O: https://pvlab.epfl.ch/
Cefndir
Mae ynni ffotofoltäig (PV) ar ymyl dod yn un o brif ffynhonnell ynni byd-eang, ac mae silicon crisialog wedi bod yn dominyddu'r farchnad heb unrhyw arwydd o newid yn y dyfodol agos. Mae celloedd solar heterojunction sy'n seiliedig ar silicon (Si-HJT) yn bwnc poeth o fewn ffotofoltäig silicon crisialog gan ei fod yn caniatáu i gelloedd solar â throsi ynni effeithlonrwydd recordio hyd at 26.6% (Ffigur 1, gweler hefyd Yoshikawa et al., Nature Energy 2 , 2017 ). Pwynt allweddol Si-HJT yw dadleoli cysylltiadau ail-gyfunol iawn o'r arwyneb crisialog trwy fewnosod ffilm gyda band band eang. Er mwyn cyrraedd potensial llawn y ddyfais, ni ddylai dwysedd y wladwriaeth rhyngwyneb hetero fod yn fach iawn. Yn ymarferol, mae ffilmiau silicon amorffaidd hydrogen (a-Si: H) o ychydig o nanometrau trwch yn unig yn ymgeiswyr apelio ar gyfer hyn: Mae eu bandgap yn fwy na c-Si ac, pan fydd yn gynhenid, gall ffilmiau o'r fath leihau'r c-Si arwyneb dwysedd y wladwriaeth trwy hydrogeniad. Yn ogystal, gellir rhannu'r ffilmiau hyn yn gymharol hawdd, naill ai n neu p-math, gan ganiatáu ar gyfer y ffabrigiad (lithograffi-di-dâl) o gysylltiadau â gwerthoedd isel cofnod ar gyfer y dwysedd presennol o dirlawnder. Mae nifer o gwmnďau ( Tagushi et al., IEEE JPV 4, 2014 , Adachi et al. APL 104, 2015 ...) wedi adrodd am arbedion effeithlonrwydd ardal fawr (> 100 cm 2 ) (~ 25%).
Ffigur 1: Esblygiad effeithlonrwydd cofnodi celloedd solar solar monocrystalline yn yr 20 mlynedd diwethaf.
Mae diagram braslun a band o gelloedd solar heterojunction nodweddiadol yn cael ei roi yn Ffigur 2. Mae nodweddion y ddyfais sylfaenol ar yr ochr blaen (goleuo) yn olynol yn haen trosglwyddo a-Si: H cynhenid ac emitter silicon amorffaidd p-doped a adneuwyd gan plasma mwy o ddyddodiad anwedd cemegol (PECVD). Ar ben yr haenau silicon, mae cynefin ocsid tryloyw antireflective (TCO) yn cael ei adneuo gan ddyddodiad anwedd ffisegol (PVD) a gwneir y casgliad tâl gan grid cysylltu â metel â sgrin. Ar yr ochr gefn, defnyddir stack casglu electron, ac mae'n cynnwys haen pasivation a-Si: H, silicon amorffaidd n-doped (y ddau a adneuwyd gan PECVD), haen TCO a haen cysylltu â metel ( a adneuwyd gan PVD).
| |
Ffigwr 2: Chwith: Diagram schematig o gelloedd solar heterojunction (nid i raddfa). Ar y dde: Diagram band electronig yn dywyll ar gydbwysedd celloedd solar heterojunction (nid i raddfa).
Mae Ffigur 3 yn dangos y prif bynciau ymchwil sy'n cael eu dilyn yn y grŵp ar hyn o bryd. Mae hyn yn deillio o hanfodion mecanwaith passivation, trwy ddatblygu cynlluniau cyswllt amgen i dynnu tâl trydanol (electronau) a thaliadau trydanol (tyllau) cadarnhaol, i ddatblygu pensaernļau dyfeisgar dyfeisgar ac astudiaeth o effaith amodau gweithredu ar y cynnyrch ynni o fodiwlau ffotofoltäig.
Ffigwr 3: Pynciau ymchwil gweithredol o amgylch celloedd solar heterojunction sy'n seiliedig ar Silicon.
Passivation arwyneb
Gwnaed datblygiadau diweddar mewn cynhyrchu ar raddfa fawr o silicon purdeb uchel a wnaed yn wydr silicon o ansawdd uchel yn hawdd ar gyfer cynhyrchu màs. Mae'r dwysedd diffyg isel mewn gwlybiau o'r fath yn gwneud arbedion effeithlonrwydd dros 25% i'w cyflawni ar gyfer pensaernïaeth ddyfeisiau priodol. Yr her gyntaf i wneud dyfais mor effeithlon yw sicrhau nad yw wyneb y wafer yn bresennol mewn diffygion gweithredol electronig. Gellir cyflawni goresgyniad arwyneb o'r fath mewn sawl ffordd, yr ymchwiliad mwyaf eang yn PV-Lab yw defnyddio silicon amorffaidd hydrogenedig (a-Si: H) sydd wedi'i adneuo gan plasma. Mae hyn yn profi i fod yn un o'r haenau mwyaf effeithlon i ddarparu goresgyniad eithriadol o dda, gan ganiatáu bywydau cludwr mawr iawn mewn gwifrau silicon, yn ogystal ag effeithlonrwydd cofnod uchel. Mae'r ffenomenau y tu ôl i ganiatâd arwynebedd o siwgr-Si: H (a'i aloidau ocsid a charbid), rôl hydrogen, effaith gwresogi neu oleuadau golau yn ymholiadau gwyddoniaeth diddorol sy'n gwneud y maes hwn yn dal yn weithgar iawn [Kobayashi2016].
