Ηλιακά κύτταρα Heterojunction με βάση το πυρίτιο

Από: https://pvlab.epfl.ch/

Ιστορικό

Η ενέργεια των φωτοβολταϊκών (PV) βρίσκεται στην άκρη του να γίνει μία από τις κύριες πηγές ενέργειας παγκοσμίως και το κρυσταλλικό πυρίτιο κυριαρχεί στην αγορά χωρίς να έχει σημάδια αλλαγής στο εγγύς μέλλον. Τα ηλιακά κύτταρα heterojunction με βάση το πυρίτιο (Si-HJT) είναι ένα θερμό θέμα στο φωτοβολταϊκό κρυσταλλικό πυρίτιο, καθώς επιτρέπει σε ηλιακά κύτταρα με ενεργειακή μετατροπή απόδοσης ρεκόρ μέχρι 26,6% (Σχήμα 1, βλέπε επίσης Yoshikawa et αϊ., Nature Energy 2 , 2017 ). Το βασικό σημείο του Si-HJT είναι η μετατόπιση δραστικών επαφών υψηλού ανασυνδυασμού από την κρυσταλλική επιφάνεια με την εισαγωγή μιας μεμβράνης με μεγάλη ζώνη. Για να επιτευχθεί το πλήρες δυναμικό της συσκευής, η πυκνότητα κατάστασης ετεροσύνδεσης πρέπει να είναι ελάχιστη. Πρακτικά φιλμ υδρογονωμένου άμορφου πυριτίου (a-Si: H) με πάχος μόνο λίγων νανόμετρων είναι ελκυστικοί υποψήφιοι γι 'αυτό: Η ζώνη τους είναι ευρύτερη από εκείνη του c-Si και, όταν είναι εγγενείς, τέτοιες μεμβράνες μπορούν να μειώσουν την επιφάνεια c-Si πυκνότητα κατάστασης με υδρογόνωση. Επιπροσθέτως, αυτά τα φιλμ μπορούν να επιδρούν σχετικά εύκολα, είτε τύπου η είτε τύπου ρ, επιτρέποντας την κατασκευή (χωρίς λιθογραφία) επαφών με τιμές χαμηλής καταγραφής για την πυκνότητα κορεσμού-ρεύματος. Εντυπωσιακές βελτιώσεις ενεργειακής μετατροπής μεγάλης επιφάνειας (> 100 cm ² ) (~ 25%) έχουν αναφερθεί από αρκετές εταιρείες ( Tagushi κ.ά., IEEE JPV 4, 2014 , Adachi et al., APL 104, 2015 ...).

Εικόνα 1: Η εξέλιξη της αποδοτικότητας των ηλιακών κυψελών μονοκρυσταλλικού πυριτίου τα τελευταία 20 χρόνια.

Ένα σχέδιο και ένα διάγραμμα ζώνης ενός τυπικού ηλιακού κυττάρου ετεροδεσμών δίδονται στο Σχήμα 2. Η βασική συσκευή παρουσιάζει στην εμπρόσθια (φωτισμένη) πλευρά διαδοχικά ένα ενδογενές στρώμα παθητικοποίησης a-Si: Η και ένα ρ-doped άμορφο πομπό πυριτίου που και οι δύο εναποτίθενται από το πλάσμα ενισχυμένη εναπόθεση χημικών ατμών (PECVD). Στην κορυφή των στρωμάτων πυριτίου, εναποτίθεται με αντι-αντανακλαστικό διαφανές αγώγιμο οξείδιο (TCO) με φυσική εναπόθεση ατμών (PVD) και η συλλογή φορτίου πραγματοποιείται από ένα μεταλλικό πλέγμα επαφής με οθόνη. Στην πίσω πλευρά, χρησιμοποιείται μια στοίβα συλλογής ηλεκτρονίων και αποτελείται από ένα εσωτερικό στρώμα παθητικοποίησης a-Si: H, ένα άμορφο πυρίτιο νηματοποιημένου τύπου ν (και οι δύο εναποτίθενται από το PECVD), ένα στρώμα TCO και ένα μεταλλικό στρώμα επαφής ( κατατεθείσα από PVD).

Σχήμα 2: Αριστερά: Σχηματικό διάγραμμα ενός ηλιακού κυττάρου ετεροδικτύου (όχι σε κλίμακα). Δεξιά: Ηλεκτρονικό διάγραμμα ζώνης στο σκοτάδι σε ισορροπία ενός ηλιακού κυττάρου ετερόρευσης (όχι σε κλίμακα).

Στο σχήμα 3 παρουσιάζονται τα κύρια θέματα της έρευνας που διεξάγονται επί του παρόντος στην ομάδα. Αυτό ξεκινά από τα βασικά στοιχεία του μηχανισμού παθητικοποίησης, μέσω της ανάπτυξης εναλλακτικών συστημάτων επαφής για την εξαγωγή των αρνητικών (ηλεκτρόνια) και θετικών ηλεκτρικών φορτίων (τρύπες), στην ανάπτυξη καινοτόμων αρχιτεκτονικών συσκευών και στη μελέτη της επίπτωσης των συνθηκών λειτουργίας στην ενεργειακή απόδοση φωτοβολταϊκών μονάδων.

