من: https://pvlab.epfl.ch/
خلفية
الطاقة الكهروضوئية (PV) هي على حافة أن تصبح واحدة من المصدر الرئيسي للطاقة العالمية ، والسيليكون البلوري قد هيمنت على السوق دون أي علامة على التغيير في المستقبل القريب. الخلايا الشمسية غير المتجانسة القائمة على السيليكون (Si-HJT) هي موضوع ساخن داخل الخلايا السليكونية الضوئية البلورية حيث أنها تسمح للخلايا الشمسية بتحويل كفاءة كفاءة السجل إلى 26.6٪ (الشكل 1 ، انظر أيضاً Yoshikawa et al.، Nature Energy 2 ، 2017 ). والنقطة الرئيسية لـ Si-HJT هي إزاحة الاتصالات عالية النشأة النشطة من السطح البلوري عن طريق إدخال فيلم ذي فجوة نطاق عريضة. للوصول إلى إمكانات الجهاز بالكامل ، يجب أن تكون كثافة حالة الواجهة غير المتجانسة ضئيلة. عمليا ، فإن السليكون الغير متبلور المهدرج (a-Si: H) من بضعة نانومترات فقط من السماكة يجتذب المرشحين لذلك: فجوة نطاقها أكبر من تلك التي في c-Si ، وعندما تكون هذه الأفلام الداخلية ، يمكن أن تقلل سطح c-Si كثافة الدولة عن طريق الهدرجة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تتدنس هذه الأفلام بسهولة نسبية ، إما من نوع n أو p ، مما يسمح بتصنيع الاتصالات (الخالية من الحجر) للاتصالات ذات قيم قياسية منخفضة لكثافة تشبع التيار. أبلغت العديد من الشركات عن كفاءة (100 سم 2 ) كبيرة في مجال تحويل الطاقة (~ 25٪) ( Tagushi et al.، IEEE JPV 4، 2014 ، Adachi et al. APL 104، 2015 …).
الشكل 1: تطور كفاءة الخلايا الشمسية السليكونية أحادية التطور في السنوات ال 20 الماضية.
رسم الشكل والرسم لخلية شمسية غير متجانسة نموذجية في الشكل 2. ميزات الجهاز الأساسية على الجانب الأمامي (الإضاءة) على التوالي طبقة a-Si الداخلية: H ، وعازف السيليكون غير المتبلور p-doped الذي ترسبه البلازما ترسيب بخار كيميائي معزّز (PECVD). فوق طبقات السليكون ، يتم ترسيخ أوكسيد موصل شفاف مضاد للانعكاس (TCO) من خلال ترسيب البخار الفيزيائي (PVD) ويتم جمع الشحنة من خلال شبكة اتصال معدنية مطبوعة على الشاشة. على الجانب الخلفي ، يتم استخدام كومة تجميع الإلكترونات ، وتتكون من طبقة مدمجة في نظام A-Si: H ، و siliconon غير متبلور من النوع n المبلوط (كل من PECVD) ، طبقة TCO وطبقة تلامسية معدنية ( أودعت من قبل PVD).
| |
الشكل 2: يسار: رسم تخطيطي لخلية شمسية غير متجانسة (وليس على مقياس). اليمين: مخطط النطاق الإلكتروني في الظلام عند توازن خلية شمسية غير متجانسة (وليس على مقياس).
يعرض الشكل 3 الموضوعات الرئيسية للبحث الذي يتم متابعته حاليًا في المجموعة. وينطلق هذا من أساسيات آلية التخميل ، من خلال تطوير خطط الاتصال البديلة لاستخراج الشحنة الكهربائية (الإلكترونات) والإيجابية (الثقوب) ، إلى تطوير معماريات الأجهزة المبتكرة ودراسة تأثير ظروف التشغيل على مردود الطاقة. من الوحدات الكهروضوئية.
الشكل 3: موضوعات بحثية نشطة حول الخلايا الشمسية غير المتجانسة القائمة على السيليكون.
التخميل السطحي
جعلت التطورات الحديثة في الإنتاج على نطاق واسع للسيليكون عالي النقاوة رقاقة سيليكون عالية الجودة متوفرة بسهولة للإنتاج بالجملة. انخفاض كثافة العيوب في هذه الرقائق يجعل الكفاءة أكثر من 25 ٪ قابلة للتحقيق من أجل بنية الجهاز المناسبة. التحدي الأول لجعل مثل هذا الجهاز عالي الكفاءة هو التأكد من أن سطح الرقاقة لا يقدم عيوبا نشطة إلكترونيا. ويمكن تحقيق مثل هذا التخميل السطحي بطرق مختلفة ، وأكثرها دراسة على نطاق واسع في PV-Lab هي استخدام السيليكون غير المتبلور المهدرج البلازما المودعة (أ- Si: H). هذا يثبت أنه أحد أكثر الطبقات كفاءة لتوفير تخميل جيد للغاية ، مما يسمح بأعمار كبيرة جدًا في رقائق السيليكون ، بالإضافة إلى كفاءات عالية جدًا. إن الظواهر وراء التخميل السطحي من السي: H (وأكسيدها وكربيد السبائك) ، ودور الهيدروجين ، وتأثير التسخين أو الإضاءة الخفيفة هي استجوابات علمية رائعة تجعل هذا المجال لا يزال نشطًا للغاية [Kobayashi2016].
