Smart Energy

10 min

Kostenefficiëntere zonnecellen dankzij selectieve epitaxie

Optimalisatie van het doperingsprofiel aan de emitterzijde van tweezijdige zonnecellen met selective epitaxie zou de efficiëntie van de cel kunnen verbeteren en de kosten verlagen.

Scroll

Intro

Zonne-energie is brandend actueel. In tijden van toenemend energieverbruik worden zonnecellen beschouwd als een sleuteltechnologie voor duurzame energieproductie. Zeker nu meer en meer landen netpariteit bereiken, wordt zonne-energie een relevant alternatief voor conventionele energieproductie. Ondanks het groeiende enthousiasme is de omzettingsefficiëntie in zonnecellen nog steeds relatief laag. Het blijft een uitdaging om de efficiëntie te verhogen en tegelijkertijd de kosten laag te houden. Recent werk van María Recamán Payo, onderzoekster in de silicium-zonnecellengroep uit imec, pakt dit probleem aan door op tweezijdige zonnecellen een procestechnologie toe te passen, genaamd ‘selectieve epitaxie’. Door het doperingsprofiel aan de emitterzijde te optimaliseren is Recamán erin geslaagd recombinatie, een belangrijke bron van efficiëntieverlies, te beperken. Bovendien, omdat selectieve epitaxie een eenvoudig éénstapsproces is, moet deze aanpak de productiekosten van de modules verlagen.

Een kwestie van efficiëntie

Hoewel de zon de belangrijkste energiebron van de planeet is, zetten zonnecellen slechts een fractie van dat enorme potentieel om in elektriciteit. De meeste fotovoltaïsche zonnecellen hebben een theoretisch efficiëntieplafond dat de hoeveelheid energie beperkt die ze aan de zon kunnen onttrekken. Met de huidige technologieën hebben we dat plafond echter nog lang niet bereikt. De bovengrens van de omzettingsefficiëntie voor siliciummodules bedraagt ongeveer 30%, terwijl de zonnecellen van commerciële zonnepanelen meestal slechts om en bij de 18% halen. De hoofdbrok van het onderzoek spitst zich daarom toe op het vinden van oplossingen om deze kloof te dichten zonder daarbij de productiekosten te verhogen. “Het fotovoltaïsche domein heeft al enorme vooruitgang geboekt, bijvoorbeeld door de junctieprofielen en de passiveringslagen te verbeteren."

"Om de efficiëntie van de zonnecellen echter dichter bij de theoretische grens te brengen moeten we de recombinatieverliezen aanpakken in het gemetalliseerde deel van de emitter, de zone die de contacten huisvest. Dat is de achilleshiel van de huidige zonnecellen,” zegt Recamán." 

Een inkomende zonnestraal heeft voldoende energie om in het fotovoltaïsche materiaal een elektron los te maken van een siliciumatoom, dat elektron meer energie te geven en een 'gat' achter te laten. Het elektron gaat vervolgens naar de contactzone, waar het als elektriciteit onttrokken wordt. Als er geen recombinatie optreedt, tenminste. Als het elektron op weg naar het contact een gat tegenkomt, zal het recombineren en zijn energie verliezen. Recombinatie maakt de bijdrage van de ladingdrager aan de elektrische stroom ongedaan en is daardoor een van de fundamentele factoren die de efficiëntie beperken. Verschillende recombinatiemechanismen kunnen gelijktijdig plaatsvinden. Bij de zogenaamde Auger-recombinatie spelen drie ladingdragers een rol. In dat geval wordt het energieoverschot dat een elektron vrijgeeft wanneer het samensmelt met een gat, overgedragen naar een tweede elektron, in plaats van afgegeven te worden onder de vorm van hitte of een foton. In siliciumzonnecellen is dit het dominante proces in zones met een hoge dopering, de zones waar de concentratie van de ladingdragers het hoogst is, zoals in de contactzone.

Selectieve epitaxie gaat recombinatie tegen

Met een procedure die selectieve epitaxie heet, heeft Recamán een manier gevonden om het doperingsprofiel in de gemetalliseerde zone selectief aan te passen, zodat Auger-recombinatie tot een minimum kan beperkt worden en uiteindelijk de efficiëntie van de cel vergroot wordt. "Epitaxie is een vrij nieuwe techniek in zonnecelfabricatie, een techniek waarmee een micron-dikke laag op een siliciumsubstraat wordt ‘gegroeid’. Meer bepaald voor homo-epitaxie reageert een bronmateriaal van silicium met p- of n-type doperingsbronnen in aanwezigheid van een siliciumsubstraat. De laag die zo ontstaat heeft dezelfde eigenschappen als het substraat, met inbegrip van zijn onvolmaaktheden

Epitaxie is vergelijkbaar met het aanbrengen van een schil op een chipwafer.

Het is iets heel anders dan diffusie, de in de industrie gebruikelijke doperingstechnologie. In het geval van diffusie worden doperingsatomen in het substraat gedreven tijdens een verwerkingsstap onder hoge temperatuur." 

Epitaxie biedt veel voordelen en is een veelbelovende techniek voor de productie van uiterst efficiënte en voordelige zonnecellen. Om te beginnen is epitaxie een veelzijdige en flexibele methode om specifieke profielen voor verschillende toepassingen te maken. Omdat de doperingslaag volgens een box-verdelingsprofiel wordt aangebracht, kan men de dikte en het doperingsniveau onafhankelijk van elkaar optimaliseren. Dopering door middel van diffusie dat volgens een Gauss-profiel verloopt, zou de gelijktijdige aanpassing van de twee parameters vereisen. Ten tweede is de p/n-verbinding na de epitaxie gebruiksklaar. Diffusie daarentegen vormt een 'glaslaag' op het gedopeerde oppervlak, een bijproduct dat men moet wegetsen. Andere technieken, zoals ionenimplantatie, vereisen eveneens extra verwarmingsstappen om het doperingsmateriaal te activeren. Het feit dat het finale doperingsprofiel in één stap met epitaxie kan uitgevoerd worden, kan de productiekosten fors verlagen. Om met diffusie dezelfde resultaten te verkrijgen is een complexere strategie nodig met meer stappen en dus hogere kosten.

