Heterojunction-Solarzellen auf Siliziumbasis

Von: https://pvlab.epfl.ch/

Hintergrund

Photovoltaik (PV) -Energie steht kurz davor, einer der wichtigsten globalen Energiequellen zu werden, und kristallines Silizium dominiert den Markt ohne nennenswerte Veränderungen in naher Zukunft. Heterojunction-Solarzellen auf Siliziumbasis (Si-HJT) sind ein heißes Thema in der kristallinen Silizium-Photovoltaik, da sie Solarzellen mit einem Rekord-Wirkungsgrad von bis zu 26,6% ermöglichen (1), siehe auch Yoshikawa et al., Nature Energy 2 2017 ). Der Schlüsselpunkt von Si-HJT ist die Verlagerung hoch rekombinationsaktiver Kontakte von der kristallinen Oberfläche durch Einfügen eines Films mit breiter Bandlücke. Um das volle Gerätepotential zu erreichen, sollte die Zustandsdichte der Hetero-Grenzfläche minimal sein. Praktischerweise sind hydrierte amorphe Silizium (a-Si: H) -Filme von nur wenigen Nanometern ansprechende Kandidaten dafür: Ihre Bandlücke ist breiter als die von c-Si, und wenn sie intrinsisch sind, können solche Filme die c-Si-Oberfläche reduzieren Zustandsdichte durch Hydrierung. Darüber hinaus können diese Filme relativ leicht dotiert werden, entweder vom n- oder vom p-Typ, wodurch die (lithografiefreie) Herstellung von Kontakten mit niedrigen Werten für die Sättigungsstromdichte ermöglicht wird. Mehrere Unternehmen haben beeindruckende Energieumwandlungswirkungsgrade (> 100 cm ² ) (~ 25%) gemeldet ( Tagushi et al., IEEE JPV 4, 2014 , Adachi et al., APL 104, 2015 …).

Abbildung 1: Monokristalline Siliziumsolarzellen zeichnen die Wirkungsgradentwicklung der letzten 20 Jahre auf.

Abbildung 2 zeigt eine Skizze und ein Banddiagramm einer typischen Heteroübergangs-Solarzelle. Das Basisgerät verfügt auf der Vorderseite (Beleuchtungsseite) nacheinander über eine intrinsische a-Si: H-Passivierungsschicht und einen p-dotierten amorphen Siliziumemitter, die beide durch Plasma abgeschieden werden verbesserte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD). Auf den Siliziumschichten wird durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) ein antireflektierendes transparentes leitfähiges Oxid (TCO) abgeschieden, und die Ladungssammlung erfolgt durch ein siebbedrucktes metallisches Kontaktgitter. Auf der Rückseite wird ein Elektronensammelstapel verwendet, der aus einer intrinsischen a-Si: H-Passivierungsschicht, einem dotierten amorphen n-Typ-Silizium (beide durch PECVD abgeschieden), einer TCO-Schicht und einer metallischen Kontaktschicht ( hinterlegt durch PVD).

Abbildung 2: Links: Schematische Darstellung einer Heteroübergangs-Solarzelle (nicht maßstabsgerecht). Rechts: Elektronisches Banddiagramm im Dunkeln im Gleichgewicht einer Heteroübergangs-Solarzelle (nicht maßstabsgerecht).

In Abbildung 3 sind die wichtigsten Forschungsthemen der Gruppe dargestellt. Dies reicht von den Grundlagen des Passivierungsmechanismus über die Entwicklung alternativer Kontaktschemata zur Extraktion der negativen (Elektronen) und positiven (Löcher) elektrischen Ladungen bis hin zur Entwicklung innovativer Gerätearchitekturen und der Untersuchung der Auswirkungen der Betriebsbedingungen auf den Energieertrag von Photovoltaik-Modulen.

Abbildung 3: Aktive Forschungsthemen rund um Silizium-basierte Heterojunction-Solarzellen.

Oberflächenpassivierung

Jüngste Fortschritte bei der Herstellung von hochreinem Silizium in großem Maßstab machten Siliziumwafer sehr hoher Qualität für die Massenproduktion leicht verfügbar. Die geringe Defektdichte solcher Wafer macht Wirkungsgrade von mehr als 25% für eine ordnungsgemäße Vorrichtungsarchitektur erreichbar. Die erste Herausforderung bei der Herstellung einer solchen Vorrichtung mit hohem Wirkungsgrad besteht darin, sicherzustellen, dass die Oberfläche des Wafers keine elektronisch aktiven Defekte aufweist. Eine solche Oberflächenpassivierung kann auf verschiedene Weise erreicht werden, wobei die Verwendung von im Plasma abgeschiedenem hydriertem amorphem Silizium (a-Si: H) am meisten in PV-Lab untersucht wurde. Dies stellt sich als eine der effizientesten Schichten für eine extrem gute Passivierung heraus, die eine sehr hohe Trägerlebensdauer in Siliziumwafern sowie eine Rekordhöchsteffizienz ermöglicht. Die Phänomene der Oberflächenpassivierung von a-Si: H (und seiner Oxid- und Carbidlegierungen), die Rolle von Wasserstoff, die Wirkung von Erwärmung oder Lichteinstrahlung sind faszinierende wissenschaftliche Befragungen, die dieses Feld immer noch sehr aktiv machen [Kobayashi2016].

