Entwicklung eines gekoppelten Photo-voltaik-Elektrolyse-Systems aus einer monolithischen Reihenschaltung siliziumbasierter, rückseitenkontaktierter Solarzellen und einer Platin / Rutheniumoxid-Elektrolysezelle für die direkte Spaltung von Wasser

Nordmann, Sven Andreas; Rau, Uwe; Knoch, Joachim

doi:HT020330517

Entwicklung eines gekoppelten Photo-voltaik-Elektrolyse-Systems aus einer monolithischen Reihenschaltung siliziumbasierter, rückseitenkontaktierter Solarzellen und einer Platin / Rutheniumoxid-Elektrolysezelle für die direkte Spaltung von Wasser

Nordmann, Sven Andreas^RWTH*

2019 & 2020

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Sven Andreas, Nordmann, M.Sc

ImpressumAachen 2019

Umfang1 Online-Ressource ( 196 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2020

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Knoch, Joachim (Thesis advisor)^RWTH* ; Rau, Uwe (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-07-15

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-00063
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/775523/files/775523.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Halbleitertechnik und Institut für Halbleitertechnik (616210)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
hydrogen (frei) ; monolithic serial connection photovoltaic (frei) ; water splitting (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Die Photovoltaik hat sich innerhalb des letzten Jahrzehnts als zentrale Säule in der regenerativen Energieerzeugung etabliert. Für eine nachhaltige Versorgung muss die generierte Energie jedoch auch effektiv gelagert. Eine attraktive Möglichkeit bietet hier die photovoltaisch getriebene Wasserspaltung da Wasserstoff relativ leicht zu speichern ist, in Brennstoffzellen effizient und Sauber zurück transformiert werden kann und Umgewandelt in Methan über die vorhandene Gas-Infrastruktur gelagert und verteilt werden kann. Die direkte Verbindung von Solar- und Elektrolysezellen (kurz PV-E) liefert jedoch eine Reihe von Hindernissen die überwunden werden müssen, um das gekoppelte System effizient arbeiten lassen. Aktuelle gekoppelte Systeme leiden oftmals insbesondere unter Widerstandsverlusten aus der externen Verschaltung. Ein monolithisch gekoppeltes System reduziert diese Verluste auf ein Minimum und kann zusätzlich über einem Temperaturausgleich der beiden Systeme die Gesamteffizienz steigern. Im Rahmen dieser Arbeit wurden, in Kooperation mit dem belgischen Zentrum für interuniversitäre Mikroelektronik in Leuven (engl. Interuniversity Microelectronics Centre (IMEC)), vorhandene Solarzellen mit ineinandergreifenden Rückseitenkontakten (engl. Interdigitated Back Contact (IBC)) Zellen modifiziert, um einen funktionierenden Prototypen herzustellen und so das Potential des Systems zu belegen. Diese Zellen wurden herangezogen, um das Potential einer gekoppelten IBC Zelle mit einem dreifachen pn-Übergang (engl. Triple Junction (TJ)) zu evaluieren. Basierend auf den Ergebnissen erfolgte die Entwicklung und Herstellung spezialisierter, direkt auf die Elektrolyse ausgerichteter Zellen, um eine höhere gekoppelte Effizienz und den Einsatz alternativer, günstiger Katalysatoren für die Wasserspaltung zu ermöglichen. Die beste so hergestellte Zelle zeigte eine offene Klemmenspannung von nahezu 2 V bei einer Kurzschlussstromdichte von 12,59 mA/cm2, einem FF von 76,53 % und einer photovoltaischen Effizienz von 19,20 %. Die einzige Abweichung zu einer optimalen Herstellung liegt im nachträglichen Einbringen der Vorderseitengräben, die zu einem Effizienzverlust von 3,39 %abs. führen. Die verwendete Elektrolysezelle aus Pt und RuOx in 1-molarer Schwefelsäure zeigte in den Experimenten bei einer Stromdichte von 10 mA/cm2 eine initiale Arbeitsspannung von 1,59 bis 1,65 V und lag im Bestfall nur 20 mV über dem Literaturwert. Unter Beleuchtung mit AM 1,5 bei einer Sonne zeigte die Verbindung beider Systeme eine Elektrolysestromdichte von 11,8 mA/cm2 bei einer Spannung von 1626,58 mV. Dies entspricht mit einer STH-Effizienz von 14,5 % dem höchsten erreichten Wert für eine monolithische, siliziumbasierte PV-E-Zelle. Verbunden mit der besten gemessenen Elektrolysezelle (1,59 V bei 10 mA/cm2) kann diese Zelle eine Effizienz von 14,98 % liefern und liegt somit 0,48 % über diesem Rekord. Gelingt es zusätzlich noch den Stromverlust durch die optimierte Integration der Vorderseitengräben zu unterbinden, so wäre ein gekoppeltes System mit der gleichen Elektrolysezelle in der Lage, eine STH-Effizienz 16 % zu erreichen. Somit läge dieses System sehr nah an dem von Jacobsson et al. postulierten theoretischen Maximum von 18,1 %. Es wurde somit gezeigt, dass eine vorhandene IBC-Zellreihe mit relativ wenig Aufwand zu effizient arbeitenden Elektrolysezellen umgerüstet werden können, die einen Beitrag zur zukünftigen Energie-erzeugung und -speicherung leisten können.

