Rekordstor solceller gør klar til masseproduktion

At sætte et iltrigt lag af silicium ind mellem en solcelle og dens metalkontakt har gjort det muligt for forskere i Europa at slå præstationsrekorder for den effektivitet, hvormed siliciumsolceller omdanner sollys til elektricitet. Men udfordringen er nu, hvordan man gør disse såkaldt passiverende kontakter egnede til masseproduktion.

"Der er i øjeblikket stor spænding omkring passivering af kontakter blandt solcellesamfundet, " sagde Dr. Byungsul Min ved Institut for Solenergiforskning i Hamelin (ISFH), Tyskland. Dette år, teknologien gjorde det muligt for hans laboratorium at sætte en ny rekordeffektivitet på 26,1 % for den slags solceller, der dominerer solcellemarkedet. Kommercielle solpaneler fungerer i øjeblikket med en effektivitet på omkring 20 %.

Passiverende kontakter består af to tynde lag af oxideret og krystalliseret silicium, der er klemt mellem en solcelle og dens metalkontakt. Taler til en fyldt sal i september på European Photovoltaics Solar Energy Conference i Bruxelles, Belgien, Dr. Min sagde, at lagene virker ved at hele brudte atombindinger på siliciumoverfladen og reducere risikoen for, at elektriske ladninger bliver fanget, når de strømmer ud af solcellen.

Designet blev udviklet i 2013 af ISFH og Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE i Freiburg, Tyskland. I de seneste år, det har drevet energikonverteringseffektiviteten af ​​siliciumfotovoltaik til over 25 % - et loft, der havde begrænset den effektivitet, som forskere kunne opnå i laboratoriet i over et årti.

Massefremstilling

Stadig, Dr. Min siger, at få producenter hidtil har taget passiviserende kontakter i industrien. Som en del af et projekt kaldet DISC, han koordinerer nu arbejdet med forskningsinstitutter og udstyrsproducenter i hele Europa for at strømline deres design til massefremstilling.

At lave rekordhøje solceller med passiverende kontakter har hidtil krævet dyre materialer og komplekse laboratorieteknikker, som Dr. Min siger, ikke kan anvendes i fabrikkens samlebånd. Imidlertid, ved at slippe af med disse sofistikerede tilgange og erstatte dem med værktøjer, der allerede er almindelige i solcelleindustrien, DISC-konsortiet forventer at nedbringe produktionsomkostningerne for teknologien.

ISFH har især erstattet et dyrt og stærkt ledende indiumholdigt lag, der er afsat på celleoverfladen for bedre at opsamle elektriske ladninger ud af den passiverende kontakt. Ved at finjustere tryk- og temperaturforhold under produktionen, Dr. Min kan nu danne et zinkholdigt lag, der har sammenlignelige fysiske egenskaber, mens der bruges rigelige materialer.

Den hollandske udstyrsleverandør Meco bytter komplekse litografitrin ud med pletteringsteknikker, der kan metallisere de elektriske kontakter fra passiverende kontaktsolceller i gennemløb, der er høje nok til fabrikkens samlebånd.

I løbet af det seneste år, DISC-prøver er kørt tværs over Frankrig, Tyskland, Schweiz og Holland spiller som partnere deres rolle i en international forsyningslinje. Hvert laboratorium tilføjer et lag silicium eller andre materialer, som det er specialiseret i, gradvist at bygge stablen af ​​halvledere op til en fungerende solcelle.

"I august, vi færdiggjorde vores første industri-størrelse solceller, " sagde Dr. Min. "De har allerede nået energikonverteringseffektiviteter over 21 %." Dette falder inden for rækkevidden af ​​solceller på markedet i dag.

I løbet af det kommende år, Dr. Min forventer, at finjustering af lagene i disse fabriksvenlige enheder vil hjælpe med at forbedre deres ydeevne ud over konkurrenternes. I en branche, hvor en forskel på kun en halv procent kan gøre eller knække virksomheder, en teknologi med et bevist potentiale på over 25 % effektivitet i laboratoriet tilbyder lokkende perspektiver for producenterne.

"Vi er nødt til at gå til højere solcelleeffektivitet, " aftalte Dr. Martin Hermle, en af ​​pionererne inden for passivisering af kontakter hos Fraunhofer ISE. Hans forskergruppe udvikler nu industrielle deponeringsmetoder til solcellerne produceret i DISC, og udvikle måder til yderligere at øge deres energikonverteringseffektivitet i et andet projekt kaldet Nano-Tandem.

"Omkostningerne til solpaneler er i høj grad dikteret af deres overfladeareal. Hvis du kan lave celler med 30 % effektivitet i stedet for 20 % eller 15 %, som virkelig hjælper med at reducere de samlede omkostninger ved solenergi."

33% effektivitet

Tidligere i år, Fraunhofer ISE producerede en solcelle, der nåede en svimlende 33% effektivitet. Forskere stablede en siliciumsolcelle, der inkorporerede passiverende kontakter, med to ekstra solceller lavet af mere eksotiske materialer, baseret på grundstoffer i tredje og femte gruppe af det periodiske system.

"Disse topceller er gode til at absorbere blå nuancer af lys, men de er lavet af forholdsvis sjældne grundstoffer, som gallium eller indium, som også er langsommere at samle end konventionelle siliciumsolceller, " sagde Dr. Hermle. "Hvis du vil konkurrere på massemarkedet, du skal bringe omkostningerne ved materialeaflejringen ned med omkring to størrelsesordener."

En løsning, Nano-Tandem udforsker, er at bruge færre af dem. Fraunhofer ISE har sendt siliciumsolceller med passiverende kontakter til IBM Research Zürich, hvor projektpartnere placerer solceller oven på dem, ikke som faste lag, men som tæpper af ledninger knap 1000 atomer brede. Startup Sol Voltaics og Lunds Universitet i Sverige er ved at udvikle en potentielt billigere måde at fremstille nanotrådene på, samle dem fra gasmolekyler, når de flyver gennem en rørovn.

Nano-Tandem-koordinator professor Lars Samuelson ved Lunds Universitet siger, at de anvendte råvarer er dyre, men at fotoniske effekter i dem kunne vende deres økonomi. Han siger, at samlet klogt, producenter kunne i princippet bruge 90 % mindre materiale uden stor indflydelse på effektiviteten eller lysabsorptionen af ​​deres solceller.

Det er den slags innovative fordele, som Dr. Hermle beskriver som afgørende for at holde europæiske forskningsinstitutter i spidsen for solcelleteknologi. I takt med at markedet for solceller skyder i vejret til 11-cifrede årlige tal, Konkurrencen i Asien får i stigende grad europæiske producenter ud af drift.

Dr. Hermle siger, at passiverende kontakter er et eksempel på, hvordan den europæiske industri kan forblive relevant i forhold til den globale konkurrence. "Dette er en teknologi, der virkelig kom fra Europa til solcellemarkedet, " han sagde.