© Fraunhofer ISE
Трехэлементные солнечные элементы, изготовленные из полупроводников III-V и кремния, способны поднять фотовольтаику на новый уровень эффективности.
Fraunhofer ISE устанавливает два рекорда эффективности для монолитных трехэлементных солнечных элементов на основе кремния
29 августа 2019 г. – Исследователи из Института солнечной энергетики им. Фраунгофера (ISE) добились дальнейшего повышения эффективности монолитных тройных солнечных элементов, изготовленных из полупроводников III-V групп и кремния. Эти многослойные солнечные элементы используют солнечный спектр значительно эффективнее, чем обычные кремниевые солнечные элементы, за счет объединения нескольких поглощающих материалов. Мировой рекорд для монолитного многослойного солнечного элемента, изготовленного методом склеивания пластин, улучшен до 34,1%. Новый рекорд эффективности в 24,3% был достигнут для кремниевого солнечного элемента с непосредственно нанесенными полупроводниковыми слоями.
«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%.
Многоэлементный солнечный элемент с непосредственно нанесенными полупроводниковыми слоями: КПД 24,3%
Другой возможностью для реализации нескольких солнечных элементов является прямое осаждение полупроводниковых слоев III-V (GaInP / GaAs) на кремниевый солнечный элемент. Этот процесс требует значительно меньше технологических этапов, чем пластинчатое соединение, и позволяет избежать использования более дорогой подложки GaAs, поэтому он выгоден для промышленного внедрения технологии. Однако атомная структура должна очень хорошо контролироваться, чтобы атомы галлия и фосфора на границе раздела кремния занимали правильные узлы решетки. Дефекты в полупроводниковых слоях также могут ухудшить эффективность солнечных элементов. «Здесь мы добились значительного прогресса - производство электроэнергии в трех подэлементах почти не страдает от этих дефектов, поэтому мы смогли впервые реализовать во всем мире эффективность 24,3% для этой технологии», - говорит д-р. Фрэнк Димрот. «Потенциал похож на потенциал ячейки, связанной с пластинами, и здесь у нас есть работа по разработке в ближайшие годы, чтобы продемонстрировать это». В декабре 2018 Fraunhofer ISE представила такой солнечный элемент с показателем эффективности 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).
© Fraunhofer ISE Фотогальваника, незаметно встроенная в крышу автомобиля: стеклянное покрытие Morpho-Color® позволяет адаптировать цвет к автомобилю.
Fraunhofer ISE представляет цветную солнечную крышу автомобиля на выставке IAA во Франкфурте
2 сентября 2019 г. – Спрос на электромобили резко растет во всем мире. Для дальнейшего увеличения запаса хода электромобилей Институт солнечной энергетики им. Фраунгофера (Fraunhofer ISE) разработал солнечную крышу для автомобиля с высокоэффективными солнечными батареями. Крыша может быть индивидуально окрашена в любой цвет, а солнечные элементы незаметно интегрированы в предварительно сформированную солнечную конструкцию. При номинальной мощности около 210 Вт/м² крыша может обеспечить достаточно электроэнергии для проезда примерно десяти километров в солнечный день для электромобиля среднего класса. В течение года это может увеличить запас хода автомобиля примерно на 10 процентов. На совместном стенде Fraunhofer-Gesellschaft (зал 4.1, стенд C 12) на Международном автосалоне (IAA) Fraunhofer ISE представляет две солнечные крыши для автомобилей разных цветов.
»Для реализации энергоснабжения без CO2 во всех секторах мы должны массово продвигать расширение фотовольтаики даже за пределами крыш и открытых пространств. В будущем солнечные модули будут еще более интегрированы в нашу уже построенную среду, например, в транспортных средствах », - объясняет доктор мед. Андреас Бетт, директор Fraunhofer ISE.
Для интеграции фотогальванического элемента в солнечную крышу исследователи из Фрайбурга полагаются на соединение с галькой: монокристаллические кремниевые солнечные элементы расположены внахлест и соединены друг с другом проводящим клеем. Таким образом, зазоры ячеек не создают неактивные области, область модуля может использоваться в максимально возможной степени для выработки электроэнергии и обеспечивает однородную, эстетичную общую картину. Кроме того, более низкие потери сопротивления и устранение затенения покоящимися коннекторами ячеек и особенно высокий допуск на затенение обеспечивают до двух процентов более высокую эффективность модуля по сравнению с обычными солнечными модулями. Матрица солнечных элементов ламинируется в пленочном ламинаторе между стеклами имеющейся в продаже сферически изогнутой панорамной крыши автомобиля. С помощью специально изготовленной пресс-формы ламинирование также можно проводить в обычном ламинаторе.
Еще одна особенность солнечной кровли: солнечные элементы полностью скрыты индивидуальным цветным покрытием и поэтому невидимы. Потеря эффективности из-за стеклянного покрытия Morpho-Color® составляет всего семь процентов. Эффект морфо-бабочки достигается за счет специальных текстур поверхности, которые обеспечивают высокую насыщенность цвета и хорошую стабильность углов обзора. «Варианты цвета практически безграничны», - говорит доктор. Мартин Хайнрих, руководитель отдела по мобильности в Fraunhofer ISE. Функциональность солнечной крыши соответствует функциональности стандартной металлической крыши автомобиля: солнечные элементы преобразуют поступающую солнечную радиацию в электричество, что помогает снизить перегрев автомобиля. Благодаря гибкому соединению напряжение модуля выше, чем у обычного модуля, что облегчает преобразование напряжения в напряжение аккумулятора. Большие тепловые и механические нагрузки на транспортных магистралях также могут хорошо компенсировать склеенные ячеистые ячейки.
Встроенные солнечные элементы автомобильной крыши PV имеют мощность около 210 Вт / м² и могут обеспечить устойчивую мощность для ежедневного автомобильного маршрута 10 в солнечный летний день. Это соответствует ежегодному возобновлению поездки примерно на 10% или эквивалентному сокращению потребления. Расчеты основаны на незатененной солнечной радиации во Фрайбурге-им-Брайсгау, потреблении электромобиля 17 кВт-ч на 100 км и годовой мощности вождения 15.000 км. Также для потребителей, которые могли бы ограничить радиус действия электрического транспортного средства (например, кондиционер, отопление), можно использовать солнечную энергию. Fraunhofer ISE видит потенциал для дальнейшего расширения диапазона в интеграции фотовольтаики в дополнительные области автомобиля.
Fraunhofer ISE в сотрудничестве с несколькими экспедиторскими компаниями уже исследовал потенциал, который бездействует на крышах транспортных средств в ходе измерительной кампании. 2016-2017: грузовые автомобили 6 были оснащены датчиками инсоляции и температуры и GPS, и их маршруты были зарегистрированы в восточной части США, а также в центральной и южной Европе. Для Европы 5000-7000 киловатт-часов годового потенциала производства электроэнергии были определены на типовой крыше грузового автомобиля, что эквивалентно проезду 5000-7000 километров. В запланированном проекте Citizen Science «PV2Go» исследователи из Fraunhofer ISE хотят определить потенциал облучения автомобилей при поддержке заинтересованных владельцев автомобилей.
Источник и изображения: Fraunhofer / ISE
