太阳能电池新纪录 – 太阳能电池新纪录

发布日期： 2020 年 8 月 10 日 / 更新日期： 2020 年 8 月 17 日 - 作者： Konrad Wolfenstein

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串联效率更高——太阳能电池新纪录

光伏研究正在努力进一步提高太阳能电池的效率。 人们越来越关注串联光伏发电，其中将强大的太阳能电池材料以不同的组合组合在一起，以便在将光转换为电能时更有效地利用太阳光谱。 Fraunhofer ISE 现已创下直接在硅上生长的 III-V/Si 串联太阳能电池效率 25.9% 的新纪录。 这是首次在经济高效的硅基板上制造 - 这是串联光伏经济解决方案道路上的一个重要里程碑。

直径为 10 厘米的硅基板上的多个 III-V 串联太阳能电池 - © Fraunhofer ISE - 照片：Markus Feifel

弗劳恩霍夫太阳能系统研究所 ISE 多年来一直致力于多个太阳能电池的研究，其中两个或三个子电池一个一个地排列在另一个之上，以将不同波长的阳光转化为电能。 硅适合作为光谱的红外部分的吸收剂，并且在其顶部应用了几微米厚的 III-V 族半导体层。这些材料来自元素周期表的 III 族和 V 族，可将紫外线、可见光和可见光转换为可见光。近红外光更有效地转化为电行走。 纯 III-V 族半导体太阳能电池已用于太空和聚光光伏发电。 通过更具成本效益的工艺与硅作为最低的子电池的结合，串联技术也应该在未来广泛应用于光伏领域。 然而，距离那时还有很长的路要走。

直接在硅上生长的 III-V/Si 串联太阳能电池为 25.9%

有不同的方法来创建 III-V 族和硅太阳能电池的组合。 自 2019 年以来，Fraunhofer ISE 保持着串联太阳能电池效率 34.1%（目前为 34.5%）的世界纪录，其中 III-V 半导体层从砷化镓基板转移到硅上，各层通过-称为晶圆 -Bond 相连。 这项技术高效但昂贵。 因此，Fraunhofer ISE 多年来一直致力于更直接的制造工艺，其中 III-V 层沉积或外延到硅太阳能电池上。 保持所有层的高晶体质量至关重要——这是一项重大挑战。 这种直接在硅上生长的 III-V/Si 串联太阳能电池现已达到 25.9% 的新世界纪录效率。 Fraunhofer ISE 科学家 Markus Feifel 最近在第 47 届 IEEE 光伏专家会议（与目前许多会议一样在网上举行）上展示了他的成功，并荣获混合串联太阳能电池类别的学生奖。 这位年轻的太阳能电池研究人员解释说：“从外部看不到电池复杂的内部结构，因为所有吸收器都相互连接，并通过额外的晶体层进行电连接。”他将工作结果从 24.3 提高到了不到一年的时间，25.9% 就可以提高。 “这一成功是通过替换多个电池中的单个薄层来实现的，”他进一步解释道。 “对我们的细胞的仔细分析表明，这一层形成了导电屏障。”

自 2007 年以来，弗劳恩霍夫研究所的研究人员一直与伊尔梅瑙工业大学、菲利普斯大学一起逐步开发这项技术。 马尔堡和 Aixtron 公司建立了特殊的外延系统，并对结构的每一层进行了检查。 这些开发项目由联邦研究部 BMBF 资助，作为“III-V-Si”和“MehrSi”项目的一部分。 新型串联太阳能电池的一个特别亮点是，III-V族层不是像以前那样生长在化学机械抛光的基板上，而是生长在硅片上，仅使用简单的工艺锯切晶体后，进行了廉价的研磨和蚀刻工艺。 作为欧洲“SiTaSol”项目的一部分，丹麦公司 Topsil 开发了这些硅片，从而朝着经济生产新型多结太阳能电池迈出了重要一步。 未来，我们的目标将是进一步提高效率，更快地沉积层，具有更高的吞吐量，因此更具成本效益，目标是串联光伏发电为能源转型所需的光伏发电做出重要贡献 -可以实现扩展。

能源转型关键技术

目前，太阳能电池发电是世界许多地区最便宜的能源生产形式。 “欧洲光伏研究正在制定许多概念，以进一步提高这一能源转型关键技术的效率，”教授、博士说。 Stefan Glunz，光伏研究主管。 »我们不仅致力于使硅太阳能电池的生产更加可持续和更具成本效益，同时我们还在探索新的方法，将经过验证的硅与其他半导体材料结合使用，以实现更高的效率。 我们可以通过串联光伏发电来实现这一目标。«串联光伏发电不仅为未来的发电开辟了道路，这些太阳能电池 - 由于其电压较高 - 也是电解的理想选择，将水直接分解为氢气和氧气。 因此，该技术也有助于生产氢气作为储能装置和能源转型的重要组成部分。

