Gönderen: https://pvlab.epfl.ch/
Arka fon
Fotovoltaik (PV) enerjisi, temel küresel enerji kaynaklarından biri haline gelmenin kenarındadır ve kristalimsi silikon, yakın gelecekte bir değişiklik belirtisi olmadan piyasaya egemen olmuştur. Silisyum bazlı heterojunction solar hücreler (Si-HJT),% 26,6'ya kadar rekor verimlilikte enerji dönüşümüne sahip solar hücrelere izin verdiği için kristalin silikon fotovoltaik içinde sıcak bir konudur (Şekil 1, ayrıca bakınız Yoshikawa ve diğerleri, Nature Energy 2). , 2017 ). Si-HJT'nin kilit noktası, yüksek rekombinasyon aktif kontakların kristal yüzeyden, geniş bant aralığı olan bir filmin yerleştirilmesiyle yer değiştirmesidir. Tam cihaz potansiyeline ulaşmak için, hetero-arayüz durum yoğunluğu en az olmalıdır. Pratik olarak, sadece birkaç nanometre kalınlığındaki hidrojenlenmiş amorf silikon (a-Si: H) filmleri bunun için çekici adaylardır: Bant boşlukları c-Si'ninkinden daha geniştir ve içsel olduklarında, bu tür filmler c-Si yüzeyini azaltabilir hidrojenasyon ile durum yoğunluğu. Ek olarak, bu filmler n ya da p tipi olarak nispeten kolay bir şekilde katlanabilirler, böylece doyma akımı yoğunluğu için rekor düşük değerlere sahip temasların (litografi içermeyen) imal edilmesine izin verilir. Etkileyici geniş alan (> 100 cm2) enerji dönüşüm verimliliği (~% 25) birçok şirket tarafından bildirilmiştir ( Tagushi ve diğerleri, IEEE JPV 4, 2014 , Adachi ve diğerleri, APL 104, 2015 …).
Şekil 1: Monokristal silikon güneş pili son 20 yıldaki verimlilik evrimini kaydetti.
Tipik bir heterojunction solar hücrenin taslak ve bant şeması Şekil 2'de verilmiştir. Temel cihaz ön (aydınlatma) tarafında art arda içsel bir a-Si: H pasivasyon katmanı ve her ikisi de plazma tarafından biriktirilmiş bir p-katkılı şekilsiz silikon yayıcı özelliği içerir. Gelişmiş kimyasal buhar biriktirme (PECVD). Silikon tabakaların üstünde, yansıma önleyici saydam bir iletken oksit (TCO), fiziksel buhar biriktirme (PVD) ile biriktirilir ve yük toplama, serigrafi baskılı metalik bir temas ızgarası tarafından yapılır. Arka tarafta, bir elektron toplama yığını kullanılır ve içten a-Si: H pasivasyon katmanı, katkılı n tipi amorf silikondan (her ikisi de PECVD tarafından biriktirilir), TCO katmanı ve metalik temas katmanından oluşur (metalik bir temas tabakası) PVD tarafından yatırılır).
| |
Şekil 2: Sol: Bir heterojunction solar hücrenin şematik diyagramı (ölçeklendirilmemiştir). Sağ: Bir heterojunction güneş pilinin dengesinde karanlıkta elektronik bant şeması (ölçeklendirilmemesi).
Şekil 3, şu anda grupta devam etmekte olan araştırmaların ana konularını göstermektedir. Bu, negatif (elektronlar) ve pozitif (delikler) elektrik yüklerini çıkarmak için alternatif temas şemalarının geliştirilmesi yoluyla, pasifleştirme mekanizmasının temellerinden, yenilikçi cihaz mimarilerinin geliştirilmesi ve çalışma koşullarının enerji verimliliği üzerindeki etkisinin araştırılmasına kadar uzanır. Fotovoltaik modüller.
Şekil 3: Silisyum bazlı heterojunction solar hücrelerin etrafındaki aktif araştırma konuları.
Yüzey pasivasyon
Büyük ölçekli yüksek saflıkta silikon üretiminde son gelişmeler, seri üretim için çok yüksek kaliteli silikon gofreti hazır hale getirmiştir. Bu tür gofretlerdeki düşük kusur yoğunluğu, uygun cihaz mimarisi için% 25'in üzerindeki etkinlikleri mümkün kılar. Böyle yüksek verimli bir cihaz yapmak için ilk zorluk, gofret yüzeyinin elektronik olarak aktif kusurlar göstermemesini sağlamaktır. Bu tür yüzey pasivasyonu, çeşitli yollarla gerçekleştirilebilir, en yaygın olarak PV-Lab'de araştırılan, plazma ile çökeltilmiş hidrojene amorf silikon (a-Si: H) kullanımıdır. Bu, silikon gofretlerde çok büyük taşıyıcı ömrünün yanı sıra rekor düzeyde verimlilik sağlayan son derece iyi pasivasyon sağlamak için en verimli katmanlardan biri olduğunu kanıtlamaktadır. A-Si: H'den (ve bunun oksit ve karbür alaşımlarından) yüzey pasivasyonunun arkasındaki fenomen, hidrojenin rolü, ısıtma veya ışık aydınlatmasının etkisi, bu alanı hala çok aktif yapan büyüleyici bilimsel sorgulamalardır [Kobayashi2016].