تشكيل الاتصال
التحدي الثاني عند بناء خلية شمسية عالية الكفاءة من رقاقة السيليكون عالية الجودة هي المجموعة الانتقائية من الشحنات الإيجابية والسلبية على محطتين منفصلتين مكانيًا. وتعتمد هذه المجموعة الانتقائية على الأغشية الإلكترونية شبه المنفصلة ، مما يوفر اتصالاً كهربائياً منخفض المقاومة لنوع واحد من الشحنات (مثل الإلكترونات) ، بينما يتم حجبه مع الحد الأدنى من التسرب من النوع الآخر (الثقوب). يثبت استخدام طبقات السليكون غير المتبلورة المفلسة (p-type و n-type a-Si: H) أنه طريقة فعالة للغاية لتوفير مثل هذه الانتقائية بكفاءات عالمية قياسية تم الحصول عليها باستخدام مثل هذه الاتصالات من قبل العديد من المختبرات والشركات [DeWolf2012]. تعرض هذه الأفلام العديد من القيود ، بما في ذلك الامتصاص الطفيلي للضوء والانتقائية غير المثالية (مع مقاومة لا تقارن لاستخراج الشحنة وانخفاض التوصيل الجانبي). يعد كشف الخواص الأساسية المطلوبة لجهة الاتصال المثالية (بما في ذلك المواد ولكن أيضًا خصائص الواجهة) هو المفتاح لتطوير أجهزة أكثر كفاءة تعتمد على عمليات أبسط. إن تطبيق مواد مناسبة جديدة كجهات اتصال انتقائية من جانب الناقل هو موضوع نشط للغاية لتحقيق هذه الغاية ، كما أن تصميم وتصنيع المواد المناسبة هو تركيز قوي للمجموعة.
بنية الجهاز
الخلايا الشمسية الخالية من الإشعاع: في حين أن فكرة طويلة الأمد تتطلب جهازًا ضوئيًا يتطلب اتصالات مختبرة للأقطاب المتعاكسة لتكون فعالة ، فإن الفهم الأخير لفيزياء الخلايا الشمسية يشير إلى أن الأمر لم يكن صحيحًا: يمكن أن توفر العديد من معماريات الاتصال نظريًا بالمثل. أجهزة فعالة. إن العرض التجريبي لخلية سليكون بلورية خالية من الكواشف عالية الكفاءة ولكن خالية تمامًا من الشوائب - باستخدام مقياس MoO 3 غير متساوي القياس من الباطن قليلًا و LiF كجهات اتصال منتقمة على شكل ثقب وإلكترون - يفتح الطريق نحو بنية جديدة تمامًا للأجهزة ، مع عمليات مبسطة جدًا للغاية تصاميم بسيطة [Bullock2016].
خلايا شمسية متشابكة متصلة (IBC) متصلة: لاستخراج الشحنات الكهربائية من خلية شمسية من السيليكون ، مطلوب اتصالات معدنية. في حين يتم تجميع الخلايا السالبة في العمارة التقليدية (الإلكترونات) والإيجابية (الثقوب) على كل جانب من جوانب الرقاقة ، يقوم تصميم IBC بجمع كلا نوعي الشحن في الجزء الخلفي من الرقاقة. هذا يسمح بوضع كل المعدن المطلوب لاستخراج هذه الشحنات على الجزء الخلفي من الرقاقة ، وبالتالي منع التظليل والسماح بتوليد تيار أعلى. في حين أنه من حيث المبدأ بسيط ، يقدم هذا النهج العديد من التحديات العلمية والتكنولوجية [Tomasi2017].
الأجهزة الصغيرة: في حين يتم الحصول على خلايا قياسية لمعظم التقنيات الضوئية على الأجهزة الصغيرة (1 سم 2 أو أقل) ، تم الحصول على كفاءات قياسية حديثة لأجهزة السيليكون المستندة إلى رقاقة على مساحة أكبر بكثير> 100 سم 2 . إن طول الانتشار الكبير للحوامل المزودة بنسيج ضوئي في السيليكون (عادة بحجم مليمتر) يجعل إعادة تجميع الحواف مسألة معينة ، وتصنيع الأجهزة الصغيرة تحديًا. إن الفهم الأفضل للخسائر المرتبطة بالمنطقة وتطوير التخميل الحديدي يمكن أن يسمح بكفاءة الأجهزة ذات المساحة الصغيرة ليتم جعلها تحتاج إلى إسترخاء من حيث المعدنة.
ظروف التشغيل
يتم إجراء التحسين الشائع للخلايا الشمسية للوصول إلى أعلى أداء في ظل ظروف الاختبار القياسية (25 درجة مئوية ، 1000 واط / م 2 ، طيف AM1.5). هذه الشروط ليست ممثلة لتلك الموجودة في الميدان خلال العملية. وعلى وجه الخصوص ، فإن الوحدات المركبة في المناخات المشمسة والحارة تشهد مستوى إشعاع عالي ولكن أيضًا درجة حرارة تشغيلية عالية تضر بضخها من الطاقة. ومع ذلك ، يمكن أن تكون درجات حرارة التشغيل العالية مفيدة في حالات معينة للتغلب على الحواجز الحرارية وتحسين نقل الشحنة. التحسين المعتمد لظروف مناخية محددة يمكن أن يوفر ربحًا سنويًا للطاقة بنسبة عدة بالمائة مقارنة بالمناهج القياسية. وقد تبين أيضًا أن خسائر المقاومة الناتجة عن التوصيل البيني الخلوي لا تؤثر فقط على كفاءة الوحدة ولكن أيضًا على معامل درجة الحرارة للوحدات ، مما يسلط الضوء على الحاجة الأقوى إلى الترابط المنخفض المقاومة في المناخات الحارة.