Dari: https://pvlab.epfl.ch/
Latar Belakang
Fotovoltaik (PV) energi berada di tepi menjadi salah satu sumber energi global utama, dan silikon kristal telah mendominasi pasar tanpa tanda-tanda perubahan dalam waktu dekat. Sel surya heterojungsi berbasis silikon (Si-HJT) adalah topik panas dalam fotovoltaik silikon kristalin karena memungkinkan sel surya dengan konversi energi efisiensi rekor hingga 26,6% (Gbr. 1, lihat juga Yoshikawa et al., Nature Energy 2 , 2017 ). Titik kunci Si-HJT adalah perpindahan kontak yang sangat aktif rekombinasi dari permukaan kristal dengan memasukkan film dengan celah pita lebar. Untuk mencapai potensi perangkat penuh, kepadatan keadaan hetero-antarmuka harus minimal. Secara praktis, film silikon amorf terhidrogenasi (a-Si: H) dengan ketebalan hanya beberapa nanometer menarik untuk ini: celah pita mereka lebih lebar daripada c-Si dan, ketika secara intrinsik, film seperti itu dapat mengurangi permukaan c-Si kepadatan negara oleh hidrogenasi. Selain itu, film-film ini dapat didoping secara relatif mudah, baik tipe n atau p, memungkinkan untuk pembuatan kontak (bebas litografi) dengan nilai rekor terendah untuk kerapatan arus jenuh. Efisiensi konversi energi konversi area luas (> 100 cm 2 ) (~ 25%) telah dilaporkan oleh beberapa perusahaan ( Tagushi et al., IEEE JPV 4, 2014 , Adachi dkk. APL 104, 2015 ...).
Gambar 1: Evolusi efisiensi sel surya silikon monokristalin silikon dalam 20 tahun terakhir.
Diagram sketsa dan pita dari sel surya heterojungsi tipikal diberikan pada Gambar 2. Fitur dasar perangkat di sisi depan (penerangan) berturut-turut merupakan lapisan pasif a-Si: H intrinsik dan lapisan silikon amorf p-doped keduanya diendapkan oleh plasma peningkatan deposisi uap kimia (PECVD). Di atas lapisan silikon, oksida konduktif transparan antireflektif (TCO) diendapkan oleh pengendapan uap fisik (PVD) dan pengumpulan muatan dibuat oleh kisi-kisi kontak logam yang dicetak di layar. Di sisi belakang, tumpukan pengumpul elektron digunakan, dan itu terdiri dari lapisan pasif a-Si: H intrinsik, silikon amorf tipe-n yang didoping (keduanya diendapkan oleh PECVD), lapisan TCO dan lapisan kontak logam ( disimpan oleh PVD).
| |
Gambar 2: Kiri: Diagram skematis dari sel surya heterojungsi (tidak untuk skala). Kanan: Diagram pita elektronik dalam gelap pada kesetimbangan sel surya hetero (tidak untuk skala).
Gambar 3 menampilkan topik utama penelitian yang sedang dilakukan dalam kelompok. Ini beranjak dari dasar-dasar mekanisme pasif, melalui pengembangan skema kontak alternatif untuk mengekstraksi muatan listrik negatif (elektron) dan positif (lubang), hingga pengembangan arsitektur perangkat inovatif dan studi dampak kondisi pengoperasian pada hasil energi modul fotovoltaik.
Gambar 3: Topik penelitian aktif di sekitar sel surya heterojunction berbasis silikon.
Pasifasi permukaan
Kemajuan terbaru dalam produksi berskala besar silikon kemurnian tinggi membuat wafer silikon berkualitas sangat tinggi tersedia untuk produksi massal. Kerapatan cacat yang rendah di wafer seperti itu membuat efisiensi lebih dari 25% dapat dicapai untuk arsitektur perangkat yang tepat. Tantangan pertama untuk membuat perangkat dengan efisiensi tinggi tersebut adalah untuk memastikan bahwa permukaan wafer tidak menunjukkan cacat aktif secara elektronik. Pasifasi permukaan seperti itu dapat dicapai dengan berbagai cara, yang paling banyak diselidiki dalam PV-Lab adalah penggunaan silikon amorf terhidrogenasi yang diendapkan dalam plasma (a-Si: H). Ini terbukti menjadi salah satu lapisan yang paling efisien untuk memberikan pasivasi yang sangat baik, memungkinkan daya tahan pembawa yang sangat besar dalam wafer silikon, serta efisiensi rekor tinggi. Fenomena di balik pasifasi permukaan dari a-Si: H (dan paduan oksida dan karbida), peran hidrogen, efek pemanasan atau penerangan cahaya adalah interogasi ilmiah yang menarik yang membuat bidang ini masih sangat aktif [Kobayashi2016].
