Fra: https://pvlab.epfl.ch/
Baggrund
Photovoltaics (PV) energi er på kanten af at blive en af de vigtigste globale energikilder, og krystallinsk silicium har domineret markedet uden tegn på forandring i den nærmeste fremtid. Silikonbaserede heterojunction-solceller (Si-HJT) er et varmt emne inden for krystallinsk siliciumfotovoltaisk, da det giver mulighed for solceller med rekordeffektiv energikonvertering op til 26,6% (figur 1, se også Yoshikawa et al., Nature Energy 2 , 2017 ). Nøglepunktet for Si-HJT er forskydningen af stærkt rekombinationsaktive kontakter fra den krystallinske overflade ved indsættelse af en film med bredt bandgap. For at nå det fulde enhedspotentiale skal heteroskærmens tilstandstæthed være minimal. Almindeligvis er hydrogenerede amorfe silicium (a-Si: H) -film med kun få få nanometer tykkelse tiltalende kandidater til dette: Deres bandgap er bredere end c-Si og, når det er iboende, kan sådanne film reducere c-Si-overfladen tilstandstæthed ved hydrogenering. Desuden kan disse film doteres relativt nemt, enten n- eller p-typen, hvilket tillader den (litografi-fri) fremstilling af kontakter med rekord-lave værdier for mætningsstrømtætheden. Imponerende stort område (> 100 cm 2 ) energiomdannelseseffektivitet (~ 25%) er blevet rapporteret af flere virksomheder ( Tagushi et al., IEEE JPV 4, 2014 , Adachi et al. APL 104, 2015 ...).
Figur 1: Monokrystallinsk silicium solcelle rekord effektivitet udvikling i de sidste 20 år.
Et skitse- og bånddiagram over en typisk heterojunktions-solcelle er vist i figur 2. Den grundlæggende anordning er på forsiden (belysning) side successivt et indre a-Si: H passiveringslag og en p-dopet amorf siliciumdæmper, begge deponeret af plasma forbedret kemisk dampaflejring (PECVD). På toppen af siliciumlagene aflejres et antireflektivt transparent ledende oxid (TCO) ved fysisk dampaflejring (PVD), og ladningsopsamlingen fremstilles af et skærmtrykt metallisk kontaktgitter. På bagsiden anvendes en elektronopsamlingsstabel, og den består af et internt a-Si: H passiveringslag, et doteret amorft silicium af typen (begge deponeret af PECVD), et TCO-lag og et metallisk kontaktlag ( deponeret af PVD).
| |
Figur 2: Venstre: Skematisk diagram af en heterojunction solcelle (ikke at skalere). Højre: Elektronisk bånddiagram i mørke ved ligevægten af en heterojunction solcelle (ikke at skalere).
Figur 3 viser hovedemnerne for forskning, der forfølges i gruppen. Dette går fra passivationsmekanismerne ved udvikling af alternative kontaktordninger for at udvinde de negative (elektroner) og positive (huller) elektriske ladninger til udviklingen af innovative enhedsarkitekturer og undersøgelsen af virkningen af driftsforholdene på energiproduktionen af fotovoltaiske moduler.
Figur 3: Aktive forskningsemner omkring siliciumbaserede heterojunction solceller.
Overflade passivation
Nylige fremskridt i storskala produktion af høj renheds silicium lavede meget høj kvalitet silicium wafer let tilgængelig til masseproduktion. Den lave defektdensitet i sådanne wafers gør effektiviteten mere end 25% opnåelig for korrekt enhedarkitektur. Den første udfordring at lave en sådan høj effektivitetsindretning er at sikre, at overfladen af waferen ikke frembyder elektronisk aktive defekter. En sådan overfladepassivering kan opnås på forskellige måder, idet den mest undersøgte i PV-Lab er brugen af plasmaaflejret hydrogeneret amorf silicium (a-Si: H). Dette viser sig at være et af de mest effektive lag for at give ekstremt god passivation, hvilket giver meget store transportlængder i siliciumplader samt rekordhøje effektiviteter. Fænomenerne bag overfladepassivering fra a-Si: H (og dets oxid- og karbidlegeringer), hydrogenens rolle, virkningen af opvarmning eller lysbelysning er fascinerende videnskabelige forhør, hvilket gør dette felt stadig meget aktivt [Kobayashi2016].
