Исследователи из института Фраунгофера ISE создали фотоэлемент с эффективностью 33,3%

Исследователи из Института солнечно-энергетических систем Фраунгофера ISE совместно с компанией EVG разработали новый многослойный фотоэлемент на основе кремния, который преобразует ровно одну треть энергии, содержащейся в солнечном свете, в электрическую энергию.

Сегодня кремниевые фотоэлементы доминируют на мировом рынке солнечной энергетики с долей около 90%. Научно-исследовательские учреждения и промышленность приближаются к теоретическому пределу эффективности полупроводникового материала кремния на новых этапах технологического развития. В то же время они открывают новые горизонты для разработки нового поколения еще более эффективных фотоэлементов.

Сейчас же исследователям удалось достичь высокой эффективности преобразования многослойного фотоэлемента на основе кремния за счет тонких слоев полупроводников III-V группы толщиной 0,002 мм, менее одной двадцатой от толщины волоса, нанесенных на кремниевый фотоэлемент. Видимый свет эффективно поглощается в первом фотоэлементе из фосфида галлия-индия, близкий к инфракрасному — в арсениде галлия, а свет с более длинными волнами — в кремнии. Это позволяет значительно повысить эффективность современных кремниевых фотоэлементов.

«Солнечная энергетика является одним из важнейших столпов перехода на возобновляемые источники энергии,» — говорит д-р Андреас Бетт, директор института Fraunhofer ISE. «Затраты снизились настолько, что солнечная энергетика стала представлять собою рентабельную альтернативу ископаемым источникам энергии. Но такое развитие событий еще далеко от завершения, и новый результат показывает, как можно снизить расход материалов за счет повышения эффективности и, следовательно, не только еще более оптимизировать затраты, но и производить солнечную электроэнергию в ресурсосберегающем режиме».

Еще в ноябре 2016 года исследователи из Фрайбурга и их промышленный партнер компания EVG продемонстрировали фотоэлемент с эффективностью 30,2%, а затем в марте 2017 года увеличили ее до 31,3%. Теперь же им снова удалось значительно улучшить поглощение света и разделение заряда в кремнии, установив новый рекорд эффективности в 33,3%. Рекордный фотоэлемент внешне напоминает обычный кремниевый фотоэлемент с двумя контактами и поэтому легко может быть интегрирован в солнечные батареи. Технология также убедила жюри GreenTec Awards 2018, которое отдало этой разработке третье место в категории «Энергия».

Для реализации своей концепции многослойных фотоэлементов исследователи нанесли на кремневую основу слои из полупроводников III-V групп толщиной 1,9 мкм. Соединение с кремниевой основой осуществлялось с помощью метода термокомпрессионной сварки, известного из микроэлектроники. Поверхности дезоксидировали в камере EVG580 ComBond под высоким вакуумом с использованием ионного пучка и последующего сжатия под давлением. Результатом стало соединение, в котором атомы верхних слоев из полупроводников III-V групп связываются с кремнием. Такой фотоэлемент имеет простые контакты с фронтальной и тыльной сторон как у обычных кремниевых фотоэлементов и также, как они, может быть легко интегрирован в солнечные батареи.

Многослойный фотоэлемент на основе кремния состоит из последовательно уложенных друг га друга фотоэлементов из фосфида галлия-индия (GaInP), арсенида галлия (GaAs) и кремния (Si), которые внутренне связаны между собой так называемыми туннельными диодами. Верхний фотоэлемент GaInP поглощает излучение между 300 и 670 нм, GaAs — между 500 и 890 нм и нижний Si — между 650 и 1180 нм.

Слои полупроводников III-V групп были сначала эпитаксиально осаждены на подложке GaAs, а затем приварены на специально подготовленную структуру кремниевого фотоэлемента. При этом на фронтальную и на тыльную сторону кремния были нанесены пассивированные контакты из оксида туннельного перехода (TOPCon). Впоследствии подложку из GaAs удалили, нанесли наноструктурированный контакт с тыльной стороны для удлинения длины пути света, а также фронтальную сторону нанесли контактную сетку и антиотражающее покрытие.

На пути к промышленному производству многослойного фотоэлемента на основе кремния с полупроводниковыми слоями III-V групп нужно снизить затраты на наращивание слоев полупроводников и на технологию соединения с кремнием. Это серьезные проблемы, которые исследователи института Фраунгофера из Фрайбурга намерены решить в рамках будущих проектах в своем новом Центре высокоэффективных фотоэлементов. Там будет разрабатываться как технологии полупроводников III-V класса, так и кремниевые технологии следующего поколения. Целью является создание в будущем высокоэффективных солнечных батарей с эффективностью более 30%.

Исследования были профинансированы Европейским Союзом в рамках стипендии Мари Кюри. Кроме того, работа была поддержана Европейским союзом в рамках проекта NanoTandem, а также Федеральным министерством экономики и энергетики (BMWi) в рамках проекта PoTaSi. опубликовано econet.ru  Если у вас возникли вопросы по этой теме, задайте их специалистам и читателям нашего проекта здесь.

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet