От: https://pvlab.epfl.ch/
Заден план
Фотоволтаичната (PV) енергия е на ръба да се превърне в един от основните глобални източници на енергия, а кристалният силиций доминира на пазара без никакви признаци за промяна в близко бъдеще. Силициевите гетеропереходни соларни клетки (Si-HJT) са гореща тема в кристалния силициев фотоволтаик, тъй като позволяват слънчеви клетки с рекордна енергийна конверсия до 26.6% (фиг. 1, виж също Yoshikawa et al., Nature Energy 2). , 2017 ). Ключовата точка на Si-HJT е изместването на силно рекомбинационно-активните контакти от кристалната повърхност чрез вмъкване на филм с широка лента. За да се достигне пълният потенциал на устройството, плътността на състоянието на хетеро интерфейс трябва да бъде минимална. Практически, хидрогенирани аморфни силициеви (a-Si: H) филми с дебелина само няколко нанометра са привлекателни кандидати за това: Техният обхват е по-широк от този на c-Si и, когато е присъщо, такива филми могат да намалят повърхността на c-Si. плътност на състоянието чрез хидрогениране. В допълнение, тези филми могат да бъдат легирани сравнително лесно, или n-, или p-тип, което позволява (без литография) изработване на контакти с рекордно ниски стойности за плътността на насищане-ток. Впечатляващи ефективности на преобразуване на енергия с голяма площ (> 100 cm 2 ) (~ 25%) са докладвани от няколко компании ( Tagushi et al., IEEE JPV 4, 2014 , Adachi et al. APL 104, 2015 …).
Фигура 1: Еволюция на ефективността на запис на монокристални силициеви слънчеви клетки през последните 20 години.
На фигура 2 са дадени скица и диаграма на типичната слънчева клетка с хетеро-връзка. засилено химическо отлагане на пари (PECVD). На върха на силициевите слоеве се нанася антирефлективен прозрачен проводим оксид (TCO) чрез физическо отлагане на пари (PVD) и събирането на заряда се извършва чрез метална контактна решетка с отпечатан екран. На обратната страна е използван електронен колектор, който се състои от вътрешен a-Si: H пасивиращ слой, легиран аморфен силикон n-тип (и двете депозирани от PECVD), TCO слой и метален контактен слой ( депозирани от PVD).
| |
Фигура 2: Ляво: Схематична диаграма на слънчева клетка (не в мащаб). Дясно: Електронна лентова диаграма в тъмнина в равновесие на слънчева клетка (не в мащаб).
Фигура 3 показва основните теми на изследванията, които в момента се провеждат в групата. Това идва от основите на пасивиращия механизъм, чрез разработването на алтернативни контактни схеми за извличане на отрицателните (електрони) и положителните (дупки) електрически заряди, до разработването на иновативни архитектури на устройството и изследването на влиянието на работните условия върху енергийния добив. на фотоволтаични модули.
Фигура 3: Активни изследователски теми, свързани със соларни клетки на базата на силиций.
Пасивация на повърхността
Неотдавнашният напредък в широкомащабното производство на силиций с висока чистота прави много висококачествените силициеви пластини лесно достъпни за масово производство. Ниската плътност на дефектите в такива пластини прави ефективността над 25% постижима за правилната архитектура на устройството. Първото предизвикателство да се създаде такова високоефективно устройство е да се гарантира, че повърхността на пластината не представлява електронно активни дефекти. Такава пасивация на повърхността може да бъде постигната по различни начини, като най-широко изследваното в PV-Lab е използването на хидрогениран аморфен силикон (a-Si: H), отложен на плазмата. Това се оказва един от най-ефективните слоеве, които осигуряват изключително добра пасивация, позволяваща много голям живот на носителя в силициевите пластини, както и висока ефективност при запис. Явленията зад пасивацията на повърхността от a-Si: H (и неговите оксидни и карбидни сплави), ролята на водорода, ефекта на нагряване или светлинното осветление са очарователни научни разпити, които правят това поле все още много активно [Kobayashi2016].
