З: https://pvlab.epfl.ch/
Фон
Енергія фотоелектрики (PV) знаходиться на межі стати одним з головних глобальних джерел енергії, і кристалічний кремній домінує на ринку без ознак змін у найближчому майбутньому. Сонячні батареї на основі кремнієвих гетеропереходів (Si-HJT) є актуальною темою в рамках фотоелектричного фотоелектричного кристалічного кремнію, оскільки він дозволяє використовувати сонячні елементи з енергозбереженням до 26,6% (рис. 1 див. Також Yoshikawa et al., Nature Energy 2). , 2017 ). Ключовим моментом Si-HJT є зміщення високорекомбінаційних активних контактів з кристалічної поверхні шляхом вставки плівки з широкою забороненою зоною. Для досягнення повного потенціалу пристрою щільність стану гетероінтерфейсу повинна бути мінімальною. Практично, гідрогенізовані аморфні кремнієві (a-Si: H) плівки товщиною всього декількох нанометрів є привабливими кандидатами для цього: їх ширина забороненої зони ширша, ніж у c-Si, і, якщо вона є власною, такі плівки можуть зменшити поверхню c-Si щільність стану шляхом гідрування. Крім того, ці плівки можуть бути леговані відносно легко, або n-, або p-типу, що дозволяє (без літографії) виготовляти контакти з рекордно низькими значеннями щільності струму насичення. Вражаюча ефективність великої площі (> 100 см 2 ) для перетворення енергії (~ 25%) була повідомлена кількома компаніями ( Tagushi et al., IEEE JPV 4, 2014 , Adachi et al. APL 104, 2015 …).
Рисунок 1: Еволюція ефективності запису монокристалічних кремнієвих сонячних елементів за останні 20 років.
На рис. 2 наведено ескіз і діаграму типового гетеропереходу сонячної батареї. Основні властивості пристрою на передній (освітлювальній) стороні послідовно притаманні власному шару пасивації a-Si: H і p-легованому аморфному кремнієвому емітеру, нанесеному плазмою посилене хімічне осадження з парової фази (PECVD). Поверх шарів кремнію наноситься антиотражающий прозорий провідний оксид (ТСО) шляхом фізичного осадження з парової фази (PVD), а збір заряду здійснюється металевою сіткою, що контактує з екраном. На зворотному боці використовується накопичувальний електронний стек, який складається з власного шару пасивації a-Si: H, легованого аморфного кремнію n-типу (як нанесеного PECVD), TCO-шару і металевого контактуючого шару ( депонований PVD).
| |
Рисунок 2: Ліворуч: Принципова схема гетеропереходу сонячної батареї (не в масштабі). Праворуч: електронна діаграма смуги в темряві при рівновазі гетеропереходу сонячного елемента (не в масштабі).
На малюнку 3 показані основні теми досліджень, які зараз проводяться в групі. Це виходить з основ механізму пасивації, шляхом розробки альтернативних контактних схем для вилучення негативних (електронів) і позитивних (діркових) електричних зарядів, до розробки інноваційних архітектур пристроїв і вивчення впливу умов експлуатації на енергетичний вихід фотоелектричних модулів.
Рисунок 3: Активні теми досліджень навколо геліоелектронних сонячних елементів на основі кремнію.
Пасивація поверхні
Останні досягнення в широкомасштабному виробництві кремнію високої чистоти зробили дуже високоякісну кремнієву пластину, доступну для масового виробництва. Низька щільність дефектів у таких пластинах робить ефективність більш ніж 25% досяжною для належної архітектури пристрою. Першою проблемою для створення такого високоефективного пристрою є забезпечення того, щоб поверхня пластини не мала електронно активних дефектів. Така поверхнева пасивація може бути досягнута різними шляхами, найбільш широко дослідженим в PV-Lab є використання плазмового осадженого гідрогенізованого аморфного кремнію (a-Si: H). Це виявляється одним з найефективніших шарів для забезпечення надзвичайно хорошої пасивації, дозволяючи дуже великі терміни служби носіїв у кремнієвих пластинах, а також високу ефективність запису. Явища за пасивацією поверхні з a-Si: H (і його оксидних і карбідних сплавів), роль водню, вплив нагрівання або світлового освітлення є захоплюючими науковими опитуваннями, які роблять це поле ще дуже активним [Kobayashi2016].
