Od: https://pvlab.epfl.ch/
tło
Energia fotowoltaiki (PV) jest na krawędzi stawania się jednym z głównych globalnych źródeł energii, a krystaliczny krzem dominuje na rynku bez żadnych oznak zmian w najbliższej przyszłości. Oparte na krzemie heterozłączalne ogniwa słoneczne (Si-HJT) są gorącym tematem w obrębie fotowoltaiki z krzemu krystalicznego, ponieważ umożliwiają ogniwa słoneczne z rekordową konwersją energii do 26,6% (ryc. 1, patrz także Yoshikawa i wsp., Nature Energy 2 , 2017 ). Kluczowym punktem Si-HJT jest przemieszczenie styków o wysokiej aktywności rekombinacyjnej z powierzchni krystalicznej poprzez wstawienie filmu z szerokim pasmem zabronionym. Aby osiągnąć pełny potencjał urządzenia, gęstość stanu hetero-interfejsu powinna być minimalna. Praktycznie, uwodnione filmy z bezpostaciowego krzemu (a-Si: H) o grubości zaledwie kilku nanometrów są apelującymi kandydatami do tego: ich pasmo przenoszenia jest szersze niż w przypadku c-Si i, gdy samoistnie, takie folie mogą zmniejszać powierzchnię c-Si gęstość stanu przez uwodornienie. Ponadto, folie te mogą być stosunkowo łatwo domieszkowane, typu n- lub p, co umożliwia (bez litografii) wytwarzanie kontaktów o rekordowo niskich wartościach dla gęstości nasycenia-prądu. W wielu przedsiębiorstwach odnotowano imponującą wydajność konwersji o dużej powierzchni (> 100 cm2) (~ 25%) ( Tagushi i in., IEEE JPV 4, 2014 , Adachi i wsp. APL 104, 2015 ...).
Rysunek 1: Krzywa ogniw słonecznych z monokrystalicznego krzemu rejestruje ewolucję wydajności w ciągu ostatnich 20 lat.
Schemat i schemat zespołu typowych heterozłączowych ogniw słonecznych są podane na rysunku 2. Podstawowe cechy urządzenia na stronie przedniej (oświetleniowej) kolejno wewnętrzna warstwa pasywna a-Si: H i amorficzny emiter krzemu domieszkowany p, deponowane przez plazmę ulepszone osadzanie z fazy gazowej (PECVD). Na wierzchu warstw krzemowych osadza się antyrefleksyjny przezroczysty tlenek przewodzący (TCO) przez fizyczne osadzanie z fazy gazowej (PVD), a gromadzenie ładunku odbywa się przez sitodrukową metalową siatkę kontaktową. Z tyłu zastosowano stos zbierający elektrony i składa się on z wewnętrznej warstwy pasywnej a-Si: H, amorficznego krzemu domieszkowanego typu n (obie osadzone przez PECVD), warstwy TCO i metalicznej warstwy kontaktowej ( zdeponowane przez PVD).
| |
Rysunek 2: Po lewej: Schemat heterozłączowego ogniwa słonecznego (bez skali). Po prawej: Elektroniczny diagram zespołu w ciemności przy równowadze heterozłączowego ogniwa słonecznego (bez skali).
Na rysunku 3 przedstawiono główne tematy badań prowadzonych obecnie w grupie. Wynika to z podstaw mechanizmu pasywacji, rozwoju alternatywnych schematów kontaktowych w celu wydzielenia ładunków elektrycznych ujemnych (elektronów) i dodatnich (dziur), opracowania innowacyjnych architektur urządzeń i badania wpływu warunków pracy na wydajność energetyczną modułów fotowoltaicznych.
Rysunek 3: Aktywne tematy badawcze dotyczące heterozłączowych ogniw słonecznych opartych na krzemie.
Pasywacja powierzchni
Ostatnie postępy w produkcji na dużą skalę krzemu o wysokiej czystości stworzyły bardzo wysokiej jakości płytkę krzemową, łatwo dostępną do masowej produkcji. Niska wada gęstości w takich waflach sprawia, że efektywność przekracza 25% dla właściwej architektury urządzenia. Pierwszym wyzwaniem związanym z takim urządzeniem o wysokiej wydajności jest zapewnienie, że powierzchnia płytki nie wykazuje defektów aktywnych elektronicznie. Taką pasywację powierzchni można osiągnąć na różne sposoby, najszerzej badaną metodą PV-Lab jest zastosowanie osadzonego w osoczu uwodornionego amorficznego krzemu (a-Si: H). Jest to jedna z najbardziej wydajnych warstw zapewniających wyjątkowo dobrą pasywację, umożliwiającą bardzo długie okresy użytkowania nośnika w płytkach krzemowych, a także rekordowo wysoką wydajność. Zjawisko pasywacji powierzchniowej z a-Si: H (i jego tlenków i stopów węglikowych), rola wodoru, efekt ogrzewania lub oświetlenia światła są fascynującymi przesłuchaniami naukowymi, które sprawiają, że pole to nadal jest bardzo aktywne [Kobayashi2016].
