De: https://pvlab.epfl.ch/
fundo
A energia fotovoltaica (PV) está à beira de se tornar uma das principais fontes globais de energia, e o silício cristalino tem dominado o mercado sem nenhum sinal de mudança no futuro próximo. As células solares de heterojunção baseadas em silício (Si-HJT) são um tema quente no setor fotovoltaico de silício cristalino, pois permitem que células solares com conversão de energia de eficiência recorde até 26,6% (Fig. 1, ver também Yoshikawa et al., Nature Energy 2 , 2017 ). O ponto-chave do Si-HJT é o deslocamento de contatos altamente recombinados-ativos da superfície cristalina pela inserção de um filme com bandgap largo. Para alcançar o potencial total do dispositivo, a densidade do estado da interface hetero deve ser mínima. Praticamente, filmes de silício amorfo hidrogenado (a-Si: H) de apenas alguns nanômetros de espessura são candidatos atraentes para isso: seu bandgap é mais largo que o de c-Si e, quando intrínseco, esses filmes podem reduzir a superfície de c-Si densidade do estado por hidrogenação. Além disso, esses filmes podem ser dopados com relativa facilidade, seja do tipo n ou p, permitindo a fabricação (livre de litografia) de contatos com valores recordes baixos para a densidade da corrente de saturação. As impressionantes eficiências de conversão de energia em grandes áreas (> 100 cm2) (~ 25%) foram relatadas por várias empresas ( Tagushi et al., IEEE JPV 4, 2014 , Adachi et al. APL 104, 2015 …).
Figura 1: Evolução da eficiência do registro de células solares de silício monocristalino nos últimos 20 anos.
Um diagrama de esboço e banda de uma célula solar de heterojunção típica é apresentado na Figura 2. O dispositivo básico apresenta no lado frontal (iluminação) sucessivamente uma camada de passivação a-Si: H intrínseca e um emissor de silício amorfo dopado por p, ambos depositados por plasma Deposição química aumentada de vapor (PECVD). No topo das camadas de silício, um óxido condutor transparente (TCO) antirreflexo é depositado por deposição física de vapor (PVD) e a coleta de carga é feita por uma grade metálica de contato impressa em tela. No lado de trás, uma pilha de coleta de elétrons é usada, e é composta de uma camada de passivação a-Si: H intrínseca, um silício amorfo de tipo n dopado (ambos depositados por PECVD), uma camada de TCO e uma camada metálica de contato ( depositado por PVD).
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Figura 2: Esquerda: Diagrama esquemático de uma célula solar de heterojunção (não em escala). Direita: Diagrama de bandas eletrônicas no escuro no equilíbrio de uma célula solar de heterojunção (não em escala).
A Figura 3 mostra os principais tópicos de pesquisa atualmente em andamento no grupo. Isso vai desde os fundamentos do mecanismo de passivação, através do desenvolvimento de esquemas alternativos de contato para extrair cargas elétricas negativas (elétrons) e positivas (buracos), ao desenvolvimento de arquiteturas de dispositivos inovadoras e ao estudo do impacto das condições operacionais no rendimento energético de módulos fotovoltaicos.
Figura 3: Tópicos de pesquisa ativa em torno de células solares de heterojunção baseadas em silício.
Passivação superficial
Avanços recentes na produção em larga escala de silício de alta pureza tornaram a pastilha de silício de alta qualidade prontamente disponível para produção em massa. A baixa densidade de defeitos em tais wafers torna eficiências acima de 25% alcançáveis para a arquitetura apropriada do dispositivo. O primeiro desafio para fazer tal dispositivo de alta eficiência é garantir que a superfície da bolacha não apresente defeitos eletronicamente ativos. Tal passivação superficial pode ser conseguida de várias maneiras, sendo o mais amplamente investigado em PV-Lab o uso de silício amorfo hidrogenado depositado em plasma (a-Si: H). Isso prova ser uma das camadas mais eficientes para fornecer passivação extremamente boa, permitindo tempos de vida de transporte muito grandes em pastilhas de silício, bem como eficiências recordes. Os fenômenos por trás da passivação superficial de a-Si: H (e suas ligas de óxido e carboneto), o papel do hidrogênio, o efeito de aquecimento ou iluminação são fascinantes interrogações científicas que tornam este campo ainda muito ativo [Kobayashi2016].
