Cellules solaires à hétérojonction à base de silicium

De: https://pvlab.epfl.ch/

Contexte

L'énergie photovoltaïque (PV) est sur le point de devenir l'une des principales sources d'énergie mondiales et le silicium cristallin domine le marché sans aucun signe de changement dans un avenir proche. Les cellules solaires à hétérojonction à base de silicium (Si-HJT) sont un sujet brûlant dans le photovoltaïque au silicium cristallin, car elles permettent une conversion d'énergie record de 26,6% (Fig. 1, voir aussi Yoshikawa et al., Nature Energy 2). , 2017 ). Le point clé de Si-HJT est le déplacement des contacts hautement actifs en recombinaison de la surface cristalline par insertion d'un film à large bande interdite. Pour atteindre le potentiel maximal du périphérique, la densité d'état de l'hétéro-interface doit être minimale. Pratiquement, des films de silicium amorphe hydrogéné (a-Si: H) de seulement quelques nanomètres d'épaisseur sont des candidats attrayants: leur bande interdite est plus large que celle de c-Si et, lorsqu'ils sont intrinsèques, de tels films peuvent réduire la surface de c-Si. densité d'état par hydrogénation. De plus, ces films peuvent être dopés relativement facilement, de type n ou p, permettant la fabrication (sans lithographie) de contacts avec des valeurs record pour la densité de courant de saturation. Plusieurs sociétés ( Tagushi et al., IEEE JPV 4, 2014 , Adachi et al. APL 104, 2015 …) ont fait état d'impressionnantes efficacités de conversion de l'énergie sur de grandes surfaces (> 100 cm ² ) (environ 25%).

Figure 1: Evolution de l’efficacité des enregistrements des cellules solaires au silicium monocristallin au cours des 20 dernières années.

La figure 2 présente un schéma et un diagramme de bande d’une cellule solaire typique à hétérojonction. Les caractéristiques de base du dispositif côté face (éclairage) sont successivement une couche de passivation intrinsèque a-Si: H et un émetteur de silicium amorphe à dopage p, déposés tous deux par plasma. dépôt chimique en phase vapeur amélioré (PECVD). Au-dessus des couches de silicium, un oxyde conducteur transparent antireflet (TCO) est déposé par dépôt physique en phase vapeur (PVD) et la collecte de la charge est réalisée par une grille de contact métallique sérigraphiée. Sur la face arrière, on utilise un empilement collecteur d’électrons composé d’une couche intrinsèque de passivation a-Si: H, d’un silicium amorphe dopé de type n (tous deux déposés par PECVD), d’une couche de TCO et d’une couche de contact métallique ( déposé par PVD).

Figure 2: Gauche: diagramme schématique d'une cellule solaire à hétérojonction (non à l'échelle). Droite: Diagramme de bande électronique dans l'obscurité à l'équilibre d'une cellule solaire à hétérojonction (pas à l'échelle).

La figure 3 présente les principaux thèmes de recherche actuellement menés dans le groupe. Cela va des principes fondamentaux du mécanisme de passivation, en passant par le développement de schémas alternatifs de contact pour extraire les charges électriques négatives (électrons) et positifs (trous), jusqu'au développement d'architectures d'appareils innovantes et à l'étude de l'impact des conditions de fonctionnement sur le rendement énergétique de modules photovoltaïques.

Figure 3: Thèmes de recherche actifs autour des cellules solaires à hétérojonction à base de silicium.

Passivation de surface

Les progrès récents dans la production à grande échelle de silicium de haute pureté ont rendu la plaquette de silicium de très haute qualité facilement disponible pour la production en série. La faible densité de défauts dans de telles plaquettes permet d'atteindre une efficacité supérieure à 25% pour une architecture de périphérique appropriée. Le premier défi que doit relever ce dispositif à haute efficacité consiste à s’assurer que la surface de la tranche ne présente pas de défauts actifs sur le plan électronique. Une telle passivation de surface peut être obtenue de différentes manières, la plus largement étudiée par PV-Lab étant l'utilisation de silicium amorphe hydrogéné déposé par plasma (a-Si: H). Il s’agit de l’une des couches les plus efficaces en termes de passivation extrêmement efficace, permettant des durées de vie très longues des porteurs dans les plaquettes de silicium, ainsi que des rendements record. Les phénomènes derrière la passivation de surface de a-Si: H (et ses alliages oxyde et carbure), le rôle de l'hydrogène, l'effet de chauffage ou l'éclairage sont des interrogations scientifiques fascinantes qui rendent ce domaine encore très actif [Kobayashi2016].

