From: https://pvlab.epfl.ch/
Pozadina
Fotonaponska energija (PV) je na rubu da postane jedan od glavnih globalnih izvora energije, a kristalni silicij dominira na tržištu bez znakova promjene u bliskoj budućnosti. Solarne ćelije na bazi silicijuma (Si-HJT) su vruća tema unutar kristalnog silicijumskog fotonaponskog sistema jer omogućava solarne ćelije sa rekordnom energetskom konverzijom do 26,6% (slika 1, vidi takođe Yoshikawa i dr., Nature Energy 2). , 2017 ). Ključna tačka Si-HJT je pomeranje visoko rekombinaciono-aktivnih kontakata sa kristalne površine umetanjem filma sa širokim pojasnim pojasom. Za postizanje punog potencijala uređaja, gustina stanja hetero-interfejsa bi trebala biti minimalna. Praktično, hidrogenirani amorfni silicij (a-Si: H) filmovi od samo nekoliko nanometara debljine su privlačni kandidati za ovo: Njihov pojasni razmak je širi nego kod c-Si i, kada je suštinski, takvi filmovi mogu smanjiti površinu c-Si gustoća stanja hidrogenacijom. Pored toga, ovi filmovi se mogu relativno lako dopirati, bilo n- ili p-tipa, što omogućava izradu (bez litografije) kontakata s rekordno niskim vrijednostima za gustoću saturacijske struje. Nekoliko kompanija ( Tagushi et al., IEEE JPV 4, 2014 , Adachi et al. APL 104, 2015 …) je prijavilo impresivnu efikasnost konverzije energije velike površine (> 100 cm 2 ) (~ 25%).
Slika 1: Razvoj efikasnosti snimanja solarnih ćelija monokristalnog silicija u posljednjih 20 godina.
Skica i dijagram dijagrama tipične solarne ćelije heteroprocesa prikazani su na slici 2. Osnovne karakteristike uređaja na prednjoj strani (osvjetljavanje) sukcesivno su svojstveni pasivizacijski sloj a-Si: H i p-dopirani amorfni silicijski emiter koji je odložen plazmom pojačano kemijsko taloženje pare (PECVD). Na vrhu slojeva silicijuma, antireflektivni providni provodni oksid (TCO) se taloži fizičkim taloženjem pare (PVD), a sakupljanje naboja se vrši pomoću metalne mrežaste kontaktne mreže. Na poleđini se koristi stog za prikupljanje elektrona, a sastoji se od unutrašnjeg sloja pasivizacije a-Si: H, dopiranog amorfnog silicija n-tipa (oba deponovanog PECVD), TCO sloja i sloja koji dodiruje metal ( deponovao PVD).
| |
Slika 2: Lijevo: Shematski dijagram heterospojne solarne ćelije (ne u mjerilu). Desno: Elektronski dijagram dijagrama u mraku u ravnoteži heterogene solarne ćelije (ne na skali).
Slika 3 prikazuje glavne teme istraživanja koje se trenutno provode u grupi. Ovo ide od osnova mehanizma pasivizacije, preko razvoja alternativnih kontaktnih šema za izdvajanje negativnih (elektrona) i pozitivnih (rupa) električnih naboja, do razvoja inovativnih arhitektura uređaja i proučavanja uticaja radnih uslova na energetski prinos. fotonaponskih modula.
Slika 3: Aktivne istraživačke teme oko heterogenih solarnih ćelija na bazi silicija.
Površinska pasivacija
Najnovija dostignuća u proizvodnji velikih količina silikona visoke čistoće učinila su vrlo visokokvalitetne silikonske obloge dostupne za masovnu proizvodnju. Niska gustina defekata u takvim oblicima čini efikasnost preko 25% ostvarivom za pravilnu arhitekturu uređaja. Prvi izazov da se napravi takav uređaj visoke efikasnosti je da se osigura da površina vafla ne predstavlja elektronski aktivne defekte. Takva površinska pasivacija može se postići na različite načine, a najšire istraživana u PV-Lab-u je upotreba hidrogeniranog amorfnog silicija (a-Si: H). To se pokazalo kao jedan od najefikasnijih slojeva koji obezbeđuje izuzetno dobru pasivaciju, omogućavajući veoma veliki životni vek nosača u silikonskim pločicama, kao i visoku efikasnost. Fenomen iza pasivizacije površine od a-Si: H (i njegovih oksidnih i karbidnih legura), uloga vodonika, efekat zagrevanja ili osvetljavanja svetlošću su fascinantna naučna ispitivanja koja ovu oblast čine još veoma aktivnom [Kobayashi2016].
