Yeni güneş pili rekoru – Yeni güneş pili rekoru

Yayınlanan: 10 Ağustos 2020 / Güncelleme: 17 Ağustos 2020 - Yazar: Konrad Wolfenstein

İngilizce sürüme geç

Tandem olarak daha yüksek verimlilik – yeni güneş pili rekoru

Fotovoltaik araştırmalar, güneş pillerinin verimliliğini daha da artırmak için yoğun bir şekilde çalışıyor. Işığı elektrik enerjisine dönüştürürken güneş spektrumunu daha verimli kullanmak için güçlü güneş pili malzemelerinin farklı kombinasyonlarda bir araya getirildiği tandem fotovoltaiklere giderek daha fazla odaklanılıyor. Fraunhofer ISE, doğrudan silikon üzerinde yetiştirilen III-V/Si tandem güneş pili için yüzde 25,9 verimlilikle yeni bir rekor kaydetti. Bu, ilk kez uygun maliyetli bir silikon alt tabaka üzerinde üretildi; bu, tandem fotovoltaiklere yönelik ekonomik çözümlere giden yolda önemli bir kilometre taşıdır.

10 cm çapında silikon substrat üzerinde birkaç III-V tandem güneş pili - © Fraunhofer ISE - Fotoğraf: Markus Feifel

Fraunhofer Güneş Enerjisi Sistemleri Enstitüsü ISE, farklı dalga boylarındaki güneş ışığını elektriğe dönüştürmek için üst üste iki veya üç alt hücrenin yerleştirildiği çoklu güneş pilleri üzerinde uzun yıllardır çalışmaktadır. Silikon, spektrumun kızılötesi kısmı için bir emici olarak uygundur ve üzerine birkaç mikrometre kalınlığındaki III-V yarı iletken katmanları uygulanır. Bunlar, ultraviyole, görünür ve ultraviyole dönüştüren periyodik tablonun III ve V gruplarından malzemelerdir. yakın kızılötesi ışığı daha verimli bir şekilde elektriğe dönüştürün. Saf III-V yarı iletken güneş pilleri halihazırda uzayda ve yoğunlaştırıcı fotovoltaiklerde kullanılmaktadır. En düşük alt hücre olarak silikonla birlikte daha uygun maliyetli süreçler aracılığıyla tandem teknolojisinin gelecekte geniş fotovoltaikler için de erişilebilir hale getirilmesi gerekiyor. Ancak o zamana kadar kat edilmesi gereken daha uzun bir yol var.

Doğrudan silikon üzerinde büyütülen III-V/Si tandem güneş pilleri için yüzde 25,9

III-V ve silikon güneş pillerinin kombinasyonlarını oluşturmak için farklı yaklaşımlar vardır. Fraunhofer ISE, 2019'dan bu yana, III-V yarı iletken katmanlarının galyum arsenit substratından silikona aktarıldığı ve katmanların bir güneş pili içinden geçtiği tandem güneş pili için yüzde 34,1 verimlilik (şu anda yüzde 34,5) ile dünya rekoru değerini elinde tutuyor. -wafer adı verilen -Bond bağlanır. Bu teknoloji verimli ama pahalıdır. Bu nedenle Fraunhofer ISE, III-V katmanlarının bir silikon güneş pili üzerine biriktirildiği veya epitaksiyalize edildiği daha doğrudan üretim süreçleri üzerinde uzun yıllardır çalışmaktadır. Tüm katmanlarda yüksek kristal kalitesini korumak çok önemlidir; bu büyük bir zorluktur. Doğrudan silikon üzerinde yetiştirilen böyle bir III-V/Si tandem güneş pili için artık yüzde 25,9'luk yeni bir dünya rekoru verimliliğine ulaşıldı. Fraunhofer ISE bilim insanı Markus Feifel, geçtiğimiz günlerde birçok konferans gibi online olarak gerçekleşen 47. IEEE Fotovoltaik Uzmanları Konferansı'nda başarısını sunarak Hibrit Tandem Güneş Pilleri kategorisinde Öğrenci Ödülü'ne layık görüldü. Çalışmasının sonucunu 24,3'ten 24,3'e çıkaran genç güneş pili araştırmacısı, "Hücrenin karmaşık iç yapısı dışarıdan görülemiyor çünkü tüm soğurucular birbirine bağlı ve ek kristal katmanlarla elektriksel olarak bağlı" diye açıklıyor. Bir yıldan kısa bir sürede yüzde 25,9 oranında iyileşme yaşanabilir. "Bu başarı, çoklu hücre içindeki tek bir ince tabakanın değiştirilmesiyle elde edildi" diye açıklıyor. "Hücrelerimizin dikkatli bir analizi, bu katmanın elektrik iletimine karşı bir engel oluşturduğunu ortaya çıkardı."

