Przyszłość fotowoltaiki leży w wysokowydajnych ogniwach słonecznych

Autor: Radosław Zieniewicz
Dodano: 19 kwi 2019 09:00
Zaktualizowano: 22 kwi 2019 20:31

Krzemowe ogniwa słoneczne dominują dziś na rynku fotowoltaicznym. Jednak kwestią czasu jest, kiedy ta technologia osiągnie swoją teoretyczną, maksymalną wydajność. Przyszłością rynku fotowoltaiki są wielofunkcyjne, "hybrydowe" ogniwa słoneczne, łączące kilka materiałów absorbera, umożliwiając tym same lepsze wykorzystanie energetyczne widma promieniowania słonecznego. Świadczą o tym badania przeprowadzone przez naukowców z Fraunhofer ISE, którzy we współpracy z partnerami osiągnęli nowy rekord wydajności wynoszący 22,3% dla wielofunkcyjnego ogniwa słonecznego, wykonanego z materiałów krzemowych i półprzewodnikowych III-V.

Charakterystyka prądowo-napięciowa nowego ogniwa słonecznego III-V/Si o sprawności 22,3%. Warstwy III-V były bezpośrednio osadzane na krzemowym ogniwie dolnym w procesie epitaksjalnym (z wiązek molekularnych). W celu dopasowania wiązania atomowego pomiędzy atomami w strukturach krystalicznych wprowadzono warstwę nukleacyjną fosforku galu (GaP) i tzw. bufor metamorficzny pomiędzy Si i GaAs. Optymalizacja tych warstw przejściowych była głównym wyzwaniem w tym projekcie. Fot. Fraunhofer ISE

PRZEJDŹ DO GALERII Charakterystyka prądowo-napięciowa nowego ogniwa słonecznego III-V/Si o sprawności 22,3%. Warstwy III-V były bezpośrednio osadzane na krzemowym ogniwie dolnym w procesie epitaksjalnym (z wiązek molekularnych). W celu dopasowania wiązania atomowego pomiędzy atomami w strukturach krystalicznych wprowadzono warstwę nukleacyjną fosforku galu (GaP) i tzw. bufor metamorficzny pomiędzy Si i GaAs. Optymalizacja tych warstw przejściowych była głównym wyzwaniem w tym projekcie. Fot. Fraunhofer ISE

Dzięki "hybrydowym" ogniwom słonecznym, wykonanych z materiałów krzemowych i półprzewodnikowych III-V, możliwe jest bardziej efektywne energetycznie wykorzystanie widma słonecznego w porównaniu z konwencjonalnymi ogniwami słonecznymi, dostępnymi obecnie na rynku fotowoltaicznym. Fot. Fraunhofer ISE/ A. Wekkeli

Krzemowe ogniwa słoneczne dominują dziś na rynku fotowoltaicznym, ale technologia ta zbliża się do swojej teoretycznej maksymalnej wydajności, którą można osiągnąć przy zastosowaniu krzemu jako jedynego materiału absorbera. Natomiast wielofunkcyjne ogniwa słoneczne, łączące kilka materiałów absorbera, umożliwiają lepsze wykorzystanie energetyczne widma promieniowania słonecznego. Ze względu na swój większy potencjał wydajności, wielofunkcyjne ogniwa słoneczne mają przed sobą obiecującą przyszłość.

Świadczą o tym badania przeprowadzone przez naukowców z Fraunhofer ISE, którzy we współpracy z partnerami osiągnęli nowy rekord wydajności wynoszący 22,3% dla wielofunkcyjnego ogniwa słonecznego wykonanego z materiałów krzemowych i półprzewodnikowych III-V. Wyjątkowym osiągnięciem jest to, że warstwy III-V były bezpośrednio wyhodowane na krzemie.

Udane połączenie tylko najlepszych materiałów

Łącząc różne materiały półprzewodnikowe, naukowcy zajmujący się ogniwami słonecznymi próbują przekroczyć teoretyczny limit sprawności wynoszący 29,4% dla pojedynczego ogniwa krzemowego i jeszcze efektywniej konwertować światło słoneczne na energię elektryczną.

