Nuo: https://pvlab.epfl.ch/
Fonas
Fotoelektros (PV) energija yra viena iš pagrindinių pasaulio energijos šaltinių, o kristalinis silicis rinkoje dominuoja be pokyčių ženklų artimiausioje ateityje. Silicio pagrindu veikiančios saulės elementai (Si-HJT) yra karšta tema kristalinio silicio fotovoltinėje jėgainėje, nes leidžia saulės elementus su rekordinio efektyvumo energijos konversija iki 26,6% (1 pav., Taip pat žr. Yoshikawa ir kt., Nature Energy 2 , 2017 ). Svarbiausias „Si-HJT“ aspektas yra labai rekombinacinių aktyvių kontaktų perkėlimas iš kristalinio paviršiaus, įterpiant plėvelę su plačiu juosteliu. Norint pasiekti visą įrenginio potencialą, hetero sąsajos būsenos tankis turėtų būti minimalus. Praktiškai, vos kelis nanometrus storio hidrintieji amorfiniai silicio (a-Si: H) plėvelės yra patrauklūs kandidatai: jų juostelė yra platesnė už c-Si juostą ir, būdinga, tokios plėvelės gali sumažinti c-Si paviršių valstybės tankis hidrinant. Be to, šios plėvelės gali būti gana lengvai sudėliotos, nesvarbu, ar jos yra n- ar p-tipo, todėl leidžiama (be litografijos) kontaktų su rekordiškai žemomis soties-srovės tankio vertėmis. Įspūdingi didelio ploto (> 100 cm2) energijos konversijos efektyvumai (~ 25%) buvo pranešta kelioms bendrovėms ( Tagushi ir kt., IEEE JPV 4, 2014 , Adachi ir kt., APL 104, 2015 …).
1 pav . Monokristalinio silicio saulės elementų įrašų efektyvumo raida per pastaruosius 20 metų.
Tipinio heterodifinio saulės elemento schemos ir juostos diagrama pateikta 2 paveiksle. Pagrindiniai įrenginio bruožai priekinėje (apšvietimo) pusėje iš eilės yra vidinis a-Si: H pasyvinimo sluoksnis ir p-dopingas amorfinis silicio emitentas, nusodintas plazmoje. sustiprintas cheminis garų nusodinimas (PECVD). Ant silicio sluoksnių ant fizinio garų nusodinimo (PVD) nusodinamas antireflektinis skaidrus laidus oksidas (TCO), o įkrovos surinkimas atliekamas spausdintu metaliniu kontaktiniu tinklu. Galinėje pusėje naudojamas elektronų surinkimo kaminas, kurį sudaro vidinis a-Si: H pasyvinimo sluoksnis, sujungtas n-amorfinis silicis (tiek nusodintas PECVD), TCO sluoksnis, tiek metalinis kontaktinis sluoksnis ( PVD).
| |
2 pav. Kairė: heterodetinės saulės elemento schema (ne skalė). Dešinė: Elektroninė juostos diagrama tamsoje, kai yra heterodifinis saulės elemento elementas (ne skalė).
3 pav. Pateikiamos pagrindinės šiuo metu grupėje vykdomos mokslinių tyrimų temos. Tai išeina iš pasyvinimo mechanizmo pagrindų, sukuriant alternatyvias kontaktines schemas, kad būtų išgaunami neigiami (elektronai) ir teigiami (skylės) elektros krūviai, kuriamos naujoviškos prietaisų architektūros ir tiriamas veikimo sąlygų poveikis energijos išeigai. fotovoltinių modulių.
3 paveikslas : Aktyvios mokslinių tyrimų temos apie silicio pagrindu veikiančias saulės baterijas.
Paviršiaus pasyvinimas
Neseniai pasiekta didelės apimties didelio grynumo silicio gamybos labai aukštos kokybės silicio plokštelė. Dėl mažo defektų tankio tokiose plokštelėse efektyvumas yra didesnis nei 25%, pasiekiamas tinkamam įrenginio architektūrai. Pirmasis iššūkis sukurti tokį didelio efektyvumo įtaisą yra užtikrinti, kad plokštelės paviršiuje nebūtų elektroninių aktyvių defektų. Toks paviršinis pasyvavimas gali būti pasiektas įvairiais būdais, plačiausiai tiriamas PV-Lab - tai plazmoje nusodintas hidrintas amorfinis silicis (a-Si: H). Tai yra vienas iš efektyviausių sluoksnių, užtikrinančių labai gerą pasyvinimą, leidžiančią labai didelį laikiklio tarnavimo laiką silicio plokštelėse, taip pat rekordiškai didelį efektyvumą. A-Si: H (ir jo oksido ir karbidų lydinių) paviršiaus pasyvinimo reiškiniai, vandenilio vaidmuo, šildymo ar šviesos apšvietimo poveikis yra įdomūs moksliniai tardymai, dėl kurių šis laukas dar labai aktyvus [Kobayashi2016].