Kontak formasi
Tantangan kedua ketika membangun sel surya yang sangat efisien dari wafer silikon berkualitas tinggi adalah pengumpulan selektif dari muatan positif dan negatif di dua terminal yang terpisah secara spasial. Pengumpulan selektif semacam itu bergantung pada membran elektronik semi-permeabel, yang menawarkan sambungan listrik resistansi rendah untuk satu jenis muatan (misalnya elektron) sambil memblokir dengan kebocoran minimal pada jenis lainnya (lubang). Penggunaan lapisan silikon amorf yang didoping (tipe-p dan tipe-n a-Si: H) terbukti menjadi cara yang sangat efisien dalam memberikan selektivitas dengan efisiensi rekor dunia yang diperoleh dengan menggunakan kontak semacam itu oleh beberapa laboratorium dan perusahaan [DeWolf2012]. Film-film tersebut menghadirkan beberapa keterbatasan, termasuk penyerapan parasit terhadap cahaya dan selektivitas yang tidak ideal (dengan resistensi yang tidak dapat diabaikan untuk mengisi daya ekstraksi dan konduksi lateral yang rendah). Mengungkap sifat-sifat dasar yang diperlukan untuk kontak selektif yang ideal (yang melibatkan bahan tetapi juga sifat antarmuka) adalah kunci untuk mengembangkan perangkat yang lebih efisien berdasarkan proses yang lebih sederhana. Menerapkan bahan-bahan baru yang cocok sebagai kontak selektif pembawa adalah topik yang sangat aktif untuk tujuan ini dan merancang dan membuat bahan yang cocok adalah fokus yang kuat dari grup.
Arsitektur perangkat
Sel surya bebas-dopan: Sementara gagasan berumur panjang bahwa perangkat fotovoltaik memerlukan kontak doping dari kutub yang berlawanan agar efisien, pemahaman baru-baru ini tentang fisika sel surya menunjukkan bahwa bukan itu masalahnya: Beberapa arsitektur kontak secara teoritis dapat menyediakan hal serupa. perangkat yang efisien. Demonstrasi eksperimental sel silikon kristal efisiensi tinggi namun sepenuhnya dopan - menggunakan MoO 3 dan LiF yang sedikit sub-stoikiometrik sebagai kontak selektif lubang dan elektron - membuka jalan menuju arsitektur perangkat yang sama sekali baru, dengan banyak proses yang disederhanakan dan sangat desain sederhana [Bullock2016].
Sel surya interdigitated back contacted (IBC): Untuk mengekstraksi muatan listrik dari sel surya silikon, diperlukan kontak logam. Sedangkan dalam arsitektur tradisional sel surya muatan negatif (elektron) dan positif (lubang) dikumpulkan pada setiap sisi wafer, desain IBC mengumpulkan kedua jenis muatan di bagian belakang wafer. Ini memungkinkan untuk menempatkan semua logam yang diperlukan untuk mengekstraksi muatan ini di bagian belakang wafer, sehingga mencegah pembayangan dan memungkinkan arus yang lebih tinggi dihasilkan. Meskipun pada prinsipnya sederhana, pendekatan semacam itu menghadirkan banyak tantangan ilmiah dan teknologi [Tomasi2017].
Perangkat area kecil: Sementara sel rekaman untuk sebagian besar teknologi fotovoltaik diperoleh pada perangkat area kecil (1 cm 2 atau di bawah), efisiensi rekaman terbaru untuk perangkat silikon berbasis wafer diperoleh pada area yang jauh lebih besar> 100 cm 2 . Panjang difusi besar dari pembawa fotogenerasi dalam silikon (biasanya skala milimeter) membuat rekombinasi tepi menjadi masalah khusus, dan pembuatan perangkat kecil menjadi menantang. Pemahaman yang lebih baik tentang kerugian terkait area dan pengembangan pasivasi tepi dapat memungkinkan perangkat area kecil yang efisien dibuat menjadi kebutuhan relaksasi dalam hal metalisasi.
Kondisi operasi
Optimalisasi umum sel surya dibuat untuk mencapai kinerja tertinggi dalam kondisi pengujian standar (25 ° C, 1000 W / m2, spektrum AM1.5). Kondisi seperti itu tidak mewakili yang dialami di lapangan selama operasi. Secara khusus, modul yang dipasang di iklim panas dan cerah mengalami tingkat radiasi yang tinggi tetapi juga suhu operasi yang tinggi yang merusak output energi mereka. Namun demikian, suhu operasi yang tinggi dapat bermanfaat dalam kasus-kasus tertentu untuk mengatasi hambatan termionik dan meningkatkan transportasi muatan. Optimalisasi yang disesuaikan untuk kondisi iklim tertentu dapat memberikan beberapa persen perolehan energi tahunan dari pendekatan standar. Itu juga menunjukkan bahwa kerugian resistensi karena dampak interkoneksi sel tidak hanya efisiensi modul tetapi juga koefisien suhu modul, menyoroti kebutuhan yang lebih kuat untuk interkoneksi resistansi rendah di iklim panas.