از: https://pvlab.epfl.ch/
زمینه
انرژی فوتوولتاسیون (PV) در لبه تبدیل شدن به یکی از اصلی ترین منبع انرژی جهانی قرار دارد و سیلیکون بلورین در بازار به هیچ وجه نشانه ای از تغییر در آینده نزدیک به بازار نرسیده است. سلول های خورشیدی (Si-HJT) مبتنی بر سیلیکون موضوع داغ در فتوولتائیک سیلیکون بلوری است، زیرا سلول های خورشیدی با تبدیل انرژي قابل قبول به 26.6٪ اجازه می دهد (شکل 1، همچنین Yoshikawa et al.، Nature Energy 2 ، 2017 ). نقطه اصلی Si-HJT جابجایی مخاطب فعال بسیار نوترکیب از سطح بلورین با قرار دادن یک فیلم با نوار باند وسیع است. برای رسیدن به پتانسیل کامل دستگاه، تراکم حالت ناسازگار رابط باید حداقل باشد. عملا فیلم های سیلیکون آمورف هیدروژنه (a-Si: H) تنها چند نانومتر ضخامت نامزدهای جذابی برای این دارند: نوار باریک آنها از س س سی بسیار گسترده تر است و زمانی که ذاتا چنین فیلم هایی می توانند سطح سی-سی را کاهش دهند چگالی حالت توسط هیدروژناسیون. علاوه بر این، این فیلم ها می توانند نسبتا به راحتی، به صورت n- یا p-type doped شوند، که امکان ساخت (لیتوگرافی رایگان) ساختن مخاطب را با مقادیر پایین ثبت شده برای تراکم جریان اشباع فراهم می کند. چندین شرکت ( Tagushi و همکاران، IEEE JPV 4، 2014 ، Adachi و همکاران APL 104، 2015 ...) گزارش داده اند که کارایی های تبدیل انرژی (~ 25٪) بزرگ منطقه (> 100 سانتی متر) قابل توجه است.
شکل 1: تكامل كارايي سلول خورشيدي سلول خورشيدي مونوكلستيك سلولي در 20 سال گذشته.
یک نمودار اسکچ و باند یک سلول خورشیدی هتویجوی معمولی در شکل 2 نشان داده شده است. ویژگی های اساسی دستگاه در قسمت جلویی (روشنایی) به صورت پیوسته یک لایه passivation a-Si: H درونی و یک امیتر سیلیکونی آمورف P-doped هر دو توسط پلاسما افزایش پودر شیمیایی بخار (PECVD). در بالای لایه های سیلیکونی، اکسید رسانای شفاف ضد تار (TCO) توسط رسوب بخار فیزیکی (PVD) سپرده می شود و جمع آوری شارژ توسط یک شبکه تماس با فلز روی صفحه نمایش داده می شود. در قسمت پشت، یک پشته جمع آوری الکترون استفاده می شود و از یک لایه ورودی ذاتی a-Si: H، یک سیلیکون آمورف n-type doped (که توسط PECVD پوشیده شده)، یک لایه TCO و یک لایه تماس متال ( ذخیره شده توسط PVD).
| |
شکل 2: چپ: نمودار مختصری از سلول خورشیدی ناسازگاری (به مقیاس). راست: دیاگرام باند الکترونیکی در تاریکی در تعادل یک سلول خورشیدی هجایی (به مقیاس).
شکل 3 موضوعات اصلی تحقیقاتی که در حال حاضر در گروه دنبال می شوند را نشان می دهد. این امر از مبانی مکانیزم پاسیوژن جلوگیری می کند، از طریق ایجاد طرح های تماس های جایگزین برای استخراج عوارض منفی (الکترون) و مثبت (حفره ها) هزینه های الکتریکی، توسعه معماری نوآورانه دستگاه و مطالعه تاثیر شرایط عملیاتی بر عملکرد انرژی ماژول فتوولتائیک.
شکل 3: مباحث تحقیقاتی فعال در مورد سلولهای خورشیدی که دارای سیلیکن است، می باشد.
passivation سطح
پیشرفت های اخیر در تولید مقادیر بالای سیلیکون خلوص باعث تولید ویفر سیلیکونی بسیار با کیفیت شده در تولید انبوه شده است. چگالی کم نقص در چنین وفل ها باعث می شود تا کارایی بیش از 25٪ برای معماری مناسب دستگاه قابل دستیابی باشد. اولین چالش برای ساخت چنین دستگاهی با راندمان بالا این است که اطمینان حاصل شود که سطح ویفر نقاط فعال الکترونیکی را نشان نمی دهد. چنین پسیویته سطحی را می توان با روش های مختلف به دست آورد، که بیشترین آزمایش را در آزمایشگاه PV انجام می دهد که استفاده از سیلیکون آمورف هیدروژنه (a-Si: H) است. این ثابت می کند که یکی از کارآمدترین لایه ها برای ارائه پاسوات بسیار خوب است، که اجازه می دهد طول عمر حامل های بسیار زیادی در ورقه های سیلیکونی، و نیز راندمان بالا ثبت شود. پدیده هایی که پس از انفجار سطحی از a-Si: H (و اکسید و آلیاژهای کاربید آن)، نقش هیدروژن، اثر گرما یا روشنایی نور، مصاحبه های علمی جذاب است که این میدان را هنوز بسیار فعال می کند [Kobayashi2016].