Ffurfio cyswllt
Yr ail her wrth adeiladu celloedd solar hynod effeithlon o silicon wafer o ansawdd uchel yw'r casgliad dewisol o daliadau ffioedd cadarnhaol a negyddol mewn dau derfynellau gwahanu gofodol. Mae casgliad dethol o'r fath yn dibynnu ar bilenni electronig lled-dreiddiol, gan gynnig cysylltiad trydan gwrthsefyll isel ar gyfer un math o daliadau (ee electronau) tra'n rhwystro'r lleiafswm o ollyngiadau i'r math arall (tyllau). Mae'r defnydd o haenau silicon amffos wedi'i dorri (p-type a n-type a-Si: H) yn brofiad i fod yn ffordd hynod o effeithlon o ddarparu detholiad o'r fath gydag effeithlonrwydd y record byd a gafwyd gan ddefnyddio cysylltiadau o'r fath gan nifer o labordai a chwmnïau [DeWolf2012]. Mae'r ffilmiau hynny'n bresennol yn nifer o gyfyngiadau, gan gynnwys amsugno parasitig o ddetholiad ysgafn a di-ddelfrydol (yn enwedig ymwrthedd anhygoel i godi tâl echdynnu a chynhyrchu isel ochr). Mae datrys yr eiddo sylfaenol sy'n ofynnol ar gyfer cyswllt dewisol delfrydol (sy'n cynnwys deunyddiau ond hefyd eiddo rhyngwyneb) yn allweddol ar gyfer datblygu dyfeisiadau mwy effeithlon yn seiliedig ar brosesau symlach. Mae defnyddio deunyddiau addas nofel fel cysylltiadau cludwr-ddewisol yn bwnc gweithgar iawn i'r perwyl hwn ac mae dylunio a gwneuthur deunyddiau addas yn ffocws cryf y grŵp.
Pensaernïaeth
Celloedd solar di-dopant: Er bod syniad hir-fyw bod angen dyfais ffotofoltäig i gysylltiadau â pholarerau cyferbyniol i fod yn effeithlon, roedd dealltwriaeth ddiweddar o ffiseg celloedd solar yn awgrymu nad oedd yn wir: Gall sawl pensaernïaeth cyswllt ddarparu'n debyg dyfeisiau effeithlon. Mae'r arddangosiad arbrofol o gelloedd silicon crisialog hyd yn oed yn llawn dopant - sy'n defnyddio MoO 3 a MoG ychydig yn is-stoichiometrig fel cysylltiadau twll-ac electron-ddetholus - yn agor y ffordd tuag at bensaernïaeth ddyfeisiau cwbl newydd, gyda phrosesau llawer symlach ac yn hynod o lawer dyluniadau syml [Bullock2016].
Celloedd solar wedi'u cysylltu â chefn rhyngddiffiniedig (IBC): Er mwyn tynnu'r taliadau trydanol o gell solar silicon, mae angen cysylltiadau metel. Er bod casgliadau celloedd solar negyddol (electronau) a phennau positif (tyllau) yn cael eu casglu ar bob ochr i'r wafer, mae dyluniad IBC yn casglu'r ddau fath o dâl ar gefn y wafer. Mae hyn yn caniatáu gosod yr holl fetel sydd ei angen i dynnu'r taliadau hyn ar gefn y wafer, gan atal cysgodion a chaniatáu i gyfredol uwch gael ei gynhyrchu. Er ei fod yn syml mewn egwyddor, mae ymagwedd o'r fath yn cyflwyno nifer o heriau gwyddonol a thechnolegol [Tomasi2017].
Dyfeisiau ardal fach: Er bod celloedd cofnodi ar gyfer y rhan fwyaf o dechnolegau ffotofoltäig ar ddyfeisiau ardal fach (1 cm 2 neu islaw), cafwyd arbedion cofnod diweddar ar gyfer dyfeisiau silicon sy'n seiliedig ar wafr ar ardal lawer mwy> 100 cm 2 . Mae hyd gwasgariad mawr cludwyr ffotogeneiddio mewn silicon (fel arfer o raddfa milimedr) yn gwneud ailgyfuniad ymyl yn fater penodol, ac mae gwneuthuriad dyfeisiadau bach yn heriol. Gallai gwell dealltwriaeth o golledion sy'n gysylltiedig â'r ardal a datblygu pasio ymylol ganiatáu i ddyfeisiadau effeithlon ar gyfer ardaloedd bach gael eu gwneud yn ymlacio o ran metaleiddio.
Amodau gweithredu
Gwneir optimization cyffredin o gelloedd solar i gyrraedd y perfformiadau uchaf o dan amodau prawf safonol (25 ° C, 1000 W / m2, sbectrwm AM1.5). Nid yw amodau o'r fath yn gynrychioliadol o'r rhai a brofir yn y maes yn ystod y llawdriniaeth. Yn benodol, mae modiwlau wedi'u gosod mewn hinsawdd poeth a heulog yn profi lefel uchelradd uchel ond hefyd tymheredd gweithredu uchel sy'n niweidiol i'w hallbwn ynni. Fodd bynnag, gall tymereddau gweithredu uchel fod o fudd mewn achosion penodol i oresgyn rhwystrau thermionig a gwella cludiant arwystlon. Gall optimeiddio wedi'i deilwra ar gyfer amodau hinsoddol penodol ddarparu nifer o enillion egni blynyddol dros ddulliau safonol. Dangoswyd hefyd bod colledion ymwrthedd oherwydd cydgysylltu celloedd yn effeithio nid yn unig ar effeithlonrwydd y modiwl ond hefyd ar gyfernod tymheredd modiwlau, gan dynnu sylw at yr angen cryfach am gysylltiad gwrthsefyll isel mewn hinsoddau poeth.