Over the past decade, photovoltaics has established itself as the central pillar in renewable energy generation. For a sustainable supply the generated energy must also be stored effectively. Photovoltaic water splitting offers an attractive option because hydrogen is relatively easy to store can be transformed back into fuel cells efficiently and cleanly and can be converted and converted into methane via the existing gas infrastructure. However, the direct connection of solar and electrolysis cells (ab. PV-E) provides a number of obstacles that must be overcome in order for the coupled system to work efficiently. Current coupled systems often suffer particularly from resistance losses due to the external connection. A monolithically coupled system reduces these losses to a minimum and can also increase the overall efficiency by temperature compensation of the two systems. In cooperation with the Belgian Center for Interuniversity Microelectronics in Leuven (English: Interuniversity Microelectronics Center (IMEC)) existing solar cells with interlocking back contacts (English: Interdigitated Back Contact (IBC)) cells were modified to produce a working prototype and to prove the potential of the system. These cells were used to evaluate the potential of a coupled IBC cell with a triple pn junction (TJ). Based on the results the development and manufacturing of specialized cells directly aligned to the electrolysis was carried out in order to enable both, a higher coupled efficiency and the use of alternative cheaper catalysts for water splitting. The best cell produced this way showed an open-circuit voltage of almost 2V with a short-circuit current density of 12.59mA/cm2 a FF of 76.53% and a photovoltaic efficiency of 19.20%. The only difference to an optimal production lies in the subsequent introduction of the front trenches which leads to an efficiency loss of 3.39% abs. The used electrolysis cell made of Pt and RuOx in 1-molar sulfuric acid showed an initial working voltage of 1.59 to 1.65 V in the experiments with a current density of 10mA/cm2 and was at best only 20mV above the literature value. When illuminated with AM 1.5 under one sun the connection between the two systems showed an electrolysis current density of 11.8mA/cm2 at a voltage of 1626.58mV. With an STH efficiency of 14.5% this corresponds to the highest value achieved for a monolithic silicon-based PV-E cell. Combined with the best measured electrolysis cell (1.59 V at 10mA/cm2), this cell can deliver an efficiency of 14.98% and is therefore 0.48% above this record. If it is also possible to prevent the loss of electrical current through an optimized integration of the front trenches a coupled system with the same electrolytic cell will be able to achieve an STH efficiency of 16%. This system would therefore be very close to that of Jacobsson et al. postulated theoretical maximum of 18.1%. It was thus shown that an existing IBC cell can be converted to efficient electrolysis cells with relatively little effort which can make a contribution to future energy generation and storage.

OpenAccess:
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