Fraunhofer araştırmacıları, TU Ilmenau, Philipps Univ ile birlikte 2007'den bu yana teknolojiyi küçük adımlarla geliştiriyorlar. Marburg ve Aixtron firması tarafından özel epitaksi sistemleri kurularak yapının her katmanı incelendi. Bu gelişmeler Federal Araştırma Bakanlığı BMBF tarafından “III-V-Si” ve “MehrSi” projeleri kapsamında finanse edildi. Yeni tandem güneş pilinin öne çıkan özelliği, III-V katmanlarının daha önce olduğu gibi kimyasal-mekanik olarak parlatılmış bir alt tabaka üzerinde değil, kristalin basit bir işlemle kesilmesinden sonra sadece kullanılarak silikon levha üzerinde büyütülmesidir. ucuz taşlama ve dağlama işlemleri uygulandı. Danimarkalı Topsil şirketi, Avrupa "SiTaSol" projesinin bir parçası olarak bu silikon plakaları geliştirerek yeni çok bağlantılı güneş pillerinin ekonomik üretimine yönelik önemli bir adım attı. Gelecekte amaç, tandem fotovoltaiklerin enerji dönüşümü için gerekli olan fotovoltaiklere önemli bir katkı sağlaması amacıyla verimliliği daha da artırmak ve katmanları daha hızlı, daha yüksek verimle ve dolayısıyla daha uygun maliyetli bir şekilde biriktirmek olacaktır. genişleme sağlanabilir.

Enerji geçişi için temel teknoloji

Güneş pillerinden elde edilen elektrik artık dünyanın birçok yerinde en ucuz enerji üretim şeklidir. "Avrupa fotovoltaik araştırması, enerji dönüşümü için bu anahtar teknolojinin verimliliğini daha da geliştirmek amacıyla devam eden çok sayıda konsepte sahiptir" diyor Prof. Dr. Stefan Glunz, Fotovoltaik – Araştırma Başkanı. »Sadece silikon güneş pillerinin üretimini daha sürdürülebilir ve uygun maliyetli hale getirmek için çalışmıyoruz, aynı zamanda daha da yüksek verimlilik elde etmek için kanıtlanmış silikonu diğer yarı iletken malzemelerle birlikte kullanmanın yeni yollarını araştırıyoruz. Bunu tandem fotovoltaiklerle başarabiliriz.« Tandem fotovoltaikler yalnızca elektrik üretiminin geleceğine giden yolu açmakla kalmaz, aynı zamanda bu güneş pilleri - daha yüksek voltajları nedeniyle - suyun doğrudan hidrojen ve oksijene ayrışması olan elektroliz için de idealdir. Dolayısıyla bu teknoloji aynı zamanda bir enerji depolama cihazı ve enerji dönüşümü için önemli bir yapı taşı olarak hidrojen üretimine de katkıda bulunuyor.

III-V/Si çoklu bağlantılı güneş pilinin katman yapısı – © Fraunhofer ISE

AM 1.5g spektral koşullar altında III-V/Si çok bağlantılı güneş pilinin katman yapısı, kuantum verimliliği ve IV özellikleri

Tandem olarak daha yüksek verimlilik – yeni güneş pili rekoru

Fotovoltaik araştırmaları, güneş pillerinin verimliliğini sürekli olarak artırmak için yoğun bir şekilde çalışıyor. Işığı elektrik enerjisine dönüştürmede güneş spektrumunu daha verimli kullanmak için yüksek performanslı güneş pili malzemelerinin çeşitli kombinasyonlarda bir araya getirildiği tandem fotovoltaiklere giderek daha fazla odaklanılıyor. Fraunhofer ISE, doğrudan silikon üzerinde yetiştirilen III-V/Si tandem güneş pili için yüzde 25,9'luk yeni bir rekor verimlilik bildirdi. Bu, ilk kez düşük maliyetli bir silikon alt katman üzerinde üretildi; bu, tandem fotovoltaiklere yönelik ekonomik çözümlere giden yolda önemli bir kilometre taşıdır.

10 cm çapında silikon bir substrat üzerinde birkaç III-V tandem güneş pili – © Fraunhofer ISE – Fotoğraf: Markus Feifel

Fraunhofer Güneş Enerjisi Sistemleri Enstitüsü ISE, farklı dalga boylarındaki güneş ışığını elektriğe dönüştürmek için iki veya üç kısmi hücrenin üst üste yerleştirildiği çok eklemli güneş pilleri üzerinde uzun yıllardır çalışmaktadır. Silikon, spektrumun kızılötesi kısmı için bir emici olarak uygundur ve ultraviyole, görünür ve yakın kızılötesi ışığı daha verimli bir şekilde üzerinde biriken elektriğe dönüştüren, periyodik tablonun III ve V gruplarından malzemeler olan III-V yarı iletken katmanları için uygundur. üstüne. Saf III-V yarı iletken güneş pilleri halihazırda uzayda ve yoğunlaştırıcı fotovoltaiklerde kullanılmaktadır. En düşük alt hücre olarak silikonla birlikte daha uygun maliyetli süreçler aracılığıyla tandem teknolojisinin gelecekte geniş tabanlı fotovoltaikler için erişilebilir hale getirilmesi planlanıyor. Ancak o zamana kadar kat edilmesi gereken daha uzun bir yol var.

