Die Solarmodule dieses Ingenieurs brechen Effizienzrekorde

Chen war ungläubig und staunte nicht nur über die Technologie, sondern auch über die Wirtschaftlichkeit. Würde ein Energieversorger seine Kunden bezahlen?

Es sah aus wie Magie: nützlicher, wertvoller Strom, der aus einfachem Sonnenlicht gewonnen wurde. Seitdem treibt das Wunder des Ganzen seine Träume voran.

Im Jahr 2013 erhielt Chen einen Ph.D. Er hat einen Abschluss in Photovoltaik-Wissenschaft und -Technologie und ist heute stellvertretender Vizepräsident für Technologie bei Trina Solar in China, einem in Changzhou ansässigen Unternehmen, das zu den größten Photovoltaik-Herstellern der Welt zählt. Er leitet die Forschungs- und Entwicklungsgruppe des Unternehmens, deren Bemühungen dazu beigetragen haben, mehr als zwei Dutzend Weltrekorde für Solarenergieeffizienz und -produktion aufzustellen.

Für seine Beiträge zur Wissenschaft und Technologie der photovoltaischen Energieumwandlung erhielt das IEEE-Mitglied die Auszeichnung 2023. IEEE Stuart R. Wenham Young Professional Award von IEEE Electronic Devices Society.

„Ich war sehr überrascht und sehr dankbar“, den Wenham-Preis zu erhalten, sagte Chen. „Das ist eine sehr hohe Anerkennung und es gibt so viele verdiente Experten aus der ganzen Welt.“

Trina Solars Bemühungen um effizientere Hardware

Heutige kommerzielle Solarmodule erreichen typischerweise einen Wirkungsgrad von etwa 20 %: Sie können ein Fünftel des eingefangenen Sonnenlichts in Strom umwandeln. Chens Gruppe versucht, die Panels effizienter zu machen.

Die Gruppe konzentriert sich auf die Optimierung des Solarzellendesigns, einschließlich der passivierten Emitter- und Rückzelle (PERC), dem Industriestandard für Standard-Solarmodule.

PERCs wurden 1983 erfunden und werden heute in verwendet fast 90 Prozent der Solarmodule auf dem Markt. Sie verfügen über Beschichtungen auf der Vorder- und Rückseite, um das Sonnenlicht effektiver einzufangen und Energieverluste zu verhindern, sowohl an den Oberflächen als auch beim Durchgang des Sonnenlichts durch die Zelle. Die Beschichtungen, sogenannte Passivierungsschichten, bestehen aus Materialien wie Siliziumnitrid, Siliziumdioxid und Aluminiumoxid. Die Schichten trennen negativ geladene freie Elektronen und positiv geladene Elektronenlöcher und verhindern so, dass sie sich auf der Oberfläche der Solarzelle verbinden und Energie verschwenden.

Chen und sein Team haben mehrere Möglichkeiten entwickelt, die Leistung von PERC-Panels zu verbessern. im Jahr 2022 einen Rekordwirkungsgrad von 24,5 % erreichen. Eine dieser Technologien ist eine mehrschichtige Antireflexbeschichtung, die dazu beiträgt, dass Solarmodule mehr Licht einfangen. Sie schufen außerdem extrem dünne Metallisierungsfinger (schmale Linien auf der Oberfläche von Solarzellen), um elektrischen Strom zu sammeln und zu leiten und dabei zu helfen, mehr Sonnenlicht einzufangen. Und sie entwickelten eine fortschrittliche Methode zum Verlegen der Streifen aus leitfähigem Metall, die durch die Solarzelle verlaufen, sogenannte Sammelschienen.

Experten gehen davon aus, dass die maximale Effizienz der PERC-Technologie bald erreicht sein wird und bei rund 25 Prozent liegen wird.

IEEE-Mitglied Yifeng Chen präsentiert ein i-TOPCon-Solarmodul, das einen Produktionswirkungsgrad von mehr als 23 % und eine Ausgangsleistung von bis zu 720 Watt aufweist.Trina Solar

„Die Frage ist also: Wie können wir Solarzellen noch effizienter machen? » sagte Chen.

In den letzten Jahren haben er und seine Gruppe an der Tunneloxid-Passivierungskontakt-Technologie (TOPCon) gearbeitet. Eine TOPCon-Zelle verwendet eine dünne Schicht aus „Tunneloxid“-Isoliermaterial, normalerweise Siliziumdioxid, das auf die Oberfläche der Solarzelle aufgetragen wird. Ähnlich wie die Passivierungsschichten von PERC-Zellen verhindert Tunneloxid, dass sich freie Elektronen und Elektronenlöcher verbinden und Energie verschwenden.

Im Jahr 2022 Trina hat ein Panel im TOPCon-Stil mit einem Rekordwirkungsgrad von 25,5 % erstelltund vor zwei Monaten, die gab das Unternehmen bekannt Es hatte einen Rekordwert von 740,6 Watt für ein serienmäßig hergestelltes TOPCon-Solarmodul erreicht. Letzteres war der 26. von Trina aufgestellte Rekord für Solarenergieeffizienz und -produktion.