Kontakt formacija
Drugi izazov pri izgradnji visoko efikasne solarne ćelije iz visokokvalitetne silikonske ploče je selektivno prikupljanje pozitivnih i negativnih naboja na dva prostorno odvojena terminala. Takva selektivna kolekcija se oslanja na polupropusne elektronske membrane, koje nude električnu vezu niske otpornosti za jednu vrstu naboja (npr. Elektrone), dok s minimalnim propuštanjem blokiraju drugi tip (rupe). Upotreba dopiranih amorfnih silikonskih slojeva (p-tip i n-tip a-Si: H) se pokazala kao izuzetno efikasan način pružanja takve selektivnosti sa svjetskim rekordnim efektima dobivenim korištenjem takvih kontakata od strane nekoliko laboratorija i tvrtki [DeWolf2012]. Ti filmovi imaju nekoliko ograničenja, uključujući parazitsku apsorpciju svjetlosti i neidealnu selektivnost (naročito ne-zanemarivu otpornost na ekstrakciju naboja i nisku lateralnu provodljivost). Otkrivanje osnovnih svojstava potrebnih za idealan selektivni kontakt (uključujući materijale, ali i osobine sučelja) je ključno za razvoj efikasnijih uređaja zasnovanih na jednostavnijim procesima. Primjena novih prikladnih materijala kao kontakt-selektivnih kontakata je vrlo aktivna tema u tom smislu i dizajniranje i izrada prikladnih materijala je snažan fokus grupe.
Arhitektura uređaja
Solarne ćelije bez dopanta: Iako je dugotrajna ideja da je fotonaponski uređaj zahtijevao dopirane kontakte suprotnog polariteta da bi bili efikasni, nedavno shvaćanje fizike solarnih ćelija ukazalo je da to nije slučaj: nekoliko kontaktnih arhitektura teoretski može pružiti slično efikasni uređaji. Eksperimentalna demonstracija visoko efikasne kristalne silicijeve ćelije bez kristala bez primesa - koristeći blago sub-stehiometrijske MoO 3 i LiF kao kontakte sa selekcijom otvora i elektrona - otvara put ka potpuno novoj arhitekturi uređaja, sa mnogo pojednostavljenim procesima i izuzetno jednostavne konstrukcije [Bullock2016].
Interdigitated (IBC) solarne ćelije sa povratnim kontaktom: Za izdvajanje električnih naboja iz silicijumske solarne ćelije, potrebni su metalni kontakti. Dok su u solarnim ćelijama tradicionalne arhitekture negativne (elektroni) i pozitivne (rupe) naplate sakupljene na svakoj strani pločice, IBC dizajn sakuplja oba tipa naboja na stražnjoj strani ploče. To omogućava postavljanje cijelog metala potrebnog za izdvajanje ovih naboja na stražnjoj strani ploče, čime se sprječava sjenčanje i omogućuje stvaranje veće struje. Iako je u principu jednostavan, takav pristup predstavlja mnoge naučne i tehnološke izazove [Tomasi2017].
Uređaji za male površine: Dok se ćelije za snimanje za većinu fotonaponskih tehnologija dobijaju na uređajima male površine (1 cm2 ili niže), nedavne rekordne efikasnosti za silikonske uređaje na bazi vafla dobijene su na mnogo većoj površini> 100 cm2. Velika dužina difuzije fotogeneriranih nosača u silikonu (tipično milimetarske skale) čini rekombinaciju rubova određenim problemom, a izrada malih uređaja izazovna. Bolje razumijevanje gubitaka vezanih za površinu i razvoj pasivizacije ivica može omogućiti da efikasni uređaji malih površina budu relaksirajuće potrebe u smislu metalizacije.
Uslovi rada
Uobičajena optimizacija solarnih ćelija je napravljena tako da dostigne najviše performanse u standardnim uslovima ispitivanja (25 ° C, 1000 W / m2, AM1.5 spektar). Takvi uslovi nisu reprezentativni za one koji su iskusni na terenu tokom rada. Posebno, moduli instalirani u vrućim i sunčanim klimatskim uvjetima doživljavaju visoki nivo zračenja, ali i visoku radnu temperaturu koja je štetna za njihov izlaz energije. Visoke radne temperature mogu, međutim, biti korisne u određenim slučajevima kako bi se prevladale termioničke barijere i poboljšao transport punjenja. Prilagođena optimizacija za specifične klimatske uslove može da obezbedi nekoliko procenata godišnje energetske dobiti u odnosu na standardne pristupe. Takođe je pokazano da gubici otpornosti zbog međusobnog povezivanja ćelija ne utiču samo na efikasnost modula, već i na temperaturni koeficijent modula, naglašavajući potrebu za niskom otpornošću interkonekcije u vrućim klimatskim uslovima.