Doğrudan silikon üzerinde büyütülen III-V/Si tandem güneş pilleri için yüzde 25,9

III-V ve silikon güneş hücrelerinin kombinasyonlarını üretmek için farklı yaklaşımlar vardır. Örneğin, 2019'dan bu yana, Fraunhofer Ise, III-V yarı iletken katmanlarının bir galyum arsenit substratından silikona aktarıldığı, bir tandem güneş pili için yüzde 34,1 verimlilik (şu anda yüzde 34,5) dünya rekorunu elinde tuttu. Sözde gofret bağı. Bu teknoloji verimli ama pahalı. Bu nedenle, Fraunhofer Ise uzun yıllardır III-V katmanlarının bir silikon güneş pili üzerine depozit veya epitaksi olduğu daha doğrudan üretim süreçleri üzerinde çalışıyor. Burada, tüm katmanların yüksek kristal kalitesini korumak çok önemlidir - büyük bir zorluk. Doğrudan silikon üzerinde yetiştirilen böyle bir III-V/Si tandem güneş pili için yüzde 25,9'luk yeni bir dünya rekoru verimliliği elde edildi. Fraunhofer ISE bilim adamı Markus Feifel yakın zamanda başarısını, şu anda birçok konferans gibi ve kategori hibrid tandem güneş hücrelerinde öğrenci ödülü ile onurlandırılan 47. IEEE Fotovoltaik Uzmanlar Konferansı'nda sunabildi. “Dışarıdan, hücrenin karmaşık iç yapısı görünmez, çünkü tüm emiciler ek kristal tabakalar ve elektriksel olarak kablolu ile birbirine bağlanır” diye açıklıyor genç güneş pili araştırmaları Bir yıldan az bir sürede yüzde 25,9. “Bu başarı, çoklu hücredeki tek bir ince tabakanın değiştirilmesiyle elde edildi” diye devam ediyor. "Hücrelerimizin dikkatli bir analizi, bu katmanın güç hattına bir engel oluşturduğunu ortaya koydu."

Küçük adımlarda, Fraunhofer araştırmacıları, Ilmenau Teknik Üniversitesi, Philipps Univ ile işbirliği içinde teknolojiyi daha da geliştiriyorlar. Marburg ve Aixtron şirketi, özel epitaks ekipmanı kurup yapının her katmanını inceliyor. Tez gelişmeleri “III-V-SI” ve “Mehrsi” projelerinin bir parçası olarak Alman Federal Eğitim ve Araştırma Bakanlığı (BMBF) tarafından finanse edildi. Yeni tandem güneş hücresinin özel bir vurgu, III-V katmanlarının daha önce olduğu gibi kimyasal olarak parlatılmış bir substrat üzerinde büyütülmemesidir, ancak kristali kestikten sonra basit bir işlemde sadece ucuz öğütme ve basit bir işlemde tedavi edilen bir silikon gofret üzerinde büyütülmesidir. Gravür işlemleri. Avrupa “Sitasol” projesi içinde, Danimarka şirketi Topsil Tez silikon gofretler geliştirmiş ve böylece yeni çoklu işlevli güneş pillerinin ekonomik üretimine yönelik önemli adımlarla fark edilmiştir. Gelecekte, amaç verimliliği daha da tetiklemek ve bu nedenle katmanların birikmesini daha hızlı, yüksek yükseklikte ve dolayısıyla daha maliyetli olarak gerçekleştirmek olacaktır. Enerji geri dönüşü için gerekli.

Enerji sistemi dönüşümü için anahtar teknoloji

Bugün dünyanın birçok yerinde, güneş pillerinden gelen elektrik, enerji üretiminin en ucuz şeklidir. Prof. Dr., “Avrupa fotovoltaik araştırması, bu kilit teknolojinin enerji geri dönüşü için verimliliğini daha da geliştirmek için çok sayıda kavram üzerinde çalışıyor” diyor. Stefan GluNz, Fotovoltaik Araştırma Bölümü başkanı. “Sadece silikon güneş hücrelerinin üretimini daha da sürdürülebilir ve maliyet-faktlamak için değil, aynı zamanda diğer yarı iletken malzemelerle birlikte kanıtlanmış silikonun verimliliklere kadar yeni bir çığır açıyoruz. Bunu tandem fotovoltaiklerle başarıyoruz. Tandem fotovoltaikler sadece güç üretiminin geleceğine doğru değil, tez güneş enerjisi hücreleri - daha yüksek voltajları nedeniyle - elektroliz için ideal olarak, suyun hidrojen ve oksijene doğru ayrışması için uygundur. Böylece bu teknoloji, bir enerji depolama ortamı olarak hidrojen üretimine ve enerji geri dönüşü için önemli bir yapı taşı katkıda bulunur.

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

AM 1.5g spektral koşullar altında III-V/Si çok eklemli güneş pilinin katman yapısı, kuantum verimliliği ve IV özellikleri