Une nouvelle stratégie pour améliorer les performances des cellules solaires à hétérojonction silicium

Une nouvelle stratégie pour améliorer les performances des cellules solaires à hétérojonction silicium

c-Si / a-Si: caractéristiques de la structure d’interface H d’une cellule solaire SHJ. a, Image schématique en coupe transversale de la cellule solaire SHJ. b, courbe courant-tension (IV) et courbe puissance-tension (PV) de la cellule SHJ avec un rendement de conversion de 24,85%. c et d, images HRTEM de l’interface c-Si / a-Si: H vues de l’orientation montrant la légère couche épitaxiale normale et les structures épitaxiales défectueuses, respectivement. e et f, images HAADF-STEM à résolution atomique de deux types de défauts, respectivement nanotwin libre et nanotwin intégré. g et h, Modèles de structure atomique géométrique dérivés de zones rectangulaires en pointillés verts en 1e et 1f, respectivement. Crédit: Qu et al.

Les cellules solaires en silicium cristallin (c-Si) font partie des technologies solaires les plus prometteuses du marché. Ces cellules solaires ont de nombreuses propriétés avantageuses, notamment une bande interdite presque optimale, un rendement et une stabilité élevés. Notamment, ils peuvent également être fabriqués à partir de matières premières largement disponibles et faciles à obtenir.

Ces dernières années, de nombreuses entreprises et ingénieurs ont spécifiquement concentré leurs efforts de recherche sur les cellules solaires à hétérojonction Si (SHJ). Ces cellules solaires, qui sont constituées de couches de silicium amorphe déposées sur des surfaces de silicium cristallin, se sont avérées obtenir des rendements de conversion de puissance (PCE) remarquables.

Des chercheurs de l’Université de technologie de Pékin, du Centre de recherche et de développement Hanergy Chengdu et de l’Université Jiangsu en Chine ont récemment mené une étude visant à examiner de près la structure de l’interface c-Si / a-Si: H dans les cellules solaires SHJ à haut rendement. . Leur article, publié dans Énergie de la nature, offre des informations précieuses qui pourraient aider à améliorer encore les performances des cellules solaires SHJ, en permettant aux ingénieurs de mieux contrôler l’interface c-Si / a-Si: H.

«Grâce à des améliorations de fabrication continues, Kaneka a réalisé des cellules solaires SHJ avec 24,5% de PCE (surface totale, 239 cm2) et 25,1% PCE (zone d’ouverture, 151,9 cm2), « Yongzhe Zhang, l’un des chercheurs qui ont mené l’étude, a déclaré à TechXplore. » Cependant, d’autres améliorations de l’efficacité des cellules solaires SHJ à jonction unique semblent avoir stagné au cours des trois dernières années. Par conséquent, il est urgent de découvrir de nouvelles percées pour résoudre les goulots d’étranglement et obtenir des PCE de cellules solaires SHJ plus élevés. « 

L’interface entre c-Si et a-Si: H dans les cellules solaires SHJ est d’une importance capitale pour garantir que les cellules atteignent un PCE élevé. Pour identifier des stratégies susceptibles d’améliorer la PCE de ces cellules, de nombreux chercheurs ont ainsi examiné de près l’interface c-Si / a-Si: H à l’aide d’une technique connue sous le nom de microscopie électronique à transmission (MET). Ces examens, cependant, étaient souvent limités par la mauvaise résolution spatiale des techniques TEM traditionnelles ou par la sensibilité de l’imagerie TEM à haute résolution (HRTEM) à l’épaisseur des échantillons d’interface.

En raison de ces limitations, jusqu’à présent, les études basées sur la TEM étaient simplement en mesure de recueillir des informations sur l’épaisseur ou la brusquerie de la couche épitaxiale des cellules SHJ. Les caractéristiques structurelles de l’interface c-Si / a-Si: H à l’échelle atomique n’ont cependant pas encore été identifiées.

Pour améliorer encore l’efficacité des cellules SHJ, les chercheurs doivent examiner en profondeur l’interface c-Si / a-Si: H et identifier des stratégies pour la contrôler à l’échelle atomique. Dans leur étude, Zhang et ses collègues ont utilisé des techniques d’imagerie HRTEM et des simulations basées sur la théorie pour représenter la structure atomique et électronique des interfaces c-Si / a-Si: H. Ils ont examiné la structure atomique de l’interface c-Si / a-Si: H dans des cellules solaires SHJ à haut rendement en utilisant une technique alternative TEM connue sous le nom de microscopie électronique à transmission corrigée par aberration sphérique (CS-TEM corrigé).

« Pour acquérir le meilleur contraste atomique pour interpréter avec précision les images HR- (S) TEM, nous avons utilisé deux techniques appelées faisceau d’ions focalisé (FIB) et nanomill pour préparer soigneusement des échantillons en coupe transversale de cellules solaires SHJ », ont déclaré les auteurs. «L’évaluation théorique des structures d’interface c-Si / a-si: H a également été cruciale dans ce travail, car elle nous a aidés à établir une connexion physique entre les images HRTEM et les performances de l’appareil, en tenant compte des nanotwins intégrés comme niveau de défauts profonds de centre de recombinaison résultant en une courte durée de vie de la porteuse, basée sur les calculs des premiers principes.

