News: Photovoltaik
27. Oktober 2023
Das National Renewable Energy Laboratory (NREL) des US-Energieministeriums (DOE) gibt an, dass es durch sorgfältiges Design der Materialien im Zellstapel in der Lage war, aus seinen Solarzellen eine zusätzliche Effizienz herauszuholen (Kevin Schulte, John Simon, Myles Steiner). und Aaron Ptak, „Modeling and Design of III-V Heterojunction Solar Cells for Enhanced Performance“, Cell Reports Physical Science Band 4, Ausgabe 9, 20. September 2023, S. 101541).
Basierend auf rechnerischen und experimentellen Studien züchteten die Forscher eine Galliumarsenid (GaAs)-Heterojunction-Solarzelle mithilfe der dynamischen Hydrid-Dampfphasenepitaxie (D-HVPE) mit einem zertifizierten Wirkungsgrad von 27 %, einem Rekord für eine mit Single-Junction-GaAs-Zelle gezüchtete Solarzelle diese Technik.
Die Forschung ist der jüngste Versuch von NREL-Forschern, III-V-Solarzellen für terrestrische Anwendungen erschwinglicher zu machen als für etabliertere Weltraumanwendungen. D-HVPE bietet im Vergleich zu herkömmlichen Techniken das Potenzial, eine kostengünstigere Methode zur Synthese dieser Zellen zu sein.
Bild: Der leitende NREL-Wissenschaftler Aaron Ptak gibt Energieministerin Jennifer Granholm (rechts) und Nancy Haegel, Direktorin des Nationalen Zentrums für Photovoltaik am NREL, einen Überblick über das D-HVPE-Labor. (Foto von Werner Slocum, NREL).
Die Forschung liefert einen Fahrplan zur Verbesserung der Leistung von Solarzellen durch Optimierung der Dotierung und Bandlücke der Emitter-Bauelementschicht, um die Auswirkungen von Defekten auf die Bauelementeffizienz zu minimieren. Die Ergebnisse sind theoretisch auf Materialien über III-Vs anwendbar, die Heteroübergänge wie Silizium, Cadmiumtellurid oder Perowskite verwenden.
„Welche Methode auch immer man zur Herstellung wählt, Solarzellen weisen aufgrund der Entropie immer einige Defekte auf. Durch die Verwendung einer Heteroübergangsstruktur mit sorgfältig konzipierten Emittereigenschaften können Sie die negativen Auswirkungen dieser Defekte auf die Effizienz minimieren, auch wenn Sie nichts unternommen haben, um ihre Konzentration zu reduzieren“, sagt Kevin Schulte von der NREL-Gruppe für hocheffiziente kristalline Photovoltaik. „Darüber hinaus skaliert die relative Effizienzsteigerung mit der Fehlerkonzentration. Während die Basis-D-HVPE-Zelle bereits eine hohe Effizienz aufwies, würde ein Gerät mit einer höheren Defektkonzentration mit den in der Arbeit beschriebenen Methoden eine höhere relative Effizienzsteigerung erhalten.“
Neben der GaAs-Basisschicht basierte die Solarzelle auf einer Emitterschicht aus Galliumindiumarsenidphosphid (GaInAsP), um den Heteroübergang zu bilden. Die Forscher modellierten die Auswirkung einer Variation der Zinkdotierungsdichte und der Bandlücke der Emitterschicht, die durch Variation der relativen Konzentrationen von Gallium, Indium, Arsen und Phosphor während des Schichtwachstums erzielt wird, auf die Zelleffizienz. Die Modellierung identifizierte optimale Optionen für diese beiden Parameter, die die Geräteeffizienz maximieren. Anschließend synthetisierten die Forscher unter Anleitung der Modellierung Zellen und erzielten vom Modell vorhergesagte Effizienzsteigerungen. Die als Basis dienende Solarzelle mit hinterem Heteroübergang verwendete einen Emitter aus GaInP und hatte einen gemeldeten Wirkungsgrad von 26 %. Durch die Reduzierung der Dotierung im Emitter und die Änderung seiner Zusammensetzung von GaInP auf GaInAsP mit geringerer Bandlücke stieg der Wirkungsgrad auf 27 %, obwohl der Rest des Geräts genau gleich war.
Die Vorteile von Heteroübergängen sind allgemein bekannt, obwohl experimentelle Demonstrationen von III-V-Heteroübergängen auf eine Handvoll Kombinationen beschränkt sind, stellen die Forscher fest. „Wir haben dieses bekannte, aber nicht quantifizierte Konzept aufgegriffen und es ausgearbeitet“, sagt Schulte. „Wir haben gezeigt, dass die Modellierung mit dem übereinstimmt, was wir experimentell sehen, und gezeigt, dass es sich um ein leistungsstarkes Werkzeug für das Solarzellendesign handelt.“
www.cell.com/cell-reports-physical-science/
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- Quelle: https://www.semiconductor-today.com/news_items/2023/oct/nrel-271023.shtml
