journal-opt - abstr13-37

https://doi.org/10.15407/jopt.2018.53.013

Optoelectron. Semicond. Tech. 53, 13-37 (2018)

Kostylyov V.P., Sachenko A.V.

Semiconductor photovoltaics: сurrent state and actual directions of research

Recently, the work to improve the efficiency of solar energy photoconverters (SEPCs) has been continued, due to which the achieved efficiency values in the SEPC based on silicon are closely approached to their limit ones. Active researches in the field of semiconductor energy converters are being performed at the V. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics, National Academy of Sciences of Ukraine. Therefore, this review outlines the upto-date state of researches in semiconductor photovoltaics. From the analysis of the distribution of the photovoltaics market, it has been concluded that the silicon technology will dominate in the next 10 to 15 years. The record values of the efficiency of SEPCs based on various materials are adduced. The features of the generation and recombination processes as well as the current passage in the SEPC based on both p-n- junctions and amorphous silicon / crystalline silicon (α-Si: H/c-Si) heterojunctions, in a wide range of excitation level changes are analyzed both for the limiting case, when the removable recombination mechanisms can be neglected, and for the real case, when all available recombination mechanisms are taken into account. It has been shown that, in the case of large lifetimes of non-equilibrium charge carriers and doping level of ~ 1015 cm–3 already in the AM1,5 (1000 W/cm2 ) conditions in the silicon SEPCs, a high excitation level is realized. When increasing the applied voltage, at 0.5 V< 0.7 V, the value of the non-ideality factor in current-voltage characteristics is also equal to 2, like to the case of recombination inside the space charge region, due to the effect of an isotypical barrier at the rear surface. An overview of the results of work on the development of physical and physico-technological basis for creation of highly efficient (efficiency up to 20%, AM1,5) multi-barrier SEPCs for space and terrestrial applications based on silicon multilayered structures with combined diffusion and induced barriers, SEPCs with rear barriers and contact metallization, concentrating SEPCs and installations on their basis, combined solar panels and wind turbine installation intended to power low-power equipment in extreme field conditions, performed at the V.Ye. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics, National Academy of Sciences of Ukraine.

Keywords: resources, solar energy, solar panels, photoconverter of solar energy, efficiency of the solar cell.

PDF

References

1. World Energy Scenarios: Composing energy futures to 2050. World Energy Council, 2013.

2. Perspectives on the Grand Energy Transition/World Energy Council. Issues Monitor, 2018.

3. World energy resources, URL: https://en.wikipedia.org/wiki/World_energy_resources (Last accessed: 28.11.2018).

4. World Energy Resources. World Energy Council, 2016.

5. Snapshot of Global Photovoltaic Markets. Report IEA PVPS T1-33, 2018.

6. Photovoltaics report. Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems. Freiburg, 19 June 2018. URL: www.ise.fraunhofer.de (Last accessed: 28.11.2018).

7. Solar energy. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_energy (Last accessed: 28.11.2018).

8. Fotovoltaika. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/fotovoltaika (data zvernennya: 28.01.2018). (in Russian)

9. Chapin D.M., Fuller C.S., Pearson G.O. A new silicon p-n junction photocell for converting solar radiation into electrical power. J. Appl. Phys. 1954. 25, N 5. P. 676-677.

https://doi.org/10.1063/1.1721711

10. Colnechnye milliardy. Kogda Ukraina smozhet stat energonezavisimoj http://project.liga.net/projects/energoeffectivnost/ (data zvernennya: 28.01.2018). (in Russian)

11. Green M.A. Commercial progress and challenges for photovoltaics. Nature Energy. 2016. 1. P. 1-4.

https://doi.org/10.1038/nenergy.2015.15

12. Green MA, Hishikawa Y, Dunlop ED, Levi DH, HohlEbinger J, HoBaillie AWY. Solar cell efficiency tables (version 51). Prog. Photovolt. Res. Appl. 2018 26. P. 3-12. https://doi.org/10.1002/pip.2978

https://doi.org/10.1002/pip.2978

13. Swanson R.M. Point contact solar cells: Modelling and experiment. Solar Cells. 1986. 17, N 1. Р. 85-118.

https://doi.org/10.1016/0379-6787(86)90061-X

14. Verlinden P.J., Swanson R.M., Crane R.A. High efficiency silicon point-contact solar cells for concentrator and high value one-sun applications. Book of abstracts 12th European photovoltaic solar energy conference. Amsterdam. 1994. P. O9.1.

