Podłoże z germanu: obiecująca platforma dla wielozłączowych ogniw słonecznych
Świat zwraca się w stronę energii odnawialnej, w tym słonecznej, w celu zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych i rozwiązania wiszącego nad nami kryzysu energetycznego. Jednak opracowanie wysokowydajnych ogniw słonecznych, które pozwalają przekształcać znaczną ilość światła słonecznego w energię elektryczną przy bardzo niskich kosztach, pozostaje istotnym wyzwaniem. Fotowoltaika skoncentrowana, w której wykorzystywane są układy optyczne do skoncentrowania energii słonecznej na wysokowydajnych, wielozłączowych ogniwach słonecznych, może odgrywać doniosłą rolę w rozwoju produkcji energii słonecznej. Technologia ta wymaga zastosowania ogniw cząstkowych o różnych pasmach wzbronionych, które pochłaniają różne części widma słonecznego w celu osiągnięcia wysokiej teoretycznej sprawności konwersji energii. Wysokowydajne zwierciadła lub soczewki mogą skupiać światło słoneczne na tych maleńkich ogniwach ponad 500 razy skuteczniej w porównaniu z konwencjonalnymi płaskimi ogniwami fotowoltaicznymi. Konieczne jest jednak dalsze obniżenie kosztów tej technologii. Doskonałe dopasowanie kryształów Połączenie dwóch technologii jest praktycznym zabiegiem pomagającym zwiększyć konkurencyjność systemów fotowoltaiki skoncentrowanej wobec innych form wytwarzania energii. Oznacza to wykorzystanie taniej płytki jako podstawy do stworzenia wielu wysoce wydajnych urządzeń wielozłączowych z różnymi warstwami półprzewodników złożonych. „Dopasowanie odległości między jądrami atomów w kolejnych warstwach jest kluczowym elementem podczas łączenia materiałów o określonych energiach pasma wzbronionego”, tłumaczy dr Gerald Siefer, koordynator finansowanego przez UE projektu CPVMatch. Jak mówi uczony, do przezwyciężenia problemu niedopasowania sieci można wykorzystać kilka metod, w tym metamorficzny wzrost i wiązanie płytek. Jednakże stosowanie materiałów o tym samym parametrze sieci przestrzennej jest bardziej pożądane niż zwiększanie sprawności ogniw wielozłączowych przy niskich kosztach. Badacze z projektu udowodnili słuszność przyjętej koncepcji, wykorzystując płytkę germanową, a następnie dodając dopasowaną do sieci strukturę krzemu, germanu i cyny (SiGeSn), co pozwala na uzyskanie złącza 1 eV. Późniejsze dodanie materiałów III-V pozwoli na stworzenie górnych złączy i architektury urządzeń, które mogą zapewnić bardzo wysoką sprawność. „Po raz pierwszy wysokiej jakości element półprzewodnikowy IV – SiGeSn – jest epitaksjalnie hodowany na podłożu germanowym w tym samym reaktorze wzrostu co elementy półprzewodnikowe III-V”, dodaje Siefer. Koszt mniejszy niż w przypadku istniejących odpowiedników Bardzo wydajne ogniwa fotowoltaiczne częściowo wykorzystują substraty na bazie fosforku indu (InP) do efektywnego przetwarzania promieniowania słonecznego w energię elektryczną. „Światowy rekord sprawności wielozłączowych ogniw słonecznych zawierających InP jako podłoże wynosi 46 %. Materiał ten jest jednak o wiele droższy od germanu”, zauważa Siefer. Nowe czterozłączowe ogniwo słoneczne CPVMatch z podłożem germanowym osiągnęło sprawność 42,6 %. W ramach projektu z powodzeniem opracowano i zademonstrowano inne techniczne elementy konstrukcyjne, które razem zwiększą sprawność ogniw do 46 %. Przezwyciężenie wad standardowych soczewek Większość modułów fotowoltaiki skoncentrowanej wykorzystuje tzw. soczewki typu „krzem na szkle” (SoG). Chociaż soczewki te są tanie, powodują aberrację chromatyczną, a ich działanie zależy w znacznym stopniu od temperatury otoczenia. Naukowcy eksperymentowali z soczewkami achromatycznymi w celu ograniczenia zniekształceń. Choć pozwalają na uzyskanie wysoce sprawnych urządzeń, są one drogie. Aby zmniejszyć ograniczenia i zminimalizować koszty SoG, naukowcy skupili się na tanim procesie produkcji soczewek achromatycznych, jak również inteligentnych, wysoce kompaktowych, opartych na zwierciadłach modułów fotowoltaiki skoncentrowanej. Obie mają wiele zalet w porównaniu ze standardowymi soczewkami: nie ma problemów ze zniekształceniami chromatycznymi, a sprawność konwersji energii słonecznej jest wyższa. W projekcie CPVMatch zademonstrowano koncepcje, które obniżają koszty ogniw słonecznych i zwiększają ich sprawność, aby w przyszłości umożliwić poprawę konkurencyjności systemów fotowoltaiki skoncentrowanej. „Systemy fotowoltaiczne o wysokim stopniu koncentracji mogą osiągnąć poziomy sprawności nieosiągalne dla płaskich ogniw fotowoltaicznych. Co więcej, ich niższy ślad węglowy – od 16 do 18 gramów CO2 na kilowatogodzinę wyprodukowanej energii elektrycznej – ma ogromne znaczenie dla dekarbonizacji systemu energetycznego”, dodaje Siefer.
Słowa kluczowe
CPVMatch, fotowoltaika skoncentrowana, wielozłączowe ogniwa słoneczne, podłoże germanowe, krzem-german-cyna (SiGeSn), dopasowane do sieci, półprzewodnik IV, półprzewodnik III-V, soczewki achromatyczne, zwierciadło, optyka