شکل گیری تماس
چالش دوم هنگام ساخت یک سلول خورشیدی بسیار کارآمد از وایفای سیلیکونی با کیفیت بالا، جمع آوری انتخابی از بارهای مثبت و منفی در دو ترمینال جدا شده فضایی است. این مجموعه انتخابی مبتنی بر غشاهای الکترونیکی نیمه نفوذپذیر است، ارائه یک اتصال الکتریکی کم مقاومت برای یک نوع از اتهامات (به عنوان مثال الکترونها) و مسدود کردن با حداقل نشت دیگر نوع (سوراخ). استفاده از لایه های سیلیکونی آمورف doped (p-type و n-type a-Si: H) به عنوان یک روش بسیار کارآمد برای ارائه چنین انتخابی با کارایی ضبط شده در جهان از طریق چندین آزمایشگاه و شرکت [DeWolf2012] به دست می آید. این فیلم ها محدودیت های متعددی را شامل می شود، از جمله جذب انگلی از انتخاب نور و غیر ایده آل (به ویژه با مقاومت غیر قابل ملاحظه ای نسبت به استخراج شارژ و هدایت کم جانبی). رفع خواص بنیادی مورد نیاز برای تماس انتخاب ایده آل ایده آل (شامل مواد، بلکه ویژگی های رابط) کلید برای توسعه دستگاه های کارآمدتر بر اساس فرایندهای ساده است. استفاده از مواد مناسب جدید به عنوان مخاطب انتخابی حامل یک موضوع بسیار فعال برای این منظور است و طراحی و ساخت مواد مناسب تمرکز قوی در این گروه است.
معماری دستگاه
سلول های خورشیدی رایگان: در حالی که یک ایده طولانی مدت که یک دستگاه فتوولتائیک برای کارآیی مخاطبین doped از قطب های مخالف مورد نیاز بود، فهم جدیدی از فیزیک سلول های خورشیدی پیشنهاد کرد که این مورد نیست: چندین معماری تماس می توانند به لحاظ نظری به طور مشابه دستگاه های کارآمد تظاهرات آزمایشی سلول بلوری بلورین با استفاده از سلولهای سیلیکونی با دوام بالا و بدون استفاده از دوپینگ - با استفاده از کمپلکس های MoO 3 و LiF به عنوان مخاطب های سوراخ و الکترونی انتخابی - جاده ای را به سوی معماری کاملا جدیدی راه می دهد، طرح های ساده [Bullock2016].
سلولهای خورشیدی با تماس مستقیم با (IBC): برای استخراج اتهامات الکتریکی از یک سلول خورشیدی سیلیکونی، تماس های فلزی مورد نیاز است. در حالی که در سلول های خورشیدی سنتی، منفی (الکترون) و مثبت (سوراخ) در هر طرف ویفر جمع آوری می شوند، طراحی IBC هر دو نوع شارژ را در عقب ویفر جمع آوری می کند. این اجازه می دهد تا تمام فلز مورد نیاز برای استخراج این اتهامات را در عقب ویفر قرار دهد، بنابراین جلوگیری از سایه انداختن و ایجاد جریان بیشتر می شود. در حالی که در اصل ساده، چنین رویکرد بسیاری از چالش های علمی و تکنولوژیکی [Tomasi2017] را ارائه می دهد.
دستگاه های کوچک منطقه: در حالی که سلول های ثبت شده برای اکثر فن آوری های فتوولتائیک در دستگاه های کوچک (1 سانتیمتر یا کمتر) به دست آمده است، عملکرد ضبط اخیر برای دستگاه های سیلیکون مبتنی بر ویفر در منطقه بسیار بزرگتر> 100 سانتی متر بدست آمد. طول انتشار گسترده ی حامل های فتوگرامتری در سیلیکون (به طور معمول در مقیاس میلی متر) باعث ایجاد یک لنفوم بازسازی می شود و ساخت دستگاه های کوچک را به چالش می کشد. درک بهتر از زیان های ناشی از ناحیه و ایجاد انقباض لبه می تواند باعث شود که مکانیزم های کوچک منطقه ای به نیازمندی های آرامش بخش از لحاظ فلزیازی تبدیل شوند.
شرایط عملیاتی
بهینه سازی مشترک سلول های خورشیدی برای رسیدن به بالاترین عملکرد در شرایط آزمایش استاندارد (25 درجه سانتی گراد، 1000 W / m2، طیف AM1.5) ساخته شده است. چنین شرایطی نمایندگان کسانی نیستند که در حین عملیات در این زمینه تجربه کرده اند. به طور خاص، ماژول هایی که در آب و هوای گرم و آفتابی نصب می شوند، دارای سطح تابش بالا هستند، اما همچنین یک دمای بالا کار می کنند که برای تولید انرژی آنها زیان آور است. با این حال، دمای کار بالا می تواند در موارد خاص مفید باشد، برای غلبه بر موانع گرماسونی و بهبود حمل بار. بهینه سازی مناسب برای شرایط خاص آب و هوایی می تواند بیش از یک درصد سود سالانه انرژی را در مقایسه با روش های استاندارد فراهم کند. همچنین نشان داده شده است که تلفات مقاومت به علت اتصال به شبکه، نه تنها به کارآیی ماژول، بلکه ضریب دما ماژول ها را نیز تحت تأثیر قرار می دهد، که نشان دهنده نیاز قوی تر به اتصال کم مقاومت در هوای گرم است.
