Warszawski instytut z dotacją na badania ogniw fotowoltaicznych
Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych oraz spółka EPI-LAB otrzymału dotację na opracowanie tzw. struktur epitaksjalnych wieozłączowych ogniw fotowoltaicznych.
Dotacja na badania ogniw fotowoltaiczncyh została przyznana w ramach III konkursu Programu Badań Stosowanych realizowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju.
Wartość dotacji to ponad 1,213 mln zł.
Ewa Dumiszewska kierownikiem projektu „Opracowanie tzw. struktur epitaksjalnych wieozłączowych ogniw fotowoltaicznych”.
Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych
Wielozłączowe ogniwa słoneczne, ze względu na wysoką sprawność przetwarzania energii elektrycznej, niski ciężar w stosunku do mocy oraz odporność na promieniowanie jonizujące, znajdują zastosowania w przemyśle lotniczym i kosmonautycznym. Jednakże, wysoki koszt produkcji do tej pory uniemożliwiał ich naziemne zastosowanie w obszarze wytwarzania energii elektrycznej. Wraz z rozwojem epitaksji i koncentratorów słonecznych, wielozłączowe ogniwa stały się najbardziej obiecującą technologią umożliwiającą wytwarzanie elektryczności na szeroką skalę, co potwierdzają zainstalowane instalacje CPV (concentrated photovoltaics) o łącznej mocy 23MW i planowanych o mocach do 50MW. W ich przypadku wysokie koszty produkcji może rekompensować wysoka sprawność oraz minimalne zużycie materiału. Rekordowe sprawności rzędu 44% odnotowano w przypadku metamorficznych oraz dopasowanych sieciowo trójzłączowych ogniw słonecznych przy 400-500 krotnym skoncentrowanym natężeniu światła. Dla porównania, aby wytworzyć podobną moc w przypadku fotowoltaicznych ogniw krzemowych o sprawności 20%, należałoby użyć materiału o powierzchni około 1000 razy większej.
Wielozłączowe ogniwa słoneczne składają się z wielu warstw półprzewodników o różnych wartościach energii pasma wzbronionego, wykazując możliwość otrzymywania wysokich sprawności przetwarzania, rzędu ponad 50%. Rysunek 1 przedstawia sprawności przetwarzania rzeczywistych jednozłączowych i wielozłączowych ogniw słonecznych w porównaniu ze sprawnościami wyznaczonymi teoretycznie.
Rys. 1. Sprawności przetwarzania w przypadku jednozłączowych i wielozłączowych ogniw słonecznych w porównaniu ze sprawnościami wyznaczonymi eksperymentalnie.
Cztero- lub pięciozłączowe koncentrujące ogniwa słoneczne mają duży potencjał osiągania sprawności przekraczającej nawet 50%. W Strategicznym Programie Badawczym dla Technologii Fotowoltaicznej, przytaczającym opinie ekspertów w dziedzinie fotowoltaiki Komisji Europejskiej przewiduje się, że w roku 2030 fotowoltaika skoncentrowana stanie się metodą produkcji modułów ogniw słonecznych wykorzystywaną w jednej trzeciej przypadków (40GW), obok krzemowej fotowoltaiki krystalicznej oraz fotowoltaicznych technologii cienkowarstwowych. Systemy CPV już obecnie produkują energię w cenie 0,09$/kWh porównywalnej do typowych modułów krzemowych.
Rys. 2. Scenariusz zmniejszenia kosztów energii elektrycznej poprzez rozwój koncentrujących ogniw słonecznych.
W Zakładzie Epitaksji Związków Półprzewodnikowych ITME od około 3 lat rozwijamy technologię wytwarzania struktur epitaksjalnych dwu i trójzłączowych ogniw słonecznych na podłożach germanowych oraz we współpracy z zakładem Optoelektroniki ITME oraz Politechniką Warszawską ogniw wielozłączowych wykonanych z materiałów AIIIBV na podłożach germanowych. Struktury ogniw słonecznych wykonuje się techniką epitaksji odpowiednich warstw półprzewodnikowych. Najbardziej predysponowaną do zastosowań przemysłowych jest w tym przypadku metoda osadzania ze związków metaloorganicznych z fazy gazowej MOCVD (ang. Metal Organic Chemical Vapor Deposition), w stosowaniu której Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych (ITME) ma swoje długoletnie tradycje. Bardzo dobra jakość wytworzonych przez nas struktur epitaksjalnych została potwierdzona przez Solar Energy Research Group w Berkley. Wyniki przeprowadzonych przez nas do tej pory prac zostały wdrożone w Epi-lab, struktury epitaksjalne dwu i trój złączowych ogniw słonecznych są dostępne w ofercie firmy. Dodatkowo, ITME posiada zgłoszenie patentowe na wytworzenie pierwszego złącza wielozłączowych ogniw słonecznych.
