Krzemowe ogniwa słoneczne otrzymują ładunek z górnych warstw z nanoprzewodami
Krzem nadal dominuje w przemyśle ogniw słonecznych, jednak nowe technologie wykorzystują go w innowacyjny sposób. Finansowany przez UE projekt Nano-Tandem ma na celu przełamanie barier dla zwiększenia wydajności przy niższych kosztach poprzez wykorzystanie przetestowanego krzemu jako ogniwa bazowego w połączeniu z nanoprzewodami półprzewodników III-V (stopy pierwiastków grupy III i V układu okresowego) w roli ogniwa górnego. Przełom w funkcjonowaniu i kosztach Nanoprzewody to bardzo małe pręty o szerokości około 100 nanometrów i długości 10 mikrometrów. W ogniwie tandemowym wykorzystuje się około 6-7 milionów nanoprzewodów na milimetr kwadratowy ogniwa w konfiguracji pionowej. Do wzrostu nanoprzewodów bezpośrednio na krzemie wykorzystano technologię selektywnego matrycowego wspomagania epitaksji (TASE). Wykorzystując ten proces badacze wykazali aktywne złącza p-n w nanoprzewodach z fosforku indowo-galowego (InGaP) stworzonych z użyciem TASE. Nukleacja nanoprzewodów na podłożu III-V, zamiast na krzemie, zapewniła ponad siedmiokrotną poprawę wydajności ogniw słonecznych z nanoprzewodami z fosforkiem indu (InP) – rekordowe 15 %. Funkcjonalne nanoprzewody wymagają diod tunelowych, a to było dość trudne do osiągnięcia. Naukowcy z projektu Nano-Tandem usunęli tę przeszkodę, po raz pierwszy wykorzystując możliwość produkcji diod tunelowych InP/InGaP. Określenie charakterystyki diod tunelowych przez prąd indukowany wiązką elektronów (EBIC) było integralną częścią procesu poprawy składu stopu, a tym samym jakości diod. Aby nanieść nanoprzewody na krzem, naukowcy osadzili je w membranie polimerowej, oderwali membranę i związali ją z nowym dolnym ogniwem. Po trzech zastosowaniach pierwotne podłoża pozostały niezmienione, co pozwoliło na ich jeszcze dłuższe wykorzystanie i kolejne oszczędności. Wreszcie zespół zoptymalizował bardzo obiecującą technikę Aerotaxy, która umożliwia wyrastanie nanoprzewodów z cząstek zarodkowych bezpośrednio w fazie gazowej bez podłoża. Tempo wzrostu jest 100–1000 razy szybsze niż w przypadku konwencjonalnego wzrostu epitaksjalnego, co zapowiada radykalne obniżenie kosztów. Koordynator projektu Lars Samuelson wyjaśnia: „Uformowanie nanoprzewodów z użyciem technologii aerotaxy w membranę było prawdziwym wyzwaniem”. Naukowcy Nano-Tandem skorzystali z wyspecjalizowanego procesu nakładania tuszu w celu wyrównywania przewodów. Dzięki tej technice o wysokiej przepustowości zespół stworzył wysokiej jakości nanoprzewodowe złącza p-n z arsenku galu (GaAs). Według liderów projektu „spodziewana cena nanoprzewodowego panelu tandemowego GaAs/Si o wydajności 28 % produkowanego w procesie Aerotaxy wynosi 0,296 USD/W. Oczekiwana przyszła cena konwencjonalnych paneli z krzemu krystalicznego wynosi 0,39 USD/W za panel o wydajności 25 %”. Wyższa wydajność przy znacznie niższych kosztach powinna sprawić, że technologia ogniw słonecznych Nano-Tandem podbije światowy rynek energii odnawialnej. Innowacyjne przechwytywanie światła dla ogniw słonecznych opartych na nanoprzewodach Konwencjonalne wysokowydajne ogniwa krzemowe wykorzystują mechanizmy pułapki świetlnej, która wykorzystuje strukturyzowanie przedniej warstwy w celu zwiększenia absorpcji. Nie jest to rozwiązanie odpowiednie dla tandemowych nanoprzewodo-krzemowych ogniw słonecznych, więc naukowcy projektu Nano-Tandem opracowali strukturę tylnej pułapki fotonicznej. Dzięki niemu naukowcy osiągnęli nowy światowy rekord w wydajności konwersji (33,3 %) dla tandemowego cienkowarstwowego ogniwa słonecznego III-V/krzem. Zastosowania nie tylko w energetyce słonecznej Opracowywanie charakterystyki procesu i jego optymalizacja przez Nano-Tandem poprawiły wytwarzanie i funkcjonalność nanoprzewodów, zwiększając jednocześnie wydajność dolnych ogniw krzemowych. Szczegółowe wyniki można znaleźć w 38 recenzowanych publikacjach naukowych. Wyniki projektu torują drogę do tanich, wielkopowierzchniowych nanoprzewodowych tandemowych ogniw słonecznych III-V/krzem i przejęcia wiodącej roli Europy na rozwijającym się rynku fotowoltaiki. Powinny one również prowadzić do innowacji w zakresie urządzeń, w tym diod LED, mikroelektroniki i czujników.
Słowa kluczowe
Nano-Tandem, nanoprzewód, krzem, ogniwo słoneczne, tandem, sprawność, III-V, aerotaxy, dioda tunelowa, niskosztowy, TASE