Formação de contato
O segundo desafio na construção de uma célula solar altamente eficiente a partir de uma bolacha de silício de alta qualidade é a coleta seletiva de cargas positivas e negativas em dois terminais separados espacialmente. Essa coleta seletiva depende de membranas eletrônicas semipermeáveis, oferecendo uma conexão elétrica de baixa resistência para um tipo de carga (por exemplo, elétrons) enquanto bloqueia com o mínimo de vazamento o outro tipo (furos). O uso de camadas de silício amorfo dopado (tipo-p e tipo-a-Si: H) provou ser uma maneira extremamente eficiente de fornecer tal seletividade com eficiências recordes mundiais obtidas usando tais contatos por vários laboratórios e empresas [DeWolf2012]. Esses filmes apresentam várias limitações, incluindo a absorção parasitária de luz e seletividade não ideal (com uma resistência não desprezível à extração de carga e baixa condução lateral). Desvendar as propriedades fundamentais necessárias para um contato seletivo ideal (envolvendo material, mas também propriedades de interface) é fundamental para o desenvolvimento de dispositivos mais eficientes baseados em processos mais simples. A aplicação de novos materiais adequados como contatos seletivos de transportadora é um tópico muito ativo para esse fim e projetar e fabricar materiais adequados é um forte foco do grupo.
Arquitetura de dispositivos
Células solares livres de dopantes: embora uma idéia de longa data de que um dispositivo fotovoltaico exigia contatos dopados de polaridades opostas fosse eficiente, um entendimento recente da física das células solares sugeriu que não era o caso: várias arquiteturas de contato podem teoricamente fornecer de forma semelhante dispositivos eficientes. A demonstração experimental de uma célula de silício cristalina de alta eficiência e totalmente livre de dopantes - usando MoO3 e LiF levemente sub-estequiométricos como contatos seletivos de furos e elétrons - abre caminho para uma arquitetura de dispositivos totalmente nova, com processos muito simplificados e extremamente projetos simples [Bullock2016].
Células solares interdigitadas de volta contatadas (IBC): Para extrair as cargas elétricas de uma célula solar de silício, são necessários contatos de metal. Enquanto nas células solares de arquitetura tradicional, as cargas negativa (elétrons) e positiva (buracos) são coletadas em cada lado da pastilha, o projeto IBC coleta ambos os tipos de carga na parte traseira da pastilha. Isso permite colocar todo o metal necessário para extrair essas cargas na parte traseira do wafer, evitando o sombreamento e permitindo que uma corrente mais alta seja gerada. Embora simples em princípio, tal abordagem apresenta muitos desafios científicos e tecnológicos [Tomasi2017].
Dispositivos de área pequena: Considerando que as células de registro para a maioria das tecnologias fotovoltaicas são obtidas em dispositivos de área pequena (1 cm 2 ou abaixo), eficiências recordes recentes de dispositivos de silício baseados em wafer foram obtidas em área muito maior> 100 cm 2 . O grande comprimento de difusão dos transportadores fotogerados em silício (normalmente em escala milimétrica) faz com que a recombinação de bordas seja um problema específico e a fabricação de pequenos dispositivos seja desafiadora. Uma melhor compreensão das perdas relacionadas à área e o desenvolvimento da passivação de bordas poderia permitir que os dispositivos de pequena área eficientes fossem feitos para necessidades relaxantes em termos de metalização.
Condições de funcionamento
A otimização comum das células solares é feita para atingir os mais altos desempenhos sob condições de teste padrão (25 ° C, 1000 W / m2, espectro AM1,5). Tais condições não são representativas daquelas experimentadas no campo durante a operação. Em particular, os módulos instalados em climas quentes e ensolarados experimentam um alto nível de irradiância, mas também uma alta temperatura de operação que é prejudicial à sua produção de energia. Temperaturas de funcionamento elevadas podem, no entanto, ser benéficas em casos particulares para ultrapassar as barreiras termiónicas e melhorar o transporte de carga. A otimização sob medida para condições climáticas específicas pode fornecer um ganho anual de energia de vários por cento sobre as abordagens padrão. Também foi mostrado que as perdas de resistência devido à interconexão celular impactam não apenas a eficiência do módulo, mas também o coeficiente de temperatura dos módulos, destacando a necessidade mais forte de interconexão de baixa resistência em climas quentes.