Um diese Rekordleistung für ihre TOPCon-Module zu erreichen, optimierten Chen und sein Team die Herstellungsprozesse des Unternehmens, einschließlich des laserinduzierten Backens, bei dem ein Laser einen Teil der Solarzelle erhitzt und Verbindungen zwischen dem Kontaktmetall und dem Siliziumwafer herstellt. Die resultierenden Verbindungen sind stärker und besser ausgerichtet, was die Effizienz verbessert.

„Wir versuchen, die Dinge weiter zu verbessern, um etwas mehr Sonnenlicht einzufangen“, sagt Chen. „Eine Steigerung der Effizienz um ein bis zwei Prozent ist enorm. Diese kleinen Steigerungen mögen klein erscheinen, aber im großen Maßstab schaffen diese kleinen Verbesserungen einen großen Mehrwert in Bezug auf Wirtschaftlichkeit, Nachhaltigkeit und Wert für die Gesellschaft.

Da die Effizienz von Solarzellen zunimmt und die Preise sinken, geht Chen davon aus, dass die Solarenergie weltweit weiter wachsen wird. China ist derzeit weltweit führend in der installierten Solarstromkapazität und macht rund 40 % der weltweiten Kapazität aus. Laut einer Studie aus dem Jahr 2023 liegen die Vereinigten Staaten mit 12 % weit dahinter. Rystad-Energiebericht. Der Bericht prognostiziert, dass Chinas Solarkapazität von 500 Gigawatt im Jahr 2023 bis 2026 wahrscheinlich 1 Terawatt überschreiten wird.

„Es inspiriert mich, die Wissenschaft zu nutzen, um etwas Nützliches für den Menschen zu schaffen, und dann motiviert mich das Streben nach Exzellenz“, erklärt Chen. „Wir können immer etwas Neues lernen, um diese Veränderung herbeizuführen, diese Technologie zu verbessern und ein bisschen besser zu werden.“

Ausgebildet von Solarpionieren

Chen war anwesend Sun Yat-sen Universität in Guangzhou, China, wo er 2008 einen Bachelor-Abschluss in optischer Wissenschaft und Technologie erwarb. Er blieb, um dort zu promovieren. in der Photovoltaik-Wissenschaft und -Technologie. Sein Forschungsschwerpunkt lag auf hocheffizienten Solarzellen aus kristallinen Siliziumwafern. Sein Berater war Hui Shen, ein führender Professor im Photovoltaiksektor und Gründer des Instituts für Solarenergiesysteme der Universität. Chen betrachtet ihn als „die erste von drei sehr wichtigen Persönlichkeiten in meiner wissenschaftlichen Karriere“.

Im Jahr 2011 verbrachte Chen ein Jahr in der Doktorarbeit. Student bei Leibniz Universität Hannover, in Deutschland. Dort studierte er unter Pietro P. Altermattdie zweite einflussreiche Persönlichkeit seiner Karriere.

Altermatt, ein führender Experte für Silizium-Solarzellen und später leitender Wissenschaftler bei Trina, beriet Chen bei seinen Computertechniken zur Modellierung und Analyse des Verhaltens von 2D- und 3D-Solarzellen. Modelle spielen eine Schlüsselrolle bei der Gestaltung von Solarzellen zur Optimierung ihrer Effizienz.

„Eine Steigerung der Effizienz um ein bis zwei Prozent ist enorm. Diese kleinen Steigerungen mögen klein erscheinen, aber im großen Maßstab schaffen diese kleinen Verbesserungen einen großen Mehrwert in Bezug auf Wirtschaftlichkeit, Nachhaltigkeit und Wert für die Gesellschaft.

„Dr. Altermatt hat meine Sicht auf die Dinge verändert“, sagt Chen. „In Deutschland legen sie großen Wert auf die Physik der Geräte.“

Nach seiner Promotion wurde Chen technischer Assistent bei Trina, wo er die dritte einflussreiche Person seiner Karriere kennenlernte: Pierre Verlindenein Pionierforscher auf dem Gebiet der Photovoltaik, der leitender Wissenschaftler des Unternehmens war.

Bei Trina stieg Chen schnell in den R&D-Rängen auf. Seit 2023 ist er stellvertretender Vizepräsident für Technologie des Unternehmens.

Der IEEE-Forschungsschatz

Chen kam als Student zum IEEE, weil er daran teilnehmen wollte IEEE Photovoltaik-Spezialistenkonferenzdie älteste Veranstaltung rund um Photovoltaik, Solarzellen und Solarenergie.

Während seiner Doktorarbeit war die Mitgliedschaft besonders vorteilhaft. Studien, sagt er, weil er die verwendet hat IEEE Xplore Digital Library um auf Archivdokumente zuzugreifen.

„Meine Arbeit wurde definitiv von Artikeln inspiriert, die ich über IEEE gefunden habe“, sagt Chen. „Außerdem klickt man am Ende auf andere Werke und liest sie, die nichts mit Ihrem Fachgebiet zu tun haben, aber sehr interessant sind.

„Das Publikationsrepository ist ein Schatz. Es ist augenöffnend zu sehen, was innerhalb und außerhalb Ihrer Branche passiert und ständig neue Entdeckungen gemacht werden.