„Monolitické vícenásobné solární články jsou považovány za naději na rozvoj dnešních dominantních křemíkových solárních článků, protože mohou dosáhnout výrazně vyšší účinnosti přeměny slunečního světla na elektřinu. Považujeme za možnou účinnost 36%, což jasně převyšuje fyzickou mez čistého křemíkového solárního článku 29,4%, “Dr. Andreas Bett, ředitel Fraunhofer ISE. Jeho vysoká účinnost umožňuje generovat více energie na jednotku plochy, což šetří materiály pro solární články a materiály modulů - důležitý aspekt pro udržitelnost fotovoltaiky.

U vysoce účinného vícenásobného solárního článku se na křemíkový solární článek nanáší vrstvy polovodičů III-V o tloušťce pouhých několika mikrometrů. Různé vrstvy absorbují různé spektrální rozsahy slunečního světla, aby je optimálně využily: fosfid india galium mezi 300 - 660 nm (viditelné světlo), arsenid hlinitý a galium mezi 600 - 840 nm (blízké infračervené světlo) a křemík mezi 800 - 1200 nm (delší vlnové světlo). Tímto způsobem lze významně zvýšit účinnost křemíkových solárních článků. Vzhledem k tomu, že jako každý dnešní běžný křemíkový solární článek mají každý kontakt zepředu i zezadu, lze solární články snadno integrovat do solárních modulů.

Lepené více solárních článků: účinnost 34,1%

Monolitický vícesměrný solární článek používá mikroelektroniku známou metodu přímého vázání destiček. V prvním kroku se vrstvy III-V nanesou na substrát arzenidu gallia. Následně se povrchy deoxidují v komoře za vysokého vakua pomocí iontového paprsku a stlačí se spolu pod tlakem. Atomy polovodičových vrstev III-V vytvářejí vazby s křemíkem a vytvářejí jednotku. Skládané dílčí buňky GaInP, AlGaAs a křemíku jsou vzájemně propojeny tunelovými diodami. Následně se substrát GaAs chemicky odstraní za mokra a nanese se na zadní stranu nanostrukturovaný kontakt, stejně jako antireflexní povlak a kontaktní mřížka na přední straně.

„Ve srovnání s předchozími výsledky byly podmínky depozice dále vylepšeny a byla zavedena nová buněčná struktura pro nejvyšší buňku gallium-indium-fosfidu, která převádí viditelné světlo ještě lépe. S 34,1% buňka ukazuje obrovský potenciál této technologie, “Dr. Frank Dimroth, vedoucí oddělení III-V fotovoltaiky a technologie koncentrátů na Fraunhofer ISE. Předchozí světový rekord pro tuto buněčnou třídu byl 33,3%.

Charakteristiky IV dvou nových trojitých křižovatek vyrobených z polovodičů III-V a křemíku, měřeno ve Fraunhofer ISE CalLab PV Cells za standardních podmínek AM1.5g. Oblast buněk je 4 cm2. © Fraunhofer ISE

Více solárních článků s přímo uloženými polovodičovými vrstvami: účinnost 24,3%

Další možností realizace více solárních článků je přímé nanášení polovodičových vrstev III-V (GaInP / GaAs) na silikonový solární článek. Tento proces vyžaduje výrazně méně procesních kroků než lepení destiček a vyhýbá se použití dražšího substrátu GaAs, což je důvod, proč je výhodné pro průmyslovou implementaci technologie. Atomová struktura však musí být velmi dobře řízena, aby atomy gallia a fosforu na křemíkovém rozhraní zabíraly správná mřížková místa. Vady polovodičových vrstev mohou také ovlivnit účinnost solárních článků. „Pokud jsme dosáhli významného pokroku - současná generace ve třech subbuněk těžko trpí těmito defekty, takže jsme byli schopni realizovat 24,3% účinnost pro tuto technologii poprvé na světě,“ Frank Dimroth. "Potenciál je podobný potenciálu buňky vázané na oplatky a tady máme v příštích několika letech demonstrační práci." v Prosinec 2018 představil Fraunhofer ISE s takovým solárním článkem se záznamem účinnosti 22,3%.

Na cestě k průmyslové hromadné výrobě monolitických vícesměrných solárních článků vidí vědci Fraunhofer ISE výzvy zejména v nákladově efektivním procesu výroby polovodičových vrstev III-V. Přímý růst na křemíku je v současnosti nejslibnějším přístupem. Probíhá však také výzkum metod, při nichž se substráty GaAs mnohokrát recyklují po přenosu polovodičových vrstev na křemík. Pro nákladově efektivní průchod ve výrobě solárních článků je třeba vyvinout nové zařízení, aby se dosáhlo depozice na větších substrátech a za kratší dobu. Toto jsou přístupy, které budou vědci ISE v následujících letech sledovat.

Práce na oplatkových vazbách jsou financovány Spolkovým ministerstvem hospodářství a energetiky (projekt PoTaSi, FKz. 0324247). Práce na přímo pěstované buňce, do níž byli zapojeni partneři Aixtron SE, TU Ilmenau a Philipps-Universität Marburg, byla financována spolkovým ministerstvem školství a výzkumu (projekt MehrSi, FKZ 03SF0525A).