Da: https://pvlab.epfl.ch/
sfondo
L'energia fotovoltaica (PV) è sul punto di diventare una delle principali fonti globali di energia, e il silicio cristallino ha dominato il mercato senza alcun segno di cambiamento nel prossimo futuro. Le celle solari a eterogiunzione a base di silicio (Si-HJT) sono un argomento caldo all'interno del fotovoltaico in silicio cristallino in quanto consentono celle solari con una conversione di energia record-efficienza fino al 26,6% (Figura 1, vedi anche Yoshikawa et al., Nature Energy 2 , 2017 ). Il punto chiave di Si-HJT è lo spostamento di contatti attivi altamente ricombinati dalla superficie cristallina mediante l'inserimento di un film con ampia banda proibita. Per raggiungere il pieno potenziale del dispositivo, la densità dello stato dell'interfaccia etero dovrebbe essere minima. In pratica, i film di silicio amorfo idrogenato (a-Si: H) di soli pochi nanometri di spessore sono candidati interessanti per questo: il loro bandgap è più largo di quello del c-Si e, quando intrinseco, tali film possono ridurre la superficie del c-Si densità di stato per idrogenazione. Inoltre, questi film possono essere drogati relativamente facilmente, sia di tipo n che di tipo p, consentendo la fabbricazione (senza litografia) di contatti con valori record-bassi per la densità di saturazione-corrente. Impressionanti (> 25%) incrementi di efficienza energetica (> 100 cm 2 ) su vaste aree (~ 25%) sono stati segnalati da diverse aziende ( Tagushi et al., IEEE JPV 4, 2014 , Adachi et al., APL 104, 2015 ...).
Figura 1: evoluzione dell'efficienza del disco delle celle solari in silicio monocristallino negli ultimi 20 anni.
Uno schema e un diagramma a banda di una tipica cella solare ad eterogiunzione sono riportati nella Figura 2. Le caratteristiche di base del dispositivo sul lato anteriore (illuminazione) successivamente sono un intrinseco strato di passivazione a-Si: H e un emettitore di silicio amorfo drogato con p depositato dal plasma deposizione chimica migliorata di vapore (PECVD). Sopra gli strati di silicio, un ossido conduttivo trasparente antiriflesso (TCO) viene depositato mediante deposizione fisica in fase vapore (PVD) e la raccolta di carica avviene mediante una griglia metallica di contatto serigrafata. Sul lato posteriore, viene utilizzata una pila di raccolta di elettroni, ed è composta da uno strato di passivazione intrinseco a-Si: H, un silicio amorfo di tipo n drogato (entrambi depositati da PECVD), uno strato di TCO e uno strato metallico di contatto ( depositato da PVD).
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Figura 2: a sinistra: schema di una cella solare con eterogiunzione (non in scala). A destra: diagramma a banda elettronica al buio all'equilibrio di una cella solare a eterogiunzione (non in scala).
La figura 3 mostra i principali argomenti di ricerca attualmente perseguiti nel gruppo. Questo va dai fondamenti del meccanismo di passivazione, attraverso lo sviluppo di schemi di contatto alternativi per estrarre le cariche elettriche negative (elettroni) e positive (fori), allo sviluppo di architetture di dispositivi innovative e lo studio dell'impatto delle condizioni operative sul rendimento energetico di moduli fotovoltaici.
Figura 3: argomenti di ricerca attivi relativi alle celle solari ad eterogiunzione a base di silicio.
Passivazione di superficie
I recenti progressi nella produzione su larga scala di silicio di elevata purezza hanno reso disponibile un wafer di silicio di altissima qualità per la produzione di massa. La bassa densità dei difetti in tali wafer rende realizzabili efficienze superiori al 25% per un'architettura del dispositivo adeguata. La prima sfida per rendere tale dispositivo ad alta efficienza è garantire che la superficie del wafer non presenti difetti attivi elettronicamente. Tale passivazione superficiale può essere ottenuta in vari modi, il più ampiamente studiato in PV-Lab è l'uso di silicio amorfo idrogenato depositato al plasma (a-Si: H). Questo dimostra di essere uno degli strati più efficienti per fornire una passivazione estremamente buona, che consente una vita molto lunga del carrier nei wafer di silicio, nonché efficienze da record. I fenomeni che stanno dietro la passivazione superficiale da a-Si: H (e le sue leghe di ossido e carburo), il ruolo dell'idrogeno, l'effetto del riscaldamento o l'illuminazione sono affascinanti interrogazioni scientifiche che rendono questo campo ancora molto attivo [Kobayashi2016].