Kontaktbildung

Die zweite Herausforderung beim Bau einer hocheffizienten Solarzelle aus einem hochwertigen Siliziumwafer ist die selektive Sammlung von positiven und negativen Ladungen an zwei räumlich getrennten Anschlüssen. Ein solches selektives Sammeln beruht auf semipermeablen elektronischen Membranen, die eine elektrische Verbindung mit niedrigem Widerstand für eine Ladungsart (z. B. Elektronen) bieten, während die andere Ladungsart (Löcher) mit minimaler Leckage blockiert. Die Verwendung von dotierten amorphen Siliziumschichten (p-Typ und a-Si: H vom n-Typ) erweist sich als äußerst effizienter Weg, um eine solche Selektivität mit Weltrekordeffizienzen zu erreichen, die unter Verwendung solcher Kontakte von mehreren Laboratorien und Unternehmen erzielt werden [DeWolf2012]. Diese Filme weisen mehrere Einschränkungen auf, einschließlich der parasitären Lichtabsorption und der nicht idealen Selektivität (insbesondere mit einem nicht zu vernachlässigenden Widerstand gegen Ladungsextraktion und geringer lateraler Leitfähigkeit). Die Entschlüsselung der grundlegenden Eigenschaften, die für einen idealen selektiven Kontakt erforderlich sind (sowohl Material als auch Schnittstelleneigenschaften), ist der Schlüssel für die Entwicklung effizienterer Geräte auf Basis einfacherer Prozesse. Die Anwendung neuartiger geeigneter Materialien als trägerselektiver Kontakte ist ein sehr aktives Thema in diesem Bereich. Die Entwicklung und Herstellung geeigneter Materialien ist ein starker Fokus der Gruppe.

Gerätearchitektur

Dotierstofffreie Solarzellen: Während eine langlebige Idee, dass eine Photovoltaik-Vorrichtung dotierte Kontakte mit entgegengesetzter Polarität erfordert, effizient ist, deutete ein neueres Verständnis der Physik von Solarzellen darauf hin, dass dies nicht der Fall war: Mehrere Kontaktarchitekturen können theoretisch ähnlich vorsehen effiziente Geräte. Die experimentelle Demonstration einer hocheffizienten, jedoch völlig Dotierstofffreien kristallinen Siliziumzelle - mit leicht unterstöchiometrischem MoO ₃ und LiF als loch- und elektronenselektiven Kontakten - eröffnet den Weg zu einer völlig neuen Bauelementarchitektur mit stark vereinfachten Prozessen und extrem einfache Designs [Bullock2016].

Interdigitierte rückkontaktierte (IBC) Solarzellen: Um elektrische Ladungen aus einer Siliziumsolarzelle abzuleiten, sind Metallkontakte erforderlich. Während bei der herkömmlichen Architektur Solarzellen negative (Elektronen) und positive (Löcher) Ladungen auf jeder Seite des Wafers gesammelt werden, sammelt das IBC-Design beide Ladungstypen auf der Rückseite des Wafers. Dies ermöglicht es, das gesamte Metall, das zum Ableiten dieser Ladungen erforderlich ist, auf der Rückseite des Wafers anzuordnen, wodurch Abschattungen verhindert werden und die Erzeugung eines höheren Stroms ermöglicht wird. Ein solcher Ansatz ist zwar im Prinzip einfach, bietet jedoch viele wissenschaftliche und technologische Herausforderungen [Tomasi2017].

Kleinflächengeräte: Während Rekordzellen für die meisten Photovoltaik-Technologien auf Kleinflächengeräten (1 cm ² oder darunter) erzielt werden, wurden in jüngster Zeit Rekordeffizienzen für Wafer-basierte Siliziumgeräte auf einer viel größeren Fläche> 100 cm ² erzielt. Die große Diffusionslänge von photogenerierten Trägern in Silizium (typischerweise im Millimeterbereich) macht die Kantenrekombination zu einem besonderen Problem, und die Herstellung kleiner Bauteile ist eine Herausforderung. Ein besseres Verständnis der flächenbezogenen Verluste und der Entwicklung der Kantenpassivierung könnte es ermöglichen, dass leistungsfähige Geräte mit kleiner Fläche die Anforderungen an die Metallisierung entspannen.

Betriebsbedingungen

Die übliche Optimierung von Solarzellen erfolgt unter Standardtestbedingungen (25 ° C, 1000 W / m2, AM1,5-Spektrum), um höchste Leistung zu erreichen. Solche Bedingungen sind nicht repräsentativ für diejenigen, die während des Betriebs auf dem Feld erfahren wurden. Insbesondere in heißen und sonnigen Klimazonen installierte Module erfahren eine hohe Einstrahlung, aber auch eine hohe Betriebstemperatur, die sich nachteilig auf die Energieabgabe auswirkt. Hohe Betriebstemperaturen können jedoch in bestimmten Fällen von Vorteil sein, um thermionische Barrieren zu überwinden und den Ladungstransport zu verbessern. Eine maßgeschneiderte Optimierung für bestimmte klimatische Bedingungen kann im Vergleich zu Standardansätzen einen jährlichen Energiegewinn von mehreren Prozent bieten. Es wurde auch gezeigt, dass Widerstandsverluste aufgrund der Zellenverbindung nicht nur die Moduleffizienz, sondern auch den Temperaturkoeffizienten der Module beeinflussen, was die Notwendigkeit einer niederohmigen Verbindung in heißen Klimazonen deutlich macht.