Från: https://pvlab.epfl.ch/
Bakgrund
Photovoltaics (PV) energi ligger på kanten av att bli en av världens främsta globala energikälla, och kristallin kisel har dominerat marknaden utan tecken på förändring inom en snar framtid. Silikonbaserade heterojunction-solceller (Si-HJT) är ett hett ämne inom kristallin kiselfotovoltaiska eftersom det möjliggör för solceller med rekordeffektiv energikonvertering upp till 26,6% (bild 1, se även Yoshikawa et al., Nature Energy 2 , 2017 ). Huvudpunkten för Si-HJT är förskjutningen av starkt rekombinationsaktiva kontakter från den kristallina ytan genom införande av en film med brett bandgap. För att uppnå den fulla enhetspotentialen bör detekteringen av detero-gränssnittets tillstånd vara minimal. I praktiken är hydrerade amorfa kisel (a-Si: H) -filmer med endast några få nanometer tjocklek tilltalande kandidater för detta: Deras bandgap är bredare än det för c-Si och, när det är i själva verket, kan sådana filmer minska c-Si-ytan tillståndets densitet genom hydrogenering. Dessutom kan dessa filmer dopas relativt enkelt, antingen n- eller p-typ, vilket möjliggör för (litografifri) tillverkning av kontakter med rekordlåga värden för mättnadsströmningsdensiteten. Imponerande storskaliga (> 100 cm 2 ) energieffektiviseringseffekter (~ 25%) har rapporterats av flera företag ( Tagushi et al., IEEE JPV 4, 2014 , Adachi et al. APL 104, 2015 ...).
Figur 1: Utvecklingsutveckling av monokristallin kisel-solcellsrekord under de senaste 20 åren.
En skiss och ett banddiagram över en typisk heterojunction-solcell ges i figur 2. Den grundläggande enheten har på framsidan (belysning) sidan successivt ett inbyggt a-Si: H passiveringsskikt och en p-dopad amorf kiselemitter som båda avsätts av plasma förbättrad kemisk ångavsättning (PECVD). På sidan av kiselskikten avsätts en antireflektiv transparent ledande oxid (TCO) genom fysisk ångavsättning (PVD) och laddningssamlingen är gjord av ett skärmtryckt metallkontaktgaller. På baksidan används en elektronuppsamlingsstapel, och den består av ett internt a-Si: H passiveringsskikt, ett dopat amorft kisel av n typ (båda avsatta av PECVD), ett TCO-skikt och ett metallkontaktskikt ( deponeras av PVD).
| |
Figur 2: Vänster: Schematiskt diagram över en heterojunktions-solcell (ej skala). Höger: Elektroniskt banddiagram i mörk vid jämvikt av en heterojunktions-solcell (inte i skala).
Figur 3 visar huvudämnena för forskning som för närvarande bedrivs i gruppen. Detta går från passivationsmekanismens grunder genom utveckling av alternativa kontaktordningar för att extrahera de negativa (elektronerna) och positiva (hål) elektriska laddningar, utvecklingen av innovativa enhetsarkitekturer och undersökningen av påverkan av driftsförhållandena på energianvändningen av fotovoltaiska moduler.
Figur 3: Aktiva forskningsämnen kring silikonbaserade heterojunction-solceller.
Surface passivation
Nya framsteg i storskalig produktion av silikon av hög renhet gjordes av högkvalitativ kiselplatta lättillgänglig för massproduktion. Den låga defekttätheten i sådana skivor gör effektivitet över 25% uppnåelig för korrekt enhetsarkitektur. Den första utmaningen att göra en sådan hög effektivitetsanordning är att säkerställa att ytan på skivan inte uppvisar elektroniskt aktiva defekter. En sådan ytpassivation kan åstadkommas på olika sätt, den mest undersökta i PV-Lab är användningen av plasma-deponerat hydrerat amorft kisel (a-Si: H). Detta visar sig vara ett av de mest effektiva skiktet för att ge extremt bra passivitet, vilket möjliggör mycket stora bärlivslängder i kiselskivor, samt rekordhöga effektivitetsförhållanden. Fenomena bakom passivation av a-Si: H (och dess oxid och karbidlegeringar), väteens roll, effekten av uppvärmning eller ljusbelysning är fascinerande vetenskapliga förhör som gör detta fält fortfarande mycket aktivt [Kobayashi2016].
