Новий рекорд сонячних батарей

Опубліковано: 10 серпня 2020 р. / Оновлено: 17 серпня 2020 р. – Автор: Konrad Wolfenstein

Перейти на англійську версію

Вища ефективність одночасно – новий рекорд сонячних елементів

Дослідження у сфері фотоелектричних елементів наполегливо працюють над постійним підвищенням ефективності сонячних елементів. Тандемна фотоелектрична система все частіше привертає увагу, оскільки високопродуктивні матеріали для сонячних елементів поєднуються різними способами для ще ефективнішого використання сонячного спектру при перетворенні світла в електричну енергію. Fraunhofer ISE зафіксував новий рекорд ефективності в 25,9 відсотка для тандемного сонячного елемента III-V/Si, вирощеного безпосередньо на кремнії. Це був перший елемент, виготовлений на економічно ефективній кремнієвій підкладці – важлива віха на шляху до економічно вигідних рішень для тандемної фотоелектричної системи.

Кілька тандемних сонячних елементів III-V групи на кремнієвій підкладці діаметром 10 см – © Fraunhofer ISE – Фото: Маркус Файфель

Інститут сонячних енергетичних систем Фраунгофера (ISE) вже багато років працює над багатоперехідними сонячними елементами, в яких два або три піделементи розташовані один на одному для перетворення сонячного світла різної довжини хвиль в електрику. Кремній підходить як поглинач для інфрачервоної частини спектра, а поверх нього наносяться тонкі шари напівпровідників III-V групи, товщиною лише кілька мікрометрів. Ці матеріали належать до III та V груп періодичної таблиці та ефективніше перетворюють ультрафіолетове, видиме та ближнє інфрачервоне світло в електрику. Чисті напівпровідникові сонячні елементи III-V групи вже використовуються в космосі та в концентраторних фотоелектричних системах. Більш економічно ефективні процеси в поєднанні з кремнієм як нижнім піделементом мають зробити цю тандемну технологію доступною для широкого використання фотоелектричних систем у майбутньому. Однак ще багато чого потрібно зробити.

25,9 відсотка для тандемних сонячних елементів III-V/Si, вирощених безпосередньо з кремнію

Існують різні підходи до виробництва комбінацій сонячних елементів III-V та кремнієвих. З 2019 року Fraunhofer ISE утримує світовий рекорд ефективності 34,1 відсотка (зараз 34,5 відсотка) для тандемного сонячного елемента, в якому напівпровідникові шари III-V переносяться з підкладки з арсеніду галію на кремній, причому шари з'єднуються за допомогою пластинчастого зв'язку. Ця технологія є ефективною, але дорогою. Тому Fraunhofer ISE вже багато років працює над більш прямими виробничими процесами, в яких шари III-V осаджуються або епітаксіально з'єднуються на кремнієвий сонячний елемент. Підтримка високої якості кристалів у всіх шарах має тут вирішальне значення – це серйозний виклик. Наразі досягнуто нового світового рекорду ефективності в 25,9 відсотка для такого тандемного сонячного елемента III-V/Si, вирощеного безпосередньо на кремнії. Вчений з Fraunhofer ISE Маркус Файфель нещодавно представив свій успіх на 47-й конференції фахівців з фотоелектричної енергії IEEE, яка, як і багато конференцій сьогодні, проводиться в онлайн-форматі, і був удостоєний Студентської премії в категорії «Гібридні тандемні сонячні елементи». «Складна внутрішня структура елемента не видно ззовні, оскільки всі поглиначі з'єднані між собою та електрично з'єднані додатковими кристалічними шарами», – пояснює молодий дослідник сонячних елементів, який таким чином зміг підвищити ефективність своєї роботи з 24,3 до 25,9 відсотка менш ніж за рік. «Цього успіху було досягнуто шляхом заміни одного тонкого шару всередині багатоелементного елемента», – продовжує він. «Ретельний аналіз наших елементів показав, що цей шар діяв як бар'єр для електропровідності»

