Rekord sprawności ogniwa wielo-złączowego na bazie ogniwa krzemowego – cz. 2

Podczas międzynarodowej konferencji „40th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition”, która odbyła się w Lizbonie w dniach od 18 do 22 września 2023 naukowcy z Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE oraz z NWO-Institute AMOLF zaprezentowali trójzłączowe ogniwo półprzewodnikowe na bazie ogniwa krzemowego o rekordowej sprawności 36,1%.

Dlaczego sprawność konwersji energii ogniwa trójzłączowego przekracza 29,5%, które jest limitem dla ogniw jednozłączowych? [1,2] W ogniwie wielozłączowym kolejne warstwy półprzewodników układa się tak, aby licząc od warstwy transparentnej (górnej) kolejne warstwy miały mniejszą przerwę energetyczną, niż warstwa poprzednia. Dobrym przykładem jest układ półprzewodników GaInP/GaAs/Ge, gdzie przerwy energetyczne wynoszą odpowiednio GaInP (1,9 eV), GaAs (1,4 eV) i Ge (0,7 eV) o wydajności ok. 33% czy też struktura InGaP/GaAs/InGaAs o sprawności 37,9%. [3] Dla zoptymalizowania przepływu nośników ładunku w ogniwie wielozłączowym dwa sąsiednie złącza są ze sobą połączone za pomocą złącz tunelowych. W przypadku braku złącz tunelowych, fotonapięcia z kolejnych złączy (podogniw) mające przeciwny znak częściowo by się kompensowały. 

Obecnie, potwierdzony rekord sprawności dla ogniwa wielozłaczowego wynosi 38,8% [3]. Przy czym rekord, nie potwierdzony w zewnętrznym laboratorium, ale ujęty w 62 wydaniu tabeli sprawności ogniw i modułów fotowoltaicznych (Solar Cell Efficiency Tables) magazynu Progres in Photovoltaics dla  trójzłączowego ogniwa w całości wykonanego z półprzewodników z grupy III-V wynosi 39,5% [3]. Ogniwa tego typu wykonywane są z użyciem stosunkowo drogiego podłoża jakim jest GaAs lub InP. Inną obiecującą koncepcją ogniw łączonych z krzemem są te z górnym ogniwem perowskitowym. Dzięki tej ostatniej technologii najwyższe wydajności przekraczają 30% dla struktur o powierzchni 1 cm2 [4]. Ogniwa słoneczne, w tym absorbery perowskitowe, z biegiem czasu wykazują degradację, na którą jednak nie znaleziono jeszcze rozwiązania [4].

Dlatego niezwykle interesujące i obiecujące są badania, które dotyczą ogniw wielozłączowych, gdzie półprzewodniki z grup III-V są łączone z krzemem. Mówimy wówczas o ogniwach III-V//Si. Takim właśnie rozwiązaniem jest zaprezentowane ogniwo trójzłączowe o sprawności 36,1%. Osiągnięcie tak wysokiej sprawności konwersji energii poprzedzone było badaniami nad udoskonalaniem całej struktury. Pierwszym ważnym etapem było wytworzenie pasywacji powierzchniowej TOPCon dolnego ogniwa krzemowego oraz integracja ze strukturą rozpraszającą światło na tylnej stronie, co pozwoliło na osiągnięcie 33,3%. Następnie zastosowanie materiału absorbera o większej przerwie energetycznej na drugim złączu, AlGaAs zamiast GaAs, pozwoliło osiągnąć 34,1%. Natomiast, zastosowanie materiału o dłuższych czasach życia nośników mniejszościowych, GaInAsP zamiast AlGaAs, dało sprawność 35,9% [5, 6]. 

Trójzłączowe ogniwo fotowoltaiczne o strukturze GaInP/GaInAsP//Si i sprawności konwersji 36,1% (dla promieniowania AM1,5g) to nowa ulepszona konstrukcja. Główna zmiana w stosunku do poprzednich ogniw z potrójnym złączem III-V//Si polegała na zastosowaniu tylnego heterozłącza dla ogniwa środkowego. Co więcej, w celu ulepszenia wychwytywania światła w krzemowym ogniwie zastosowano zaawansowaną metalodielektryczną siatkę na tylnej powierzchni ogniwa. Rozwiązanie  zwiększyło gęstość prądu subogniwa krzemowego o 1,4 mA/cm2. Napięcie obwodu otwartego Voc wzrosło o 61 mV w porównaniu do poprzedniej generacji. 

