Кремниевые солнечные элементы сегодня доминируют на рынке фотоэлектрических систем. Однако достижение этой технологией максимальной теоретической мощности — лишь вопрос времени. Будущее фотоэлектрического рынка — это многофункциональные, «гибридные» солнечные элементы, сочетающие в себе несколько поглощающих материалов, что позволяет лучше использовать энергетический спектр солнечного излучения. Об этом свидетельствуют исследования, проведенные учеными Fraunhofer ISE, которые в сотрудничестве со своими партнерами достигли нового рекорда эффективности 22,3% для многофункционального солнечного элемента, изготовленного из кремния и полупроводниковых материалов III-V.
Об этом свидетельствуют исследования, проведенные учеными Fraunhofer ISE, которые в сотрудничестве со своими партнерами достигли нового рекорда эффективности 22,3% для многофункционального солнечного элемента, изготовленного из кремния и полупроводниковых материалов III-V. Уникальным достижением является то, что слои III-V выращивались непосредственно на кремнии.
Удачное сочетание только лучших материалов
Комбинируя различные полупроводниковые материалы, ученые, занимающиеся солнечными элементами, пытаются превысить теоретический предел эффективности в 29,4% для одного кремниевого элемента и преобразовать солнечный свет в электричество еще более эффективно.
Комбинация кремниевого материала с полупроводниковыми соединениями AIIIBV, такими как арсенид галлия, является многообещающей. Чтобы достичь этого, структуры солнечных элементов III-V должны сначала быть изготовлены на подложках из арсенида галлия, затем перенесены в кремниевый элемент с помощью технологии соединения полупроводников и, наконец, протравлены подложки из арсенида галлия.
Однако другой, менее затратный подход заключается в прямом выращивании слоев III-V на кремниевом солнечном элементе. В последнем подходе атомная структура должна очень хорошо контролироваться по мере роста слоя, чтобы атомы галлия и фосфора выстраивались в правильных местах решетки, буквально на границе с кремнием.
Кроме того, необходимо искусственно увеличить расстояние между атомами в кристаллической решетке, чтобы получить арсенид галлия. Ученые работают над этими проблемами более десяти лет. Теперь они могут значительно снизить плотность дефектов кремниевых полупроводниковых слоев III-V и успешно создали «гибридный» солнечный элемент III-V / Si, который достиг нового рекорда эффективности — 22,3 процента. Ученые использовали здесь технологию прямого разведения отводов III-V. Значение производительности было опубликовано 25 декабря 2018 года во всемирно признанной таблице лучших показателей тестовых ячеек в мире.
«Мы очень довольны результатом непосредственной разработки полупроводников III-V на кремнии, что является важным исследовательским подходом к« гибридным »элементам» , — говорит доктор Андреас Бетт, директор института Fraunhofer ISE. — В настоящее время мы строим новый исследовательский центр высокоэффективных солнечных батарей во Фрайбурге. Наша работа над «гибридными» ячейками будет вестись в новых исследовательских центрах после их завершения в 2020 году. Благодаря улучшенной технической инфраструктуре мы рассчитываем быстро ускорить разработку многофункциональных кремниевых и полупроводниковых солнечных элементов .
Рентабельность производства тоже важна.
В рамках проекта MehrSi, в последние годы, сплавление кристалла кремния с первым полупроводниковым слоем фосфида галлия III-V было исследовано и постоянно оптимизировано в тесном сотрудничестве с исследовательскими группами профессора Томаса Ханнаппеля из Технического университета Ильменау и профессора Керстин Фольц из Института философии. Университет Филиппа в Марбурге. На ранних этапах проекта повреждения кристаллической структуры сначала были очень заметны, но постепенно сводились к минимуму по мере продвижения исследований.
Рекордная производительность нашего «гибридного» солнечного элемента III-V / Si показывает, что мы достигли очень хорошего понимания материалов , — объясняет доктор Франк Димрот, координатор проекта MehrSi. — Благодаря успешному прямому росту слоев III-V на кремнии мы можем избежать использования дорогих подложек III-V для эпитаксии. Таким образом, этот подход является ключевой технологией для прибыльного производства высокоэффективных тандемных солнечных элементов в будущем , отмечает ученый.
Проект MehrSi, в ходе которого был разработан рекордный многофункциональный кремниевый солнечный элемент, финансировался Федеральным министерством образования и исследований Германии BMBF. Партнерами проекта выступили: Технический университет Ильменау, Марбургский университет Филиппа и производитель систем AIXTRON SE.