Formazione del contatto
La seconda sfida quando si costruisce una cella solare ad alta efficienza da un wafer di silicio di alta qualità è la raccolta selettiva di cariche positive e negative su due terminali spazialmente separati. Tale raccolta selettiva si basa su membrane elettroniche semi-permeabili, offrendo una connessione elettrica a bassa resistenza per un tipo di cariche (ad es. Elettroni) bloccando con perdite minime l'altro tipo (fori). L'uso di strati di silicio amorfo drogato (tipo p e tipo n a-Si: H) si rivela un modo estremamente efficiente di fornire tale selettività con efficienze record mondiali ottenute utilizzando tali contatti da diversi laboratori e aziende [DeWolf2012]. Questi film presentano diverse limitazioni, tra cui l'assorbimento parassitario della selettività luminosa e non ideale (con in particolare una resistenza non trascurabile all'estrazione della carica e una bassa conduzione laterale). Svelare le proprietà fondamentali richieste per un contatto selettivo ideale (che coinvolge il materiale ma anche le proprietà dell'interfaccia) è fondamentale per lo sviluppo di dispositivi più efficienti basati su processi più semplici. L'applicazione di nuovi materiali idonei come contatti selettivi per i carrier è un argomento molto attivo a tal fine e progettare e fabbricare materiali adeguati è un punto di forza del gruppo.
Architettura del dispositivo
Celle solari senza Dopant: mentre una idea di lunga data che un dispositivo fotovoltaico richiedesse contatti drogati di polarità opposte per essere efficienti, una recente comprensione della fisica delle celle solari suggeriva che non era così: diverse architetture di contatto possono teoricamente fornire allo stesso modo dispositivi efficienti. La dimostrazione sperimentale di una cella al silicio cristallino ad alta efficienza, ma completamente priva di droganti - utilizzando MoO 3 e LiF leggermente sub-stechiometrici come contatti selettivi di fori ed elettroni - apre la strada verso un'architettura del dispositivo completamente nuova, con processi molto semplificati ed estremamente disegni semplici [Bullock2016].
Celle solari interdigitate di contatto (IBC): per estrarre le cariche elettriche da una cella solare al silicio, sono necessari contatti metallici. Mentre nelle celle solari tradizionali tradizionali le cariche negative (elettroni) e positive (fori) vengono raccolte su ciascun lato del wafer, il progetto IBC raccoglie entrambi i tipi di carica sul retro del wafer. Ciò consente di posizionare tutto il metallo necessario per estrarre queste cariche sul retro del wafer, evitando così l'ombreggiamento e consentendo di generare una corrente più elevata. Per quanto semplice in linea di principio, tale approccio presenta molte sfide scientifiche e tecnologiche [Tomasi2017].
Dispositivi a piccola area: mentre le celle di registrazione per la maggior parte delle tecnologie fotovoltaiche sono ottenute su dispositivi a piccola area (1 cm 2 o inferiori), le efficienze dei record recenti per i dispositivi in silicio a base di wafer sono state ottenute su un'area molto più grande> 100 cm 2 . La grande lunghezza di diffusione dei portatori fotogenici in silicio (tipicamente di scala millimetrica) rende la ricombinazione dei bordi un problema particolare e la fabbricazione di piccoli dispositivi impegnativi. Una migliore comprensione delle perdite legate all'area e lo sviluppo della passivazione del bordo potrebbero consentire di rendere efficienti i dispositivi di piccola area in termini di metallizzazione.
Condizioni operative
L'ottimizzazione comune delle celle solari è realizzata per raggiungere le massime prestazioni in condizioni di test standard (25 ° C, 1000 W / m2, spettro AM1,5). Tali condizioni non sono rappresentative di quelle sperimentate sul campo durante il funzionamento. In particolare, i moduli installati in climi caldi e soleggiati presentano un elevato livello di irraggiamento ma anche un'alta temperatura di funzionamento che è dannosa per la loro produzione di energia. Alte temperature operative possono tuttavia essere utili in casi particolari per superare le barriere termiche e migliorare il trasporto delle cariche. L'ottimizzazione su misura per specifiche condizioni climatiche può fornire un guadagno energetico annuale di diversi punti percentuali rispetto agli approcci standard. È stato inoltre dimostrato che le perdite di resistenza dovute all'interconnessione cellulare influiscono non solo sull'efficienza del modulo ma anche sul coefficiente di temperatura dei moduli, evidenziando la necessità più forte di interconnessione a bassa resistenza nei climi caldi.
