Des de: https://pvlab.epfl.ch/
Antecedents
L'energia fotovoltaica (PV) està a punt de convertir-se en una de les principals fonts mundials d'energia, i el silici cristal·lí ha estat dominant el mercat sense cap senyal de canvi en un futur pròxim. Les cèl · lules solars heterojuncionals de silici (Si-HJT) són un tema candent en el silici cristal·litzat fotovoltaic, ja que permet que les cel·les solars tinguin una conversió d'energia d'eficiència rècord fins al 26,6% (vegeu també Yoshikawa et al., Nature Energy 2 , 2017 ). El punt clau de Si-HJT és el desplaçament de contactes altament recombinants-actius des de la superfície cristal·lina mitjançant la inserció d'una pel·lícula amb banda ampla. Per arribar al potencial del dispositiu complet, la densitat d'estat d'heterofuntura hauria de ser mínima. Pràcticament, les pel·lícules de silici amorfo hidrogenat (a-Si: H) de només uns pocs nanòmetres de gruix són candidats atractius per a això: la seva banda és més àmplia que la de c-Si i, quan és intrínseca, aquestes pel·lícules poden reduir la superfície de c-Si densitat d'estat per hidrogenació. A més, aquestes pel·lícules es poden dopar de manera relativament fàcil, ja sigui de tipus n o p, que permeten la fabricació de contactes (sense litografia) amb valors baixos de registres per a la densitat de corrent de saturació. S'han informat diverses empreses d'eficiència de conversió d'energia (~ 25%) de gran superfície (> 100 cm 2 ), ( Tagushi et al., IEEE JPV 4, 2014 , Adachi et al., APL 104, 2015 ...).
Figura 1: Evolució de l'eficiència de registres cel·lulars de silici monocristal·lí en els últims 20 anys.
Un diagrama de croquis i banda d'una cèl·lula solar d'heterojunció típica es dóna a la figura 2. El dispositiu bàsic presenta al costat frontal (il·luminació) successivament una capa de passivació intrínseca a-Si: H i un emissor de silici amorfo embolicat amb pols ppp dipositat per plasma deposició de vapor químic millorada (PECVD). A la part superior de les capes de silici, un dipòsit de vapor físic (PVD) deposita un òxid conductor transparent antireflectant (TCO) i la recaptació de càrrega es realitza mitjançant una reixeta de contacte metàl·lica impresa en pantalla. A la part del darrere, s'utilitza una pila de recollida d'electrons i es compon d'una capa de passivació intrínseca a-Si: H, un silici amorf tipus dopat (ambdós dipositats per PECVD), una capa TCO i una capa metàl·lica de contacte ( dipositat per PVD).
| |
Figura 2: Esquerra: diagrama esquemàtic d'una cèl·lula solar d'heterojunció (no a escala). Dret: diagrama de banda electrònica en la foscor a l'equilibri d'una cèl·lula solar d'heterojunció (no a escala).
A la figura 3 es mostren els principals temes d'investigació que actualment es duen a terme al grup. Això passa des dels fonaments del mecanisme de passivació, a través del desenvolupament de sistemes de contacte alternatius per extreure els càrregues elèctriques negatives (electrons) i positius (forats), al desenvolupament d'arquitectures innovadores de dispositius i l'estudi de l'impacte de les condicions de funcionament sobre el rendiment energètic de mòduls fotovoltaics.
Figura 3: Temes d'investigació activa sobre cèl·lules solars d'heterojunció basades en el silici.
Passivació superficial
Els avenços recents en la producció a gran escala de silicona d'alta puresa van fer que l'oblea de silici d'alta qualitat sigui fàcilment disponible per a la producció en massa. La baixa densitat de defectes en aquestes barreres fa que les eficiències superiors al 25% siguin accessibles per a l'arquitectura adequada del dispositiu. El primer repte per fabricar aquest dispositiu d'alta eficiència és assegurar-se que la superfície de l'oblea no presenta defectes electrònics actius. Aquesta passivació superficial es pot aconseguir de diverses maneres, la més àmpliament investigada en PV-Lab és l'ús de silici amorfo hidrogenat (a-Si: H) dipositat per plasma. Això demostra ser una de les capes més eficients per proporcionar una passivació extremadament bona, que permet una vida útil molt gran en les galetes de silici, així com una alta eficiència registrada. Els fenòmens posteriors a la passivació superficial d'a-Si: H (i els seus aliatges d'òxid i carbur), el paper de l'hidrogen, l'efecte de la calefacció o la il·luminació lumínica són fascinants interrogatoris científics que fan que aquest camp sigui encara molt actiu [Kobayashi2016].