Les résultats recueillis par Zhang et ses collègues étaient assez inattendus et surprenants. En plus de la structure épitaxiale normale des cellules, les chercheurs ont observé des nanotwins de haute densité dans la fine couche épitaxiale entre c-Si et a-Si: H, qui existent sous deux formes différentes, sous forme de nanotwins libres et de nanotwins intégrés. Leurs calculs ont également montré que les nanotwins intégrés dans cette couche altéraient les performances des cellules solaires SHJ.

Après avoir identifié des nanotwins à haute densité dans la fine couche épitaxiale entre c-Si et a-Si: H et déterminé qu’ils altéraient les performances des cellules solaires SHJ, les chercheurs ont tenté de déterminer leur origine et leur évolution au fil du temps. Pour ce faire, ils ont examiné les structures d’interface c-Si / a-Si: H à différentes étapes du processus de fabrication des cellules en utilisant les techniques HRTEM.

Pour illustrer l’évolution de la structure de l’interface c-Si / a-Si: H, les chercheurs ont réalisé des expériences supplémentaires de recuit in situ en utilisant un système de chauffage à base de systèmes microélectromécaniques (MEM), combiné avec du CS-TEM corrigé. Leurs découvertes ont révélé que les nanotwins nucléaient pendant le dépôt de la couche ia-Si: H et se formaient pendant le processus de recuit ultérieur.

« De notre analyse, nous concluons que la suppression de la nucléation des jumeaux dans les étapes initiales est l’étape critique dans la réduction des nanotwins incorporés », ont déclaré les auteurs. «Nous avons ainsi fabriqué des cellules solaires SHJ avec des nanotwins de faible densité en introduisant une couche tampon extra ultra-fine ia-Si: H et ces cellules ont présenté de meilleures performances.

Zhang et ses collègues ont découvert que leur stratégie visant à restreindre les nanotwins intégrés dans les interfaces c-Si / a-Si: H améliorait encore le PCE des cellules solaires SHJ. Dans le cadre de leur étude, ils ont exploré davantage le potentiel de cette stratégie, en l’utilisant pour modifier la surface initiale de la tranche de c-Si afin de s’assurer qu’elle s’écarte du plan {111}.

« L’objectif clé de notre travail est la réalisation d’une cellule solaire SHJ à haut rendement avec une efficacité de conversion de 24,85% préparée par un procédé compatible avec l’industrie », ont déclaré les auteurs. « La découverte de jumeaux intégrés et la révélation qu’ils entravent l’amélioration de l’efficacité de conversion des cellules ont rompu la compréhension traditionnelle: les liaisons pendantes à l’interface c-Si / a-Si: H sont la principale pierre d’achoppement qui affecte l’interface porteuse. »

L’étude de Zhang et de ses collègues introduit une nouvelle stratégie qui pourrait contribuer à améliorer l’efficacité des cellules solaires SHJ. En outre, il offre un nouvel aperçu de la structure de l’interface c-Si / a-Si: H dans les cellules solaires SHJ à haut rendement à l’échelle atomique, montrant que les nanotwins intégrés à haute densité sont préjudiciables aux performances de ces cellules.

« En utilisant des calculs du premier principe, nos simulations théoriques ont révélé la nature du nano-jumeau, qui est une structure de défaut inévitable pendant le processus de passivation industrialisé », ont déclaré les auteurs. «Compte tenu des niveaux extra-profonds de nano-jumeau intégré, il agit comme des centres de recombinaison et a un fort impact sur les performances, nous avons donc proposé des stratégies pour éviter de sa génération, une couche de passivation ultra-fine. Suite à ces processus, nos mesures TEM in-situ réduction de la densité des nanotwins intégrés et nous avons proposé une nouvelle approche pour améliorer les performances des cellules solaires en silicium. « 

Jusqu’à présent, la recombinaison des interfaces c-Si / a-Si: H était considérée comme la principale cause de perte d’énergie dans les cellules solaires SHJ. Zhang et ses collègues ont étudié les pertes d’efficacité de leurs cellules solaires les plus performantes et ont découvert que des nanotwins intégrés à haute densité, nuisibles aux performances de l’appareil, se formaient généralement dans la couche épitaxiale mince entre les couches c-Si et a-Si: H. Ils ont également constaté que l’ajout d’une couche tampon a-Si ultra-mince réduisait considérablement la présence de nanotwins intégrés et améliorait l’efficacité des cellules.

« Nos résultats impliquent que le PCE des cellules solaires SHJ peut être amélioré lorsque les nanotwins intégrés sont retenus », ont ajouté les auteurs. En fait, dans notre étude, nous avons obtenu une amélioration évidente des performances en réduisant la densité des nanotwins intégrés. Nous allons maintenant nous concentrer sur la manière de réduire / éliminer davantage les nanotwins en ajustant leur processus d’évolution sur l’interface c-Si et a-Si: H.  »


Un concurrent industriellement viable des cellules solaires à base de silicium est en préparation


Plus d’information:
Xianlin Qu et coll. Identification de nanotwins embarqués à l’interface c-Si / a-Si: H limitant les performances des cellules solaires à hétérojonction silicium à haut rendement, Énergie de la nature (2021). DOI: 10.1038 / s41560-020-00768-4

© Réseau Science X 2021

Citation: Une nouvelle stratégie pour améliorer les performances des cellules solaires à hétérojonction au silicium (2021, 31 mars) récupéré le 13 avril 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-03-strategy-silicon-heterojunction-solar-cells.html

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