Alates: https://pvlab.epfl.ch/
Taust
Fotogalvaanika (PV) energia on muutumas üheks peamiseks ülemaailmseks energiaallikaks ning kristalliline räni on turul domineerinud, ilma et lähitulevikus muutuste märke oleks. Silikoonil põhinevad heterosüsteemi päikesepatareid (Si-HJT) on kristallilise räni fotogalvaanika kuum teema, kuna see võimaldab rekordtõhususe energia muundamisega päikesepatareid kuni 26,6% (joonis 1, vt ka Yoshikawa et al., Nature Energy 2 , 2017 ). Si-HJT põhipunktiks on väga rekombinatsiooni-aktiivsete kontaktide nihkumine kristallilisest pinnast, laialdase bandgapiga kile sisestamisega. Seadme täieliku potentsiaali saavutamiseks peaks hetero-liidese oleku tihedus olema minimaalne. Praktiliselt on vaid mõne nanomeetrise paksusega hüdrogeenitud amorfsed räni (a-Si: H) kandidaadid selle jaoks atraktiivsed: nende bandgap on laiem kui c-Si ja sellised kiled võivad oma olemuselt vähendada c-Si pinda oleku tihedus hüdrogeenimise teel. Lisaks võib neid kilesid olla suhteliselt kergesti legeeritud, kas n- või p-tüüpi, võimaldades (litograafia-vaba) kontaktide valmistamist rekordiliselt madalate küllastusvoolu tiheduse väärtustega. Mitmed ettevõtted on teatanud muljetavaldavatest suurte pindalade (> 100 cm2) energia muundamise efektiivsusest (~ 25%) ( Tagushi jt, IEEE JPV 4, 2014 , Adachi jt APL 104, 2015 …).
Joonis 1: Monokristalliline räni päikesepatarei efektiivsuse areng viimase 20 aasta jooksul.
Tüüpilise heterojunktsionaalse päikesepatarei skeem ja ribadiagramm on toodud joonisel 2. Põhilised seadme funktsioonid esipaneelil (valgustus) külgnevad järjestikku sisemisest a-Si: H passiveerimiskihist ja p-dopeeritud amorfsest räni emitterist, mis on mõlemad paigutatud plasmas tugevdatud keemilise auru sadestamine (PECVD). Räni kihtide peale ladestatakse füüsikalisel aurude sadestamisel (PVD) antimeflektiivne läbipaistev juhtiv oksiid (TCO) ja laengu kogumine toimub ekraaniga trükitud metallikuga kontaktivõrgu abil. Tagaküljel kasutatakse elektronide kogumispaki ja see koosneb sisemisest a-Si: H passiveerivast kihist, legeeritud n-tüüpi amorfsest räni (mõlemad PECVD poolt ladestatud), TCO kihi ja metallist kontaktkihist ( PVD poolt).
| |
Joonis 2: Vasakul: heterotsüklilise päikeseelemendi skemaatiline diagramm (mitte skaalal). Parem: elektrooniline ribadiagramm pimedas heterodünaamilise päikesepatarei tasakaalus (mitte skaalal).
Joonisel 3 on toodud grupis praegu uurimise põhiteemad. See lähtub passiveerimismehhanismi põhialustest, töötades välja alternatiivsed kontaktskeemid negatiivsete (elektronide) ja positiivsete (aukude) elektrilaengute väljavõtmiseks, uuenduslike seadmearhitektuuride väljatöötamiseks ja töötingimuste mõju hindamisele energiakogusele. fotogalvaaniliste moodulite kohta.
Joonis 3: Silikoonipõhiste heterotsükliliste päikesepatareide aktiivsed uurimisteemad.
Pinna passiveerimine
Hiljutised edusammud suure puhtusastmega silikoonist valmistatud suure tootlikkusega räni vahvel on masstootmiseks kergesti kättesaadavad. Madal defekttihedus sellistes plaatides muudab efektiivsuse üle 25% saavutatavaks seadme õige arhitektuuri jaoks. Esimene väljakutse sellise kõrgefektiivse seadme valmistamiseks on tagada, et vahvli pind ei sisaldaks elektrooniliselt aktiivseid defekte. Sellist pinna passiveerimist on võimalik saavutada mitmel viisil, kõige laialdasemalt uuritud PV-Labis on plasmaga ladustatud hüdrogeenitud amorfse räni (a-Si: H) kasutamine. See osutub üheks kõige tõhusamaks kihiks, mis tagab äärmiselt hea passiivsuse, võimaldades räni-plaatidel väga suurt kandeaega ja rekordiliselt suurt efektiivsust. A-Si: H (ja selle oksiidi ja karbiidisulamite) pinna passiveerimise taga olevad nähtused, vesiniku roll, kütte või valgustuse mõju on huvitavad teaduslikud küsitlused, mis muudavad selle valdkonna väga aktiivseks [Kobayashi2016].
