Nowe horyzonty technologii krzemu krystalicznego
Tradycyjne ogniwa słoneczne, w których głównym półprzewodnikiem jest krzem krystaliczny, opierają się na sprawdzonej technologii, która sprawdza się już od wielu dekad. Co więcej, technologia krzemu krystalicznego była także przez ten czas stale ulepszana, jednak obecnie producenci doszli niemalże do granic jej możliwości. Rozwiązaniem tego problemu mogą być rozwiązania tandemowe, które oferują znacznie wyższą sprawność i wydajność. W ramach finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu SiTaSol, badacze pracowali nad produkcją dwuzłączowych ogniw słonecznych, opartych na arsenofosforku galu (GaAsP) oraz krzemie (Si). Ogniwa słoneczne GaAsP/Si opierają się na nowatorskiej platformie, która łączy tanie wafle krzemowe i technologię epitaksji, charakteryzującą się wysoką wydajnością. Rozwiązanie opiera się na zasadzie technologii tandemowej, czyli podziale widma słonecznego na różne pasma, które są pochłaniane i konwertowane w różnych materiałach – w tym wypadku to arsenofosforek galu i krzem.
Cel? Tanie i wydajne rozwiązanie
„Głównym celem projektu SiTaSol było znalezienie technologii pozwalającej na opracowanie tandemowego ogniwa słonecznego III-V/krzem, które osiągnie sprawność sięgającą 30 %, a także skalowalnego procesu, pozwalającego na uzyskiwanie gigawatów energii rocznie, co przełoży się na niskie koszty, akceptowalne dla sektora fotowoltaiki”, wyjaśnia Frank Dimroth, koordynator projektu. Aby była możliwa realizacja tego celu, konieczne było przeprowadzenie badań nad szeregiem elementów. Wśród nich znalazły się między innymi proces epitaksji dla warstw kryształów III-V, produkcja wafli krzemowych gotowych do nakładania warstw III-V, proces formowania dolnego ogniwa krzemowego, w tym wychwytywanie światła; przetwarzanie kryształów na ogniwa słoneczne ze stykami oraz powłoka antyrefleksyjna. W ramach projektu SiTaSol powstała nowatorska maszyna do przeprowadzania procesu epitaksji o największej na świecie przepustowości, a także tandemowe ogniwa słoneczne GaAsP/Si, charakteryzujące się sprawnością sięgającą 20,8 %. Nowe ogniwo opiera się na tanim podłożu krzemowym i zostało wyprodukowane w procesie o wysokiej szybkości wzrostu, wynoszącą 100 µm/h. Po dodaniu trzeciego złącza udało się uzyskać sprawność 25,9 %. Jak wyjaśnia Dimroth: „Nie wszystkie kierunki badań okazały się trafne, jednak z czasem udało nam się opracować tandemowe ogniwa słoneczne III-V/Si, które były zbliżone do naszych początkowych założeń. Oczywiście, sprawność jest nadal niższa niż w przypadku ogniw stosowanych w laboratoriach, jednak zdecydowanie cieszy fakt, że połączenie taniej produkcji i wysokiej sprawności jest możliwe”.
Opłacalne doświadczenia i innowacyjne rozwiązania
Zespół z powodzeniem zbadał nowe technologie wytwarzania podłoży krzemowych o niemal idealnej powierzchni bez konieczności włączania procesu polerowania chemiczno-mechanicznego. Badaczom udało się także wdrożyć nowe procesy pozwalające na zwiększenie absorpcji światła w krzemie oraz wypróbować nowe sposoby wytwarzania metalowych styków ogniw przy pomocy technologii druku atramentowego. Z ich ustaleń wynika, że ten kierunek może być obiecujący, jednak wymaga jeszcze usprawnień. Zespół zajął się także badaniem różnych metod łączenia elementu pochłaniającego III-V z podłożem krzemowym. Jedną z alternatyw dla bezpośredniej hodowli kryształów było między innymi klejenie. W wyniku badań udało się ustalić, że najprostszym sposobem na osiągnięcie tego celu jest wyhodowanie bardzo cienkich warstw kryształów III-V (2-3 µm) bezpośrednio na podłożu krzemowym.
Korzyści dla środowiska wynikające z zastosowania technologii tandemowych ogniw słonecznych
Wysoka sprawność konwersji energii przekłada się na realne korzyści dla środowiska, oznacza bowiem zmniejszenie obszaru zajmowanego przez ogniwa, a także zużycie mniejszej ilości materiałów do wytwarzania modułów. „Wyniki badań potwierdzają, że wyższa sprawność wytwarzania energii przekłada się na zmniejszenie negatywnego wpływu na środowisko. Dobra wiadomość jest taka, że nie widzimy żadnych przeszkód w produkcji naszych ogniw na szeroką skalę”, podsumowuje Dimroth.
Słowa kluczowe
SiTaSol, ogniwa słoneczne, sprawność, krzem, niski koszt, fotowoltaiczne, fotowoltaika, c-Si, krystaliczny krzem
