Heterojunction Solar Cells a base de silicio

- Jan 15, 2019-

Desde: https://pvlab.epfl.ch/

Fondo

La energía fotovoltaica (PV) está a punto de convertirse en una de las principales fuentes mundiales de energía, y el silicio cristalino ha estado dominando el mercado sin signos de cambio en el futuro cercano. Las células solares de heterounión a base de silicio (Si-HJT) son un tema candente dentro del silicio fotovoltaico cristalino, ya que permite que las células solares tengan una conversión de energía de eficiencia de registro de hasta el 26,6% (Fig. 1, véase también Yoshikawa et al., Nature Energy 2 , 2017 ). El punto clave de Si-HJT es el desplazamiento de contactos altamente activos de recombinación de la superficie cristalina mediante la inserción de una película con un ancho de banda amplio. Para alcanzar el potencial completo del dispositivo, la densidad del estado de interfaz hetero debe ser mínima. Prácticamente, las películas de silicio amorfo hidrogenado (a-Si: H) de solo unos pocos nanómetros de grosor son candidatos atractivos para esto: su intervalo de banda es más amplio que el de c-Si y, cuando son intrínsecas, tales películas pueden reducir la superficie de c-Si Densidad de estado por hidrogenación. Además, estas películas se pueden dopar con relativa facilidad, ya sea de tipo n o p, lo que permite la fabricación (libre de litografía) de contactos con valores de registro bajo para la densidad de corriente de saturación. Varias empresas ( Tagushi et al., IEEE JPV 4, 2014 , Adachi et al. APL 104, 2015 ...) han informado de impresionantes eficiencias de conversión de energía de área grande (> 100 cm 2 ).

image

Figura 1: Evolución de la eficiencia del registro de células solares de silicio monocristalino en los últimos 20 años.

 

En la Figura 2 se muestran un croquis y un diagrama de bandas de una célula solar de heterounión típica. Las características básicas del dispositivo en el lado frontal (iluminación) son sucesivamente una capa de pasivación intrínseca a-Si: H y un emisor de silicio amorfo dopado ambos depositados por plasma. Deposición química de vapor mejorada (PECVD). En la parte superior de las capas de silicona, se deposita un óxido conductor transparente transparente (TCO) por deposición física de vapor (PVD) y la recolección de la carga se realiza mediante una rejilla de contacto metálica serigrafiada. En el lado posterior, se utiliza una pila de recolección de electrones, y está compuesta por una capa de pasivación intrínseca a-Si: H, un silicio amorfo de tipo n dopado (ambos depositados por PECVD), una capa de TCO y una capa de contacto metálica ( depositado por PVD).

image

image

Figura 2: Izquierda: Diagrama esquemático de una célula solar de heterounión (no a escala). Derecha: diagrama de banda electrónico en la oscuridad en el equilibrio de una célula solar heterounión (no a escala).

La Figura 3 muestra los principales temas de investigación actualmente perseguidos en el grupo. Esto va desde los fundamentos del mecanismo de pasivación, pasando por el desarrollo de esquemas de contacto alternativos para extraer las cargas eléctricas negativas (electrones) y positivas (agujeros), hasta el desarrollo de arquitecturas innovadoras de dispositivos y el estudio del impacto de las condiciones operativas en el rendimiento energético. de módulos fotovoltaicos.


image

Figura 3: Temas de investigación activa en torno a células solares de heterounión basadas en silicio.


Pasivación de la superficie

Los recientes avances en la producción a gran escala de silicio de alta pureza hacen que la oblea de silicio de muy alta calidad esté disponible para la producción en masa. La baja densidad de defectos en dichas obleas hace que se puedan alcanzar eficiencias de más del 25% para la arquitectura adecuada del dispositivo. El primer desafío para fabricar este dispositivo de alta eficiencia es garantizar que la superficie de la oblea no presente defectos activos de manera electrónica. Dicha pasivación de la superficie se puede lograr de varias maneras, la más investigada en PV-Lab es el uso de silicio amorfo hidrogenado depositado en plasma (a-Si: H). Esto demuestra ser una de las capas más eficientes para proporcionar una pasivación extremadamente buena, lo que permite una vida útil muy grande de los portadores en obleas de silicio, así como eficiencias récord. Los fenómenos detrás de la pasivación de la superficie de a-Si: H (y sus aleaciones de óxido y carburo), el papel del hidrógeno, el efecto del calentamiento o la iluminación con luz son interrogantes científicos fascinantes que hacen que este campo sea muy activo [Kobayashi2016].

