เซลล์แสงอาทิตย์ Heterojunction ที่ใช้ซิลิคอน

พื้นหลัง

พลังงานแสงอาทิตย์ (PV) กำลังกลายเป็นหนึ่งในแหล่งพลังงานหลักของโลกและผลึกซิลิคอนได้ครองตลาดโดยไม่มีสัญญาณของการเปลี่ยนแปลงในอนาคตอันใกล้ เซลล์แสงอาทิตย์เฮเทอโรอิเล็กทริกที่ใช้ซิลิคอน (Si-HJT) เป็นหัวข้อร้อนในผลึกซิลิคอนเซลล์แสงอาทิตย์เนื่องจากช่วยให้เซลล์แสงอาทิตย์ที่มีการแปลงพลังงานบันทึกประสิทธิภาพสูงถึง 26.6% (รูปที่ 1 ดู Yoshikawa et al., Nature Energy 2 , 2017 ) จุดสำคัญของ Si-HJT คือการกำจัดของหน้าสัมผัสที่มีการรวมตัวกันอีกครั้งอย่างรวดเร็วจากพื้นผิวผลึกโดยการแทรกฟิล์มที่มีแถบกว้าง เพื่อให้ได้อุปกรณ์ที่มีศักยภาพเต็มที่ความหนาแน่นของสถานะส่วนต่อประสานอินเตอร์เฟสควรน้อยที่สุด ฟิล์มไฮโดรเจน (a-Si: H) ที่เติมไฮโดรเจนแล้วมีความหนาเพียงไม่กี่นาโนเมตรเท่านั้นที่น่าสนใจสำหรับผู้สมัคร: bandgap ของพวกมันกว้างกว่าของ c-Si และเมื่ออยู่ภายในเนื้อแท้ฟิล์มดังกล่าวสามารถลดพื้นผิว c-Si ความหนาแน่นของรัฐโดยไฮโดรจิเนชัน นอกจากนี้ฟิล์มเหล่านี้สามารถเจือได้ค่อนข้างง่ายทั้ง n- หรือ p-type ทำให้สามารถผลิต (ไม่พิมพ์หิน) ของหน้าสัมผัสที่มีค่าต่ำเป็นประวัติการณ์สำหรับความหนาแน่นกระแสอิ่มตัว พื้นที่ขนาดใหญ่ที่น่าประทับใจ (> 100 ซม. 2 ) ประสิทธิภาพการแปลงพลังงาน (~ 25%) ได้รับการรายงานโดยหลาย บริษัท ( Tagushi et al., IEEE JPV 4, 2014 , Adachi et al. APL 104, 2015 …)

image

รูปที่ 1: วิวัฒนาการประสิทธิภาพการบันทึกเซลล์แสงอาทิตย์ซิลิคอน monocrystalline ในช่วง 20 ปีที่ผ่านมา

 

ภาพร่างและแผนภาพไดอะแกรมของเซลล์สุริยะแบบ heterojunction ทั่วไปได้รับในรูปที่ 2 คุณลักษณะของอุปกรณ์พื้นฐานที่อยู่ด้านหน้า (ไฟส่องสว่าง) ด้านข้างติดกันอย่างต่อเนื่อง a-Si: H ชั้นฟิล์มทู่และตัวส่งซิลิกอนอสัณฐาน การเพิ่มประสิทธิภาพการสะสมไอสารเคมี (PECVD) ด้านบนของชั้นซิลิกอนออกไซด์โปร่งใสที่เป็นตัวนำไฟฟ้า (TCO) จะถูกสะสมโดยการสะสมของไอทางกายภาพ (PVD) และการเก็บประจุทำโดยตารางการสัมผัสโลหะที่พิมพ์บนหน้าจอ ด้านหลังใช้สแต็กสะสมอิเล็กตรอนและประกอบด้วยชั้น a-Si: H ที่เป็นชั้นฟิล์มพาสซิฟอะมอร์ฟัสซิสต์ชนิด n เจือ (ทั้งคู่ฝากโดย PECVD) ชั้น TCO และชั้นโลหะที่สัมผัสได้ ( ฝากโดย PVD)

image image

รูปที่ 2: ซ้าย: แผนผังแผนผังของเซลล์สุริยะที่แยกส่วน (ไม่ขยาย) ขวา: แผนภาพแถบอิเล็กทรอนิกส์ในที่มืดที่สมดุลของเซลล์สุริยะแบบเฮเทอโรเซชัน (ไม่ขยาย)