Образуване на контакт
Второто предизвикателство при изграждането на високоефективна слънчева клетка от висококачествена силициева пластина е селективното събиране на положителни и отрицателни заряди в два пространствено разделени терминала. Такава селективна колекция се основава на полупропускливи електронни мембрани, предлагащи ниско съпротивление на електрически връзки за един вид заряд (например електрони), като същевременно блокират с минимално изтичане друг тип (дупки). Използването на легирани аморфни силициеви слоеве (р-тип и n-тип a-Si: H) се оказва изключително ефективен начин за осигуряване на такава селективност с рекордно ефективни резултати, получени при използване на такива контакти от няколко лаборатории и компании [DeWolf2012]. Тези филми представляват няколко ограничения, включително паразитна абсорбция на светлина и неидеална селективност (особено с незначителна устойчивост на екстракция на заряда и ниска странична проводимост). Разкриването на основните свойства, необходими за идеален селективен контакт (включващ материал, но също и свойства на интерфейса), е от ключово значение за разработването на по-ефективни устройства, базирани на по-прости процеси. Прилагането на нови подходящи материали като селективни контакти с носители е много активна тема за тази цел и проектирането и изработването на подходящи материали е силен фокус на групата.
Архитектура на устройството
Слънчеви клетки без добавки: Докато дългогодишната идея, че фотоволтаичното устройство изисква легирани контакти с противоположни полюси да бъдат ефективни, едно скорошно разбиране за физиката на слънчевите клетки предполага, че това не е така: няколко контактни архитектури могат теоретично да предоставят подобно ефективни устройства. Експерименталната демонстрация на високоефективна, но напълно свободна от добавки кристална силициева клетка - с леко под-стехиометрично MoO 3 и LiF като селективни отвори и контакти - отваря пътя към изцяло нова архитектура на устройството, с много опростени процеси и изключително прости конструкции [Bullock2016].
Слънчеви клетки с обратен контакт (IBC): За извличане на електрическите заряди от силициеви слънчеви клетки се изискват метални контакти. Докато в традиционните архитектурни слънчеви клетки се събират отрицателни (електрони) и положителни (дупки) такси се събират от всяка страна на пластините, IBC дизайнът събира и двата вида заряда в задната част на пластината. Това позволява да се постави целият метал, необходим за извличане на тези заряди на задната страна на пластината, като по този начин се предотвратява засенчване и се позволява генериране на по-висок ток. Макар и принципно принципно, подобен подход представя много научни и технологични предизвикателства [Tomasi2017].
Устройства за малки площи: Докато записващите клетки за повечето фотоволтаични технологии се получават на устройства с малка площ (1 cm2 или по-ниско), най-новите рекордни ефективности за силиконови устройства на базата на пластини бяха получени на много по-голяма площ> 100 cm 2 . Голямата дифузионна дължина на фотогенерираните носители в силиций (обикновено в милиметрови мащаби) прави рекомбинацията на ръба конкретен проблем и създаването на малки устройства предизвиква. По-доброто разбиране на свързаните със зоната загуби и развитието на пасивация на ръбовете биха позволили ефективни устройства за малки площи да бъдат релаксиращи нужди по отношение на метализацията.
Условия на работа
Общата оптимизация на слънчевите клетки се прави, за да се постигнат най-високи показатели при стандартни условия на изпитване (25 ° C, 1000 W / m2, спектър AM1.5). Такива условия не са представителни за онези, които имат опит в областта по време на експлоатация. По-специално, модулите, монтирани в горещ и слънчев климат, се характеризират с високо ниво на излъчване, но също така и с висока работна температура, която е вредна за тяхната енергия. Високите работни температури обаче могат да бъдат полезни в конкретни случаи, за да се преодолеят термични бариери и да се подобри транспортирането на заряда. Ориентираната към конкретни климатични условия оптимизация може да осигури няколко процента годишно енергийно нарастване спрямо стандартните подходи. Показано е също, че загубите на съпротивление, дължащи се на взаимното свързване на клетките, влияят не само на ефективността на модула, но и на температурния коефициент на модулите, подчертавайки по-голямата необходимост от ниско съпротивление при горещи климатични условия.