Εικόνα 3: Θέματα ενεργητικής έρευνας γύρω από ηλιακά κύτταρα ετεροκυκλωμάτων με βάση το πυρίτιο.

Επιφανειακή παθητικοποίηση

Οι πρόσφατες εξελίξεις στην παραγωγή μεγάλης κλίμακας πυριτίου υψηλής καθαρότητας έκαναν πυρίτιο πυριτίου πολύ υψηλής ποιότητας και ήταν άμεσα διαθέσιμοι για μαζική παραγωγή. Η χαμηλή πυκνότητα ελαττωμάτων σε τέτοια πλακίδια δημιουργεί αποδοτικότητα άνω του 25% που επιτυγχάνεται για την κατάλληλη αρχιτεκτονική συσκευών. Η πρώτη πρόκληση για την κατασκευή μιας τέτοιας συσκευής υψηλής απόδοσης είναι να διασφαλιστεί ότι η επιφάνεια του δίσκου δεν παρουσιάζει ηλεκτρονικά ενεργά ελαττώματα. Αυτή η επιφανειακή παθητικοποίηση μπορεί να επιτευχθεί με διάφορους τρόπους, ενώ η πιο ευρέως διερευνημένη στο PV-Lab είναι η χρήση υδρογονωμένου άμορφου πυριτίου (a-Si: H) που έχει εναποτεθεί στο πλάσμα. Αυτό αποδεικνύεται ότι είναι ένα από τα πιο αποτελεσματικά στρώματα για την εξαιρετικά καλή παθητικοποίηση, επιτρέποντας πολύ μεγάλους χρόνους ζωής φορέων σε δίσκους πυριτίου, καθώς επίσης και ρεκόρ υψηλής απόδοσης. Τα φαινόμενα πίσω από την παθητικοποίηση της επιφάνειας από το a-Si: H (και τα κράματα οξειδίου και καρβιδίου), ο ρόλος του υδρογόνου, η επίδραση της θέρμανσης ή του φωτισμού φωτός είναι συναρπαστικές επιστημονικές έρευνες που καθιστούν το πεδίο αυτό πολύ δραστικό [Kobayashi2016].

Δημιουργία επαφών

Η δεύτερη πρόκληση κατά την κατασκευή ενός ηλιακού κυττάρου υψηλής απόδοσης από ένα υψηλής ποιότητας πλακιδίου πυριτίου είναι η επιλεκτική συλλογή θετικών και αρνητικών φορτίων σε δύο χωριστά χωριστά τερματικά. Αυτή η επιλεκτική συλλογή βασίζεται σε ημιδιαπερατές ηλεκτρονικές μεμβράνες, προσφέροντας μια ηλεκτρική σύνδεση χαμηλής αντίστασης για ένα είδος φορτίου (π.χ. ηλεκτρόνια) ενώ ταυτόχρονα εμποδίζει με ελάχιστη διαρροή τον άλλο τύπο (οπές). Η χρήση των στρώσεων ντοπαρισμένου άμορφου πυριτίου (τύπος p και n-τύπου a-Si: H) αποδεικνύεται ένας εξαιρετικά αποτελεσματικός τρόπος παροχής τέτοιας επιλεκτικότητας με παγκόσμια ρεκόρ αποτελεσματικότητας που επιτυγχάνεται με τη χρήση τέτοιων επαφών από διάφορα εργαστήρια και εταιρείες [DeWolf2012]. Αυτές οι μεμβράνες παρουσιάζουν αρκετούς περιορισμούς, συμπεριλαμβανομένης της παρασιτικής απορρόφησης του φωτός και της μη ιδανικής εκλεκτικότητας (με ιδιαίτερα μη αμελητέα αντίσταση στην εκχύλιση φορτίου και τη χαμηλή πλευρική αγωγιμότητα). Η εξάπλωση των θεμελιωδών ιδιοτήτων που απαιτούνται για μια ιδανική επιλεκτική επαφή (που περιλαμβάνει ιδιότητες υλικών αλλά και διεπαφών) είναι το κλειδί για την ανάπτυξη αποδοτικότερων συσκευών που βασίζονται σε απλούστερες διαδικασίες. Η εφαρμογή νέων κατάλληλων υλικών ως επαφών επιλεκτικών φορέων είναι ένα πολύ ενεργό θέμα για το σκοπό αυτό και ο σχεδιασμός και η κατασκευή κατάλληλων υλικών είναι μια ισχυρή εστίαση της ομάδας.