Warstwy półprzewodników III-V wytworzono metodą epitaksji metaloorganicznej z fazy gazowej w komercyjnym reaktorze AIX2800G4 firmy AIXTRON. Jako podłoża zastosowano płytki z GaAs. Podczas badań na jednej płytce wykonano 12 ogniw o wymiarach 2 × 2 cm2. Schemat przekroju gotowego ogniwa pokazano na rys. 1. 

Rys. 1. Schemat przekroju trójzłączowego ogniwa fotowoltaicznego o sprawności konwersji energii 36,1%.
Źródło: Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE, NWO-Institute AMOLF [7]

Charakterystyki I-V wyznaczono dla promieniowania o widmie AM1,5g (IEC60904-3:2019 (ed. 4)) w laboratorium kalibracyjnym Fraunhofer ISE (CalLab). Parametry prądowo-napięciowe zmierzono z użyciem twardej maski o powierzchni apertury 3,987 cm2, czyli nieco mniejszej niż powierzchnia ogniwa. Do badań wykorzystano symulator światła słonecznego oparty na Wavelabs SINUS 220 LED, wyposażony w 20 źródeł światła LED o różnych widmach [8]. Do sterowania jednostką oświetlenia symulatora słonecznego wykorzystano autorskie oprogramowanie. 

Biorąc pod uwagę ustaloną długoterminową stabilność ogniw słonecznych na bazie III-V i krzemu, wyniki te stanowią obiecujący krok w kierunku przyszłego zastosowania wysokosprawnych wielozłączowych (tandemowych) ogniw fotowoltaicznych III-V//Si.

W artykule wykorzystano ogólnodostępne materiały oraz:

1. Richter A, Hermle M, Glunz SW. Reassessment of the Limiting Efficiency for Crystalline Silicon Solar Cells. IEEE J. Photovolt. 2013; 3(4): 1184–91
2. Veith-Wolf BA, Schäfer S, Brendel R, Schmidt J. Reassessment of intrinsic lifetime limit in n-type crystalline silicon and implication on maximum solar cell efficiency. Sol. Energy Mater. Sol. Cells 2018; 186: 194–9
3. Martin A. Green, Ewan D. Dunlop, Gerald Siefer, Masahiro Yoshita, Nikos Kopidakis, Karsten Bothe, Xiaojing Hao, Solar cell efficiency tables (Version 62), Prog Photovolt Res Appl. 2023;31:651–663.
4. Tockhorn P, Sutter J, Cruz A, Wagner P, Jäger K, Yoo D, Lang F, Grischek M, Li B, Li J, Shargaieva O, Unger E, Al-Ashouri A, Köhnen E, Stolterfoht M, Neher D, Schlatmann R, Rech B, Stannowski B, Albrecht S, Becker C. Nano-optical designs for high-efficiency monolithic perovskite-silicon tandem solar cells. Nat. Nanotechnol. 2022; 17(11): 1214–21
5. Lackner D, Höhn O, Müller R, Beutel P, Schygulla P, Hauser H, Predan F, Siefer G, Schachtner M,Schön J, Benick J, Hermle M, Dimroth F. Two‐Terminal Direct Wafer‐Bonded GaInP/AlGaAs//Si Triple‐Junction Solar Cell with AM1.5g Efficiency of 34.1%. Sol. RRL 2020; 4(9)
6. Schygulla P, Müller R, Lackner D, Höhn O, Hauser H, Bläsi B, Predan F, Benick J, Hermle M, Glunz SW, Dimroth F. Two‐terminal III–V//Si triple‐junction solar cell with power conversion efficiency of 35.9 % at AM1.5g. Prog Photovolt Res Appl.2022; 30(8): 869–79, 
7. Patrick Schygulla, Ralph Müller, Oliver Höhn, Michael Schachtner, David Chojniak, Andrea Cordaro, Stefan Tabernig, Benedikt Bläsi, Albert Polman, Gerald Siefer, David Lackner, Frank Dimroth. Wafer-bonded two-terminal III-V//Si triple-junction solar cell with power conversion efficiency of 36.1 % at AM1.5g, 40th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, 18-22 September 2023, Lisbon, Portugal
8. Scherff MLD, Nutter J, Fuss-Kailuweit P, Suthues J, Brammer T. Spectral mismatch and solar simulator quality factor in advanced LED solar simulators. Jpn. J. Appl. Phys. 2017; 56(8S2)