Od: https://pvlab.epfl.ch/
Pozadí
Fotovoltaická energie (PV) je na okraji toho, že se stane jedním z hlavních globálních zdrojů energie a krystalický křemík dominuje na trhu bez známky změny v blízké budoucnosti. Heterojunkční solární články na bázi křemíku (Si-HJT) jsou horkým tématem fotovoltaických krystalických křemíku, protože umožňují solárním článkům s rekordně účinnou konverzí energie až na 26,6% (obr. 1, viz také Yoshikawa et al., Nature Energy 2 , 2017 ). Klíčovým bodem Si-HJT je vytěsnění vysoce aktivních rekombinací kontaktů z krystalického povrchu vložením filmu se širokým pásmem. Pro dosažení plného potenciálu zařízení by měla být hustota stavu hetero-rozhraní minimální. Prakticky jsou pro tyto kandidáty kandidáty k dispozici hydrofilované amorfní křemíkové (a-Si: H) filmy o tloušťce jen několik nanometrů. Jejich pásmo je širší než pásmo c-Si, a pokud jsou takové filmy schopné snížit povrch c-Si hustota stavu hydrogenací. Kromě toho mohou být tyto filmy dopovány poměrně snadno, a to buď n- nebo p-typu, což umožňuje výrobu (bez litografie) kontaktů s rekordně nízkými hodnotami pro hustotu saturace-proud. Působivou efektivitu konverze energie o velkém rozsahu (> 100 cm 2 ) (~ 25%) uvádí několik společností ( Tagushi a kol., IEEE JPV 4, 2014 , Adachi a kol., APL 104, 2015 ...).
Obrázek 1: Vývoj účinnosti monokrystalických silikonových solárních článků za posledních 20 let.
Schéma a pásmový diagram typické heterojunkční solární články jsou uvedeny na obr. 2. Základní zařízení na straně předního (osvětlování) postupně obsahuje vnitřní a-Si: H pasivační vrstvu a p-dopovaný amorfní křemíkový emitor, jak plazmatickou (PECVD). Na vrchních vrstvách křemíku se pomocí fyzikálního vylučování par (PVD) nanáší antireflexní průhledný vodivý oxid (TCO) a sběr náboje se provádí sítově dotovanou kovovou mřížkou. Na zadní straně se používá shromažďovací elektronový zásobník a skládá se z vnitřní pasivní vrstvy a-Si: H, dopovaného n-typu amorfního křemíku (oba uloženého PECVD), vrstvy TCO a kovové kontaktní vrstvy ( uložené PVD).
| |
Obrázek 2: Vlevo: Schematický diagram heterojunkčních solárních článků (ne měřítko). Vpravo: Elektronický pásový diagram ve tmě při rovnováze heterojunkčních solárních článků (ne měřítko).
Obrázek 3 zobrazuje hlavní témata výzkumu, který v současné době probíhá ve skupině. Toto vychází ze základů pasivačního mechanismu prostřednictvím vývoje alternativních kontaktních schémat pro získání negativních (elektronů) a pozitivních (děrných) elektrických nábojů k vývoji inovativních architektur zařízení a ke zkoumání vlivu provozních podmínek na energetický výnos fotovoltaických modulů.
Obrázek 3: Témata aktivního výzkumu kolem heterojunkčních solárních článků na bázi křemíku.
Povrchová pasivace
Nedávný pokrok ve výrobě velkokapacitního křemíku vyrobeného z vysoce kvalitní křemíkové desky, který je snadno dostupný pro hromadnou výrobu. Nízká hustota defektů v těchto destičkách činí výkonnost přes 25% dosažitelnou pro správnou architekturu zařízení. První výzva k vytvoření takového zařízení s vysokou účinností je zajistit, aby povrch plátku neobsahoval elektronicky aktivní vady. Taková povrchová pasivace může být dosažena různými způsoby, přičemž nejpoužívanější metodou PV-Lab je použití plazmového hydrogenačního amorfního křemíku (a-Si: H). To se ukazuje jako jedna z nejúčinnějších vrstev, která poskytuje extrémně dobrou pasivaci, což umožňuje velmi dlouhou životnost nosiče v křemíkových destičkách, stejně jako rekordně vysoká účinnost. Fenomeny povrchové pasivace z a-Si: H (a jejích oxidových a karbidových slitin), role vodíku, účinek zahřívání nebo osvětlení světla jsou fascinující vědecké výslechy, které tuto oblast ještě činí velmi aktivní [Kobayashi2016].