Een precisie-instrument voor efficiëntere zonnecellen

Volgens Recamán steekt één voordeel boven de andere uit: “Het belangrijkste kenmerk van epitaxie vergeleken met traditionele diffusie is de selectiviteit. Bij de fabricage van zonnecellen wordt een diëlektrische stof in een patroon op de wafer aangebracht, waarbij delen van het silicium onbedekt blijven om later de contacten te huisvesten. De selectieve epitaxie-techniek mikt alleen op deze open zones en beïnvloedt de omliggende delen niet. Na epitaxie kan het diëlektrisch materiaal als passiverings- of antireflectielaag blijven werken.” 

Precies die selectiviteit kan het verschil maken in de metaalregio zone, waar hoge doperingsniveaus noodzakelijk zijn om een lage contactweerstand te bereiken, in tegenstelling tot de passiveringszone waar te hoge doperingsniveaus Auger-recombinatie in de hand kunnen werken. "Selectieve epitaxie kan deze twee problemen van elkaar loskoppelen door een specifiek doperingsprofiel te vormen, met een onafhankelijke optimalisatie van het doperingsniveau en -dikte in elk van beide emitterregio’s.

Op die manier kan een dikke, sterk gedopeerde laag in de contactzone het contact versterken, terwijl een zwak gedopeerde laag op de rest van het oppervlak de Auger-recombinatie beperkt. Alles gebeurt in één simpele stap, wat met diffusie niet kan."

Recamán heeft epitaxie al toegepast op teststructuren zonder contacten. “De volgende stap bestaat er dan in om de metallisatie aan te brengen en de uiteindelijke cel te produceren. Daarna kunnen we de omzettingsefficiëntie van de cel meten en aantonen dat epitaxie beter presteert dan standaardtechnieken.” De verwachtingen zijn hooggespannen: met epitaxie op éénzijdige siliciumcellen werd eerder al een efficiëntie van 22,5% bereikt. Nu, voor tweezijdige cellen, die het licht aan beide zijden opvangen, heeft silicium-epitaxie op de contactzones de recombinatie beduidend verminderd. Op nog niet gemetalliseerde structuren met een dikke, sterk gedopeerde epitaxiale laag op de contactzone, bedraagt de densiteit van de donkere verzadigingsstroom (een meting van de totale recombinatie) maximaal 55 fA/cm², terwijl de beste cellen met de diffusietechniek nog altijd 70 fA/cm² halen. Een lager recombinatieverlies heeft ook een weerslag op de spanning bij open keten (VOC), die bepaalt hoeveel elektriciteit het systeem maximaal kan opwekken. “Het beperken van de recombinatieverliezen in de gemetalliseerde zone is erg belangrijk om een hoge spanning bij open keten te verkrijgen. De beste VOC die tot dusver verkregen is met diffusie voor tweezijdige zonnecellen is 688 mV. "

"Met de huidige structuren verwachten we een veel betere VOC van ongeveer 695 mV. We hopen zelfs de kaap van de 700 mV te bereiken,” besluit Recamán.

Een zonnige toekomst

De veelzijdigheid van selectieve epitaxie om het doperingsprofiel van de emitter nauwkeurig te bepalen, opent de weg naar verdere verbetering van zonnecelefficiëntie. Aangezien het proces bovendien eenvoudig is, zou de productie ook kostenefficiënter worden. De technologie heeft daarom een enorm potentieel voor zowel éénzijdige als tweezijdige zonnepanelen op daken of in gespecialiseerde installaties. 

Naarmate zonne-energie kostenefficiënter wordt, zal ze een groter aandeel krijgen in de energieportefeuille van de planeet. Onderzoek naar hernieuwbare energiebronnen staat dan ook hoog op de R&D-agenda van imec. Voorbeelden zijn initiatieven zoals Vlaanderens EnergyVille (Genk). EnergyVille bundelt de unieke expertise van KU Leuven, VITO, UHasselt en imec in één groot laboratorium, waar onderzoekers aan de duurzame energiesystemen van de toekomst werken. De zonnecellen die imec produceert, zullen geïntegreerd worden in modules en systemen in EnergyVille, waar ze ook verder zullen getest worden om te verzekeren dat de eindproducten klaar zijn voor een zonnige toekomst. 

 

Meer weten?

  • Lees meer over het werk van María Recamán Payo in haar recente publicatie (mail naar imecmagazine@imec.be voor een digitale kopie).
  • Lees meer over EnergyVille op hun website.

Biografie María Recamán Payo 

María Recamán Payo received the degree in Chemical Engineering from the Universidad de Santiago de Compostela in 2002, followed by the PhD degree from the Universidad Complutense of Madrid in 2008. In that same year, she joined imec where she is currently working as a senior scientist in silicon photovoltaics. Her domain of expertise is the application of silicon epitaxy and polysilicon growth by thermal CVD (Chemical Vapor Deposition) for junction formation and passivated contacts in bulk crystalline silicon solar cells.

 

Deze website maakt gebruik van cookies met als enige doel het analyseren van surfgedrag, zonder enige commerciële insteek. Lees er hier meer over.

Accepteer cookies