Iz: 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 ikakvih znakova promjene u bliskoj budućnosti. Hidroelektrične solarne ćelije na bazi silicija (Si-HJT) vruća su tema unutar fotonaponskih sustava u kristalnom siliciju, budući da omogućuju solarne ćelije s rekordnom energetskom pretvorbom do 26,6% (slika 1, vidi također Yoshikawa i sur., Nature Energy 2). , 2017 ). Ključna točka Si-HJT je pomicanje visoko rekombinantno-aktivnih kontakata s kristalne površine umetanjem filma sa širokim pojasnim razmakom. Za postizanje punog potencijala uređaja, gustoća stanja hetero-sučelja trebala bi biti minimalna. Praktično, hidrogenirani amorfni silicij (a-Si: H) filmovi od samo nekoliko nanometara debljine su privlačni kandidati za to: Njihov pojasni razmak je širi od c-Si i, kada je unutarnji, takvi filmovi mogu smanjiti površinu c-Si gustoća stanja hidrogenacijom. Osim toga, ovi filmovi se mogu relativno lako dopirati, bilo n- ili p-tipa, omogućujući (bez litografije) izradu kontakata s rekordno niskim vrijednostima gustoće zasićene struje. Nekoliko tvrtki ( Tagushi i sur., IEEE JPV 4, 2014 , Adachi et al., APL 104, 2015 …) su izvijestili o impresivnoj učinkovitosti pretvorbe energije velike površine (> 100 cm2) (~ 25%).
Slika 1: Razvoj učinkovitosti monokristalnog silicijskog solarne ćelije u posljednjih 20 godina.
Skica i pojasni dijagram tipične heteroprocesne solarne ćelije prikazani su na slici 2. Osnovne značajke 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 para (PECVD). Povrh silikonskih slojeva, antireflektivni prozirni vodljivi oksid (TCO) se taloži fizičkim taloženjem pare (PVD), a skupljanje naboja se vrši pomoću metalne mrežaste kontaktne rešetke. Na poleđini se koristi skup za prikupljanje elektrona, a sastoji se od unutarnjeg a-Si: H pasivizacijskog sloja, dopiranog amorfnog silicija n-tipa (oba pohranjena od strane PECVD), TCO sloja i metalnog sloja koji dodiruje ( pohranjen od PVD).
| |
Slika 2: Lijevo: Shematski prikaz heterogene solarne ćelije (ne u mjerilu). Desno: Elektronski pojasni dijagram u mraku u ravnoteži heteroprocesne solarne ćelije (ne u mjerilu).
Slika 3 prikazuje glavne teme istraživanja koje se trenutno provode u skupini. To proizlazi iz osnova mehanizma pasivizacije, kroz razvoj alternativnih kontaktnih shema za izdvajanje negativnih (elektrona) i pozitivnih (rupa) električnih naboja, do razvoja inovativnih arhitektura uređaja i proučavanja utjecaja radnih uvjeta na energetski prinos. fotonaponskih modula.
Slika 3: Teme aktivnih istraživanja o heterogenim solarnim ćelijama na bazi silicija.
Površinska pasivacija
Nedavni napredak u proizvodnji velikih količina silicija visoke čistoće učinio je vrlo visokokvalitetnu silicijsku pločicu dostupnu za masovnu proizvodnju. Niska gustoća defekata u takvim oblicima čini učinkovitost preko 25% ostvarivom za pravilnu arhitekturu uređaja. Prvi izazov da se napravi takav visokoučinkoviti uređaj je da se osigura da površina pločica ne predstavlja elektronski aktivne defekte. Takva površinska pasivacija može se postići na različite načine, a najčešće se u PV-Labu istražuje upotreba hidrogeniranog amorfnog silicija (a-Si: H) koji se nalazi na plazmi. To se pokazalo kao jedan od najučinkovitijih slojeva koji osigurava izuzetno dobru pasivaciju, omogućujući vrlo velik vijek trajanja nosača u silikonskim pločicama, kao i rekordnu učinkovitost. Fenomen iza pasivizacije površine od a-Si: H (i njegovih legura oksida i karbida), uloga vodika, učinak grijanja ili svjetlosnog osvjetljenja fascinantna su znanstvena ispitivanja koja ovo polje čine još vrlo aktivnim [Kobayashi2016].
