Анализ на факторите, влияещи върху коефициента на преобразуване на кристални силициеви слънчеви клетки

Ефективността на преобразуване на кристалните силициеви слънчеви клетки, като един от най-широко използваните видове слънчеви клетки, се влияе от множество фактори. Ефективността на преобразуване на слънчевите клетки се отнася до дела на слънчевата енергия, която може да се преобразува в електрическа. В практическите приложения подобряването на тази ефективност се сблъсква с няколко технологични ограничения. В тази статия ще бъдат анализирани факторите, влияещи върху ефективността на преобразуване на слънчевите клетки от кристален силиций, от гледна точка на оптичните и електрическите загуби, както и методите за подобряване на тяхната ефективност.

1. Фактори, влияещи върху коефициента на преобразуване на слънчевите клетки от кристален силиций

Ефективността на преобразуване на слънчевите клетки се влияе главно от абсорбцията на светлина, преноса на носители и събирането им. Теоретичният максимален коефициент на преобразуване на монокристални силициеви слънчеви клетки е 28%. Действителната ефективност на преобразуване обаче е ограничена от различни фактори, които могат да бъдат широко категоризирани като оптични и електрически загуби.

1.1 Оптични загуби

Оптичните загуби включват няколко вида загуби:

• Загуба на отражение на повърхността: Когато слънчевата светлина попадне върху повърхността на слънчевата клетка, част от нея се отразява обратно и не може да бъде погълната от клетката. Това е основен фактор, който влияе върху ефективността на слънчевата клетка. Обикновено степента на отразяване на кристалните силициеви слънчеви клетки е 30%-35%. За да се намали този ефект, се нанасят антирефлекторни покрития (като силициев нитрид или силициев оксид), за да се намали степента на отразяване до 5%-10%.
• Загуба на сянка от контактните решетъчни линии: Металните контакти (решетъчни линии) на повърхността на клетката блокират част от светлината, като намаляват количеството светлина, която попада директно върху повърхността на клетката. Дизайнът на мрежовите линии трябва да балансира между загубата на сянка и способността за събиране на ток, като се сведе до минимум блокирането на светлината.
• Загуба от неабсорбиране при дълги дължини на вълната: Кристалните силициеви слънчеви клетки имат голяма разделителна способност, което означава, че не могат да абсорбират ефективно инфрачервена светлина в по-дългия спектър на вълните. Тази неабсорбирана светлинна енергия допринася за загуба на ефективност.

1.2 Електрически загуби

Загубата на електричество се дължи на няколко фактора:

• Рекомбинация на фотогенерирани носители: След като светлината попадне върху повърхността на слънчевата клетка, генерираните електрони и дупки трябва да бъдат ефективно отделени и транспортирани до електродите. Ако те рекомбинират, преди да достигнат електродите, се губи енергия. Рекомбинацията обикновено се случва при повърхностни или обемни дефекти в материала, особено в случаите, когато концентрацията на носители е висока. Минимизирането на рекомбинацията е от решаващо значение за подобряване на ефективността на слънчевите клетки.
• Съпротивление на контакта: Съпротивлението на контактите между полупроводниковите и металните електроди, както и качеството на контактите на електродите, също могат да повлияят на ефективността на клетката. Високото контактно съпротивление увеличава вътрешното съпротивление, което възпрепятства протичането на тока и намалява ефективността на изхода на клетката.
• Рекомбинация на задната повърхност: Рекомбинацията на задната повърхност влияе значително върху ефективността на слънчевата клетка, особено при тънките клетки. Ако дължината на дифузия на носителите надвишава дебелината на силициевата пластина, рекомбинацията на задната повърхност става по-забележима, което се отразява отрицателно на ефективността на слънчевата клетка.

2. Методи за подобряване на коефициента на преобразуване на кристално-силициевите слънчеви клетки

За да се подобри ефективността на преобразуване на кристални силициеви слънчеви клетки, са предложени различни стратегии за оптимизация. Тези стратегии имат за цел да намалят оптичните и електрическите загуби, да подобрят абсорбцията на светлината и да подобрят ефективността на събиране на носителите.

2.1 Структура за улавяне на светлината

За да се увеличи ефективно абсорбцията на светлина, в кристалните силициеви слънчеви клетки често се използва технология за текстуриране чрез химическо ецване. Текстурираната повърхност може значително да намали отразяването на светлината и да подобри нейното поглъщане. Понастоящем технологията за реактивно йонно ецване (RIE) се е превърнала в често използван метод за текстуриране. Тази технология създава равномерна текстурирана повърхност, която подобрява намаляването на степента на отразяване, оптимизирайки отразяването и поглъщането на светлината.

2.2 Антирефлексно покритие

Функцията на антирефлексното покритие е да намали загубите от отразяване, като създаде интерференция между падащата светлина и повърхността на клетката. Обичайните антирефлексни материали включват TiO2, SiO2, SnO2 и други. Когато върху текстурираната повърхност на клетката се нанесе антирефлексно покритие, степента на отразяване може да се намали до около 2%.

2.3 Слой за пасивиране

Пасивиращите слоеве могат ефективно да намалят рекомбинацията на фотогенерираните носители в определени области. Обичайните техники за пасивиране включват пасивиране чрез термично окисление и пасивиране с атомен водород. Тези методи образуват защитен слой върху повърхността на клетката, който спомага за предотвратяване на рекомбинацията на носителите. Освен това за пасивиране могат да се използват и техники за повърхностна дифузия (като фосфорна или алуминиева дифузия), които значително подобряват работата на слънчевата клетка.

2.4 Подобряване на задното поле

В слънчевите клетки от P-тип материали добавянето на силно легиран P+ слой на задната повърхност може да формира P+/P структура, създавайки вградено електрическо поле на P+/P интерфейса. Това вградено електрическо поле спомага за разделяне на фотогенерираните носители, което води до натрупване на носители от страната на P+ и генериране на фотонапрежение. Това фотонапрежение увеличава напрежението на отворената верига (Voc) на слънчевата клетка. Освен това наличието на обратно електрическо поле ускорява дифузията на фотогенерираните носители, като ефективно увеличава тяхната дифузионна дължина и подобрява тока на късо съединение (Jsc).

2.5 Подобряване на материала на субстрата

Изборът на висококачествени силициеви материали е от решаващо значение за подобряване на работата на клетката. Силицият от N-тип е особено изгоден, тъй като има по-дълъг живот на носителите, по-ниска реакция на бор и кислород, по-добра електропроводимост и по-нисък ток на насищане. Използването на силиций от N-тип като материал за подложка може ефективно да повиши ефективността на преобразуване на слънчевата клетка.

3. Заключение

Ефективността на преобразуване на кристалните силициеви слънчеви клетки се влияе от множество фактори, най-вече от оптични и електрически загуби. За да се подобри ефективността на слънчевите клетки, са необходими цялостни стратегии за оптимизация, като например използване на структури за улавяне на светлината, антирефлекторни покрития, пасивиращи слоеве и оптимизиране на дизайна на задното поле. Освен това използването на висококачествени силициеви материали за субстрата може значително да подобри цялостната ефективност на слънчевата клетка. С непрекъснатия технологичен напредък ефективността на кристалните силициеви слънчеви клетки се очаква да се подобри още повече в бъдеще.