Silicium gebaseerde Heterojunction zonnecellen

- Jan 15, 2019-

Van: https://pvlab.epfl.ch/

Achtergrond

Fotovoltaïsche energie (PV) staat op het punt om een van de belangrijkste wereldwijde energiebronnen te worden, en kristallijn silicium domineert de markt zonder enige verandering in de nabije toekomst. Op silicium gebaseerde heterojunctie zonnecellen (Si-HJT) vormen een hot topic binnen fotovoltaïek van kristallijn silicium, aangezien het zonnecellen met een energie-efficiëntieconversie van recordefficiëntie mogelijk maakt tot 26,6% (figuur 1, zie ook Yoshikawa et al., Nature Energy 2 , 2017 ). Het belangrijkste punt van Si-HJT is de verplaatsing van zeer recombinatie-actieve contacten van het kristallijne oppervlak door het inbrengen van een film met brede bandspleet. Om het volledige apparaatpotentieel te bereiken, moet de toestandsdichtheid van het heteroverbinding minimaal zijn. In de praktijk zijn gehydrogeneerde amorfe silicium (a-Si: H) -films van slechts enkele nanometers dikte aantrekkelijke kandidaten hiervoor: hun bandafstand is breder dan die van c-Si en, wanneer intrinsiek, kunnen dergelijke films het c-Si-oppervlak verminderen dichtheid door hydrogenering. Bovendien kunnen deze films relatief eenvoudig worden gedoteerd, hetzij n- hetzij p-type, waardoor de (lithografievrije) vervaardiging van contacten met record-lage waarden voor de verzadigingsstroomdichtheid mogelijk wordt. Indrukwekkende grootschalige (> 100 cm2) energieconversie-efficiënties (~ 25%) zijn gerapporteerd door verschillende bedrijven ( Tagushi et al., IEEE JPV 4, 2014 , Adachi et al. APL 104, 2015 ...).

image

Figuur 1: Monocrystalline silicium zonnecel record efficiëntie-evolutie in de laatste 20 jaar.

 

Een schets en een banddiagram van een typische heterojunctiezonnecel worden gegeven in figuur 2. De basisapparaatkenmerken aan de voorzijde (belichtingszijde) volgen achtereenvolgens een intrinsieke a-Si: H-passiveringslaag en een p-gedoteerde amorfe siliciumemitter die beide zijn afgezet door plasma verbeterde chemische dampafzetting (PECVD). Bovenop de siliciumlagen wordt een antireflecterend transparant geleidend oxide (TCO) afgezet door fysische dampafzetting (PVD) en wordt de lading verzameld door een gezeefdrukt metalen contactraster. Aan de achterzijde wordt een stapel voor het verzamelen van elektronen gebruikt en deze is samengesteld uit een intrinsieke a-Si: H-passiveringslaag, een gedoteerd amorf silicium van het n-type (beide gedeponeerd door PECVD), een TCO-laag en een metalen contactlaag ( gedeponeerd door PVD).

image

image

Figuur 2: Links: Schematische weergave van een heterojunctie zonnecel (niet op schaal). Rechts: elektronisch banddiagram in donker bij evenwicht van een heterojunctiezonnecel (niet op schaal).

Figuur 3 geeft de belangrijkste onderwerpen weer van het onderzoek dat momenteel in de groep wordt uitgevoerd. Dit gaat van de fundamenten van het passiveringsmechanisme, via de ontwikkeling van alternatieve contactschema's om de negatieve (elektronen) en positieve (gaten) elektrische ladingen te extraheren, de ontwikkeling van innovatieve apparaatarchitecturen en de studie van de invloed van bedrijfsomstandigheden op de energieopbrengst van fotovoltaïsche modules.


image

Figuur 3: Actieve onderzoeksthema's rond silicium-gebaseerde heterojunctie zonnecellen.


Oppervlaktepassivering

Recente ontwikkelingen op het gebied van grootschalige productie van zeer zuiver silicium maakten zeer hoogwaardige siliciumwafer beschikbaar voor massaproductie. De lage defectdichtheid in dergelijke wafels maakt efficiënties van meer dan 25% haalbaar voor een juiste apparaatarchitectuur. De eerste uitdaging om een dergelijke hoogrendementsinrichting te maken is om te verzekeren dat het oppervlak van de wafer geen elektronisch actieve defecten vertoont. Een dergelijke oppervlaktepassivering kan op verschillende manieren worden bereikt, het meest wijd verbreid in PV-Lab is het gebruik van door plasma afgezet gehydrogeneerd amorf silicium (a-Si: H). Dit blijkt een van de meest efficiënte lagen te zijn om extreem goede passivering te bieden, waardoor een zeer lange levensduur van de drager in siliciumwafels mogelijk is, evenals een record-hoge efficiëntie. De verschijnselen achter oppervlaktepassivering van a-Si: H (en zijn oxide- en carbidelegeringen), de rol van waterstof, het effect van verwarming of lichtverlichting zijn fascinerende wetenschappelijke ondervragingen die dit veld nog steeds zeer actief maken [Kobayashi2016].