Kontaktide moodustamine
Teine väljakutse, kui ehitatakse kõrgekvaliteedilisest silikoonist väga efektiivne päikesepatare, on positiivsete ja negatiivsete laengute valikuline kogumine kahes ruumiliselt eraldatud terminalis. Selline selektiivne kogumine sõltub pooleldi läbilaskvatest elektroonilistest membraanidest, pakkudes väikese takistusega elektriühendust ühe tüüpi laadimisele (nt elektronidele), blokeerides samal ajal minimaalse lekke korral teist tüüpi (augud). Dopeeritud amorfsete ränikihtide (p-tüüpi ja n-tüüpi a-Si: H) kasutamine on äärmiselt tõhus viis selektiivsuse tagamiseks maailma rekordilise efektiivsusega, mis on saadud selliste kontaktide abil mitmete laborite ja ettevõtete poolt [DeWolf2012]. Nendel kiledel on mitmed piirangud, kaasa arvatud kerge ja mitte-ideaalse selektiivsuse parasiitne neeldumine (eriti mitte tühine vastupanu laengu ekstraheerimisele ja madal külgjuhtivus). Ideaalse selektiivse kontakti (materjali, aga ka liidese omaduste) jaoks vajalike põhiomaduste lahtivõtmine on lihtsamatel protsessidel põhinevate tõhusamate seadmete väljatöötamisel võtmetähtsusega. Uute sobivate materjalide rakendamine kandja-selektiivsete kontaktidena on selleks väga aktiivne teema ning sobivate materjalide kujundamine ja valmistamine on grupi tugev tähelepanu.
Seadme arhitektuur
Dopantivabad päikesepatareid: kuigi pikaajaline mõte, et fotogalvaaniline seade vajab tõhusate vastandlike polaarsustega seostatud kontakte, pakkus hiljuti arusaam päikesepatareide füüsikast, et see ei olnud nii: mitmed kontaktide arhitektuurid võivad teoreetiliselt pakkuda sarnaselt tõhusaid seadmeid. Eksperimentaalselt demonstreeritakse suure efektiivsusega, kuid täielikult dopantivaba kristallilise ränikambri kasutamist, kasutades kergelt substöhhiomeetrilist MoO 3 ja LiF kui ava- ja elektron-selektiivseid kontakte, mis avab tee täiesti uue seadme arhitektuuri poole, millel on palju lihtsamad protsessid ja äärmiselt lihtsad protsessid. lihtsad kujundused [Bullock2016].
Ühendatud tagakontaktiga (IBC) päikesepatareid: Elektriliste laengute eraldamiseks räni päikesepatareist on nõutavad metallkontaktid. Kui traditsioonilises arhitektuuris kogutakse päikesepatareides negatiivsed (elektronid) ja positiivsed (augud) laengud mõlemale poolele, siis IBC konstruktsioon kogub mõlemat laadimistüüpi tahvli taga. See võimaldab paigutada kogu vajaliku metalli, mis on vajalik nende laengute ekstraktimiseks vahvli tagaküljele, vältides seeläbi varjumist ja võimaldades tekitada suuremat voolu. Kuigi selline lähenemine on põhimõtteliselt lihtne, kujutab see endast mitmeid teaduslikke ja tehnoloogilisi väljakutseid [Tomasi2017].
Väikesemahulised seadmed: arvestades, et enamiku fotogalvaaniliste tehnoloogiate rekordrakke saadakse väikese pindalaga seadmetel (1 cm 2 või vähem), saadi plaatipõhiste räniseadmete viimased rekordilised efektiivsused palju suuremal pinnal> 100 cm 2 . Fotogeneraatoritega kandurite suur difusioonipikkus (tavaliselt millimeetri skaalal) muudab serva rekombinatsiooni konkreetseks probleemiks ja väikeste seadmete valmistamiseks keeruliseks. Parem arusaam pindalast tulenevatest kahjudest ja serva passiveerimise arendamisest võiks võimaldada tõhusate väikepiirkondade seadmete lõõgastavaid vajadusi metalliseerimisel.
Töötingimused
Päikesepatareide ühine optimeerimine on tehtud selleks, et saavutada kõrgeimad tulemused standardsetes katsetingimustes (25 ° C, 1000 W / m2, AM1,5 spekter). Sellised tingimused ei ole tüüpilised selles valdkonnas töötamise ajal kogenud. Eelkõige kuumadel ja päikesepaistelistel ilmastikutingimustel paigaldatud moodulitel on kõrge kiirgustiheduse tase, aga ka kõrge töötemperatuur, mis kahjustab nende energiat. Kõrged töötemperatuurid võivad siiski olla eriti kasulikud termioniliste tõkete ületamiseks ja laadimise parandamiseks. Spetsiaalne optimeerimine konkreetsete kliimatingimuste jaoks võib anda mitu protsenti aastasest energiatootmisest võrreldes tavapäraste meetoditega. Samuti näidati, et rakkude ühendamisest tingitud takistuste kadu ei mõjuta mitte ainult mooduli efektiivsust, vaid ka moodulite temperatuuri koefitsienti, rõhutades tugevamat vajadust madala takistusega ühenduste järele kuumas kliimas.