İletişim oluşumu
Yüksek kaliteli bir silikon gofretten yüksek verimli bir güneş hücresi inşa ederken ortaya çıkan ikinci zorluk, mekansal olarak ayrılmış iki terminalde pozitif ve negatif yüklerin seçici toplanmasıdır. Bu seçici toplama, yarı geçirgen elektronik membranlara dayanır ve diğer tipte (deliklerde) minimum sızıntı ile tıkama yaparken bir şarj tipi (örneğin elektron) için düşük dirençli bir elektrik bağlantısı sunar. Katkılı amorf silikon tabakaların (p tipi ve n tipi a-Si: H) kullanımı, çeşitli laboratuvarlar ve şirketler tarafından bu temaslar kullanılarak elde edilen dünya rekoru verimlilikleriyle bu seçiciliği sağlamada son derece etkili bir yol olduğunu kanıtlamıştır [DeWolf2012]. Bu filmler, ışığın ve ideal olmayan seçiciliğin parazitik olarak emilmesi de dahil olmak üzere birkaç sınırlama sunar (özellikle, şarj çekimi ve düşük yanal iletime karşı ihmal edilemez bir direnç ile). İdeal bir seçici temas için gereken temel özelliklerin (malzemenin yanı sıra arayüz özelliklerinin de dahil olduğu) çözülmesi, daha basit işlemlere dayalı daha verimli cihazlar geliştirmek için anahtardır. Taşıyıcı-seçici temaslar olarak yeni uygun malzemelerin uygulanması, bu amaçla çok aktif bir konudur ve uygun malzemelerin tasarlanması ve üretilmesi, grubun güçlü bir odağını oluşturmaktadır.
Cihaz mimarisi
Dopant içermeyen güneş pilleri: Fotovoltaik bir cihazın verimli olması için zıt kutuplarla temas etmesini gerektiren uzun ömürlü bir fikir olmasına rağmen, son zamanlarda güneş pillerinin fiziği hakkında bir anlayış, bunun böyle olmadığını ortaya koydu: verimli cihazlar Hafif ve stoikiometrik MoO3 ve LiF'i delikli ve elektron seçici temaslar olarak kullanan, yüksek verimli ancak tamamen dopant içermeyen kristalli bir silikon hücresinin deneysel gösterimi, çok basitleştirilmiş işlemlerle ve çok basitleştirilmiş işlemlerle tamamen yeni cihaz mimarisine doğru yol açar basit tasarımlar [Bullock2016].
Interdigitated back contact (IBC) güneş pilleri: Elektrik yüklerini bir silikon güneş pilinden çıkarmak için metal kontaklar gerekir. Geleneksel mimaride güneş hücrelerinde, negatif (elektronlar) ve pozitif (delikler) yükler, gofretin her bir tarafında toplanırken, IBC tasarımı, gofretin arkasındaki her iki şarj tipini toplar. Bu, bu yükleri çıkarmak için gereken tüm metalleri gofretin arkasına yerleştirmeyi sağlar, böylece gölgelenmeyi önler ve daha yüksek bir akım oluşmasına izin verir. Prensip olarak basit olsa da, bu yaklaşım birçok bilimsel ve teknolojik zorluk sunar [Tomasi2017].
Küçük alanlı aygıtlar: Fotovoltaik teknolojilerin çoğu için kayıt hücreleri küçük alanlı aygıtlarda (1 cm2 ya da altı) elde edilirken, gofret bazlı silikon aygıtları için son zamanlarda daha büyük alan> 100 cm2 olan kayıt verimleri elde edilmiştir. Silikonda (genellikle milimetre ölçeğinde) fotojenere edilmiş taşıyıcıların geniş difüzyon uzunluğu, kenar rekombinasyonunu belirli bir sorun haline getirir ve zorlu küçük cihazların imal edilmesini sağlar. Alanla ilgili kayıpların daha iyi anlaşılması ve kenar pasivasyonunun geliştirilmesi, küçük alanlı cihazların metalizasyon açısından gevşetici ihtiyaçlara sahip olmasını sağlayabilir.
Çalışma koşulları
Güneş pillerinin ortak optimizasyonu, standart test koşulları altında (25 ° C, 1000 W / m2, AM1.5 spektrum) en yüksek performanslara ulaşmak için yapılır. Bu şartlar, operasyon sırasında sahada yaşananları temsil etmemektedir. Özellikle, sıcak ve güneşli iklimlerde kurulan modüller, yüksek bir ışınım seviyesi, aynı zamanda enerji çıkışlarına zarar veren yüksek bir çalışma sıcaklığı yaşarlar. Bununla birlikte, yüksek çalışma sıcaklıkları, özel durumlarda, termiyonik bariyerlerin üstesinden gelmek ve yük taşınımını iyileştirmek için faydalı olabilir. Özel iklim koşulları için uyarlanmış optimizasyon, standart yaklaşımlara göre yüzde birkaç yıllık enerji kazancı sağlayabilir. Ayrıca, hücre ara bağlantısı nedeniyle meydana gelen direnç kayıplarının sadece modül verimliliğini değil aynı zamanda modüllerin sıcaklık katsayısını da etkilediği, sıcak iklimlerde düşük dirençli ara bağlantı için daha güçlü ihtiyaçlara dikkat çekildiği gösterilmiştir.