З 2007 року дослідники Фраунгофера разом з Технічним університетом Ільменау, Університетом Філіпса в Марбурзі та компанією Aixtron поступово розвивають технологію, створюючи спеціалізовані епітаксіальні системи та досліджуючи кожен окремий шар структури. Ці розробки фінансувалися Федеральним міністерством освіти та досліджень Німеччини (BMBF) у рамках проектів "III-V-Si" та "MehrSi". Особливістю нового тандемного сонячного елемента є те, що шари III-V вирощувалися не на хімічно та механічно полірованій підкладці, як це було раніше, а на кремнієвій пластині. Після розпилювання кристала пластина оброблялася за допомогою простого та економічно ефективного процесу шліфування та травлення. Данська компанія Topsil розробила ці кремнієві пластини в рамках європейського проекту "SiTaSol", зробивши таким чином важливий крок до економічного виробництва нових багатоперехідних сонячних елементів. У майбутньому основна увага буде зосереджена на подальшому підвищенні ефективності та пришвидшенні процесу нанесення шарів, з вищою пропускною здатністю та, отже, більшою економічною ефективністю, з метою забезпечення того, щоб тандемні фотоелектричні елементи могли зробити важливий внесок у розширення фотоелектричної енергетики, необхідне для енергетичного переходу.

Ключова технологія для енергетичного переходу

Електрика з сонячних елементів наразі є найекономічнішою формою виробництва енергії в багатьох частинах світу. «Європейські дослідження в галузі фотоелектричної енергії працюють над численними концепціями для подальшого підвищення ефективності цієї ключової технології для енергетичного переходу», — каже професор доктор Стефан Глунц, керівник відділу досліджень фотоелектричної енергії. «Ми не лише працюємо над тим, щоб зробити виробництво кремнієвих сонячних елементів ще більш сталим та економічно ефективним, але й досліджуємо нові шляхи для досягнення ще вищої ефективності з перевіреним кремнієм у поєднанні з іншими напівпровідниковими матеріалами. Ми досягаємо цього за допомогою тандемних фотоелектричних елементів». Тандемні фотоелектричні елементи не лише прокладають шлях до майбутнього виробництва електроенергії, але й ідеально підходять — завдяки своїй вищій напрузі — для електролізу, прямого розщеплення води на водень і кисень. Таким чином, ця технологія також сприяє виробництву водню як середовища накопичення енергії та важливого будівельного блоку для енергетичного переходу.

Шарувата структура багатоперехідного сонячного елемента III-V/Si – © Fraunhofer ISE

Шарувата структура багатоперехідного сонячного елемента III-V/Si, квантова ефективність та характеристика IV за спектральних умов AM 1.5g

Вища ефективність одночасно – новий рекорд сонячних елементів

Дослідження у сфері фотоелектричних елементів наполегливо працюють над постійним підвищенням ефективності сонячних елементів. Все більше уваги приділяється тандемним фотоелектричним системам, у яких високопродуктивні матеріали сонячних елементів поєднуються в різних комбінаціях, щоб ще ефективніше використовувати сонячний спектр для перетворення світла в електричну енергію. Fraunhofer ISE зараз повідомляє про новий рекорд ефективності 25,9 відсотка для тандемного сонячного елемента III-V/Si, вирощеного безпосередньо на кремнії. Вперше це було зроблено на недорогій кремнієвій підкладці – важлива віха на шляху до економічних рішень для тандемних фотоелектричних елементів.

Кілька тандемних сонячних елементів III-V групи на кремнієвій підкладці діаметром 10 см – © Fraunhofer ISE – Фото: Маркус Файфель

Інститут сонячних енергетичних систем Фраунгофера (ISE) вже багато років працює над багатоперехідними сонячними елементами, в яких два або три часткові елементи розташовані один над одним для перетворення сонячного світла різної довжини хвиль в електрику. Кремній підходить як поглинач для інфрачервоної частини спектра, а поверх нього наносяться шари напівпровідників III-V групи, матеріалів з III та V груп періодичної таблиці, які ефективніше перетворюють ультрафіолетове, видиме та ближнє інфрачервоне світло в електрику. Чисті напівпровідникові сонячні елементи III-V групи вже використовуються в космосі та в концентраторних фотоелектричних системах. Завдяки більш економічно ефективним процесам у поєднанні з кремнієм як найнижчим піделементом, тандемна технологія має стати доступною для широкого застосування фотоелектричних елементів у майбутньому. Однак до цього часу ще багато чого потрібно зробити.