Formacion de contacto

El segundo desafío al construir una célula solar altamente eficiente a partir de una oblea de silicio de alta calidad es la recolección selectiva de cargas positivas y negativas en dos terminales separadas espacialmente. Dicha recolección selectiva se basa en membranas electrónicas semipermeables, que ofrecen una conexión eléctrica de baja resistencia para un tipo de cargas (p. Ej., Electrones), mientras que bloquean con una fuga mínima el otro tipo (orificios). El uso de capas de silicio amorfo dopadas (tipo p y tipo n a-Si: H) demuestra ser una forma extremadamente eficiente de proporcionar dicha selectividad con las eficiencias de registro mundial obtenidas mediante contactos de varios laboratorios y compañías [DeWolf2012]. Esas películas presentan varias limitaciones, que incluyen la absorción parásita de la luz y la selectividad no ideal (especialmente con una resistencia no despreciable a la extracción de carga y una conducción lateral baja). Desentrañar las propiedades fundamentales requeridas para un contacto selectivo ideal (que involucra material pero también propiedades de interfaz) es clave para desarrollar dispositivos más eficientes basados en procesos más simples. La aplicación de nuevos materiales adecuados como contactos selectivos de portadores es un tema muy activo para este fin y el diseño y la fabricación de materiales adecuados es un foco importante del grupo.

Arquitectura del dispositivo

Células solares libres de dopantes: si bien una idea de larga duración de que un dispositivo fotovoltaico requería contactos dopados de polaridades opuestas para ser eficiente, una reciente comprensión de la física de las células solares sugiere que no fue así: varias arquitecturas de contacto pueden proporcionar teóricamente algo similar Dispositivos eficientes. La demostración experimental de una célula de silicio cristalino de alta eficiencia pero totalmente libre de dopantes, que utiliza MoO 3 y LiF ligeramente estequiométricos como contactos selectivos de agujeros y electrones, abre el camino hacia una arquitectura de dispositivo completamente nueva, con procesos muy simplificados y extremadamente Diseños sencillos [Bullock2016].

Células solares interdigitadas con contacto trasero (IBC): para extraer las cargas eléctricas de una célula solar de silicio, se requieren contactos metálicos. Mientras que en las celdas solares de arquitectura tradicional las cargas negativas (electrones) y positivas (orificios) se recolectan en cada lado de la oblea, el diseño del IBC recoge ambos tipos de carga en la parte posterior de la oblea. Esto permite colocar todo el metal requerido para extraer estas cargas en la parte posterior de la oblea, evitando así el sombreado y permitiendo que se genere una corriente más alta. Aunque simple en principio, este enfoque presenta muchos desafíos científicos y tecnológicos [Tomasi2017].

Dispositivos de área pequeña: mientras que las células de registro para la mayoría de las tecnologías fotovoltaicas se obtienen en dispositivos de área pequeña (1 cm 2 o inferior), las eficiencias de registro recientes para dispositivos de silicio basados en obleas se obtuvieron en un área mucho mayor> 100 cm 2 . La gran longitud de difusión de los portadores fotogenerados en silicio (generalmente en escala milimétrica) hace que la recombinación de bordes sea un problema particular, y la fabricación de pequeños dispositivos es un desafío. Una mejor comprensión de las pérdidas relacionadas con el área y el desarrollo de la pasivación del borde podrían permitir que los dispositivos eficientes de áreas pequeñas se conviertan en necesidades relajantes en términos de metalización.

Condiciones de operación

La optimización común de las células solares se realiza para alcanzar los rendimientos más altos en condiciones de prueba estándar (25 ° C, 1000 W / m2, espectro AM1.5). Tales condiciones no son representativas de las experimentadas en el campo durante la operación. En particular, los módulos instalados en climas cálidos y soleados experimentan un alto nivel de irradiación pero también una alta temperatura de funcionamiento que es perjudicial para su producción de energía. Sin embargo, las altas temperaturas de operación pueden ser beneficiosas en casos particulares para superar las barreras termoiónicas y mejorar el transporte de carga. La optimización adaptada para condiciones climáticas específicas puede proporcionar un porcentaje de ganancia anual de energía superior a los enfoques estándar. También se demostró que las pérdidas de resistencia debidas a la interconexión de celda afectan no solo la eficiencia del módulo, sino también el coeficiente de temperatura de los módulos, lo que destaca la mayor necesidad de interconexión de baja resistencia en climas cálidos.