Kontaktbildning
Den andra utmaningen när man bygger en högeffektiv solcell från en högkvalitativ kiselplatta är den selektiva samlingen av positiva och negativa laddningar vid två rumsligt separerade terminaler. En sådan selektiv samling är beroende av halvpermeabla elektroniska membran, som erbjuder en låg motståndsanslutning för en typ av laddningar (t.ex. elektroner) medan den andra typen (hål) blockeras med minimal läckage. Användningen av dopade amorfa kiselskikt (p-typ och n-typ a-Si: H) visar sig vara ett extremt effektivt sätt att tillhandahålla sådan selektivitet med världsrekordets effektivitet som erhållits genom att använda sådana kontakter av flera laboratorier och företag [DeWolf2012]. Dessa filmer uppvisar flera begränsningar, innefattande parasitisk absorption av ljus och icke-idealisk selektivitet (med synnerhet ett icke försumbar resistans mot laddningsextraktion och låg sidledning). Unraveling de grundläggande egenskaperna som krävs för en idealisk selektiv kontakt (med material men även gränssnittsegenskaper) är nyckeln för att utveckla effektivare enheter baserade på enklare processer. Att tillämpa nya lämpliga material som bärar-selektiva kontakter är ett mycket aktivt ämne för detta ändamål och design och tillverkning av lämpliga material är ett starkt fokus för gruppen.
Enhetsarkitektur
Doperingsfria solceller: Medan en långlivad idé att en fotovoltaisk enhet krävde att dopade kontakter med motsatta polariteter skulle vara effektiva, föreslog en ny kunskap om solcellernas fysik att det inte var fallet: Flera kontaktarkitekturer kan teoretiskt tillhandahålla på samma sätt effektiva enheter. Den experimentella demonstrationen av en högeffektivt men helt dopantfri kristallin kiselcell - med lite substökiometrisk MoO 3 och LiF som hål- och elektron-selektiva kontakter - öppnar vägen mot helt ny enhetarkitektur med mycket förenklade processer och extremt enkla mönster [Bullock2016].
Interdigiterade tillbaka kontaktade (IBC) solceller: För att extrahera de elektriska laddningarna från en kisel solcell krävs metallkontakter. I de traditionella arkitekturen samlas solceller negativa (elektroner) och positiva (hål) laddningar på vardera sidan av skivan, IBC-designen samlar både laddningstyper på baksidan av skivan. Detta gör det möjligt att placera all metall som krävs för att extrahera dessa laddningar på baksidan av skivan, vilket förhindrar skuggning och medger att en högre ström genereras. Så enkelt som i princip presenterar ett sådant tillvägagångssätt många vetenskapliga och tekniska utmaningar [Tomasi2017].
Apparater med liten yta: Rekordceller för de flesta fotovoltaiska teknikerna erhålls på enheter med liten yta (1 cm 2 eller lägre), de senaste rekordeffektiviteten för waferbaserade kiselanordningar erhölls på mycket större område> 100 cm 2 . Den stora diffusionslängden av fotogenererade bärare i kisel (typiskt av millimeterskala) gör kantrekombinationen en speciell fråga och tillverkningen av små anordningar utmanande. En bättre förståelse av områdesrelaterade förluster och utveckling av kantpassivation kan medge att effektiva enheter i små områden gör avkopplande behov i form av metallisering.
Driftsförhållanden
Vanlig optimering av solceller är gjord för att uppnå högsta prestanda under normala testförhållanden (25 ° C, 1000 W / m2, AM1.5 spektrum). Sådana förhållanden är inte representativa för de som upplevs på fältet under drift. Speciellt upplever moduler installerade i heta och soliga klimat en hög bestrålningsnivå men också en hög driftstemperatur som skadar deras energiproduktion. Höga driftstemperaturer kan emellertid i vissa fall vara fördelaktiga för att övervinna termiska hinder och förbättra laddningstransporten. Skräddarsydd optimering för specifika klimatförhållanden kan ge flera procent årlig energiförbrukning över standardmetoder. Det visades också att resistansförluster på grund av cellsammankoppling inte bara påverkar modulens effektivitet utan även modulens temperaturkoefficient, vilket framhäver det starkare behovet av lågmotståndssamkoppling i heta klimat.