15. A. Janо, S. Tohoda, K. Matsuyama, Y. Nakamura, T. Nishiwaki, K. Fujita, M. Taguchi, and E. Maruyama. 24.7 record efficiency hit solar sell on thin silicon wafer. 28th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition. 30 September - 4 October, 2013, Paris, France. P. 1846-1848.

https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2013.2282737

16. Yoshikawa K., Kawasaki H., Yoshida W. et al. Silicon heterojunction solar cell with interdigitated back contacts for a photoconversion efficiency over 26%. Nat. Energy. 2017. 2, N 5. P. 17032.

https://doi.org/10.1038/nenergy.2017.32

17. Zhao J, Wang A, Green MA, Ferrazza F. Novel 19.8% efficient "honey-comb" textured multicrystalline and 24.4% monocrystalline silicon solar cells. Appl. Phys. Lett. 1998. 73, N 14. P. 1991-1993.

https://doi.org/10.1063/1.122345

18. Richter A., Benick J., Feldmann F., Fell A., Hermle M., Glunz S.W. ntype Si solar cells with passivating electron contact: identifying sources for efficiency limitations by wafer thickness and resistivity variation. Sol. Energy Mater Sol Cells. 2017. 173. P. 96-105.

https://doi.org/10.1016/j.solmat.2017.05.042

19. Zhao X., Li D., Zhang T., Conrad B. еt al. Short circuit current and efficiency improvement of SiGe solar cell in a GaAsP-SiGe dual junction solar cell on a Si substrate. Solar Energy Materials & Solar Cells. 2017. 159. P. 86-93.

https://doi.org/10.1016/j.solmat.2016.08.037

20. Essig S., Allebé C., Remo T. et al. Raising the onesun conversion efficiency of III-V/Si solar cells to 32.8% for two junctions and 35.9% for three junctions. Nature Energy. 2017. 2, N 9. P. 17144.

https://doi.org/10.1038/nenergy.2017.144

21. Cariou R., Benick J., Beutel P., Razek N., Flotgen Ch., Hermle M., Lackner D., Glunz S.W., Bett A.W., Wimplinger M., and Dimroth F. Monolithic two-terminal III-V/Si triple solar cells with 30.2% efficiency under 1-Sun AM1.5g. IEEE J. Photovolt. 2017. 7, N 1. P. 367-373.

https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2016.2629840

22. Werner J., Barraud L., Walter A. et al. Efficient near-infrared-transparent perovskite solar cells enabling direct comparison of 4-terminal and monolithic perovskite - silicon tandem cells. ACS Energy Lett. 2016. 1, N 2. P. 474-480.

https://doi.org/10.1021/acsenergylett.6b00254

23. Bush K.A., Palmstrom A.F., Yu Z.J. et al. 23.6%-efficient monolithic perovskite/silicon tandem solar cells with improved stability. Nat. Energy. 2017. 2. P. 17009.

https://doi.org/10.1038/nenergy.2017.9

24. Shockley W. and Queisser H.J. Detailed balance limit of efficiency of p-n junction solar cells. J. Appl. Phys. 1961. 32. P. 510-519.

https://doi.org/10.1063/1.1736034

25. Green M.A. Limits on the open-circuit voltage and efficiency of silicon solar cells imposed by intrinsic Auger processes. IEEE Trans. Electron Devices. 1984. ED-31, N 5. P. 671-678.

https://doi.org/10.1109/T-ED.1984.21588

26. Tiedje T., Yablonovitch E., Cody G.D., and Brooks B.G. Limiting efficiency of silicon solar cells. IEEE Trans. Electron Devices. 1984. ED-31, N 5. P. 711-716.

