Neuigkeiten aus dem Forschungslabor

Aenert. Research Laboratory news
In der PV-Industrie werden ständig innovative Herstellungsverfahren, neue Materialien, Solarzellen und Moduldesigns entwickelt, um die Geräteleistung zu steigern und die Endenergiekosten zu senken. Eine dieser innovativen Technologien, die einen ständig wachsenden Anteil am Solarpanel-Markt beansprucht, sind Heterojunction-Solarzellen. Heterojunction-Solarzellen (HJT), auch bekannt als Silizium-Heterojunctions (SHJ) oder Heterojunction with Intrinsic Thin Layer (HIT), sind eine Familie von Photovoltaik-Zellentechnologien, die auf einem Heteroübergang zwischen Halbleitern mit unterschiedlichen Bandlücken basieren. Es handelt sich um eine Hybridtechnologie, die Aspekte herkömmlicher kristalliner Solarzellen mit denen von Dünnschichtsolarzellen kombiniert.
Heterojunction-Solarzellen vereinen zwei verschiedene Technologien in einer Zelle: eine kristalline Siliziumzelle, die zwischen zwei Schichten amorphen „Dünnschicht“-Siliziums liegt. Dies ermöglicht eine höhere Effizienz der Module und eine höhere Energieausbeute im Vergleich zu herkömmlichen Silizium-Solarmodulen. Dünnschichtsilizium ist amorph. Im Gegensatz zu kristallinem Silizium, das üblicherweise in Panels verwendet wird, weist amorphes Silizium keine regelmäßige Kristallstruktur auf. Stattdessen sind die Siliziumatome zufällig angeordnet. Dadurch ist die Herstellung dieser Art von Solarzelle kostengünstiger.

Niedrigere Kosten und Flexibilität bei der Art der Materialien, auf denen amorphes Silizium abgeschieden werden kann, gehören zu den größten Vorteilen von Dünnschichtsolarzellen. Bei Heterojunction-Solarzellen ist auf der Vorder- und Rückseite eines herkömmlichen kristallinen Siliziumwafers amorphes Silizium abgeschieden. Dies führt zu mehreren Schichten Dünnschicht-Solar, die zusätzliche Photonen absorbieren, die sonst nicht vom mittleren kristallinen Siliziumwafer eingefangen würden.

Jetzt ( 2023 ) ist es Wissenschaftlern des National Renewable Energy Laboratory (NREL) des US-Energieministeriums gelungen, die Effizienz ihrer Solarzellen durch eine Neugestaltung der Materialien im Zellstapel zu steigern.

Mit Hilfe sowohl rechnerischer als auch experimenteller Studien stellten die Wissenschaftler mithilfe dynamischer Hydrid-Dampfphasenepitaxie (D-HVPE) eine Galliumarsenid (GaAs)-Heteroübergangssolarzelle mit einem zertifizierten Wirkungsgrad von 27 % her. III-V-Solarzellen haben ihren Namen von der Position der Elemente, aus denen sie hergestellt wurden, im Periodensystem der Elemente und werden häufig zur Stromversorgung von Raumfahrttechnologien eingesetzt. D-HVPE bietet im Vergleich zu herkömmlichen Techniken das Potenzial, eine kostengünstigere Methode zur Synthese dieser Zellen zu sein.

Neben der GaAs-Basisschicht enthielt die Solarzelle eine Emitterschicht aus Galliumindiumarsenidphosphid (GaInAsP). Die beiden unterschiedlichen Schichten bildeten den Heteroübergang. Um ein besseres Verständnis möglicher Wirkungsgrade zu erhalten, modellierten die Forscher den Effekt der Variation der Zinkdotierungsdichte und der Bandlücke der Emitterschicht. Dies wurde erreicht, indem die relativen Konzentrationen von Gallium, Indium, Arsen und Phosphor während des Schichtwachstums je nach Zelleffizienz variiert wurden. Anschließend entwarfen die Forscher Zellen auf der Grundlage der Ergebnisse der Modellierung und erzielten vom Modell vorhergesagte Effizienzsteigerungen. Die als Basis dienende Solarzelle mit hinterem Heteroübergang verwendete einen Emitter aus GaInP und hatte einen gemeldeten Wirkungsgrad von 26 %. Die Reduzierung der Dotierung im Emitter und die Änderung seiner Zusammensetzung von GaInP auf GaInAsP mit geringerer Bandlücke trugen dazu bei, den Wirkungsgrad auf 27 % zu steigern, obwohl der Rest des Geräts genau gleich war.