Kontakt formation
Den anden udfordring, når man bygger en høj effektiv solcelle fra en højkvalitets siliciumwafer, er den selektive samling af positive og negative ladninger ved to rumligt adskilte terminaler. En sådan selektiv samling baserer sig på halvgennemtrængelige elektroniske membraner, der tilbyder en lav modstands elektrisk forbindelse til en type afladninger (f.eks. Elektroner), mens blokering med minimal lækage er den anden type (huller). Anvendelsen af dopede amorfe siliciumlag (p-type og n-type a-Si: H) viser sig at være en yderst effektiv måde at tilvejebringe sådan selektivitet med verdensrekordeffektiviteter opnået ved anvendelse af sådanne kontakter af flere laboratorier og virksomheder [DeWolf2012]. Disse film præsenterer adskillige begrænsninger, herunder parasitisk absorption af lys og ikke-ideel selektivitet (især en ikke-ubetydelig modstand mod ladningsekstraktion og lav sideledning). Unraveling de grundlæggende egenskaber, der kræves til en ideel selektiv kontakt (involverer materiale, men også grænsefladeegenskaber) er nøglen til udvikling af mere effektive enheder baseret på enklere processer. Anvendelse af nye egnede materialer som bærer-selektive kontakter er et meget aktivt emne til dette formål, og design og fremstilling af egnede materialer er et stærkt fokus for gruppen.
Enhedsarkitektur
Dopant-fri solceller: Mens en langsigtet ide om, at en fotovoltaisk enhed krævede dopede kontakter med modsatte polariteter, var en ny forståelse af solcellernes fysik, at det ikke var tilfældet: Flere kontaktarkitekturer kan teoretisk give samme effektive enheder. Den eksperimentelle demonstration af en højffektiv, men helt dopantfri krystallinsk siliciumcelle - ved hjælp af lidt substøkiometrisk MoO 3 og LiF som hulle- og elektron-selektive kontakter - åbner vejen mod helt ny enhedarkitektur med meget forenklede processer og ekstremt simple designs [Bullock2016].
Interdigitated back-contacted (IBC) solceller: For at udtrække de elektriske ladninger fra en silicium solcelle kræves der metal kontakter. Mens solcellerne i den traditionelle arkitektur indsamles negative (elektroner) og positive (huller) afgifter på hver side af waferen, samler IBC-design begge ladetyper på bagsiden af waferen. Dette gør det muligt at placere alt det nødvendige metal for at udtrække disse ladninger på bagsiden af waferen, hvilket forhindrer skygge og giver mulighed for at generere en højere strøm. Selvom det principielt er simpelt, præsenterer en sådan tilgang mange videnskabelige og teknologiske udfordringer [Tomasi2017].
Småarealapparater: Mens rekordceller til de fleste solcelleteknologier opnås på små enheder (1 cm 2 eller derunder), blev de seneste rekordeffekter for waferbaserede siliciumindretninger opnået på et meget større område> 100 cm 2 . Den store diffusionslængde af fotogenererede bærere i silicium (typisk af millimeter skala) gør kantrekombination et bestemt problem, og fremstillingen af små enheder udfordrende. En bedre forståelse af arealrelaterede tab og udvikling af kantpassivation kan gøre det muligt at lave effektive små enheder til afslappende behov med hensyn til metallisering.
Driftsbetingelser
Fælles optimering af solceller er lavet for at nå de højeste resultater under standard testbetingelser (25 ° C, 1000 W / m2, AM1.5 spektrum). Sådanne forhold er ikke repræsentative for dem, der er erfarne på området under drift. Især installeres moduler installeret i varme og solrige klimaer med et højt bestrålingsniveau, men også en høj driftstemperatur, som er skadelig for deres energiproduktion. Høje driftstemperaturer kan dog i visse tilfælde være gavnlige for at overvinde termiske barrierer og forbedre ladningstransporten. Skræddersyet optimering til specifikke klimatiske forhold kan give flere procent årlige energiforbrug over standardmetoder. Det blev også vist, at modstandstab som følge af celleledning påvirker ikke kun modulets effektivitet men også modulets temperaturkoefficient, hvilket fremhæver det stærkere behov for lav modstandsforbindelse i varme klimaer.