W projekcie planujemy dalszą optymalizację jakości wytwarzanych przez nas struktur epitaksjalnych. Prace prowadzone będą w reaktorze AIX 200 znajdującym się w Instytucie Technologii Materiałów Elektronicznych, a wdrożenie wyników prac nastąpi w firmie Epi-lab.. Jako prekursory zostaną wykorzystane źródła metaloorganiczne oraz arsenowodór i fosforowodór.
Podejmiemy próbę wytworzenia czwartego złącza składającego się z materiału InGaAsN mającego przerwę energetyczną wynoszącą około 1 eV. Jak do tej pory udało się wytworzyć takie złącze jedynie firmie Solar Junction za pomocą metody MBE. Złącze to będzie miało za zadanie poprawić pracę wytwarzanego przyrządu w obszarze podczerwieni. Struktura trójzłączowa składa się ze złącz InGaP/InGaAs/Ge i niewystarczająco wykorzystuje promieniowanie słoneczne właśnie w tym zakresie. We wcześniejsze naszych pracach udało nam się wykonać strukturę lasera, gdzie obszar aktywny wykonany był z InGaAsN, więc istnieje realna szansa, że uda nam się taką warstwę zaimplementować w strukturze ogniwa słonecznego. Ostatecznym wynikiem zadania będą struktury epitaksjalne, dzięki którym możliwe będzie wytworzenie ogniw słonecznych o sprawności wynoszącej 27-30 % bez skoncentrowania światła i mogące być zastosowane do produkcji ogniw słonecznych wykorzystywanych zarówno w fotowoltaice koncentratorowej jak i kosmosie.
Projekt zakłada również prace optymalizacyjne nad metodą epitaksjalnego odtrawiania warstw (ang. lift-off). Jest to technika umożliwiająca oddzielenie cienkiej warstwy struktury półprzewodnikowej od podłoża. Grubość warstwy oddzielonej od podłoża takiego jak GaAs lub InP może wynosić kilka mikrometrów, a powierzchnia osiągać rozmiary 6-calowych płytek, w zależności od stosowanego reaktora. Główną zaletą stosowania tej metody jest znaczne ograniczenie kosztów związanych z zakupem podłoża, które stanowi ponad 60% kosztu całej struktury. Można je wykorzystać wielokrotnie, nawet do 10 razy lub więcej [1]. Jednocześnie parametry elektryczne takiej struktury pozostają zachowane i sprawność pozostaje na wysokim poziomie ponad 29% [2]. Wysoka jakość krystalograficzna nie ulega pogorszeniu po procesie odtrawiania, co jest największą zaletą tej metody.
Dodatkowo, odzyskane podłoże również nie ulega uszkodzeniu. Po wykonaniu krótkiego trawienia polerującego i szlifowania powierzchni, podłoże uzyskuje parametry „epi-ready”, umożliwiające ponowne zastosowanie go do epitaksji struktur III-V [4].
Przewiduje się, że dzięki zastosowanym rozwiązaniom możliwe będzie uzyskanie struktur konkurencyjnych i lepszych (w przypadku struktur elastycznych) w stosunku do innych tego typu materiałów uzyskiwanych na świecie, co zwiększy atrakcyjność produktów firmy Epi-Lab sprzedawanych kontrahentom na całym świecie. Podsumowując, wymiernym skutkiem realizacji tego celu szczegółowego będzie wprowadzenia do oferty handlowej przedsiębiorstwa gamy nowoczesnych produktów w postaci heterostruktur półprzewodnikowych wytwarzanych na podstawie opracowanej technologii i przeprowadzonych badań oraz dodatkowo, dzięki dalszej optymalizacji jakości struktur epitaksjalnych, podniesienie sprawności ogniw słonecznych wytwarzanych w ITME.
We wrześniu 2013 roku Instytut Fraunhofera przy współpracy z firmą Soitec ogłosił pobicie światowego rekordu sprawności ogniwa trójzłączowego. Ogniwo zostało otrzymane dzięki dodaniu do typowo przez nich wytwarzanego trójzłączowego ogniwa słonecznego czwartego złącza. Podniesienie sprawności produktu o 1 % wymagało zaangażowania kilkudziesięciu pracowników instytutu przez 3 lata. Chcemy, aby Polska dołączyła do grona krajów wytwarzających ogniwa słoneczne na najwyższym światowym poziomie, a jednym z najważniejszych kroków prowadzących do osiągnięcia tego celu są prace optymalizacyjne nad strukturami epitaksjalnymi. Uzyskane przez nas dofinansowanie zbliży nas do tego celu.
