Cellules solaires à hétérojonction en silicium avec un rendement de 26,4 % fabriquées à l'aide de techniques de dépôt évolutives

Les technologies solaires contribuent à réduire les émissions de carbone et devraient continuer à contribuer à l’atténuation du changement climatique. Les cellules solaires à hétérojonction de silicium (SHJ) sont un type de technologie solaire prometteur pour les futures applications photovoltaïques.

Les cellules solaires SHJ possèdent de nombreuses propriétés avantageuses, notamment des rendements de conversion de puissance élevés, un traitement pauvre et à basse température et de faibles coefficients de température. Néanmoins, la plupart des photovoltaïques SHJ à haut rendement développés jusqu’à présent reposent sur des processus de fabrication coûteux et non évolutifs, ce qui limite finalement leur déploiement à grande échelle.

Des chercheurs de Suzhou Maxwell Technologies Co. Ltd., de l'Université de Soochow, de l'Université de Nouvelle-Galles du Sud et de l'Université de technologie de Dalian ont récemment développé de nouvelles cellules solaires SHJ en utilisant des processus de fabrication plus abordables et évolutifs. Leurs cellules solaires proposées, présentées dans un article publié dans Énergie naturelleont atteint des rendements de conversion de puissance allant jusqu'à 26,4 %.

“Le succès commercial de la technologie SHJ à haut rendement reste entravé par les défis liés à la traduction rentable de plusieurs étapes de processus dans un environnement de production, en particulier pour le dépôt d'une couche de fenêtre hautement transparente et la métallisation à faible coût”, a déclaré le professeur Xinbo Yang, co-auteur de l'article, a déclaré à Tech Xplore.

“Pour le premier défi, de grands efforts de recherche ont été consacrés au remplacement du a-Si:H dopé classique par du silicium nanocristallin hydrogéné dopé (nc-Si:H), ou ses alliages avec de l'oxygène (nc-SiO)._X:H) et du carbone (nc-SiC:H) pour réduire l'absorption parasite et la résistance en série.”

Des études antérieures proposaient l’utilisation de systèmes de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD) à très haute fréquence (VHF) pour fabriquer des structures SHJ, plutôt que des systèmes radiofréquence standard. Cette approche peut augmenter le taux de dépôt et réduire le bombardement ionique, car le VHF favorise le SiH.₄ dissociation du gaz et diminue l'intensité du champ électrique.

Malgré les résultats prometteurs obtenus jusqu’à présent, l’utilisation des systèmes VHF PECVD comporte également des limites. Plus particulièrement, pour éviter les inhomogénéités de tension interélectrodes et une mauvaise uniformité dans les films déposés, la taille de la chambre du réacteur de ces systèmes doit être inférieure à un quart de longueur d'onde par rapport à la fréquence du plasma.

“Le deuxième défi concerne le processus de métallisation coûteux des cellules solaires SHJ lors de l'utilisation d'une pâte d'argent à basse température, présentant une conductivité relativement faible, des pertes d'ombrage et une résistivité de contact relativement élevées”, a déclaré le professeur Yang. “Les principaux objectifs de ce travail étaient d'améliorer l'uniformité sur de grandes surfaces de nc-SiO de haute qualité._X:H et de remplacer les électrodes en argent sérigraphiées par des électrodes en cuivre plaqué de haute qualité et à faible coût. »

Pour fabriquer leurs cellules solaires SHJ, les chercheurs ont appliqué des procédés chimiques humides à des cellules commerciales de taille M6 (274,5 cm).²) tranches de silicium (Cz) de type n. Ces processus comprenaient l’élimination des dommages causés par les scies, la texturation et le nettoyage.

En utilisant le PECVD, le professeur Yang et ses collègues ont déposé une couche de passivation intrinsèque a-Si:H (5 nm) des deux côtés de la plaquette de silicium. Par la suite, ils ont déposé du nc-SiO_X:H(n) couches sur le devant, servant de couche de fenêtre avant sous la fréquence d'excitation de 27 MHz, suivie du dépôt arrière d'une couche nc-Si:H(p) de 30 nm.

“Toutes les couches de silicium ont été déposées à l'aide du système PECVD de grande taille conçu et produit par Suzhou Maxwell Technologies Co., Ltd.”, a déclaré le professeur Yang. “Ensuite, un nouvel oxyde d'indium dopé par un métal de transition (OMI, 80 nm) a été pulvérisé des deux côtés. Pour la cellule championne, des électrodes en cuivre plaqué sans germes ont été appliquées à l'aide de procédés exclusifs chez SunDrive. Par rapport aux cellules conventionnelles à faible teneur en cuivre. Les électrodes en argent sérigraphiées à température et les électrodes en cuivre plaqué présentent une perte d'ombrage considérablement réduite, une résistivité globale et une résistivité de contact minimisées.

Le professeur Yang et ses collègues ont évalué les performances de leurs cellules SHJ dans une série de tests et ont constaté qu'ils obtenaient des résultats remarquables. Premièrement, ils ont enregistré un rendement élevé de 25,98 % sous une fréquence d’excitation PECVD de 27 MHz.

“Le nc-SiO à grande surface_XLes distributions d'épaisseur H(n) et de dispositif-PCE sous VHF1 sont supérieures à celles de VHF2 (40 MHz) en raison de la minimisation de l'effet d'onde stationnaire obtenue en réduisant la fréquence du plasma”, a déclaré le professeur Yang. “De plus, les appareils VHF1 afficher un taux de dégradation de l'obscurité inférieur à celui du VHF2 attribué au film plus dense qui n'est pas facile à pénétrer par l'oxygène et l'humidité. La densité de courant et le facteur de remplissage de l'appareil s'améliorent également considérablement pour atteindre 40,80 mA/cm² et 86,28 %, respectivement en remplaçant l'Ag sérigraphié par des électrodes en cuivre plaquées sans germes, ce qui donne un PCE record mondial de 26,41 % pour les cellules solaires c-Si pleine grandeur avec des électrodes en cuivre plaquées.

À l’avenir, les cellules solaires SHJ développées par le professeur Yang et ses collègues pourraient être fabriquées à grande échelle et déployées dans des contextes réels. Les techniques de dépôt utilisées pour fabriquer ces cellules étant évolutives et compatibles avec les procédés industriels existants, elles pourraient bientôt être également utilisées par d’autres équipes de recherche pour développer des cellules SHJ et d’autres technologies photovoltaïques.

“D'autres études systématiques sont nécessaires pour déterminer l'effet de la fréquence d'excitation du PECVD sur la microstructure du nc-SiO._X:H(n) et la stabilité du dispositif final”, a ajouté le professeur Yang. “Le système de cuivrage pour la production en série nécessitait également une optimisation plus poussée, réduisant ainsi la complexité et le rendement du processus.”

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