Angesichts der fortschreitenden Energiewende gehört die Forschung an Heterojunction-Solarzellen zu den Hauptinteressen von Regierungen und Energieunternehmen. Im Jahr 2022 entwickelten Wissenschaftler Silizium-Heteroübergangszellen mit verbessertem Rückkontakt, die aus p-dotiertem nanokristallinem Silizium und einem maßgeschneiderten transparenten leitfähigen Oxid bestehen. Aufgrund des geringen Kontaktwiderstands lochselektiver Kontakte (< 5 mΩ·cm²) wurde auf Siliziumwafern in Industriequalität (274) ein hoher Leistungsumwandlungswirkungsgrad von 26,74 % sowie ein Rekordfüllfaktor (FF) von 86,48 % erreicht cm², Größe M6). Die elektrischen Eigenschaften der modifizierten Silizium-Heterojunction-Zellen wurden im Vergleich zu den normalen p-Typ-Transportschicht-Gegenstücken (d. h. amorphem Silizium) gründlich analysiert und der verbesserte Ladungsträgertransport wurde ebenfalls vollständig gezeigt.

Image: Optical Performance

Source: Hao Lin, Miao Yang, Xiaoning Ru, Genshun Wang/ 26.7% efficiency silicon heterojunction solar cells achieved by electrically optimized nanocrystalline-silicon hole contact layers/ Research Square, December 2022/ DOI:10.21203/rs.3.rs-2402141/v1/ Open Access This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

In 2023, den Wissenschaftlern gelang es, die PCEs von Tandemgeräten mit flachen Si-Wafern auf der Vorderseite zu steigern. Durch die Verwendung von 2,3,4,5,6-Pentafluorbenzylphosphonsäure (pFBPA) in der Perowskit-Vorläufertinte wurde die strahlungslose Rekombination in der Nähe der Perowskit/C60-Grenzfläche unterdrückt, und durch die Verwendung von SiO2-Nanopartikeln unter dem Perowskitfilm wurde die Anzahl der Nadellöcher erhöht und Shunts, die durch pFBPA eingeführt wurden, wurden reduziert, während [4-(3,6-Dimethyl-9H-carbazol-9-yl)butyl]phosphonsäure als Lochtransportschicht verwendet wurde. Durch die Integration einer Perowskit-Zelle mit diesen Entwicklungen in eine Si-Zelle wurden reproduzierbare PCEs von 30 ± 1 % und ein zertifiziertes Maximum von 30,9 % für eine aktive Fläche von 1 cm² erreicht.

Image: Pentafluorobenzylphosphonic acid (pFBPA) as an additive. a, Chemical structure of 2,3,4,5,6-pentafluorobenzylphosphonic acid (pFBPA). b, Open circuit voltage (Voc), fill factor (FF) c, pseudo-FF (pFF) and the series resistance near the maximum power point (Rs) for single-junction 0.1 cm2 perovskite solar cells on glass/ITO/2PACz substrates with varying pFBPA concentration in the perovskite precursor ink.  d, Depth profiles of F-, CF- and P- in finished cells with 5 mM pFBPA in the precursor, as measured by secondary ion mass spectroscopy (SIMS). e-f, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) spectra of the Pb 4f core level (e) and the energy levels of the vacuum (Evac), conduction (Ec) and valence band (Ev) (f) of bare perovskite films with and without pFBPA. g, Non-radiative recombination loss (qVnon-rad) in half-finished perovskite cells on glass/ITO substrates extracted by steady-state photoluminescence quantum yield measurements. h, Scanning electron microscopy images of perovskite absorbers with and without pFBPA on glass/ITO/2PACz substrates viewed from the top side. The yellow arrow indicates the location of a pinhole as an example

Source: Deniz Turkay, Kerem Artuk, Xin-Yu Chin, Daniel Jacobs/ High-efficiency (>30%) monolithic perovskite-Si tandem solar cells with flat front-side wafers/ Research Square, June 2023/ DOI:10.21203/rs.3.rs-3015915/v1/ Open Access This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

Die neuen Galliumarsenid-Solarzellen bieten mehrere Vorteile: Die Forschung zeigt einen Fahrplan zur Verbesserung der Leistung von Solarzellen durch Optimierung der Dotierung und Bandlücke einer Geräteschicht namens „Emitter“, um die Auswirkungen von Defekten auf die Geräteeffizienz zu minimieren . Die Verwendung einer Heteroübergangsstruktur mit sorgfältig konzipierten Emittereigenschaften trägt dazu bei, die negativen Auswirkungen dieser Defekte auf die Effizienz zu verringern, auch wenn nichts unternommen wurde, um ihre Konzentration zu verringern. Die relative Effizienzsteigerung gleicht die Fehlerkonzentration aus. Die Ergebnisse könnten auf Materialien jenseits von III-V angewendet werden, die Heteroübergänge wie Silizium, Cadmiumtellurid oder Perowskite verwenden.

Die Vorteile von Heteroübergängen sind allgemein bekannt, obwohl experimentelle Demonstrationen von III-V-Heteroübergängen auf eine Handvoll Kombinationen beschränkt sind. Die Forschung lieferte einen Fahrplan für das zukünftige Design von Heteroübergangssolarzellen, das billigere und effizientere Solarzellen ermöglichen wird.

Von der Redaktion