รูปที่ 3 แสดงหัวข้อหลักของการวิจัยที่ติดตามในกลุ่มในปัจจุบัน สิ่งนี้มาจากพื้นฐานของกลไกทู่ผ่านการพัฒนารูปแบบการสัมผัสทางเลือกเพื่อแยกประจุไฟฟ้าลบ (อิเล็กตรอน) และประจุบวก (หลุม) ไปสู่การพัฒนาสถาปัตยกรรมอุปกรณ์ที่เป็นนวัตกรรมและการศึกษาผลกระทบของสภาวะการทำงานต่อผลผลิตพลังงาน ของแผงเซลล์แสงอาทิตย์

image

รูปที่ 3: หัวข้อการวิจัยเชิงรุกเกี่ยวกับเซลล์สุริยะเทอร์โมจิฟายด์เฮกเทอโรชัน

ทู่พื้นผิว

ความก้าวหน้าล่าสุดในการผลิตขนาดใหญ่ของซิลิคอนที่มีความบริสุทธิ์สูงทำให้ซิลิคอนเวเฟอร์ที่มีคุณภาพสูงมากพร้อมสำหรับการผลิตจำนวนมาก ความหนาแน่นของข้อบกพร่องต่ำในเวเฟอร์ดังกล่าวทำให้ประสิทธิภาพมากกว่า 25% สามารถทำได้สำหรับสถาปัตยกรรมอุปกรณ์ที่เหมาะสม ความท้าทายแรกในการสร้างอุปกรณ์ที่มีประสิทธิภาพสูงนี้คือการทำให้แน่ใจว่าพื้นผิวของแผ่นเวเฟอร์ไม่ได้แสดงข้อบกพร่องทางอิเล็กทรอนิกส์ ทู่พื้นผิวดังกล่าวสามารถทำได้ในหลายวิธีการตรวจสอบอย่างกว้างขวางที่สุดใน PV-Lab คือการใช้ซิลิกอนอสัณฐานไฮโดรเจนที่สะสมในพลาสมา (a-Si: H) สิ่งนี้พิสูจน์ให้เห็นว่าเป็นหนึ่งในเลเยอร์ที่มีประสิทธิภาพที่สุดในการส่งผ่านฟิล์มที่ดีมากทำให้อายุการใช้งานของพาหะใหญ่ในแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนรวมทั้งประสิทธิภาพที่สูงเป็นประวัติการณ์ ปรากฏการณ์ที่อยู่เบื้องหลังการเคลือบผิวจาก a-Si: H (และออกไซด์และอัลลอยด์คาร์ไบด์), บทบาทของไฮโดรเจน, ผลของความร้อนหรือแสงส่องสว่างเป็นการสอบสวนทางวิทยาศาสตร์ที่น่าสนใจซึ่งทำให้สนามนี้ยังคงใช้งานได้มาก [Kobayashi2016]

การก่อตัวของการติดต่อ

ความท้าทายที่สองเมื่อสร้างเซลล์สุริยะที่มีประสิทธิภาพสูงจากซิลิคอนเวเฟอร์คุณภาพสูงคือการรวบรวมประจุบวกและลบที่ขั้วแยกสองขั้ว คอลเลคชั่นที่เลือกดังกล่าวอาศัยเมมเบรนอิเล็กทรอนิกส์แบบดูดซึมได้ซึ่งให้การเชื่อมต่อไฟฟ้าที่มีความต้านทานต่ำสำหรับประจุชนิดหนึ่ง (เช่นอิเล็กตรอน) ในขณะที่บล็อกด้วยการรั่วไหลน้อยที่สุด (รู) การใช้ชั้นซิลิกอนอสัณฐานเจือแบบเจือ (p-type และ n-type a-Si: H) พิสูจน์แล้วว่าเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพอย่างมากในการให้การเลือกเช่นนี้กับประสิทธิภาพการบันทึกสถิติโลกที่ได้รับจากการใช้การติดต่อจากห้องปฏิบัติการและ บริษัท ต่างๆ [DeWolf2012] ภาพยนตร์เหล่านั้นมีข้อ จำกัด หลายประการรวมถึงการดูดซึมของกาฝากของแสงและการเลือกสรรที่ไม่เหมาะ (โดยเฉพาะอย่างยิ่งความต้านทานที่ไม่สำคัญต่อการแยกประจุและการนำกระแสต่ำด้านข้าง) การเปิดเผยคุณสมบัติพื้นฐานที่จำเป็นสำหรับการติดต่อแบบเลือกอย่างเหมาะสม (เกี่ยวข้องกับวัสดุ แต่ยังมีคุณสมบัติการเชื่อมต่อ) เป็นกุญแจสำคัญสำหรับการพัฒนาอุปกรณ์ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นโดยใช้กระบวนการที่ง่ายกว่า การใช้วัสดุที่เหมาะสมกับนวนิยายในฐานะผู้ติดต่อที่เลือกผู้ให้บริการเป็นหัวข้อที่มีความกระตือรือร้นมากในตอนนี้และการออกแบบและผลิตวัสดุที่เหมาะสมเป็นจุดสนใจที่สำคัญของกลุ่ม