https://doi.org/10.1109/T-ED.1984.21594

27. Kerr M.J., Cuevas A., and Campbell P. Limiting efficiency of crystalline silicon solar cells due to Coulombenhanced Auger recombination. Prog. Photovolt.: Res. Appl. 2003. 11. P. 97-104.

https://doi.org/10.1002/pip.464

28. Richter A., Hermle M., and Glunz S.W. Reassessment of the limiting efficiency for crystalline silicon solar cells. IEEE J. Photovolt. 2013. 3, N 4. P. 1185-1191.

https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2013.2270351

29. Sachenko A.V., Shkrebtij A.I., Korkishko R.M., Kostylev V.P., Kulish N.R., Sokolovskij I.O. Osobennosti fotopreobrazovaniya v vysokoeffektivnyh kremnievyh solnechnyh elementah. FTP. 2015. 49, №2. C. 271-277. (in Russian)

https://doi.org/10.1134/S1063782615020189

30. Kerr M. J. and Cuevas A. General parameterization of Auger recombination in crystalline silicon. J. Appl. Phys. 2002. 91. P. 2473.

https://doi.org/10.1063/1.1432476

31. Altermatt P.P., Geelhaar F., Trupke T., Dai X., Neisser A., and Daub E. Injection dependence of spontaneous radiative recombination in crystalline silicon: Experimental verification and theoretical analysis. Appl. Phys. Lett. 2006. 88. P. 261901-1-261901-3.

https://doi.org/10.1063/1.2218041

32. Schenk A. Finite-temperature full random-phase approximation mode of band gap narrowing for silicon device simulation. J. Appl. Phys. 1998. 84. P. 3684-3695.

https://doi.org/10.1063/1.368545

33. Almansouri I., Ho-Baillie A., and Green M.A. Ultimate efficiency limit of single-junction perovskite and dualjunction perovskite / silicon two-terminal devices. Jpn. J. Appl. Phys. 2015. 54. P 08KD04-1 - 08KD04-6.

https://doi.org/10.7567/JJAP.54.08KD04

34. Kostilov V.P., Sachenko A.V., Vlasyuk V.M., Korkishko R.M., Sokolovskij I.O., Chernenko V.V. Osoblivosti formuvannya rekombinacijnogo strumu v oblasti prostorovogo zaryadu kremniyevih sonyachnih elementiv. Ukrayinskij fizichnij zhurnal. 2016. 61, № 10. P. 923-928. (in Ukrainian)

https://doi.org/10.15407/ujpe61.10.0917

35. Shockley W. The Theory of p-n Junctions in Semiconductors and p-n Junction Transistors. Bell System Techn. J. 1949. 28, no 3. P. 435-489.

https://doi.org/10.1002/j.1538-7305.1949.tb03645.x

36. Sachenko A. V., Kostylev V. P., Sokolovskij I. O. i dr. Osobennosti tokoprohozhdeniya v geteroperehodnyh solnechnyh elementah na osnove a-Si: H/Si. Pisma v ZhTF. 2017. 43. № 3. C. 29 - 38. (in Russian)

37. Sachenko A. V., Gorban A.P., Kostylev V. P. i dr. Parametr izluchatelnoj rekombinacii i vnutrennij kvantovyj vyhod elektrolyuminescencii v kremnii. FTP. 2006. 40, №8. S. 213. (in Russian)

38. Sachenko A.V., Kostylyov V.P., Vlasyuk V.M., Sokolovskyi I.O., and Evstigneev M. The influence of the exciton nonradiative recombination in silicon on the photoconversion efficiency. Proc. 32 European Photovoltaic Solar Energy Conf. and Exhib., Germany, Munich, June 20-24, 2016. Р. 141-147.

39. Richter A., Glunz S., Werner F. et. al. Improved quantitative description of Auger recombination in crystallinesi licon. Phys. Rev. B. 2012. 86. P. 165202.