Obiecujące jest połączenie materiału krzemowego ze związkami półprzewodnikowymi III-V, takimi choćby jak arsenek galu. Aby to osiągnąć, należy najpierw wytworzyć struktury ogniw słonecznych III-V na podłożach z arsenku galu, następnie przenieść je do ogniwa krzemowego za pomocą technologii łączenia półprzewodników i wreszcie wytrawić podłoże z arsenku galu.

Innym, mniej kosztownym podejściem jest jednak bezpośrednia uprawa warstw III-V na krzemowym ogniwie słonecznym. W tym drugim podejściu, struktura atomowa musi być bardzo dobrze kontrolowana podczas wzrostu warstwy tak, że atomy galu i fosforu układają się na właściwych miejscach sieci, dosłownie na styku z materiałem krzemowym.

Ponadto, odległość między atomami w sieci krystalicznej musi być sztucznie zwiększona w celu wyprodukowania arsenku galu. Naukowcy pracują nad tymi wyzwaniami od ponad dziesięciu lat. Teraz są oni w stanie znacznie zmniejszyć gęstość występujących defektów w warstwach półprzewodnikowych III-V na krzemie i z powodzeniem wyprodukowali ogniwo słoneczne "hybrydowe" III-V/Si, które osiągnęło nowy rekord wydajności, wynoszący 22,3 procent. Naukowcy wykorzystali tu technologię bezpośredniej hodowli warstw III-V. Wartość wydajności została opublikowana 25 grudnia 2018 roku w uznanej na całym świecie tabeli najlepszych wydajności ogniw badawczych na świecie.

Jesteśmy bardzo zadowoleni z tego wyniku bezpośredniego rozwoju półprzewodników III-V na krzemie, co jest ważnym podejściem badawczym dla ogniw "hybrydowych"– mówi dr Andreas Bett, dyrektor instytutu Fraunhofer ISE. – We Freiburgu budujemy obecnie nowe centrum badawcze nad wysokowydajnymi ogniwami słonecznymi. Nasze prace nad ogniwami "hybrydowymi" będą prowadzone w nowych obiektach naukowych po ukończeniu ich budowy, w 2020 roku. Wraz z ulepszoną infrastrukturą techniczną oczekujemy szybkiego przyspieszenia rozwoju wielofunkcyjnych ogniw słonecznych opartych na krzemie i półprzewodnikach.

Liczy się też opłacalność produkcji

W ramach projektu MehrSi, w ostatnich latach zbadano i stale optymalizowano w ścisłej współpracy z grupami badawczymi profesora Thomasa Hannappela na TU Ilmenau i profesora Kerstina Volza na Uniwersytecie Philipps w Marburgu połączenie kryształu krzemu z pierwszą warstwą półprzewodnikową III-V fosforku galu. W początkowej fazie projektu, uszkodzenia struktury krystalicznej były najpierw bardzo widoczne, ale w ramach postępu prac naukowych stopniowo je minimlaziowano.

Rekordowa wydajność naszego "hybrydowego" ogniwa słonecznego III-V/Si pokazuje, że osiągnęliśmy bardzo dobre zrozumienie materiałów – wyjaśnia dr Frank Dimroth, koordynator projektu MehrSi. – Dzięki udanemu bezpośredniemu wzrostowi warstw III-V na krzemie możemy uniknąć stosowania drogich substratów III-V do epitaksji. Takie podejście jest zatem kluczową technologią dla opłacalnej produkcji wysokowydajnych tandemowych ogniw słonecznych w przyszłości – zauważa naukowiec.

Projekt MehrSi, w ramach którego stworzono rekordowe wielofunkcyjne ogniwo słoneczne na krzemie, został sfinansowany przez niemieckie Federalne Ministerstwo Edukacji i Badań BMBF. Partnerami projektu byli: TU Ilmenau, Philipps University of Marburg oraz producent systemów AIXTRON SE.

Źródło: Fraunhofer ISE

O rozwoju nowoczesnych i wydajnych technologiach przetwarzania energii słonecznej, które zdominują rynek fotowoltaiki będą rozmawiali eksperci podczas nowego eventu Grupy PTWP - 4 Buildings (15-17 listopada 2019 r., Katowice)!