Формування контакту
Другою проблемою при побудові високоефективної сонячної батареї з високоякісної кремнієвої пластини є селективний збір позитивних і негативних зарядів на двох просторово розділених терміналах. Така селективна колекція покладається на напівпроникні електронні мембрани, які пропонують електричне з'єднання з низьким опором для одного типу зарядів (наприклад, електронів) при одночасному блокуванні з мінімальним витоком іншого типу (отворів). Використання легованих шарів аморфного кремнію (р-тип і n-тип a-Si: H) виявляється надзвичайно ефективним способом забезпечення такої селективності з рекордними світовими показниками ефективності, отриманими при використанні таких контактів декількома лабораторіями та компаніями [DeWolf2012]. Ці плівки мають декілька обмежень, включаючи паразитне поглинання світлової та неідеальної селективності (зокрема, незначна стійкість до екстракції заряду і низька бічна провідність). Розгортання основних властивостей, необхідних для ідеального селективного контакту (з використанням матеріалу, але також властивостей інтерфейсу), є ключовим для розробки більш ефективних пристроїв на основі більш простих процесів. Застосування нових придатних матеріалів в якості селективних контактів-носіїв є дуже активною темою для цього, і конструювання та виготовлення відповідних матеріалів є сильним акцентом групи.
Архітектура пристрою
Сонячні елементи без допантів: Хоча довгоживуча ідея, що фотоелектричні пристрої вимагають допінгових контактів протилежних полярностей, є ефективною, нещодавнє розуміння фізики сонячних батарей показало, що це не так: декілька контактних архітектур теоретично можуть забезпечити аналогічно ефективні пристрої. Експериментальна демонстрація високоефективної, але зовсім не вільної від легенів кристалічної клітини кремнію - з використанням трохи субстехіометричних MoO 3 і LiF як діркових і електронно-селективних контактів - відкриває дорогу до абсолютно нової архітектури пристрою, з значно спрощеними процесами і надзвичайно прості конструкції [Bullock2016].
Межпрямовані сонячні батареї зі зворотним зв'язком (IBC): Для вилучення електричних зарядів з кремнієвого сонячного елемента необхідні металеві контакти. Тоді як у традиційно-архітектурних сонячних елементах на кожній стороні пластини збираються негативні (електрони) і позитивні (дірки) заряди, конструкція IBC збирає обидва типи заряду на задній поверхні пластини. Це дозволяє розмістити весь метал, необхідний для вилучення цих зарядів на задній поверхні пластини, таким чином запобігаючи затіненню і дозволяючи генерувати більш високий струм. Хоча в принципі просто, такий підхід представляє багато наукових і технологічних завдань [Tomasi2017].
Пристрої для малих областей: В той час як осередки запису для більшості фотоелектричних технологій отримані на пристроях малих площ (1 см 2 або нижче), останній показник ефективності для кремнієвих пристроїв на основі пластин був отриманий на значно більшій площі> 100 см 2 . Велика дифузійна довжина фотогенерованих носіїв у кремнії (зазвичай міліметрового масштабу) робить рекомбінацію краю певним питанням, а виготовлення дрібних пристроїв складним. Краще розуміння втрат, пов'язаних з площею, і розвиток пасивації краю дозволяють зробити ефективні пристрої малих територій розслаблюючими потребами з точки зору металізації.
Умови роботи
Спільна оптимізація сонячних елементів здійснюється для досягнення найвищих показників у стандартних умовах випробувань (25 ° C, 1000 W / m2, спектр AM1.5). Такі умови не є репрезентативними для тих, які виникають у цій галузі під час експлуатації. Зокрема, модулі, встановлені в жаркому та сонячному кліматі, відчувають високий рівень випромінювання, але також високу робочу температуру, яка завдає шкоди їх енергетичному виходу. Проте високі робочі температури можуть бути корисними в окремих випадках для подолання термоемісійних бар'єрів і поліпшення транспортування заряду. Спеціалізована оптимізація для конкретних кліматичних умов може забезпечити декілька відсотків річного приросту енергії над стандартними підходами. Також було показано, що втрати опору через взаємозв'язок осередків впливають не тільки на ефективність модуля, але і на температурний коефіцієнт модулів, що підкреслює більшу потребу в малопотужному з'єднанні в гарячому кліматі.
