«Монолитные множественные солнечные элементы считаются надеждой на дальнейшее развитие сегодняшних кремниевых солнечных батарей с доминирующим положением, потому что они могут реализовать значительно более высокую эффективность преобразования солнечного света в электричество. Мы считаем, что эффективность 36% возможна, что явно превышает физический предел чистого кремниевого солнечного элемента 29,4% ", - объясняет доктор. Андреас Бетт, директор Fraunhofer ISE. Высокая эффективность позволяет вырабатывать больше энергии на единицу площади и, таким образом, экономить материалы для солнечных элементов и материалов модулей - важный аспект устойчивости фотоэлектрических устройств.

Для высокоэффективного многопереходного солнечного элемента на кремниевый солнечный элемент наносятся слои полупроводников III-V толщиной всего несколько микрометров. Различные слои поглощают различные спектральные диапазоны солнечного света для его оптимального использования: фосфид галлия-индия между 300-660 нм (видимый свет), арсенид алюминия-галлия между 600-840 нм (ближний инфракрасный свет) и кремний между 800-1200. нм (длинноволновый свет). Таким образом, эффективность кремниевых солнечных элементов может быть значительно увеличена. Поскольку, как и у обычных кремниевых солнечных элементов сегодня, каждый из них имеет контакты спереди и сзади, солнечные элементы можно легко интегрировать в солнечные модули.

Связанный многократный солнечный элемент: эффективность 34,1%

Для монолитного многопереходного солнечного элемента используется метод прямого пластинчатого соединения, известный из микроэлектроники. На первом этапе слои III-V наносят на подложку из арсенида галлия. Затем поверхности раскисляют в камере под высоким вакуумом с помощью ионного пучка и прижимают друг к другу под давлением. Атомы полупроводниковых слоев III-V образуют связи с кремнием и образуют единое целое. Сложенные подэлементы GaInP, AlGaAs и кремния связаны между собой туннельными диодами. Затем подложка GaAs химически удаляется во влажном состоянии и наносится наноструктурированный задний контакт, а также антиотражающее покрытие и контактная сетка на лицевой стороне.

«По сравнению с предыдущими результатами условия осаждения были дополнительно улучшены, и была введена новая структура ячейки для самой верхней ячейки из фосфида индия-галлия, которая еще лучше преобразует видимый свет. С 34,1%, ячейка демонстрирует огромный потенциал этой технологии ", объясняет доктор Фрэнк Димрот, руководитель отдела III-V фотовольтаики и технологии концентраторов в Fraunhofer ISE. Предыдущий мировой рекорд для этого класса ячеек был 33,3%.

Характеристики IV двух новых трехпереходных солнечных элементов, изготовленных из полупроводников III-V и кремния, измерены на фотоэлементах Fraunhofer ISE CalLab PV в стандартных условиях AM1.5g. Площадь ячейки - 4 cm2. © Fraunhofer ISE

Многоэлементный солнечный элемент с непосредственно нанесенными полупроводниковыми слоями: КПД 24,3%

Еще один способ создания многопереходных солнечных элементов — это прямое осаждение слоев полупроводников III-V групп (GaInP/GaAs) на кремниевый солнечный элемент. Этот метод требует значительно меньше технологических этапов, чем соединение пластин, и позволяет избежать использования более дорогой подложки из GaAs, что делает его выгодным для промышленного внедрения технологии. Однако атомная структура должна контролироваться с очень высокой точностью, чтобы атомы галлия и фосфора занимали правильные позиции в кристаллической решетке на границе раздела с кремнием. Дефекты в полупроводниковых слоях также могут снижать эффективность солнечных элементов. «Здесь мы добились значительного прогресса — текущее поколение в трех субъячейках практически не подвержено влиянию этих дефектов, что позволило нам впервые в мире достичь эффективности в 24,3% для этой технологии», — говорит д-р Франк Димрот. «Потенциал сопоставим с потенциалом элементов, полученных методом соединения пластин, и в ближайшие годы нам предстоит еще много работы по его развитию, чтобы продемонстрировать это». В декабре 2018 года институт Фраунгофера ISE представил подобную солнечную батарею с рекордной эффективностью в 22,3%.

На пути к промышленному массовому производству монолитных нескольких солнечных элементов исследователи Fraunhofer ISE видят проблемы, в частности, в экономически эффективном процессе производства полупроводниковых слоев III-V. Здесь прямой рост на кремнии в настоящее время является наиболее перспективным подходом. Однако также исследуются способы, в которых подложки GaAs рециркулируют много раз после переноса полупроводниковых слоев в кремний. Для обеспечения рентабельной производительности при производстве солнечных элементов также должны быть разработаны новые системы для достижения осаждения на более крупных подложках и за меньшее время. Это подходы, которым исследователи ISE будут следовать в ближайшие годы.

Работа над солнечной батареей на пластинах финансируется Федеральным министерством экономики и энергетики (проект PoTaSi, FKz. 0324247). Работа над клеткой прямого выращивания, в которой участвовали партнеры Aixtron SE, TU Ilmenau и Philipps-Universität Marburg, была поддержана Федеральным министерством образования и исследований (проект MehrSi, FKz. 03SF0525A).