III-V/Si 多结太阳能电池的层结构 – © Fraunhofer ISE

AM 1.5g光谱条件下III-V/Si多重太阳能电池的层结构、量子效率和IV特性

串联效率更高——太阳能电池新纪录

光伏研究正在努力不断提高太阳能电池的效率。 人们越来越关注串联光伏发电，其中高性能太阳能电池材料以各种组合方式组合在一起，以便更有效地利用太阳光谱将光转换为电能。 Fraunhofer ISE 目前报告直接在硅上生长的 III-V/Si 串联太阳能电池的效率达到了 25.9% 的新纪录。 这是首次在低成本硅基板上生产——这是串联光伏经济解决方案道路上的一个重要里程碑。

直径 10 厘米的硅基板上的多个 III-V 串联太阳能电池 – © Fraunhofer ISE – 照片：Markus Feifel

弗劳恩霍夫太阳能系统研究所 ISE 多年来一直致力于多结太阳能电池的研究，其中两个或三个部分电池一层一层地排列，将不同波长的阳光转化为电能。 硅适合作为光谱中红外部分的吸收剂，以及 III-V 族半导体层（元素周期表中第 III 族和 V 族的材料），可更有效地将紫外光、可见光和近红外光转化为沉积在其上的电能。其顶部。 纯 III-V 族半导体太阳能电池已用于太空和聚光光伏发电。 通过更具成本效益的工艺与硅作为最低子电池的结合，串联技术将在未来广泛应用于光伏发电。 然而，距离那时还有很长的路要走。

直接在硅上生长的 III-V/Si 串联太阳能电池为 25.9%

生产 III-V 族和硅太阳能电池组合的方法有多种。 例如，自 2019 年以来，Fraunhofer ISE 保持了串联太阳能电池效率 34.1%（目前为 34.5%）的世界纪录，其中 III-V 半导体层从砷化镓基板转移到硅上，各层连接在一起通过所谓的晶圆键合。 这项技术高效但昂贵。 因此，Fraunhofer ISE 多年来一直致力于更直接的制造工艺，其中 III-V 层沉积或外延到硅太阳能电池上。 在这里，保持所有层的高晶体质量至关重要——这是一项重大挑战。 这种直接在硅上生长的 III-V/Si 串联太阳能电池现已达到 25.9% 的新世界纪录效率。 Fraunhofer ISE 科学家 Markus Feifel 最近在第 47 届 IEEE 光伏专家会议上展示了他的成功成果，该会议与目前的许多会议一样，都是在线举行的，并荣获混合串联太阳能电池类别的学生奖。 这位年轻的太阳能电池研究人员解释说：“从外部看，电池复杂的内部结构是不可见的，因为所有吸收器都通过额外的晶体层和电线相互连接。”不到一年的时间，工作效率从 24.3% 提高到 25.9%。 “这一成功是通过替换多个电池中的单个薄层来实现的，”他继续说道。 “对我们的细胞的仔细分析表明，这一层对电源线形成了屏障。”

自 2007 年以来，弗劳恩霍夫研究人员与伊尔梅瑙技术大学、菲利普斯大学合作，逐步进一步开发该技术。 马尔堡和 Aixtron 公司设置了特殊的外延设备并检查了结构的每一层。 这些开发项目由德国联邦教育和研究部 (BMBF) 资助，作为“III-V-Si”和“MehrSi”项目的一部分。 新型串联太阳能电池的一个特别亮点是，III-V层不是像以前那样生长在化学机械抛光的基板上，而是生长在硅片上，在锯切晶体后，通过简单的工艺对其进行处理仅使用廉价的研磨和蚀刻工艺。 在欧洲项目“SiTaSol”中，丹麦公司 Topsil 开发了这些硅片，从而实现了新型多结太阳能电池经济生产的重要一步。 未来，我们的目标是进一步提高效率，更快地实现层的沉积，吞吐量更高，从而更具成本效益，目标是串联光伏发电能够为光伏发电的发展做出重要贡献能源周转所必需的。

能源系统转型关键技术

在当今世界的许多地方，太阳能电池产生的电力是最便宜的能源生产形式。 “欧洲光伏研究正在研究许多概念，以进一步提高这一能源转型关键技术的效率，”教授说。 Stefan Glunz，光伏研究部负责人。 “我们不仅致力于使硅太阳能电池的生产更加可持续和更具成本效益，同时我们也在开辟新的领域，以便将经过验证的硅与其他半导体材料结合起来，实现更高的效率。 我们正在通过串联光伏发电来实现这一目标。 串联光伏不仅为未来的发电开辟了道路，这些太阳能电池由于电压较高，也非常适合电解，将水直接分解为氢气和氧气。 因此，该技术还有助于生产氢气作为储能介质和能源转型的重要组成部分。

III-V/Si 多结太阳能电池的层结构 – © Fraunhofer ISE

AM 1.5g光谱条件下III-V/Si多结太阳能电池的层结构、量子效率和IV特性