Kontaktų sudarymas
Antrasis iššūkis kuriant labai efektyvų saulės elementą iš aukštos kokybės silicio plokštelės yra selektyvus teigiamų ir neigiamų krūvių surinkimas dviejuose erdvėje atskirtuose terminaluose. Toks selektyvus surinkimas priklauso nuo pusiau laidžių elektroninių membranų, siūlančių mažo pasipriešinimo elektrinį prijungimą vieno tipo įkrovoms (pvz., Elektronams), blokuodamas minimalų nuotėkį kitam tipui (skyles). Panaudotų amorfinių silicio sluoksnių (p-tipo ir n-tipo a-Si: H) naudojimas yra itin veiksmingas būdas tokiam selektyvumui užtikrinti, kai tokie kontaktai pasiekiami naudojant kelias laboratorijas ir bendroves [DeWolf2012]. Šiose plėvelėse yra keletas apribojimų, įskaitant parazitinę šviesos ir ne idealaus selektyvumo absorbciją (ypač nedidelį atsparumą įkrovimo ekstrakcijai ir mažą šoninį laidumą). Pagrindinių savybių, reikalingų idealiam selektyviam kontaktui (įskaitant medžiagą, bet ir sąsajos savybes), atskyrimas yra labai svarbus kuriant efektyvesnius įrenginius, paremtus paprastesniais procesais. Naujų tinkamų medžiagų naudojimas kaip selektyvūs kontaktai yra labai aktyvi tema, o tinkamų medžiagų projektavimas ir gamyba yra pagrindinis grupės dėmesys.
Įrenginio architektūra
Saulės elementai be dopantų: nors ilgai išgyvena mintis, kad fotovoltinis įtaisas reikalavo, kad priešpriešiniai poliariškumo kontaktai būtų efektyvūs, neseniai suvokiant saulės elementų fiziką, buvo manoma, kad taip nėra: kelios kontaktinės architektūros teoriškai gali pateikti panašias funkcijas efektyvius prietaisus. Eksperimentinis aukštos kokybės, bet visiškai be dervų neturinčio kristalinio silicio elemento demonstravimas, naudojant šiek tiek stechiometrinius MoO 3 ir LiF kaip atrankinius ir elektroninius kontaktus, atveria kelią į visiškai naują prietaisų architektūrą su daug paprastesniais procesais ir labai paprasti dizainai [Bullock2016].
Sujungtos atgalinės (IBC) saulės baterijos: Norėdami ištraukti elektros krūvius iš silicio saulės elemento, reikalingi metaliniai kontaktai. Nors tradicinės architektūros saulės elementų baterijose neigiami (elektronai) ir teigiami (skylės) krūviai yra surenkami abiejose plokštės pusėse, IBC konstrukcija surenka abu įkrovos tipus plokštelės gale. Tai leidžia įdėti visus metalus, reikalingus šiems krūviams ištraukti, į plokštelės galą, taip užkertant kelią šešėliui ir leidžiant susidaryti didesnę srovę. Nors principas yra paprastas, toks požiūris kelia daug mokslinių ir technologinių iššūkių [Tomasi2017].
Mažo ploto įrenginiai: kadangi daugumos fotovoltinių technologijų rekordinės ląstelės gaunamos mažuose plotuose (1 cm 2 ar mažesniuose), pastaruoju metu plokštelių pagrindu pagamintų silicio įtaisų rekordinis efektyvumas buvo gautas daug didesniame plote> 100 cm 2 . Didelis fotogeneruotų nešėjų, esančių silicyje (dažniausiai milimetrinės skalės), difuzijos ilgis daro ypatingą problemą, o mažų prietaisų gamyba - sudėtinga. Geresnis supratimas apie su plotu susijusius nuostolius ir kraštovaizdžio pasyvinimo plėtrą galėtų leisti efektyviems mažo ploto įrenginiams atsipalaiduoti metalizacijos reikmėms.
Veikimo sąlygos
Bendras saulės elementų optimizavimas yra pasiektas taip, kad pasiektų didžiausią efektyvumą standartinėmis bandymo sąlygomis (25 ° C, 1000 W / m2, AM1,5 spektras). Tokios sąlygos nėra reprezentatyvios tiems, kurie patiria darbe lauke. Visų pirma, karštoje ir saulėtoje aplinkoje sumontuoti moduliai turi didelį apšvitos lygį, bet taip pat ir aukštą darbo temperatūrą, kuri kenkia jų energijai. Tačiau aukštoje temperatūroje gali būti naudinga tam tikrais atvejais įveikti šilumines kliūtis ir pagerinti krūvį. Tinkamai optimizuoti konkrečias klimato sąlygas gali būti suteikta keletas procentų metinio energijos suvartojimo, palyginti su standartiniais metodais. Taip pat buvo parodyta, kad pasipriešinimo nuostoliai, atsirandantys dėl ląstelių sujungimo, daro įtaką ne tik modulio efektyvumui, bet ir modulių temperatūros koeficientui, pabrėžiant didesnį mažo pasipriešinimo tarpusavio sujungimo poreikį karšto klimato sąlygomis.
