Yeni güneş pili rekoru – Yeni güneş pili rekoru

Yayınlanma tarihi: 10 Ağustos 2020 / Güncelleme tarihi: 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 fotovoltaikler için 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 iki veya üç alt hücrenin üst üste yerleştirildiği çoklu güneş pilleri üzerinde uzun yıllardır çalışmaktadır. Silikon, spektrumun kızılötesi kısmı için bir emici olarak uygundur ve üzerine birkaç mikrometre kalınlığında 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 yalnızca 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. genişlemeyi başarabilir.

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 çoklu 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 pillerinin kombinasyonlarını üretmek için farklı yaklaşımlar vardır. Örneğin Fraunhofer ISE, 2019'dan bu yana, III-V yarı iletken katmanların galyum arsenit substratından silikona aktarıldığı ve katmanların birbirine bağlandığı tandem güneş pili için yüzde 34,1 verimlilikle (şimdi yüzde 34,5) dünya rekorunu elinde tutuyor. sözde gofret bağı ile. Bu teknoloji verimli ama pahalıdır. Bu nedenle Fraunhofer ISE, III-V katmanlarının bir silikon güneş pili üzerine biriktirildiği veya epitaksiye edildiği daha doğrudan üretim süreçleri üzerinde uzun yıllardır çalışmaktadır. Burada, 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, yakın zamanda başarısını, günümüzde birçok konferans gibi çevrimiçi olarak düzenlenen 47. IEEE Fotovoltaik Uzmanları Konferansı'nda sunma fırsatı yakaladı ve Hibrit Tandem Güneş Pilleri kategorisinde Öğrenci Ödülü'ne layık görüldü. Genç güneş pili araştırmacısı, "Dışarıdan bakıldığında hücrenin karmaşık iç yapısı görülemiyor, çünkü tüm soğurucular ek kristal katmanlarla birbirine bağlı ve elektriksel olarak kablolanıyor" diye açıklıyor. bir yıldan kısa sürede yüzde 24,3'ten yüzde 25,9'a çıktı. "Bu başarı, birden fazla hücre içindeki tek bir ince tabakanın değiştirilmesiyle elde edildi" diye devam ediyor. "Hücrelerimizin dikkatli bir analizi, bu katmanın elektrik hattına bir bariyer oluşturduğunu ortaya çıkardı."

Fraunhofer araştırmacıları, 2007'den beri Ilmenau Teknik Üniversitesi Philipps Univ ile işbirliği içinde teknolojiyi küçük adımlarla daha da geliştiriyorlar. Marburg ve Aixtron şirketi, özel epitaksi ekipmanı kuruyor ve yapının her katmanını inceliyor. Bu gelişmeler Alman Federal Eğitim ve 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 kesilmesinden sonra basit bir işlemle işlenen bir silikon levha üzerinde büyütülmesidir. yalnızca ucuz taşlama ve aşındırma işlemleri kullanılarak. Danimarkalı Topsil şirketi, Avrupa'daki "SiTaSol" projesi kapsamında bu silikon plakaları geliştirdi ve böylece yeni çok bağlantılı güneş pillerinin ekonomik üretimine yönelik önemli bir adım attı. Gelecekte amaç, tandem fotovoltaiklerin fotovoltaik genleşmeye önemli bir katkı sağlayabilmesi amacıyla verimliliği daha da artırmak ve ayrıca katmanların biriktirilmesini daha hızlı, daha yüksek verimle ve dolayısıyla daha uygun maliyetli bir şekilde gerçekleştirmek olacaktır. enerji dönüşümü için gereklidir.

Enerji sistemi dönüşümü için anahtar teknoloji

Bugün dünyanın birçok yerinde güneş pillerinden elektrik, en ucuz enerji üretim şeklidir. "Avrupa'daki fotovoltaik araştırmaları, enerji dönüşümünde bu kilit teknolojinin verimliliğini daha da geliştirmek için çok sayıda konsept üzerinde çalışıyor" diyor Prof. Dr. Stefan Glunz, Fotovoltaik Araştırma Bölümü başkanı. "Sadece silikon güneş pillerinin üretimini daha sürdürülebilir ve uygun maliyetli hale getirmek için çalışmıyoruz, aynı zamanda kanıtlanmış silikonun diğer yarı iletken malzemelerle kombinasyonunu daha da yüksek verimliliklere ulaştırmak için yeni çığır açıyoruz. . Bunu tandem fotovoltaiklerle başarıyoruz. Tandem fotovoltaikler sadece enerji üretiminin geleceğine giden yolu açmakla kalmıyor, 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 ortamı ve enerji dönüşümü için önemli bir yapı taşı olarak hidrojen üretimine de katkıda bulunuyor.

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