Contact formatie

De tweede uitdaging bij het bouwen van een zeer efficiënte zonnecel van een hoogwaardige siliciumwafel is de selectieve verzameling van positieve en negatieve ladingen op twee ruimtelijk gescheiden terminals. Een dergelijke selectieve inzameling berust op semi-permeabele elektronische membranen, die een laagohmige elektrische verbinding bieden voor één type lading (bijv. Elektronen) terwijl het andere type (gaten) met minimale lekkage wordt geblokkeerd. Het gebruik van gedoteerde amorfe siliciumlagen (p-type en n-type a-Si: H) blijkt een uiterst efficiënte manier om een dergelijke selectiviteit te leveren met wereldrecordrendementen verkregen met behulp van dergelijke contacten door verschillende laboratoria en bedrijven [DeWolf2012]. Die films vertonen verschillende beperkingen, waaronder parasitaire absorptie van licht en niet-ideale selectiviteit (met name een niet-verwaarloosbare weerstand tegen ladingsextractie en lage laterale geleiding). Het ontrafelen van de fundamentele eigenschappen die vereist zijn voor een ideaal selectief contact (met materiaal maar ook interface-eigenschappen) is de sleutel voor het ontwikkelen van efficiëntere apparaten op basis van eenvoudigere processen. Het toepassen van nieuwe geschikte materialen als carrier-selectieve contacten is een zeer actief onderwerp voor dit doel en het ontwerpen en fabriceren van geschikte materialen is een sterke focus van de groep.

Apparaatarchitectuur

Dopantvrije zonnecellen: hoewel een lang leven beschouwde idee dat een fotovoltaïsch apparaat met gedopeerde contacten van tegengestelde polariteiten efficiënt moest zijn, suggereerde een recent inzicht in de fysica van zonnecellen dat dit niet het geval was: verschillende contactarchitecturen kunnen theoretisch op vergelijkbare wijze zorgen efficiënte apparaten. De experimentele demonstratie van een zeer efficiënte en toch volledig doteerstofvrije kristallijnen siliciumcel - met behulp van enigszins sub-stoichiometrische Mo03 en LiF als gat- en elektron-selectieve contacten - opent de weg naar geheel nieuwe apparaatarchitectuur, met veel vereenvoudigde processen en extreem eenvoudige ontwerpen [Bullock2016].

Interdigitated back contacted (IBC) zonnecellen: om de elektrische ladingen uit een silicium zonnecel te extraheren, zijn metalen contacten vereist. Terwijl in de traditionele architectuur zonnecellen negatieve (elektronen) en positieve (gaten) ladingen worden verzameld aan elke zijde van de wafer, verzamelt het IBC-ontwerp beide soorten lading aan de achterkant van de wafer. Hierdoor kan al het metaal worden geplaatst dat nodig is om deze ladingen aan de achterkant van de wafer te extraheren, waardoor schaduwvorming wordt voorkomen en een hogere stroom kan worden gegenereerd. Hoewel eenvoudig in principe, biedt een dergelijke benadering veel wetenschappelijke en technologische uitdagingen [Tomasi2017].

Apparaten met een klein oppervlak: hoewel recordcellen voor de meeste fotovoltaïsche technologieën worden verkregen op apparaten met een klein oppervlak (1 cm 2 of lager), werden recente recordefficiënties voor op wafers gebaseerde siliciumapparaten verkregen op een veel groter oppervlak> 100 cm2. De grote diffusielengte van fotogenerated carriers in silicium (meestal van millimeterschaal) maakt edge-recombinatie een bijzonder probleem en de fabricage van kleine apparaten uitdagend. Een beter begrip van oppervlaktegerelateerde verliezen en de ontwikkeling van edge-passivering kunnen efficiënte apparaten met een klein oppervlak tot ontspanningsbehoeften in termen van metallisatie maken.

Bedrijfsomstandigheden

Gemeenschappelijke optimalisatie van zonnecellen wordt gemaakt om de hoogste prestaties te bereiken onder standaard testomstandigheden (25 ° C, 1000 W / m2, AM 1.5-spectrum). Dergelijke omstandigheden zijn niet representatief voor de omstandigheden die tijdens het gebruik in het veld worden ervaren. In het bijzonder ondervinden modules geïnstalleerd in warme en zonnige klimaten een hoog bestralingsniveau, maar ook een hoge bedrijfstemperatuur die schadelijk is voor hun energieoutput. Hoge bedrijfstemperaturen kunnen echter in bepaalde gevallen nuttig zijn om thermionische barrières te overwinnen en het ladingstransport te verbeteren. Aangepaste optimalisatie voor specifieke klimatologische omstandigheden kan een jaarlijkse energie-winst opleveren van enkele procenten ten opzichte van standaardbenaderingen. Er werd ook aangetoond dat weerstandsverliezen als gevolg van celinterconnectie niet alleen de efficiëntie van de module beïnvloeden, maar ook de temperatuurcoëfficiënt van modules, wat de sterkere behoefte aan interconnectie met lage weerstand in warme klimaten benadrukt.