Formiranje kontakta
Drugi izazov pri izgradnji visoko učinkovite solarne ćelije iz visokokvalitetne silikonske ploče je selektivno prikupljanje pozitivnih i negativnih naboja na dva prostorno odvojena terminala. Takvo selektivno prikupljanje se oslanja na polupropusne elektronske membrane, koje nude električnu vezu niske otpornosti za jednu vrstu naboja (npr. Elektrone), dok s minimalnim propuštanjem blokiraju drugu vrstu (rupe). Korištenje dopiranih amorfnih silikonskih slojeva (p-tip i n-tip a-Si: H) pokazalo se kao iznimno učinkovit način za osiguravanje takve selektivnosti s svjetskim rekordnim učinkom dobivenim korištenjem takvih kontakata od strane nekoliko laboratorija i tvrtki [DeWolf2012]. Ti filmovi prikazuju nekoliko ograničenja, uključujući parazitsku apsorpciju svjetlosti i neidealnu selektivnost (osobito nezanemarivu otpornost na ekstrakciju naboja i nisku lateralnu provodljivost). Razvijanje temeljnih svojstava potrebnih za idealan selektivni kontakt (uključujući materijal, ali i svojstva sučelja) ključno je za razvoj učinkovitijih uređaja na temelju jednostavnijih procesa. Primjena novih prikladnih materijala kao kontakt-selektivnih kontakata vrlo je aktivna tema u tom smislu, a oblikovanje i izrada prikladnih materijala snažan je fokus grupe.
Arhitektura uređaja
Solarne ćelije slobodne od dopanta: Iako je dugotrajna ideja da je fotonaponski uređaj zahtijevao dopirane kontakte suprotnog polariteta da bi bili učinkoviti, nedavno shvaćanje fizike solarnih ćelija upućuje na to da to nije slučaj: nekoliko kontaktnih arhitektura teoretski može pružiti slično učinkovitih uređaja. Eksperimentalni prikaz kristalne silicijeve ćelije visokog učinka, ali potpuno bez lijekova, koja koristi blago sub-stehiometrijske MoO 3 i LiF kao kontakte s selektivnim otvorom i elektronima, otvara put prema potpuno novoj arhitekturi uređaja, s mnogo pojednostavljenim procesima i izuzetno jednostavne konstrukcije [Bullock2016].
Interdigitated (IBC) solarne ćelije s povratnim kontaktom: Za izdvajanje električnih naboja iz silicijeve solarne ćelije potrebni su metalni kontakti. Dok se u tradicionalnoj arhitekturi solarne ćelije s negativnim (elektroni) i pozitivnim (rupama) nabojem prikupljaju na svakoj strani pločica, IBC dizajn skuplja oba tipa naboja na stražnjoj strani pločice. To omogućuje postavljanje cijelog metala potrebnog za izdvajanje tih naboja na stražnjoj strani pločice, čime se sprječava sjenčanje i omogućuje stvaranje veće struje. Iako je u načelu jednostavan, takav pristup predstavlja mnoge znanstvene i tehnološke izazove [Tomasi2017].
Uređaji male površine: dok se ćelije za snimanje za većinu fotonaponskih tehnologija dobivaju na uređajima male površine (1 cm2 ili niže), nedavne rekordne učinkovitosti silikonskih uređaja na bazi vafla dobivene su na mnogo većoj površini> 100 cm2. Velika duljina difuzije fotogeneriranih nosača u siliciju (obično u milimetarskoj skali) čini rekombinaciju rubova određenim problemom, a izrada malih uređaja izazovna. Bolje razumijevanje gubitaka povezanih s površinom i razvoj pasivizacije rubova može omogućiti da se učinkoviti uređaji malih površina učine opuštajućim potrebama u smislu metalizacije.
Radni uvjeti
Uobičajena optimizacija solarnih ćelija napravljena je kako bi se postigle najveće performanse u standardnim uvjetima ispitivanja (25 ° C, 1000 W / m2, AM1,5 spektar). Takvi uvjeti nisu reprezentativni za one koji su iskusni na terenu tijekom rada. Posebno, moduli ugrađeni u vrućim i sunčanim klimatskim uvjetima doživljavaju visoku razinu ozračenosti, 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 prijenos naboja. Prilagođena optimizacija za specifične klimatske uvjete može pružiti nekoliko posto godišnje dobiti energije u odnosu na standardne pristupe. Također je pokazano da gubici otpornosti zbog međupovezanosti ćelija ne utječu samo na učinkovitost modula, već i na temperaturni koeficijent modula, naglašavajući potrebu za niskim otpornim međusobnim spojem u vrućim klimatskim uvjetima.