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.86.165202

40. Sachenko A.V., Kryuchenko Yu.V., Kostylev V.P. i dr. Metod optimizacii parametrov geteroperehodnyh fotoelektricheskih preobrazovatelej na osnove kristallicheskogo kremniya. FTP. 2016. 50, № 2. S. 259. (in Russian)

41. Sachenko A.V., Kostylev V.P., Bobyl A.V., Vlasyuk V.N., Sokolovskij I.O., Konoplev G.A., Terukov E.I., Shvarc M.Z., Evstigneev M.A. Vliyanie tolshiny bazy na effektivnost fotopreobrazovaniya teksturirovannyh solnechnyh elementov na osnove kremniya. Pisma v ZhTF. 2018, 44. vyp. 19. C. 40-49. (in Russian)

https://doi.org/10.1134/S1063785018100139

42. Trupke T., Zhao J., Wang A., Corkish R., Green M.A. Very efficient light emission from bulk crystalline silicon. Appl. Phys. Lett. 1991. 82, N 18. P. 2996-2998.

https://doi.org/10.1063/1.1572473

43. Green M.A. Ag requirements for silicon wafer-based solar cells. Prog. Photovolt.: Res. Appl. 2009. 17, N 3. P. 183-189.

https://doi.org/10.1002/pip.892

44. Masuko K., Shigematsu M., Hashiguchi T. et al. Achievement of more than 25% conversion efficiency with crystalline silicon heterojunction solar cell. IEEE J. Photovolt. 2014. 4, N 6. P. 1433-1435.

https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2014.2352151

45. Centre of Excellence for Advanced Silicon Photovoltaics and Photonics. Annual Report, The Australian Reseach Council, Sidney. 2005.

46. Gogolin S., Ferre R. Turcu M., Harder N.-P. Silicon heterojunction solar cells: Influence of H2-dilution on cell performance. Sol. Energy Mater. Sol. Cells. 2012. 106. P. 47-50.

https://doi.org/10.1016/j.solmat.2012.06.001

47. Mäckel H., Varner K. On the determination of the emitter saturation current density from lifetime measurements of silicon devices. Prog. Photovolt.: Res. Appl. 2013. 21. P. 850-866.

https://doi.org/10.1002/pip.2167

48. Fell A. A free and fast three-dimensional/two-dimensional solar cell simulator featuring conductive boundary and quasi-neutrality approximations. IEEE Trans. Electron Devices. 2013. 60, N 2. P. 733-738.

https://doi.org/10.1109/TED.2012.2231415

49. Sachenko A.V., Kryuchenko Yu.V., Kostylyov V.P. et al. Temperature dependence of photoconversion efficiency in silicon heterojunction solar cells: Theory vs experiment. J. Appl. Phys. 2016. 119. P. 22570213.

https://doi.org/10.1063/1.4953384

50. Sachenko A.V., Kostylev V.P., Bobyl A.V., Vlasyuk V.M., Sokolovskij I.O., Terukov E.I., Evstigneev M.A. Osobennosti modelirovaniya effektivnosti fotopreobrazovaniya solnechnyh elementov na osnove perovskitov. Pisma v ZhTF. 2017. 43, vyp. 14. S. 47 -54. (in Russian)

51. Kostilov V.P., Sachenko A.V. Perovskitni strukturi ta sonyachni elementi na yih osnovi: osoblivosti otrimannya, harakterizaciyi ta fizichnih mehanizmiv. VIII ukrayinska naukova konferenciya z fiziki napivprovidnikiv UNKFN-8. 2-4 zhovtnya 2018 Uzhgorod, Ukrayina. Vidavnictvo TOV «Rik-U». t. 1. S. 17 -20. (in Ukrainian)

52. Kostilov V.P, Sachenko A.V., Bobil A.V., Vlasyuk V.M., Sokolovskij I.O., Terukov Ye.I., Yevstignyeyev M.O. Dosyazhna efektivnist fotoperetvorennya v tandemnih sonyachnih elementah na osnovi perovskitnoyi p-i-n strukturi ta HIT elementa. Sb. nauchnyh trudov IH Mezhdunarodnoj nauchnoj konferencii "Funkcionalnaya baza nanoelektroniki" (FBN-2017), 18-23 sentyabrya 2017, Odessa, Ukraina. S. 169-173. (in Ukrainian)