Tworzenie kontaktu
Drugim wyzwaniem podczas budowania wysoko wydajnego ogniwa słonecznego z wysokiej jakości płytki krzemowej jest selektywne zbieranie dodatnich i ujemnych ładunków w dwóch rozdzielonych przestrzennie terminalach. Takie selektywne zbieranie opiera się na półprzepuszczalnych błonach elektronicznych, oferując niskooporowe połączenie elektryczne dla jednego rodzaju ładunków (np. Elektronów), jednocześnie blokując przy minimalnym przecieku drugi typ (otwory). Zastosowanie domieszkowanych warstw amorficznego krzemu (typu p i a-Si: H) okazało się niezwykle wydajnym sposobem zapewnienia takiej selektywności o rekordowo wysokich wydajnościach uzyskanych za pomocą takich kontaktów przez kilka laboratoriów i firm [DeWolf2012]. Folie te mają kilka ograniczeń, w tym pasożytniczą absorpcję światła i nieidealną selektywność (w szczególności nieistotną odporność na pobieranie ładunku i niskie przewodnictwo boczne). Odkrycie podstawowych właściwości wymaganych do idealnego selektywnego kontaktu (obejmującego właściwości materiału, ale również właściwości interfejsu) jest kluczem do opracowania bardziej wydajnych urządzeń opartych na prostszych procesach. Stosowanie nowych odpowiednich materiałów jako kontaktów selektywnych dla nośnika jest bardzo aktywnym tematem w tym zakresie, a skonstruowanie i wytwarzanie odpowiednich materiałów jest głównym przedmiotem zainteresowania grupy.
Architektura urządzenia
Wolne od domieszek ogniwa słoneczne: podczas długotrwałej idei, że urządzenie fotowoltaiczne wymaga skutecznego działania domieszkowanych styków o przeciwnych biegunach, ostatnie zrozumienie fizyki ogniw słonecznych sugerowało, że tak nie było: kilka architektur styków teoretycznie może zapewnić podobnie wydajne urządzenia. Eksperymentalna demonstracja wysokowydajnego, całkowicie wolnego od domieszek krystalicznego ogniwa krzemowego - wykorzystującego nieco podstechiometryczny MoO 3 i LiF jako kontakty dziurawe i selektywne elektronowo - otwiera drogę do całkowicie nowej architektury urządzeń, z bardzo uproszczonymi procesami i ekstremalnie proste projekty [Bullock2016].
Interdigitated z powrotem kontaktowy (IBC) ogniwa słoneczne: Aby wyodrębnić ładunki elektryczne z krzemowego ogniwa słonecznego, metalowe kontakty są wymagane. Podczas gdy w tradycyjnej architekturze ogniw słonecznych zbiera się ujemne (elektrony) i dodatnie (otwory) ładunki po każdej stronie wafla, konstrukcja IBC zbiera oba rodzaje opłat z tyłu płytki. Pozwala to na umieszczenie całego metalu potrzebnego do wyekstrahowania tych ładunków z tyłu płytki, co zapobiega powstawaniu cieni i umożliwia generowanie wyższego prądu. Chociaż jest to proste z zasady, takie podejście stanowi wiele wyzwań naukowych i technologicznych [Tomasi2017].
Urządzenia o małym polu: Podczas gdy większość urządzeń fotowoltaicznych rejestruje się w urządzeniach o małym polu powierzchni (1 cm2 lub mniej), ostatnie rekordowe wydajności krzemowych urządzeń opartych na płytkach otrzymano na znacznie większym obszarze> 100 cm 2 . Duża długość dyfuzji fotogenerowanych nośników w krzemie (zazwyczaj w skali milimetrowej) powoduje, że rekombinacja krawędzi jest szczególnym problemem, a wytwarzanie małych urządzeń stanowi wyzwanie. Lepsze zrozumienie strat związanych z obszarem i rozwój pasywacji krawędzi może pozwolić, aby wydajne urządzenia o małym polu powierzchni zostały rozluźnione w kategoriach metalizacji.
Warunki pracy
Powszechnie optymalizuje się ogniwa słoneczne, aby osiągnąć najwyższe wyniki w standardowych warunkach testowych (25 ° C, 1000 W / m2, widmo AM1.5). Takie warunki nie są reprezentatywne dla doświadczonych w terenie podczas pracy. W szczególności moduły zainstalowane w ciepłym i słonecznym klimacie charakteryzują się wysokim poziomem natężenia napromienienia, ale także wysoką temperaturą roboczą, która jest szkodliwa dla ich wydajności energetycznej. Wysokie temperatury pracy mogą jednak w szczególnych przypadkach być korzystne dla pokonania barier termicznych i poprawy transportu ładunku. Dopasowana optymalizacja dla określonych warunków klimatycznych może zapewnić kilka procent rocznego przyrostu energii w stosunku do standardowych rozwiązań. Wykazano również, że straty rezystancji wynikające z wzajemnego połączenia między komórkami wpływają nie tylko na wydajność modułów, ale także na współczynnik temperaturowy modułów, podkreślając silniejsze zapotrzebowanie na połączenia o niskiej rezystancji w gorącym klimacie.