Αρχιτεκτονική συσκευής

Τα φωτοβολταϊκά κύτταρα χωρίς προσμείξεις : Ενώ μια μακροχρόνια ιδέα ότι μια φωτοβολταϊκή συσκευή απαιτούσε πρόσμιξη επαφών αντίθετης πολικότητας για να είναι αποδοτική, μια πρόσφατη κατανόηση της φυσικής των ηλιακών κυψελών έδειξε ότι δεν συνέβαινε: Αρκετές αρχιτεκτονικές επαφών μπορούν θεωρητικά να παρέχουν παρομοίως αποδοτικές συσκευές. Η πειραματική επίδειξη ενός κρυσταλλικού κυττάρου πυριτίου υψηλής απόδοσης αλλά εντελώς χωρίς προσμείξεις - χρησιμοποιώντας ελαφρώς υπο-στοιχειομετρικές MoO ₃ και LiF ως επαφές με οπές και ηλεκτρόνια - ανοίγει το δρόμο προς μια εντελώς νέα αρχιτεκτονική συσκευών, με πολύ απλουστευμένες διαδικασίες και εξαιρετικά απλά σχέδια [Bullock2016].

Ενσωματωμένα φωτοβολταϊκά στοιχεία με επαφή (IBC): Για την εξαγωγή των ηλεκτρικών φορτίων από ένα ηλιακό στοιχείο πυριτίου, απαιτούνται μεταλλικές επαφές. Ενώ στα ηλιακά κύτταρα παραδοσιακής αρχιτεκτονικής συλλέγονται αρνητικά (ηλεκτρόνια) και θετικά φορτία (τρύπες) σε κάθε πλευρά του δίσκου, ο σχεδιασμός IBC συλλέγει και τους δύο τύπους φορτίου στο πίσω μέρος του δίσκου. Αυτό επιτρέπει να τοποθετηθεί όλο το μέταλλο που απαιτείται για την εκχύλιση αυτών των φορτίων στο πίσω μέρος του δίσκου, αποτρέποντας έτσι τη σκίαση και επιτρέποντας την παραγωγή υψηλότερου ρεύματος. Ενώ είναι απλή αρχή, μια τέτοια προσέγγιση παρουσιάζει πολλές επιστημονικές και τεχνολογικές προκλήσεις [Tomasi2017].

Συσκευές μικρών περιοχών: Ότι τα κυψέλες εγγραφής για τις περισσότερες φωτοβολταϊκές τεχνολογίες επιτυγχάνονται σε συσκευές μικρής περιοχής (1 cm ² ή μικρότερες), επιτεύχθηκε πρόσφατη αποδοτικότητα ρεκόρ για συσκευές πυριτίου με βάση δισκία σε πολύ μεγαλύτερη περιοχή> 100 cm2. Το μεγάλο μήκος διάχυσης των φωτογενών φορέων σε πυρίτιο (τυπικά σε κλίμακα χιλιοστών) καθιστά το ανασυνδυασμό άκρων ένα ιδιαίτερο ζήτημα, και η κατασκευή μικρών συσκευών προκλητική. Η καλύτερη κατανόηση των ζημιών που σχετίζονται με την περιοχή και η ανάπτυξη της παθητικοποίησης των άκρων θα μπορούσε να επιτρέψει στις αποτελεσματικές συσκευές μικρών περιοχών να γίνουν χαλαρές ανάγκες όσον αφορά την επιμετάλλωση.

Συνθήκες λειτουργίας

Η συνήθης βελτιστοποίηση των ηλιακών κυττάρων γίνεται για να επιτυγχάνονται οι υψηλότερες επιδόσεις υπό κανονικές συνθήκες δοκιμής (25 ° C, 1000 W / m2, AM1.5 φάσμα). Τέτοιες συνθήκες δεν είναι αντιπροσωπευτικές εκείνων που έχουν εμπειρία στον τομέα κατά τη λειτουργία. Συγκεκριμένα, οι μονάδες που είναι εγκατεστημένες σε θερμά και ηλιόλουστα κλίματα παρουσιάζουν υψηλό επίπεδο ακτινοβολίας αλλά και υψηλή θερμοκρασία λειτουργίας που είναι επιζήμια για την ενεργειακή τους απόδοση. Οι υψηλές θερμοκρασίες λειτουργίας μπορεί ωστόσο να είναι επωφελείς σε ειδικές περιπτώσεις για να ξεπεραστούν τα θερμοδοντικά εμπόδια και να βελτιωθεί η μεταφορά φορτίου. Η προσαρμοσμένη προσαρμογή για συγκεκριμένες κλιματολογικές συνθήκες μπορεί να προσφέρει αρκετές ποσοστιαίες μονάδες ετήσιας ενεργειακής απόδοσης έναντι των τυπικών προσεγγίσεων. Επίσης, αποδείχθηκε ότι οι απώλειες αντίστασης λόγω της διασύνδεσης των κυψελών επηρεάζουν όχι μόνο την απόδοση της μονάδας αλλά και τον συντελεστή θερμοκρασίας των μονάδων, υπογραμμίζοντας την ισχυρότερη ανάγκη διασύνδεσης χαμηλής αντίστασης σε θερμά κλίματα.