53. Sachenko A.V., Kryuchenko Yu.V., Bobyl A.V. i dr. Analiz vozmozhnostej realizacii vysokih znachenij effektivnosti fotopreobrazovaniya v tandemnyh geteroperehodnyh tonkoplenochnyh solnechnyh elementah. Pisma v PZhTF. 2015. 41, vyp. 10. S. 42-50. (in Russian)

54. You J., Hong Z., Yang M. et al. Low-temperature solution-processed perovskite solar cells with high efficiency and flexibility. ASC Nano. 2014. 8, N 2. P. 1674

https://doi.org/10.1021/nn406020d

Chen Q., Zhou H., Hong Z. et al. J. Planar heterojunction perovskite solar cells via vapor-assisted solution process. Am. Chem. Soc. 2014. 136. P. 622-625.

https://doi.org/10.1021/ja411509g

55. Sachenko A.V., Kryuchenko Yu.V., Kostylev V.P. i dr. Metod optimizacii parametrov geteroperehodnyh fotoelektricheskih preobrazovatelej na osnove kristallicheskogo kremniya. FTP. 2016. 50, vyp. 2. S. 259-263. (in Russian)

56. Gorban A.P., Kostylyov V.P., Sachenko A.V., Serba A.A., Chernenko V.V. Razrabotka fiziko-tehnicheskih osnov sozdaniya vysokoeffektivnyh kremnievyh fotopreobrazovatelej i solnechnyh batarej kosmicheskogo i nazemnogo primeneniya. Aviacionno-kosmicheskaya tehnika i tehnologiya. 1999. Vyp 8. S. 83-87. (in Russian)

57. Gorban' A.P., Kostylev V.P., Borschev V.N., Listratenko A.M. State and prospects of a development of silicon photoconverters and batteries for the space use. Telecommunications and Radio Engineering. 2001. 55, N 9. P. 94-100.

https://doi.org/10.1615/TelecomRadEng.v55.i9.120

58. Oksanich A.P., Terban V.A., Volohov S.O., Klyuj M.I., Skrishevskij V.A., Kostilov V.P., Makarov A.V. Suchasni tehnologiyi virobnictva kremniyu ta kremniyevih fotoelektrichnih peretvoryuvachiv sonyachnoyi energiyi. Krivij Rig: Mineral, 2010. (in Ukrainian)

59. Kostilov V.P. Procesi fotoelektrichnogo peretvorennya energiyi v kremniyevih bagatosharovih strukturah z difuzijno-polovimi bar'yerami: Dis. ... dokt. fiz.-mat. nauk: 01.04.01. Kiyiv, 2009. (in Ukrainian)

https://doi.org/10.19129/sbad.132

60. Litovchenko V.G., Melnik V.P., Romanyuk B.M. ta in. Mobilni sonyachni elektrostanciyi dlya vikoristannya v polovih umovah]. Visnik NAN Ukrayini. 2015. № 11. S. 59-66. (in Ukrainian)

https://doi.org/10.15407/visn2015.11.059

61. Korkishko R.M., Melnik V.P., Romanyuk B.M., Kostilov V.P.. Mobilnij pristrij dlya zhivlennya izaryadki malopotuzhnoyi aparaturi v polovih umovah. Patent na korisnu model 105847, Ukrayina, H02J 7/35, H01L 31/042. Zayavnik ta vlasnik patentu Institut fiziki napivprovidnikiv im. V.Ye. Lashkarova NAN Ukrayini. № U201508773 zayavl. 10.09.2015, opubl. 11.04.2016. Byul. № 7. (in Ukrainian)