สถาปัตยกรรมอุปกรณ์

เซลล์แสงอาทิตย์ปลอดสารเจือปน: ในขณะที่ความคิดที่ยาวนานว่าอุปกรณ์ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์จำเป็นต้องมีการสัมผัสกับขั้วของขั้วตรงข้ามที่มีประสิทธิภาพความเข้าใจล่าสุดของฟิสิกส์ของเซลล์แสงอาทิตย์แนะนำว่ามันไม่ใช่กรณี: สถาปัตยกรรมการติดต่อหลายแห่งสามารถให้เหตุผลในทำนองเดียวกัน อุปกรณ์ที่มีประสิทธิภาพ การสาธิตการทดลองของเซลล์ซิลิกอนผลึกที่มีประสิทธิภาพสูงและไม่มีสารเจือปนโดยใช้ MoO 3 และ LiF เป็น sub-stoichiometric เล็กน้อยและ LiF ในการสัมผัสกับรูและอิเล็กตรอนเลือกเปิดถนนสู่สถาปัตยกรรมอุปกรณ์ใหม่ทั้งหมดด้วยกระบวนการที่ง่ายมาก การออกแบบที่เรียบง่าย [Bullock2016]

เซลล์สุริยะแบบสัมผัสด้านหลัง (IBC): ในการแยกค่าไฟฟ้าจากเซลล์แสงอาทิตย์ซิลิคอนจำเป็นต้องมีหน้าสัมผัสโลหะ ในขณะที่ประจุโซลาร์เซลล์แบบดั้งเดิมที่มีประจุลบ (อิเล็กตรอน) และประจุบวก (รู) จะถูกเก็บรวบรวมที่ด้านข้างของแผ่นเวเฟอร์การออกแบบ IBC จะทำการเก็บประจุทั้งสองชนิดที่ด้านหลังของแผ่นเวเฟอร์ สิ่งนี้ช่วยให้สามารถวางโลหะทั้งหมดที่ต้องการเพื่อแยกประจุเหล่านี้ที่ด้านหลังของแผ่นเวเฟอร์ดังนั้นจึงป้องกันการเกิดเงาและทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าที่สูงขึ้น ในขณะที่ใช้หลักการง่ายๆวิธีการดังกล่าวนำเสนอความท้าทายทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีมากมาย [Tomasi2017]

อุปกรณ์ขนาดเล็ก: ใน ขณะที่เซลล์บันทึกสำหรับเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์ส่วนใหญ่ได้มาจากอุปกรณ์ขนาดเล็ก (1 ซม. 2 หรือต่ำกว่า) ประสิทธิภาพการบันทึกล่าสุดสำหรับอุปกรณ์ซิลิกอนที่ใช้แผ่นเวเฟอร์ได้รับในพื้นที่ขนาดใหญ่กว่า> 100 ซม. ความยาวการกระจายขนาดใหญ่ของพาหะนำแสงแบบ photogenerated ในซิลิคอน (โดยทั่วไปจะมีขนาดเป็นมิลลิเมตร) ทำให้การรวมตัวกันของขอบเป็นปัญหาเฉพาะและการสร้างอุปกรณ์ขนาดเล็กที่ท้าทาย ความเข้าใจที่ดีขึ้นเกี่ยวกับการสูญเสียที่เกี่ยวข้องกับพื้นที่และการพัฒนาของทู่ขอบอาจช่วยให้อุปกรณ์ขนาดเล็กที่มีประสิทธิภาพที่จะทำให้ความต้องการผ่อนคลายในแง่ของการ metallization

เงื่อนไขการใช้งาน

การปรับให้เหมาะสมร่วมกันของเซลล์แสงอาทิตย์ถูกสร้างขึ้นเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุดภายใต้เงื่อนไขการทดสอบมาตรฐาน (25 ° C, 1,000 W / m2, AM1.5 สเปกตรัม) เงื่อนไขดังกล่าวไม่ได้เป็นตัวแทนของคนที่มีประสบการณ์ในสนามระหว่างการดำเนินการ โดยเฉพาะอย่างยิ่งโมดูลที่ติดตั้งในสภาพอากาศร้อนและแดดจัดจะมีระดับการฉายรังสีสูง แต่ยังมีอุณหภูมิในการทำงานที่สูงซึ่งเป็นอันตรายต่อการส่งออกพลังงาน อย่างไรก็ตามอุณหภูมิที่สูงในการใช้งานอาจเป็นประโยชน์ในบางกรณีเพื่อเอาชนะอุปสรรคความร้อนและปรับปรุงการขนส่งประจุ การปรับให้เหมาะสมที่สุดสำหรับสภาพภูมิอากาศที่เฉพาะเจาะจงสามารถให้พลังงานได้หลายเปอร์เซ็นต์ต่อปีมากกว่าวิธีมาตรฐาน นอกจากนี้ยังแสดงให้เห็นว่าการสูญเสียความต้านทานเนื่องจากผลกระทบของการเชื่อมต่อโครงข่ายไม่เพียง แต่ประสิทธิภาพของโมดูล แต่ยังรวมถึงค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของโมดูลโดยเน้นถึงความต้องการที่แข็งแกร่งสำหรับการเชื่อมต่อโครงข่ายที่มีความต้านทานต่ำ

 

อ้างอิง : http://th.dsisolar.com/info/silicon-based-heterojunction-solar-cells-31932791.html