Группа инженеров из немецкого Института солнечных энергосистем имени Фраунгофера (ISE) и австрийский производитель полупроводников EV Group (EVG) поставили новый рекорд эффективности кремниевых мультиконтактных солнечных элементов, добившись КПД 33,3%. 

Исследователи из Института солнечных энергетических систем имени Фраунгофера (ISE) совместно с австрийской компанией производителей полупроводников EV Group (EVG), разработали новую кремниевую мультиконтактную солнечную ячейку, которая может превратить ровно одну треть солнечного света в полезное электричество. Этот новейший результат опубликован в известном научном журнале Nature Energy.

Сегодня на мировом фотоэлектрическом рынке доминируют кремниевые солнечные элементы доля которых составляет около 90%. С появлением новых технологических разработок, исследователи и промышленность приближаются к теоретическому пределу эффективности полупроводникового кремния. В то же время они создают новые пути для разработки следующего поколения еще более эффективных солнечных ячеек.

Silicon-based multi-junction solar cell consisting of III-V semiconductors and silicon.

Исследователи Фраунгофера достигли высокой эффективности преобразования кремниевой мультиконтакной  солнечной ячейки с чрезвычайно тонкими толщиной 0,002 мм полупроводниковыми слоями III-V группы полупроводниковых соединений, связав их с кремниевым солнечным элементом. Для сравнения, толщина этих слоев составляет менее одной двадцатой толщины человеческого волоса. Видимый солнечный свет поглощается в верхней клетке галлий-индия-фосфида (GaInP), ближнем инфракрасном свете в галлий-арсениде (GaAs) и более длинных волнах в кремниевой подячейке. Таким образом, эффективность кремниевых солнечных элементов может быть значительно увеличена.

«Фотовольтаика является ключевым элементом трансформации энергии», - говорит д-р Андреас Бетт, директор Института Fraunhofer ISE. «Между тем, затраты уменьшились до такой степени, что фотоэлектричество стало экономически жизнеспособным конкурентом традиционным источникам энергии. Однако это развитие еще не завершено. Новый результат показывает, как потребление материалов может быть уменьшено за счет повышения эффективности. Таким образом можно не только оптимизировать затраты на фотовольтаику, но и его производство может быть осуществлено с учетом бережного использования ресурсов».

В ноябре 2016 года солнечные исследователи во Фрайбурге совместно со своим промышленным партнером EVG продемонстрировали эффективность солнечной ячейки 30,2%, увеличив его до 31,3% в марте 2017 года. Теперь им удалось еще раз значительно улучшить поглощение света и разделение заряда в кремнии, тем самым достигнув нового показателя эффективности в 33,3%. Технология также убедила жюри GreenTec Awards 2018 и была номинирована в тройку лидеров в категории «Энергетика».

Технология

Для этого достижения исследователи использовали известный процесс из отрасли микроэлектроники, называемый «прямое связывание с пластиной», для переноса полупроводниковых слоев III-V группы толщиной всего 1,9 микрометра на кремний. Поверхности были раскислены в камере EVG580® ComBond® под высоким вакуумом с ионным пучком и затем соединены вместе под давлением. Атомы на поверхности субклеточной формы III-V связывают с атомами кремния, создавая монолитный прибор. Сложность его внутренней структуры не очевидна по внешнему виду: ячейка имеет простой передний и задний контакты, как и обычный кремниевый солнечный элемент, и поэтому может быть интегрирована в фотоэлектрические модули таким же образом.

Мультиконтакный солнечный элемент III-V/Si состоит из последовательности субэлементов, уложенных друг на друга. Так называемые «туннельные диоды» внутренне соединяют три подячейки из галлий-индия-фосфида (GaInP), галлий-арсенид (GaAs) и кремния (Si), которые охватывают диапазон поглощения спектра Солнца. Верхняя ячейка GaInP поглощает излучение между 300 и 670 нм. Средняя подзона GaAs поглощает излучение между 500 и 890 нм и нижней подячейкой Si между 650 и 1180 нм соответственно. Уровни III-V сначала эпитаксиально осаждаются на подложке GaAs, а затем связаны с структурой кремниевых солнечных элементов. Здесь на переднюю и заднюю поверхности кремния наносят пассивированный контакт туннельного оксида (TOPCon). Впоследствии подложка GaAs удаляется, наноструктурированный задний контакт реализуется для увеличения длины пути света. Также применяются лицевая боковая контактная сетка и антиотражающее покрытие.

На пути к промышленному производству мультиконтактных солнечных элементов III-V / Si затраты на эпитаксию III-V и технологию соединения с кремнием должны быть уменьшены. В этой области все еще есть большие проблемы, которые исследователи Фраунгофера ISE намерены решить в ходе будущих исследований. Fraunhofer ISE, новый центр солнечных элементов высокой эффективности, который в настоящее время строится во Фрайбурге, предоставит им идеальную установку для разработки технологий нового поколения III-V  группы полупроводников и солнечных ячеек. Конечной целью является создание высокоэффективных солнечных фотоэлектрических модулей с эффективностью более 30 процентов в будущем.

Финансирование проекта

Д-р Роман Кариу, молодой ученый и первый автор, был поддержан в Европейском Союзе с помощью Marie Curie Stipendium (HISTORIC, 655272). Работа была также поддержана Европейским Союзом в рамках проекта NanoTandem (641023), а также Федерального министерства экономики и энергетики Германии BMWi в проекте PoTaSi (FKZ 0324247).

Источник: Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE

Перевод: YASHEL Technologies