Aenert. Research Laboratory news
В фотоэлектрической отрасли постоянно разрабатываются инновационные производственные процессы, новые материалы, солнечные элементы и конструкции модулей для повышения производительности устройств и снижения конечной стоимости энергии. Одной из таких инновационных технологий, претендующих на постоянно растущую долю рынка солнечных панелей, являются солнечные элементы с гетеропереходом. Солнечные элементы с гетеропереходом (HJT), также известные как кремниевые гетеропереходы (SHJ) или гетеропереходы с внутренним тонким слоем (HIT), представляют собой семейство технологий фотоэлектрических элементов, основанных на гетеропереходе, образующемся между полупроводниками с разной запрещенной зоной. Это гибридная технология, сочетающая в себе аспекты традиционных кристаллических солнечных элементов с тонкопленочными солнечными элементами.
Солнечные элементы с гетеропереходом включают в себя две разные технологии в одной ячейке: ячейка из кристаллического кремния, зажатая между двумя слоями аморфного «тонкопленочного» кремния. Это позволяет повысить эффективность панелей и собирать больше энергии по сравнению с обычными кремниевыми солнечными панелями. Тонкопленочный кремний аморфен. В отличие от кристаллического кремния, обычно используемого в панелях, аморфный кремний не имеет регулярной кристаллической структуры. Вместо этого атомы кремния упорядочены случайным образом. В результате производство этого типа солнечных элементов обходится дешевле.

Низкая стоимость и гибкость выбора типа материалов, на которые можно наносить аморфный кремний, являются одними из самых больших преимуществ тонкопленочных солнечных элементов. В солнечных элементах с гетеропереходом на передней и задней поверхностях обычной пластины кристаллического кремния нанесен аморфный кремний. В результате получается пара слоев тонкой солнечной пленки, которая поглощает дополнительные фотоны, которые в противном случае не были бы захвачены пластиной среднего кристаллического кремния.

Теперь ( 2023 год ) ученым из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) Министерства энергетики США удалось повысить эффективность своих солнечных элементов путем изменения конструкции материалов в блоке элементов.

С помощью как вычислительных, так и экспериментальных исследований ученые создали гетеропереходный солнечный элемент на основе арсенида галлия (GaAs) с использованием динамической гидридной парофазной эпитаксии (D-HVPE) с сертифицированной эффективностью 27%. Солнечные элементы III-V получили свое название из-за положения элементов, из которых они изготовлены, в периодической таблице элементов и широко используются для питания космических технологий. D-HVPE потенциально может стать более дешевым методом синтеза этих клеток по сравнению с существующими методами.

Помимо базового слоя GaAs, солнечный элемент включал эмиттерный слой из фосфида арсенида галлия и индия (GaInAsP). Два разных слоя составляли гетеропереход. Чтобы лучше понять возможную эффективность, исследователи смоделировали эффект изменения плотности легирования цинком и ширины запрещенной зоны эмиттерного слоя. Это было достигнуто путем изменения относительных концентраций галлия, индия, мышьяка и фосфора во время роста слоев в зависимости от эффективности ячейки. Затем исследователи разработали ячейки, опираясь на результаты моделирования, и добились прогнозируемого моделью повышения эффективности. В солнечном элементе с задним гетеропереходом, который служил базовой линией, использовался эмиттер, состоящий из GaInP, и заявленный КПД составлял 26%. Уменьшение легирования эмиттера и изменение его состава с GaInP на более низкозонный GaInAsP помогло повысить эффективность до 27%, хотя остальная часть устройства осталась точно такой же.

Ввиду продолжающегося энергетического перехода исследование солнечных элементов с гетеропереходом входит в число главных интересов правительств и энергетических компаний. В 2022 году ученые создали кремниевые гетеропереходные ячейки с улучшенным тыльным контактом, состоящие из легированного нанокристаллического кремния p-типа и специального прозрачного проводящего оксида. Благодаря низкому контактному сопротивлению дырочно-селективных контактов (< 5 мОм·см²) на кремниевых пластинах промышленного класса были достигнуты высокая эффективность преобразования мощности 26,74 %, а также рекордный коэффициент заполнения (FF) 86,48 % (274). см², размер M6). Электрические свойства модифицированных кремниевых гетеропереходных ячеек были тщательно проанализированы по сравнению с аналогами нормального транспортирующего слоя p-типа (т.е. аморфного кремния), а также полностью продемонстрирован улучшенный транспорт носителей заряда.

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)

В 2023 году учёным удалось увеличить PCE тандемных устройств с помощью плоских кремниевых пластин с лицевой стороны. . При использовании 2,3,4,5,6-пентафторбензилфосфоновой кислоты (pFBPA) в чернилах-предшественниках перовскита безызлучательная рекомбинация вблизи границы раздела перовскит/C60 подавлялась, а при использовании SiO₂. Наночастицы под пленкой перовскита увеличенное количество пор и шунтов, введенных pFBPA, было уменьшено, а в качестве слоя транспорта дырок использовалась [4-(3,6-диметил-9H-карбазол-9-ил)бутил]фосфоновая кислота. Посредством интеграции перовскитной ячейки с этими разработками с Si-ячейкой были достигнуты воспроизводимые PCE 30±1% и сертифицированный максимум 30,9% для активной площади 1 см ² .

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)

Новый арсенид галлия Солнечные элементы имеют несколько преимуществ: исследование показывает путь к улучшению производительности солнечных элементов посредством оптимизации легирования и запрещенной зоны слоя устройства, называемого «эмиттером», чтобы минимизировать влияние дефектов на эффективность устройства. Использование структуры гетероперехода с тщательно разработанными свойствами эмиттера помогает снизить негативное влияние этих дефектов на эффективность, хотя ничего не было сделано для снижения их концентрации. Относительное повышение эффективности уравновешивает концентрацию дефектов. Результаты могут быть применены к материалам за пределами III-V, в которых используются гетеропереходы, такие как кремний, теллурид кадмия или перовскиты.

Преимущества гетеропереходов общеизвестны, хотя экспериментальные демонстрации гетеропереходов III-V ограничены несколькими комбинациями. Исследование дало дорожную карту будущей конструкции солнечных элементов с гетеропереходом, которая позволит сделать солнечные элементы более дешевыми и эффективными.

Редакционный совет