Nowe badania przeprowadzone przez Narodowe Laboratorium Energii Odnawialnej (NREL) mogą pomóc w zastosowaniu na dużą skalę wysoce wydajnych i trwałych ogniw słonecznych. Używane prawie wyłącznie do zasilania satelitów i pojazdów kosmicznych w energię elektryczną ogniwa fotowoltaiczne III-V są drogie i technologicznie trudne do wykonania. Pomimo dynamicznego rozwoju tanich technologii fotowoltaicznych takich jak perowskity naukowcy nie ustają w poszukiwaniu i doskonaleniu także zaawansowanych rozwiązań.
Dwa niedawno opublikowane artykuły przedstawiają postępy w dziedzinie fotowoltaiki wykonanej z materiałów III-V, nazwanych tak ze względu położenie w układzie okresowym pierwiastków, z których zbudowane są ogniwa. Ulepszenia ogniw słonecznych III-V pomogą tej technologii stosowanej głównie w przestrzeni kosmicznej znaleźć powszechne zastosowanie na Ziemi. Niezwykle wydajne ogniwa III-V mają wysoką cenę, jednak ich stosowanie do zasilania satelitów i łazików marsjańskich ma sens nie tylko z ekonomicznego punktu widzenia.
Gdyby można było obniżyć cenę elastycznych cienkowarstwowych ogniwa słonecznych tej technologii, byłyby one idealne dla fotowoltaiki zintegrowanej z budynkiem. – III-V to, szczerze mówiąc, najlepsza technologia ogniw słonecznych – powiedział Aaron Ptak, starszy naukowiec w Narodowym Centrum Fotowoltaiki w NREL i współautor obu artykułów. W przeciwieństwie do krzemu, który jest dominującą technologią słoneczną, modele III-V lepiej wykorzystują większą część widma słonecznego i wyróżniają się najwyższą sprawnością konwersji energii słonecznej na energię elektryczną spośród wszystkich technologii fotowoltaicznych.
Do produkcji ogniw słonecznych III-V, które są cienkimi warstwami wykonanymi wewnątrz komory reaktora poprzez osadzanie par zawierających pierwiastki z grup III-V układu okresowego na górnej powierzchni podłoża, stosuje się dwie metody: epitaksja z fazy gazowej wodorku (HVPE) i epitaksja z fazy gazowej metaloorganicznej (OMVPE).
Naukowcy z NREL ulepszyli pierwszą metodę i opracowali proces zwany dynamicznym HVPE lub D-HVPE, który wykorzystuje komorę dwureakcyjną. Dzięki temu ulepszeniu ogniwa słoneczne w tej technologii można wykonać szybciej i taniej. Do budowy tego ogniwa po raz pierwszy zastosowano fosforek glinowo-indowy (AlInP) osadzony na ogniwach słonecznych z arsenku galu (GaAs) w D-HVPE. Wynik ten jest niezwykły, ponieważ historycznie stosowanie glinu w komórkach III-V hodowanych za pomocą HVPE uważano za niemożliwe.
Schulte, Simon, Ptak i inni badacze z NREL donosili już wcześniej o sposobach przezwyciężenia problemów związanych z aluminium w procesie HVPE, poprzez przejście z monochlorku glinu na trójchlorek glinu. Ten pierwszy wytrawiłby ściany reaktora i osadzał związki Al na długo przed dotarciem do podłoża. Dzięki możliwości zastosowania trichlorku glinu naukowcy byli w stanie opracować i zastosować AlInP, który znacznie poprawił wydajność zarówno ogniwa jednozłączowego, jak i ogniwa dwuzłączowego. Ogniwo dwuzłączowe z AlInP osiągnęło wydajność 28,0%, prawie rekordową dla ogniw słonecznych HVPE. Komórka ta została wykonana przy użyciu warstw GaAs i fosforku galu i indu (GaInP).
Druga przedstawiona w „Advanced Energy Materials” metoda oferuje inny sposób na obniżenie kosztów ogniw III-V. Komórki hoduje się na podłożu, które można ponownie wykorzystać, ale tylko w określonych warunkach. To właśnie ponowne wykorzystanie podłoża do ponownego osadzania warstw stanowiących budulec ogniwa jest zasadniczym problemem. Badania przeprowadzone w NREL i Colorado School of Mines zapoczątkowały drogę do zupełnie innego rozwiązania.
Istniejący proces umożliwia podniesienie komórki GaAs z podłoża w taki sposób, aby można było je ponownie wykorzystać. Jedyny komercyjnie wdrożony proces pozostawia pozostałości powierzchniowe, które obniżają wydajność ogniwa i kumulują się przy każdym ponownym użyciu. Aby utrzymać podłoże w lepszym stanie, należy je regularnie polerować. Zaproponowana metoda eliminuje potrzebę polerowania. Kontrolowany proces zwanym łuszczeniem tworzy pęknięcie w podłożu prawie równolegle do jego powierzchni. To pęknięcie umożliwia łatwe oddzielenie komórki od podłoża i ponowne jego wykorzystanie.
Zdjęcie główne: Prawie rekordowe dwuzłączowe ogniwo słoneczne III-V świeci na czerwono z powodu luminescencji górnego ogniwa z fosforku galu i indu i wskazuje na dobrą jakość materiału. Zdjęcie: NREL
Zdjęcie tekst: Stosując proces kontrolowanego szczelinowania, ogniwo słoneczne III-V można łatwo usunąć z podłoża, które następnie można ponownie wykorzystać. Zdjęcie: John Mangum, NREL
Źródło: NREL Zaprenumeruj Magazyn Fotowoltaika