Formation de contact

Le deuxième défi lors de la construction d'une cellule solaire à haute efficacité à partir d'une tranche de silicium de haute qualité est la collecte sélective de charges positives et négatives sur deux terminaux séparés dans l'espace. Cette collecte sélective repose sur des membranes électroniques semi-perméables, offrant une connexion électrique à faible résistance pour un type de charges (par exemple des électrons) tout en bloquant l'autre type de fuites (trous). L'utilisation de couches de silicium amorphe dopé (a-Si: H de type p et de type n) s'avère être un moyen extrêmement efficace de fournir une telle sélectivité avec des rendements record obtenus à l'aide de tels contacts par plusieurs laboratoires et sociétés [DeWolf2012]. Ces films présentent plusieurs limitations, notamment l'absorption parasite de la lumière et une sélectivité non idéale (avec notamment une résistance non négligeable à l'extraction de charges et une faible conduction latérale). La découverte des propriétés fondamentales requises pour un contact sélectif idéal (impliquant un matériau mais également des propriétés d'interface) est essentielle pour développer des dispositifs plus efficaces basés sur des processus plus simples. L’application de nouveaux matériaux appropriés en tant que contacts sélectifs des transporteurs est un sujet très actif à cette fin, et la conception et la fabrication de matériaux appropriés est l’une des priorités du groupe.

Architecture de l'appareil

Cellules solaires sans dopant: alors qu'une idée bien vivante selon laquelle un dispositif photovoltaïque nécessitait des contacts dopés de polarités opposées pour être efficaces, une compréhension récente de la physique des cellules solaires suggère que ce n'est pas le cas: Plusieurs architectures de contact peuvent théoriquement fournir la même chose dispositifs efficaces. La démonstration expérimentale d'une cellule de silicium cristallin à haute efficacité mais totalement dépourvue de tout dopant, utilisant du MoO ₃ et du LiF légèrement sous-stoechiométriques comme contacts sélectifs des trous et des électrons, ouvre la voie à une architecture entièrement nouvelle de dispositifs dessins simples [Bullock2016].

Cellules solaires interconnectées (IBC): Pour extraire les charges électriques d'une cellule solaire au silicium, des contacts métalliques sont nécessaires. Alors que dans les cellules solaires à architecture traditionnelle, des charges négatives (électrons) et positives (trous) sont collectées de chaque côté de la plaquette, la conception IBC collecte les deux types de charges à l'arrière de la plaquette. Cela permet de placer tout le métal nécessaire à l'extraction de ces charges à l'arrière de la tranche, évitant ainsi l'ombrage et permettant de générer un courant plus élevé. Bien que simple en principe, cette approche présente de nombreux défis scientifiques et technologiques [Tomasi2017].

Dispositifs de petite surface: alors que les cellules d’enregistrement pour la plupart des technologies photovoltaïques sont obtenues sur des dispositifs de petite surface (1 cm ² ou moins), des rendements récents pour les dispositifs en silicium à base de plaquettes ont été obtenus sur une surface beaucoup plus grande> 100 cm ² . La grande longueur de diffusion des supports photogénérés dans le silicium (généralement à l'échelle millimétrique) rend la recombinaison de bord un problème particulier et rend difficile la fabrication de petits dispositifs. Une meilleure compréhension des pertes liées à la surface et le développement de la passivation de bord pourraient permettre de rendre efficaces des dispositifs pour petites zones assouplissant les besoins en termes de métallisation.

Des conditions de fonctionnement

Les cellules solaires sont optimisées pour atteindre les performances les plus élevées dans des conditions de test standard (25 ° C, 1 000 W / m2, spectre AM1,5). De telles conditions ne sont pas représentatives de celles rencontrées sur le terrain lors de l'exploitation. En particulier, les modules installés dans des climats chauds et ensoleillés présentent un niveau d'irradiance élevé, mais également une température de fonctionnement élevée préjudiciable à leur production d'énergie. Des températures de fonctionnement élevées peuvent toutefois être utiles dans des cas particuliers pour surmonter les barrières thermo-ioniques et améliorer le transport de charge. Une optimisation sur mesure pour des conditions climatiques spécifiques peut générer un gain d’énergie annuel de plusieurs pour cent par rapport aux approches standard. Il a également été démontré que les pertes de résistance dues à l'interconnexion des cellules avaient un impact non seulement sur l'efficacité des modules, mais aussi sur le coefficient de température des modules, soulignant ainsi la nécessité accrue d'une interconnexion à faible résistance dans les climats chauds.