçişi için önemli bir yapı taşı olan hidrojenin üretimine de katkıda bulunuyor.

III-V/Si çok katmanlı güneş pilinin katman yapısı – © Fraunhofer ISE

III-V/Si çok katmanlı güneş pilinin katman yapısı, kuantum verimliliği ve AM 1.5g spektral koşulları altındaki IV karakteristiği

Eş zamanlı kullanımda daha yüksek verimlilik – yeni güneş pili rekoru

Fotovoltaik araştırmalar, güneş pillerinin verimliliğini sürekli olarak artırmak için yoğun çaba sarf etmektedir. Giderek artan bir şekilde, güneş spektrumunu ışığı elektrik enerjisine dönüştürmede daha verimli kullanmak amacıyla yüksek performanslı güneş pili malzemelerinin çeşitli kombinasyonlarda bir araya getirildiği tandem fotovoltaiklere odaklanılmaktadır. Fraunhofer ISE, silikon üzerine doğrudan yetiştirilen bir III-V/Si tandem güneş pili için %25,9'luk yeni bir rekor verimlilik bildirdi. Bu, ilk kez düşük maliyetli bir silikon alt tabaka üzerinde üretildi; bu da tandem fotovoltaikler için ekonomik çözümlere giden yolda önemli bir kilometre taşıdır.

10 cm çapında silikon alt tabaka üzerinde bulunan birkaç III-V tandem güneş hücresi – © Fraunhofer ISE – Fotoğraf: Markus Feifel

Fraunhofer Güneş Enerjisi Sistemleri Enstitüsü (ISE), güneş ışığının farklı dalga boylarını elektriğe dönüştürmek için iki veya üç kısmi hücrenin üst üste yerleştirildiği çok katmanlı güneş pilleri üzerinde uzun yıllardır çalışmaktadır. Silikon, spektrumun kızılötesi kısmı için uygun bir emici malzemedir ve üzerine, ultraviyole, görünür ve yakın kızılötesi ışığı daha verimli bir şekilde elektriğe dönüştüren periyodik tablonun III ve V gruplarından malzemeler olan III-V yarı iletken katmanları yerleştirilir. Saf III-V yarı iletken güneş pilleri halihazırda uzayda ve yoğunlaştırıcı fotovoltaiklerde kullanılmaktadır. Silikonun en alt alt hücre olarak kullanılmasıyla daha uygun maliyetli süreçler sayesinde, tandem teknolojisinin gelecekte geniş tabanlı fotovoltaikler için erişilebilir hale getirilmesi hedeflenmektedir. Ancak, o zamana kadar daha uzun bir yol kat edilmesi gerekmektedir.

Doğrudan silikon üzerine yetiştirilen III-V/Si tandem güneş pillerinde %25,9 oranında başarı elde edildi

III-V ve silikon güneş pillerinin kombinasyonlarını üretmek için farklı yaklaşımlar mevcuttur. Örneğin, Fraunhofer ISE, 2019'dan beri, III-V yarı iletken katmanlarının galyum arsenit alt tabakadan silikona aktarıldığı ve katmanların sözde wafer bağı ile bağlandığı bir tandem güneş pili için %34,1'lik (şimdi %34,5) verimlilikle dünya rekorunu elinde tutuyordu. Bu teknoloji verimli ancak pahalıdır. Bu nedenle, Fraunhofer ISE uzun yıllardır III-V katmanlarının silikon güneş pili üzerine biriktirildiği veya epitaksi edildiği daha doğrudan üretim süreçleri üzerinde çalışmaktadır. Burada, tüm katmanların yüksek kristal kalitesini korumak çok önemlidir - bu da büyük bir zorluktur. Silikon üzerine doğrudan yetiştirilen bu tür bir III-V/Si tandem güneş pili için %25,9'luk yeni bir dünya rekoru verimliliğine ulaşılmıştır. Fraunhofer ISE bilim insanı Markus Feifel, yakın zamanda, günümüzde birçok konferans gibi çevrimiçi olarak düzenlenen 47. IEEE Fotovoltaik Uzmanları Konferansı'nda başarısını sunma fırsatı buldu ve Hibrit Tandem Güneş Pilleri kategorisinde Öğrenci Ödülü'ne layık görüldü. Genç güneş pili araştırmacısı, "Dışarıdan bakıldığında, hücrenin karmaşık iç yapısı görünmez, çünkü tüm soğurucular ek kristal katmanlarla birbirine bağlanmış ve elektriksel olarak kablolanmıştır," diye açıklıyor ve böylece çalışmasının sonucunu bir yıldan kısa bir sürede %24,3'ten %25,9'a yükseltmeyi başardığını belirtiyor. "Bu başarı, çoklu hücre içindeki tek bir ince katmanın değiştirilmesiyle elde edildi," diye devam ediyor. "Hücrelerimizin dikkatli bir analizi, bu katmanın güç hattına bir engel oluşturduğunu ortaya koydu."