Tvorba kontaktů
Druhou výzvou při budování vysoce účinného solárního článku z vysoce kvalitní křemíkové desky je selektivní sběr pozitivních a záporných nábojů na dvou prostorově oddělených terminálech. Takový selektivní sběr se opírá o semipermeabilní elektronické membrány, které nabízejí elektrickou přípojku s nízkým odporem pro jeden typ nábojů (např. Elektrony), zatímco blokují s minimálním únikem druhého typu (otvory). Použití dopovaných amorfních křemíkových vrstev (p-typu a n-typu a-Si: H) se ukázalo jako mimořádně účinný způsob, jak zajistit takovou selektivitu se světovou rekordní efektivitou získanou za použití takových kontaktů několika laboratoří a společností [DeWolf2012]. Tyto filmy představují několik omezení, včetně parazitní absorpce světla a ne-ideální selektivity (zejména s nezanedbatelnou odolností proti extrakci náboje a nízkému bočnímu vedení). Odhalování základních vlastností požadovaných pro ideální selektivní kontakt (zahrnující vlastnosti materiálů, ale také rozhraní) je klíčem k vývoji účinnějších zařízení založených na jednodušších procesech. Použití nových vhodných materiálů jako nosných selektivních kontaktů je pro tento účel velmi aktivní téma a navrhování a výroba vhodných materiálů je silným zaměřením skupiny.
Architektura zařízení
Sluneční buňky bez dopadu: Zatímco dlouhotrvající idea, že fotovoltaické zařízení vyžaduje dopované kontakty opačných polarit, aby byly efektivní, nedávné chápání fyziky solárních článků naznačovalo, že tomu tak není: Několik kontaktních architektur může teoreticky poskytovat podobně efektivní zařízení. Experimentální demonstrace vysoce účinného, ale zcela dopantu bez krystalického křemíku - využívající mírně sub-stechiometrický MoO 3 a LiF jako jamkové a elektronové selektivní kontakty - otevírá cestu k úplně nové architektuře zařízení s velice zjednodušenými procesy a extrémně jednoduché návrhy [Bullock2016].
Interdigitované zpětně kontaktované (IBC) solární články: K vytažení elektrických nábojů z křemíkové solárních článků jsou vyžadovány kovové kontakty. Zatímco v tradiční architektuře jsou na obou stranách obalů zachyceny záporné (elektrony) a pozitivní (otvory) náboje, IBC design shromažďuje oba typy nábojů na zadní straně oplatky. To umožňuje umístit veškerý kov, který je potřebný k vytažení těchto nábojů na zadní straně desky, čímž se zabrání stínování a umožnění generování vyššího proudu. Zatímco v principu je jednoduchý, tento přístup představuje mnoho vědeckých a technologických problémů [Tomasi2017].
Zařízení s malou plochou: Zatímco záznamové buňky pro většinu fotovoltaických technologií se získají na zařízeních s malou plochou (1 cm 2 nebo méně), dosáhla se nedávná účinnost záznamu pro křemíkové přístroje na bázi oplatky na mnohem větší ploše> 100 cm2. Velká difúzní délka fotogenerovaných nosičů v křemíku (typicky v milimetrovém měřítku) činí rekombinaci okrajů určitým problémem a výroba malých zařízení náročných. Lepší pochopení ztrát souvisejících s oblastí a rozvoj pasivace okrajů by umožnilo efektivním zařízením pro malá místa, aby se učinily relaxačními potřebami z hlediska metalizace.
Operační podmínky
Společná optimalizace solárních článků je dosažena za nejvyšších výkonů za standardních zkušebních podmínek (25 ° C, 1000 W / m2, spektrum AM1,5). Tyto podmínky nejsou reprezentativní pro ty, které jsou v provozu během provozu. Konkrétně, moduly instalované v horkém a slunném podnebí vykazují vysokou úroveň ozařování, ale také vysokou provozní teplotu, která je škodlivá pro jejich energetický výkon. Vysoké provozní teploty však mohou být v konkrétních případech výhodné pro překonání termionických bariér a zlepšení přepravy náboje. Optimalizace přizpůsobená konkrétním klimatickým podmínkám může poskytnout několik procent ročního přírůstku energie než standardní přístupy. Rovněž bylo prokázáno, že ztráty odporu v důsledku propojení článků ovlivňují nejen účinnost modulu, ale také teplotní koeficient modulů, což zdůrazňuje silnější potřebu propojení s nízkým odporem v horkém klimatu.
