„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%.

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 narušit účinnost solárních článků. "Zde jsme dosáhli významného pokroku - výroba energie ve třech dílčích buňkách těžko trpí těmito defekty, takže jsme byli schopni realizovat 24,3% účinnost pro tuto technologii poprvé na celém světě," Frank Dimroth. "Potenciál je podobný potenciálu buňky vázané na oplatky a tady máme v příštích letech nějakou vývojovou práci, abychom to dokázali." V prosinci 2018 představil Fraunhofer ISE takový solární článek 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).

»Abychom mohli ve všech odvětvích realizovat dodávku energie bez CO2u, musíme masivně posunout expanzi fotovoltaiky i za střechy a otevřené prostory. V budoucnu budou solární moduly ještě integrovanější do našeho již vybudovaného prostředí, například i ve vozidlech, “vysvětluje Dr. med. Andreas Bett, ředitel Fraunhofer ISE.

Pro integraci fotovoltaiky do solární střechy se Freiburgští výzkumníci spoléhají na spojení šindelů: monokrystalické křemíkové solární články jsou uspořádány tak, že se překrývají a spojují se ve spojovacím procesu s vodivým lepidlem. Tímto způsobem nevytvářejí buněčné mezery žádné neaktivní oblasti, oblast modulu lze co nejvíce využít pro výrobu energie a nabízí celkový homogenní, estetický celkový obraz. Kromě toho nižší ztráty odporu a eliminace stínování pomocí klidových konektorů buněk, jakož i zvláště vysoká tolerance zastínění zajišťují až o dvě procenta vyšší účinnost modulu ve srovnání s konvenčními solárními moduly. Matice solárních článků je laminována ve filmovém laminátoru mezi sklenicemi komerčně dostupné sféricky zakřivené panoramatické střechy automobilu. S pomocí speciálně vyrobené formy může být laminování provedeno také v konvenčním laminátoru.

Další zvláštnost solární střechy: Solární články jsou zcela skryty individuálním barevným nátěrem a jsou tak neviditelné. Ztráta účinnosti díky skleněnému povlaku Morpho-Color® je relativní pouze sedm procent. Efekt inspirovaný Morpho Butterfly je dosažen pomocí speciálních povrchových textur, které umožňují vysokou sytost barev a dobrou stabilitu zorného úhlu. „Možnosti barev jsou téměř nekonečné,“ říká Dr. Martin Heinrich, vedoucí PV pro mobilitu na Fraunhofer ISE. Funkčnost sluneční střechy odpovídá funkci standardní kovové střechy automobilu: Solární články přeměňují příchozí sluneční záření na elektřinu, což pomáhá snížit přehřátí v automobilu. Díky šindelovému připojení je napětí modulu vyšší než u konvenčního modulu, což usnadňuje transformaci napětí na napětí baterie. Velké tepelné a mechanické zatížení na dopravních trasách může také dobře kompenzovat lepené šindlové články.

Integrované solární články na střeše FV automobilu mají výkon přibližně 210 W / m² a za slunečného letního dne mohou dodávat udržitelnou energii na denní trasu vozu 10 km. To odpovídá každoročnímu obnovení cesty o přibližně 10 nebo ekvivalentnímu snížení spotřeby. Výpočet je založen na nestíněném slunečním záření ve Freiburgu im Breisgau, spotřebě elektromobilu 17 kWh na 100 km a ročním jízdním výkonu 15.000 km. Také pro spotřebitele, kteří by jinak mohli omezit dosah elektrického vozidla (např. Klimatizace, topení), lze využít solární energii. Fraunhofer ISE vidí potenciál pro další rozšíření rozsahu v integraci fotovoltaiky do dalších oblastí vozidla.

Fraunhofer ISE ve spolupráci s několika zasilatelskými společnostmi již prozkoumal potenciál, který leží na střechách vozidel v měřicí kampani 2016-2017: Nákladní automobily 6 byly vybaveny senzory izolace a teploty a GPS a jejich trasy byly zaznamenány ve východní části USA a ve střední a jižní Evropě. Pro Evropu byly stanoveny kilowatthodiny ročního potenciálu výroby energie 5000-7000 na typické střeše nákladního automobilu, což odpovídá jízdě 5000-7000 kilometrů. V plánovaném projektu Citizen Science „PV2Go“ chtějí vědci ve Fraunhofer ISE určit potenciál ozáření automobilů s podporou majitelů aut, kteří o to mají zájem.

Zdroj a obrázky: Fraunhofer / ISE