25,9 відсотка для тандемних сонячних елементів III-V/Si, вирощених безпосередньо на кремнії

Існують різні підходи до виробництва комбінацій сонячних елементів III-V та кремнієвих. Наприклад, з 2019 року Fraunhofer ISE утримує світовий рекорд ефективності 34,1 відсотка (зараз 34,5 відсотка) для тандемного сонячного елемента, в якому напівпровідникові шари III-V переносяться з підкладки з арсеніду галію на кремній, причому шари з'єднуються так званим пластинним зв'язком. Ця технологія є ефективною, але дорогою. З цієї причини Fraunhofer ISE вже багато років працює над більш прямими виробничими процесами, в яких шари III-V осаджуються або епітаксіюються на кремнієвий сонячний елемент. Тут вирішальне значення має підтримка високої якості кристалів усіх шарів – це серйозний виклик. Наразі досягнуто нового світового рекорду ефективності в 25,9 відсотка для такого тандемного сонячного елемента III-V/Si, вирощеного безпосередньо на кремнії. Вчений з Fraunhofer ISE Маркус Файфель нещодавно зміг представити свій успіх на 47-й конференції фахівців з фотоелектричної енергії IEEE, яка, як і багато конференцій наразі, проводиться онлайн, і була відзначена Студентською премією в категорії «Гібридні тандемні сонячні елементи». «Ззовні складна внутрішня структура елемента не видно, оскільки всі поглиначі з'єднані один з одним додатковими кристалічними шарами та електрично з'єднані», – пояснює молодий дослідник сонячних елементів, який таким чином зміг покращити результат своєї роботи з 24,3 до 25,9 відсотка менш ніж за рік. «Цього успіху було досягнуто шляхом заміни одного тонкого шару всередині багатокомпонентного елемента», – продовжує він. «Ретельний аналіз наших елементів показав, що цей шар створював бар'єр для лінії електропередач»

Невеликими кроками дослідники Фраунгофера розвивають цю технологію з 2007 року у співпраці з Технічним університетом Ільменау, Університетом Філіпса в Марбурзі та компанією Aixtron, встановлюючи спеціальне епітаксійне обладнання та досліджуючи кожен шар структури. Ці розробки фінансувалися Федеральним міністерством освіти та досліджень Німеччини (BMBF) у рамках проектів «III-V-Si» та «MehrSi». Особливістю нового тандемного сонячного елемента є те, що шари III-V вирощувалися не на хімічно-механічно полірованій підкладці, як це було раніше, а на кремнієвій пластині, яка після розпилювання кристала оброблялася простим способом, використовуючи лише недорогі процеси шліфування та травлення. В рамках європейського проекту «SiTaSol» данська компанія Topsil розробила ці кремнієві пластини та таким чином зробила важливий крок до економічного виробництва нових багатоперехідних сонячних елементів. У майбутньому метою буде ще більше підвищення ефективності, а також ще швидше, з вищою пропускною здатністю та, таким чином, більш економічно ефективно нанесення шарів, з метою забезпечення того, щоб тандемні фотоелектричні елементи могли зробити важливий внесок у розширення фотоелектричної енергетики, необхідне для енергетичного перетворення.

Ключова технологія для трансформації енергетичної системи

У багатьох частинах світу сьогодні електроенергія від сонячних елементів є найдешевшою формою виробництва енергії. «Європейські дослідження в галузі фотоелектричної енергетики працюють над численними концепціями для подальшого розвитку ефективності цієї ключової технології для енергетичного переосмислення», — каже професор доктор Стефан Глунц, керівник відділу досліджень фотоелектричної енергії. «Ми не тільки працюємо над тим, щоб зробити виробництво кремнієвих сонячних елементів ще більш сталим та економічно ефективним, але й водночас відкриваємо нові горизонти, щоб привести перевірений кремній у поєднанні з іншими напівпровідниковими матеріалами до ще вищої ефективності. Ми досягаємо цього за допомогою тандемних фотоелектричних елементів. Тандемні фотоелектричні елементи не тільки відкривають шлях у майбутнє виробництва електроенергії, але й ці сонячні елементи — завдяки своїй вищій напрузі — також ідеально підходять для електролізу, прямого розкладання води на водень і кисень. Таким чином, ця технологія також сприяє виробництву водню як середовища накопичення енергії та важливого будівельного блоку для енергетичного переосмислення».

Шарувата структура багатоперехідного сонячного елемента III-V/Si – © Fraunhofer ISE

Шарувата структура багатоперехідного сонячного елемента III-V/Si, квантова ефективність та характеристики IV за спектральних умов AM 1.5g