Lähettäjä: https://pvlab.epfl.ch/
Tausta
Aurinkosähkön (PV) energiasta on tulossa yksi maailman tärkeimmistä energialähteistä, ja kiteinen pii on ollut markkinoilla hallitsevassa asemassa ilman muutoksen merkkejä lähitulevaisuudessa. Silikonipohjaiset heterosysteemiset aurinkokennot (Si-HJT) ovat kuuma aihe kiteisessä piikiekossa, koska se sallii aurinkokennojen, joilla on ennätystehokasta energian muuntamista, jopa 26,6% (kuva 1, katso myös Yoshikawa et al., Nature Energy 2 , 2017 ). Si-HJT: n avainkohtana on voimakkaasti rekombinaatio-aktiivisten kontaktien siirtyminen kiteisestä pinnasta lisäämällä kalvo, jolla on leveä bandgap. Täydellisen laitteen potentiaalin saavuttamiseksi hetero- rajapinnan tilan tiheyden tulisi olla minimaalinen. Käytännöllisesti katsoen vain muutaman nanometrin paksuudeltaan hydratut amorfiset pii (a-Si: H) -kalvot ovat houkuttelevia ehdokkaita: niiden bandgap on leveämpi kuin c-Si ja tällaiset kalvot voivat vähentää c-Si-pintaa tilan tiheys hydraamalla. Lisäksi nämä kalvot voidaan seostaa suhteellisen helposti, joko n- tai p-tyypiksi, mikä mahdollistaa kosketusten (litografiaton) valmistuksen ennätyksellisen alhaisilla arvoilla kyllästysvirran tiheydelle. Useat yritykset ovat raportoineet vaikuttavia suurpinta-alaisia (> 100 cm2) energianmuuntotehokkuutta (~ 25%) ( Tagushi et ai., IEEE JPV 4, 2014 , Adachi et ai. APL 104, 2015 …).
Kuva 1: Monokiteinen pii-aurinkokennotehokkuuden kehitys viimeisten 20 vuoden aikana.
Kuviossa 2 on esitetty tyypillisen heterojunkkisen aurinkokennon luonnos ja kaavio. Laitteen perusominaisuudet ovat etu- (valaistuksen) puolella peräkkäin luontainen a-Si: H-passivointikerros ja p-seostettu amorfinen pii-emitteri, jotka molemmat ovat plasman tallettamia tehostettu kemiallinen höyrysaostuma (PECVD). Piikerroksien päälle kerrostetaan fyysisellä höyrykerrostuksella (PVD) antimeflektiivistä läpinäkyvää johtavaa oksidia (TCO) ja varauskeräys tehdään näytöllä painetulla metallisella kosketusverkolla. Takapuolella käytetään elektronin keräyspinoa, ja se koostuu sisäisestä a-Si: H-passivointikerroksesta, seostetusta n-tyypin amorfisesta piistä (sekä PECVD: n kerrostamasta), TCO-kerroksesta että metallista kosketuskerroksesta ( PVD).
| |
Kuvio 2: Vasen: Kaavamainen kuva heterosysteemistä aurinkokennosta (ei mittakaavassa). Oikealla: Elektroninen kaistakaavio pimeässä heterosysteemin aurinkokennon tasapainossa (ei mittakaavassa).
Kuvassa 3 on esitetty ryhmässä parhaillaan toteutettavan tutkimuksen pääaiheet. Tämä tapahtuu passivointimekanismin perustekijöistä kehittämällä vaihtoehtoisia kosketusmenetelmiä negatiivisten (elektronien) ja positiivisten (reikien) sähkövarausten purkamiseksi innovatiivisten laitearkkitehtuurien kehittämiseksi ja toimintatilojen vaikutuksen tutkimiseen energian saannolle aurinkosähkömoduulien käyttö.
Kuva 3: Aktiiviset tutkimusaiheet silikonipohjaisten heterosysteemien aurinkokennojen ympärillä.
Pinnan passivointi
Viimeaikaiset edistysaskeleet suuren puhtausasteen piikiekon tuotannossa ovat erittäin laadukkaita piikiekkoja, jotka ovat helposti saatavilla massatuotantoon. Tällaisten kiekkojen alhainen viallinen tiheys tekee tehokkuudesta yli 25%, mikä on saavutettavissa asianmukaista laitearkkitehtuuria varten. Ensimmäinen haaste tällaisen tehokkaan laitteen valmistamiseksi on varmistaa, että kiekon pinnalla ei ole sähköisesti aktiivisia vikoja. Tällainen pinnan passivointi voidaan saavuttaa monin eri tavoin, PV-Lab: in laajimmin tutkittuina on plasmalla kerrostetun hydratun amorfisen piin (a-Si: H) käyttö. Tämä osoittautuu yhdeksi tehokkaimmasta kerroksesta, joka tarjoaa erittäin hyvän passivoitumisen, mikä sallii erittäin suuret kantoaallon käyttöajat piikiekkoissa sekä ennätyksellisen suuret tehokkuudet. A-Si: H: n (ja sen oksidin ja karbidiseosten) pinnan passivoitumisen taustalla olevat ilmiöt, vedyn rooli, lämmityksen tai valaistuksen vaikutus ovat kiehtovia tieteellisiä kuulusteluja, jotka tekevät tästä kentästä vielä hyvin aktiivisen [Kobayashi2016].
