Новости научно-исследовательских лабораторий

Aenert. Research Laboratory news
Солнечные элементы и солнечные панели широко используются для использования солнечной энергии и преобразования ее в электричество экологически безопасным способом. Однако, несмотря на их широкое применение, эффективность преобразования фотоэлектрической энергии более или менее ограничена 29,4 процентами. Чтобы несколько улучшить это ограничение, их можно покрыть дополнительными материалами для создания «многопереходных» солнечных элементов. В этих ячейках несколько слоев светопоглощения наложены друг на друга, так что каждый слой эффективно поглощает определенную часть цветового спектра солнечного света, что может значительно повысить эффективность ячейки.

Сейчас ( 2023 год ) группа исследователей из Института исследований солнечной энергии Фраунгофера (ISE) и NWO-Института AMOLF (Амстердам) разработала многопереходный солнечный элемент, эффективность которого достигает 36,1 процента. Это самый высокий КПД, когда-либо зарегистрированный для солнечных элементов на основе кремния. Исследовательский проект финансировался в рамках программы Fraunhofer ICON. Команда Фраунгофера специализируется на производстве солнечных элементов сверхвысокой эффективности на основе кремния и полупроводников III-V, таких как GaInP или GaAs.

Новый элемент сочетает в себе «кремниевый солнечный элемент TOPCon», недавно разработанную высокоэффективную конструкцию элемента, с двумя полупроводниковыми слоями, состоящими из фосфида галлия-индия (GaInP) и фосфида арсенида галлия-индия (GaInAsP). Пакет слоев также покрыт специально разработанным металлополимерным нанопокрытием. Задний отражатель улучшает способность элемента улавливать свет внутри солнечного элемента, что позволило впервые повысить эффективность выше 36 процентов.

Image: Schematic layer stack of the III–V//Si triple-junction solar cell design including a double-layer antireflection coating (ARC), a highly doped n-GaAs cap layer below the contacts, a GaInP-rear-heterojunction top cell, a GaInAsP homojunction middle cell, a silicon bottom cell with tunnel-oxide passivating contacts (TOPCon) and a nanostructured diffractive rear-side grating for light path enhancement



Source: Patrick Schygulla1, Ralph Müller1, Oliver Höhn1, Michael Schachtner1, David Chojniak1, Andrea Cordaro², Stefan Tabernig², Benedikt Bläsi1, Albert Polman², Gerald Siefer1, David Lackner1, and Frank Dimroth/ Wafer-bonded two-terminal III-V//Si triple-junction solar cell with power conversion efficiency of 36.1 % at AM1.5g/ Progress in Photovoltaics Research and Applications, November 2021/ DOI:10.1002/pip.3503/ Open Access This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

Многопереходные солнечные элементы рассматриваются как основной игрок в стимулировании применения солнечных батарей. В 2023 годуУченые создали промышленный процесс маски и пластины для передней металлизации солнечных элементов на основе III – V, который может заменить дорогостоящую фотолитографию. Металлические контакты были разработаны путем гальванического нанесения никеля (Ni) непосредственно на переднюю часть солнечного элемента с использованием точно структурированной маски. С помощью струйной печати на передней стороне солнечного элемента сделаны узкие отверстия, подготавливающие его к последующему гальванопокрытию. Ширина полученных Ni-контактов составляла всего (10,5 ± 0,8) мкм, имела острые края и однородную форму. Чемпионский солнечный элемент III-V-на-кремнии с тройным переходом размером 4 см² с металлизацией лицевой маски и пластины смог достичь сертифицированного коэффициента преобразования η (31,6 ± 1,1) % (спектр AM1,5 g).

Image: Photograph of a III–V//Si wafer with inkjet-printed plating resist/mask on the front side. The mask is structured to realize twelve front grids for separate 4 cm²-sized solar cells. These exhibit two busbars at opposing edges and 22 fingers positioned rectangularly in between a pair of busbars. The mask opening width for the fingers varies from 15 µm (two left and two right cells) over 25 µm (four cells in second column from the left) to 35 µm (four cells in third column from the left). Additionally, a microscope image is shown in a green box. It highlights the transition area where a finger opening meets a busbar opening in the mask



Source: Jörg Schube, Oliver Höhn, Patrick Schygulla, Ralph Müller/ Mask and plate: a scalable front metallization with low-cost potential for III–V-based tandem solar cells enabling 31.6 % conversion efficiency/ Scientific Reports 13(1), September 2023/ DOI:10.1038/s41598-023-42407-4/ Open Access This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

Также в 2023 г. Ученые проанализировали релаксацию растяжения и контроль состава гетероструктур GaAs1-xPx/(100)GaAs с высоким содержанием As с помощью двухкристаллической рентгеновской дифракции и автоэмиссионной сканирующей электронной микроскопии. Они обнаружили, что тонкие (80–150 нм) эпитаксиальные слои GaAs1−xPx частично релаксируются за счет сети дислокаций несоответствия вдоль образца в плоских направлениях. Они также сравнили значения остаточной деформации решетки в зависимости от толщины слоя с предсказаниями моделей равновесия (Мэттьюза – Блейксли) и энергетического баланса. Было обнаружено, что эпислои релаксируют с более медленной скоростью, чем ожидалось на основе равновесной модели, что было объяснено существованием энергетического барьера для зарождения новых дислокаций. Изучение состава GaAs1−xPx в зависимости от соотношения прекурсоров V-группы в паре в процессе роста позволило определить коэффициент сегрегации анионов As/P. Показано, что включение P в почти псевдоморфные гетероструктуры кинетически активировано с энергией активации EA = 1,41±0,04 эВ во всем диапазоне составов сплава.

Image: Plan-view FESEM micrographs of Sample C recorded by using the microscope (a) SE and (b) BSE current signals. A short-faceted trench (FT) indicated by the arrow is observed in (a) and better visualized in the magnified micrograph shown in the inset. The same FT is observed as a few-micron long and narrow black segment in (b). White markers in the micrographs represent 4 μm



Source: Paola Prete, Daniele Calabriso, Emiliano Burresi, Leander Tapfer/ Lattice Strain Relaxation and Compositional Control in As-Rich GaAsP/(100)GaAs Heterostructures Grown by MOVPE/ Materials 16(12):4254,  June 2023/ DOI:10.3390/ma16124254/ Open Access This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

Новая конструкция многопереходного солнечного элемента имеет множество преимуществ: Многопереходный элемент дешевле. для изготовления солнечных элементов сверхвысокой эффективности или обычных кремниевых солнечных элементов, эффективность которых достигает 27 процентов. Его высокая эффективность является большим преимуществом для применений, где доступное пространство ограничено и необходимо генерировать большое количество солнечной энергии на небольшой площади. Возможные области применения включают, например, электромобили на солнечной энергии, потребительские товары и дроны. Новая конструкция управления светом также применима в других типах солнечных элементов, таких как, например, кремниево-перовскитные многопереходные солнечные элементы.

Большим достижением стало то, что исследователи обеих команд смогли объединить лучшие доступные процессы для совместного достижения нового рекорда эффективности многопереходного солнечного элемента на основе кремния. За этот выдающийся результат способствовал не только новый задний отражатель от AMOLF, но и улучшенная средняя ячейка GaInAsP от Fraunhofer.

Редакционный совет