Fraunhofer araştırmacıları, 2007 yılından bu yana Ilmenau Teknik Üniversitesi, Philipps Üniversitesi Marburg ve Aixtron şirketi ile işbirliği içinde, özel epitaksi ekipmanları kurarak ve yapının her bir katmanını inceleyerek teknolojiyi küçük adımlarla daha da geliştiriyorlar. Bu gelişmeler, Alman Federal Eğitim ve Araştırma Bakanlığı (BMBF) tarafından “III-V-Si” ve “MehrSi” projeleri kapsamında finanse edildi. Yeni tandem güneş pilinin en önemli özelliği, III-V katmanlarının daha önce olduğu gibi kimyasal-mekanik olarak parlatılmış bir alt tabaka üzerinde değil, kristal kesildikten sonra sadece ucuz taşlama ve aşındırma işlemleri kullanılarak basit bir işlemden geçirilen bir silikon levha üzerinde yetiştirilmiş olmasıdır. Avrupa projesi “SiTaSol” kapsamında, Danimarkalı Topsil şirketi bu silikon levhaları geliştirmiş ve böylece yeni çok katmanlı güneş pillerinin ekonomik üretimine doğru önemli bir adım atmıştır. Gelecekteki amaç, verimliliği daha da artırmak ve katmanların daha hızlı, daha yüksek verimle ve dolayısıyla daha uygun maliyetle biriktirilmesini sağlamaktır; böylece tandem fotovoltaik sistemler, enerji dönüşümü için gerekli olan fotovoltaik genişlemeye önemli bir katkı sağlayabilir.

Enerji sistemi dönüşümü için kilit teknoloji

Günümüzde dünyanın birçok yerinde güneş pillerinden elde edilen elektrik, en ucuz enerji üretim biçimidir. Fotovoltaik Araştırma Bölümü Başkanı Prof. Dr. Stefan Glunz, “Avrupa fotovoltaik araştırmaları, enerji dönüşümü için bu kilit teknolojinin verimliliğini daha da geliştirmek üzere çok sayıda konsept üzerinde çalışıyor” diyor. “Sadece silikon güneş pillerinin üretimini daha sürdürülebilir ve uygun maliyetli hale getirmekle kalmıyoruz, aynı zamanda kanıtlanmış silikonu diğer yarı iletken malzemelerle birleştirerek daha yüksek verimliliklere ulaştırmak için de yeni ufuklar açıyoruz. Bunu tandem fotovoltaiklerle başarıyoruz. Tandem fotovoltaikler sadece enerji üretiminin geleceğine giden yolu açmakla kalmıyor, bu güneş pilleri - daha yüksek voltajları sayesinde - suyun doğrudan hidrojen ve oksijene ayrıştırılması olan elektroliz için de idealdir. Bu teknoloji, enerji depolama ortamı ve enerji dönüşümü için önemli bir yapı taşı olan hidrojenin üretimine de katkıda bulunuyor.”.

III-V/Si çok katmanlı güneş pilinin katman yapısı – © Fraunhofer ISE

III-V/Si çok katmanlı güneş pilinin katman yapısı, kuantum verimliliği ve AM 1.5g spektral koşulları altındaki IV karakteristikleri