Yhteyden muodostaminen
Toinen haaste, kun rakennetaan erittäin tehokas aurinkokenno laadukkaasta piikiekosta, on positiivisten ja negatiivisten varausten valikoiva kerääminen kahdella tilallisesti erotetulla päätelaitteella. Tällainen valikoiva keräys perustuu puoliläpäiseviin elektronisiin kalvoihin, jotka tarjoavat alhaisen resistanssin sähköliitännän yhdentyyppisille latauksille (esim. Elektronit) samalla, kun toinen tyyppi (reiät) vuotaa mahdollisimman vähän. Seostettujen amorfisten piikerrosten käyttö (p-tyyppi ja n-tyypin a-Si: H) osoittautuvat erittäin tehokkaaksi tavaksi tarjota tällaista selektiivisyyttä, kun useat laboratoriot ja yritykset käyttävät tällaisia kontakteja käyttämällä tehokkaita tehokkuutta [DeWolf2012]. Näillä kalvoilla on useita rajoituksia, mukaan lukien valon ja ei-ihanteellisen selektiivisyyden loinen absorptio (varsinkin ei-vähäinen vastus latauksen uuttamiselle ja matala sivuttainen johtuminen). Ihanteellisten selektiivisten kontaktien (mukaan lukien materiaalin, mutta myös liitäntäominaisuuksien) välttämättömien perusominaisuuksien purkaminen on avain tehokkaampien, yksinkertaisempiin prosesseihin perustuvien laitteiden kehittämiseen. Uusien sopivien materiaalien käyttäminen kantaja-selektiivisinä kontakteina on tällä hetkellä hyvin aktiivinen aihe, ja sopivien materiaalien suunnittelu ja valmistus on ryhmän painopiste.
Laitteen arkkitehtuuri
Dopantiton aurinkokennot: Vaikka pitkäikäinen ajatus siitä, että aurinkokennolaite tarvitsi tehokasta vastakkaisten polariteettien seostettua kosketusta, äskettäinen ymmärrys aurinkokennojen fysiikasta viittasi siihen, että näin ei ole: Useat kontaktiarkkitehtuurit voivat teoriassa tarjota samankaltaisia tehokkaita laitteita. Kokeellinen demonstrointi korkean hyötysuhteen mutta täysin dopanttivapaasta kiteisestä piikennosta, jossa käytetään hieman sub-stöhhiometristä MoO 3: ta ja LiF: ää reiän ja elektronin selektiivisinä kontakteina, avaa tien kokonaan uudelle laitearkkitehtuurille, jossa on paljon yksinkertaistettuja prosesseja ja erittäin yksinkertaiset mallit [Bullock2016].
Yhdistetyt takakontaktit (IBC) aurinkokennot: Sähköenergian erottamiseksi pii-aurinkokennosta tarvitaan metallikontakteja. Vaikka perinteisessä arkkitehtuurissa aurinkokennot kerätään negatiivisesti (elektronit) ja positiiviset (reiät) lataukset kiekon molemmille puolille, IBC-malli kerää molemmat lataustyypit kiekon takaosaan. Tämä mahdollistaa sen, että kaikki ne metallit, joita tarvitaan näiden varausten purkamiseen kiekon takaosaan, estävät siten varjostuksen ja mahdollistavat suuremman virran syntymisen. Vaikka tällainen lähestymistapa on periaatteessa yksinkertainen, siinä on monia tieteellisiä ja teknologisia haasteita [Tomasi2017].
Pienen alueen laitteet: kun taas pienikokoisilla laitteilla (1 cm 2 tai alle) saadaan useimpien aurinkosähköteknologioiden ennätyssoluja, äskettäin tallennettujen kiekkojen piikäsittelylaitteiden tehokkuus saavutettiin paljon suuremmalla alueella> 100 cm2. Valoenergisten kantoaineiden suuri diffuusion pituus pii (tyypillisesti millimetrin mittakaavassa) tekee reuna-rekombinaatiosta tietyn ongelman ja pienten laitteiden valmistuksen haastavaksi. Paremman käsityksen saaminen pinta-alaan liittyvistä häviöistä ja reuna-passiivisuuden kehittymisestä voisi mahdollistaa tehokkaiden pienten laitteiden tekemisen rentouttaviksi metallien kannalta.
Käyttöolosuhteet
Aurinkokennojen yhteinen optimointi tehdään siten, että se saavuttaa korkeimman suorituskyvyn vakio-olosuhteissa (25 ° C, 1000 W / m2, AM1,5-spektri). Tällaiset olosuhteet eivät ole edustavia niillä, joita kentällä on kokemusta käytön aikana. Erityisesti kuumiin ja aurinkoisiin ilmastoihin asennetuilla moduuleilla on korkea säteilytason taso, mutta myös korkea käyttölämpötila, joka vahingoittaa niiden energiantuotantoa. Korkeat käyttölämpötilat voivat kuitenkin olla hyödyllisiä tietyissä tapauksissa termionisten esteiden poistamiseksi ja latauksen parantamiseksi. Räätälöity optimointi tietyissä ilmasto-olosuhteissa voi tuottaa useita prosentteja vuotuisen energian saannin tasosta verrattuna tavanomaisiin lähestymistapoihin. Osoitettiin myös, että solujen yhteenliittämisestä johtuvat vastushäviöt vaikuttavat paitsi moduulin tehokkuuteen myös moduulien lämpötilakertoimeen, mikä korostaa voimakasta tarvetta matalan resistanssin yhteenliittämiseen kuumissa ilmastoissa.