Formació de contactes
El segon repte a l'hora de construir una cèl·lula solar molt eficient d'una oblea de silici d'alta qualitat és la recollida selectiva de càrregues positives i negatives en dos terminals espacialment separats. Aquesta recollida selectiva es basa en membranes electròniques semipermeables, oferint una connexió elèctrica de baixa resistència per a un tipus de càrrega (per exemple, electrons), mentre que el bloqueig amb fuites mínimes és l'altre tipus (forats). L'ús de capes de silici amorfo dopades (p-type i n-type a-Si: H) demostren ser una forma extremadament eficient de proporcionar aquesta selectivitat amb l'eficiència rècord mundial obtinguda amb aquests contactes per diversos laboratoris i empreses [DeWolf2012]. Aquestes pel·lícules presenten diverses limitacions, inclosa l'absorció paràsitària de la llum i la no selectivitat ideal (amb una notable resistència a l'extracció de càrrega i baixa conducció lateral). Desenrotllar les propietats fonamentals necessàries per a un contacte selectiu ideal (que impliqui materials, però també propietats de la interfície) és clau per desenvolupar dispositius més eficients basats en processos més senzills. L'aplicació de nous materials adequats com a contactes seleccionats per l'operador és un tema molt actiu per a aquest fi i el disseny i fabricació de materials adequats és un fort focus del grup.
Arquitectura del dispositiu
Cèl·lules solars sense dopatge: mentre que una idea de llarga data que un dispositiu fotovoltaic requeria contactes dopats de polaritats oposades per ser eficients, una comprensió recent de la física de les cèl·lules solars suggeria que no era el cas: diverses arquitectures de contacte poden proporcionar-se teòricament d'una manera similar dispositius eficients. La demostració experimental d'una cèl·lula de silici cristal·lina d'alta eficiència, però completament dopant, que utilitza MoO 3 i LiF poc estomicomètriques com a contactes forats i selectors d'electrons, obre el camí cap a una arquitectura de dispositius completament nova, amb processos molt simplificats i extremadament dissenys simples [Bullock2016].
Cèl·lules solars interdigitades de contacte (IBC): Per extreure les càrregues elèctriques d'una cel·la solar de silici, es requereixen contactes metàl·lics. Mentre que en les cel·les solars d'arquitectura tradicional, negatives (electrons) i càrregues positives (forats) es recullen a cada costat de la oblea, el disseny de IBC recull els dos tipus de càrrega a la part posterior de l'oblea. Això permet col·locar tot el metall necessari per extreure aquestes càrregues a la part posterior de l'oblea, evitant així l'ombra i permetent que es generi un corrent més alt. Si bé és senzill en principi, aquest enfocament presenta molts reptes científics i tecnològics [Tomasi2017].
Dispositius de petites dimensions: mentre que les cel·les de registre per a la majoria de les tecnologies fotovoltaiques s'obtenen en dispositius de petita àrea (1 cm 2 o inferior), es van obtenir eficiències de registre recents per a dispositius de silici basats en wafer en una àrea molt més gran> 100 cm 2 . La gran durada de la difusió dels portadors fotogenerats en silici (típicament d'una escala mil·limètrica) fa que la recombinació de la vora sigui un problema particular i que la fabricació de dispositius petits sigui desafiant. Una millor comprensió de les pèrdues relacionades amb l'àrea i el desenvolupament de la passivació de vora podria permetre que els dispositius eficients de petita àrea es converteixin en necessitats relaxants en termes de metal·lització.
Condicions de funcionament
L'optimització comuna de les cèl·lules solars es fa per assolir els màxims resultats en condicions estàndard de prova (25 ° C, 1000 W / m2, espectre AM1.5). Aquestes condicions no són representatives dels experimentats en el camp durant l'operació. En particular, els mòduls instal·lats en climes càlids i assolellats experimenten un alt nivell d'irradiació, però també una alta temperatura de funcionament que és perjudicial per a la seva producció d'energia. Tanmateix, les altes temperatures d'operació poden ser beneficioses en casos particulars per superar barreres termioniques i millorar el transport de càrrega. L'optimització a mida per a condicions climàtiques específiques pot proporcionar un augment de l'energia anual del percentatge per sobre dels enfocaments estàndard. També es va demostrar que les pèrdues de resistència degudes a la interconnexió cel·lular impacten no només l'eficiència del mòdul sinó també el coeficient de temperatura dels mòduls, destacant la necessitat més intensa de la interconnexió de baixa resistència en climes càlids.