62. Gorban A.P., Kostilov V.P., Sachenko A.V., Serba O.A., Sokolovskij I.O., Chernenko V.V. Vpliv plavayuchih p-n perehodiv na efektivnist kremniyevih sonyachnih elementiv z tilnimi kontaktami. UFZh. 2010. 55, № 7. S. 784-792. (in Ukrainian)

63. Sachenko A.V, Gorban A.P., Kostilov V.P., Serba O.A., Sokolovskij I.O. Osoblivosti fotoperetvorennya pri koncentrovanomu osvitlenni v kremniyevih sonyachnih elementah dlya standartnoyi i tilnoyi geometrij roztashuvannya kontaktiv. UFZh. 2007. 52, №7. S. 661-670. (in Ukrainian)

64. Attestat akkreditacii Centra ispytanij fotopreobrazovatelej i batarej fotoelektricheskih IFN im. V.E. Lashkarova NAN Ukrainy, № PT-0327/03. Vydannyj 29 aprelya 2003 goda Ukrainskim gosudarstvennym nauchno-proizvodstvennym centrom standartizacii, metrologii i sertifikacii (UkrCSM). (in Russian)

65. Svidoctvo pro atestaciyu Centru viprobuvan fotoperetvoryuvachiv ta batarej fotoelektrichnih IFN im.V.Ye. Lashkarova NAN Ukrayini, № PT-0359/06. Vidane 30 zhovtnya 2006 roku derzhavnim pidpriyemstvom Vseukrayinskij derzhavnij naukovo-virobnichij centr standartizaciyi, metrologiyi, sertifikaciyi ta zahistu prav spozhivachiv (Ukrmetrteststandart). (in Ukrainian)

В.П. Костильов, А.В. Саченко

НАПІВПРОВІДНИКОВА ФОТОЕНЕРГЕТИКА: СУЧАСНИЙ СТАН І АКТУАЛЬНІ НАПРЯМИ ДОСЛІДЖЕНЬ

Останнім часом продовжуються роботи з покращення коефіцієнта корисної дії (ККД) фотоперетворювачів сонячної енергії (ФПСЕ), завдяки чому досягнуті значення ККД в ФПСЕ на основі кремнію впритул наблизились до граничних значень. Активні дослідження в галузі напівпровідникової енергетики ведуться в Інституті фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України. Тому в даному огляді викладено стан досліджень напівпровідниковій фотоенергетиці на сьогодні. З аналізу розподілу ринку фотовольтаїки зроблено висновок про домінування в найближчі 10–15 років кремнієвої технології. Наведено рекордні значення ККД ФПСЕ на основі різних матеріалів. Проаналізовано особливості генераційно-рекомбінаційних процесів і струмопроходження у ФПСЕ на основі p-n переходів, а також гетеропереходів аморфний кремній/кристалічний кремній (α-Si:Н-c-Si) в широкому діапазоні зміни рівнів збудження як для граничного випадку, коли усувними механізмами рекомбінації можна знехтувати, так і для реального випадку, коли враховуються усі наявні рекомбінаційні механізми. Показано, що у випадку великих часів життя нерівноважних носіїв заряду і рівні легування ~1015 см–3 уже в умовах АМ1,5 (1000 Вт/см2 ) у кремнієвих ФПСЕ реалізується високий рівень збудження. При підвищенні прикладеної напруги, коли 0,7 > V > 0,5 В, величина чинника неідеальності вольт-амперної характеристики теж дорівнює 2, як і у випадку рекомбінації в області просторового заряду, за рахунок впливу ізотипного бар’єра на тильній поверхні. Наведено також огляд результатів робіт з розробки фізичних і фізико-технологічних засад створення високоефективних (ККД до 20%, АМ1,5) багатобар’єрних ФПСЕ космічного та наземного призначення на основі кремнієвих багатошарових структур з комбінованими дифузійно-польовими бар’єрами, ФПСЕ з тильними бар’єрами та контактною металізацією, концентраторних ФПСЕ і установок на їх основі, комбінованої фото- і вітрогенераторної установки, що призначена для живлення малопотужної апаратури в польових умовах, виконаних в Інституті фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України.

Ключові слова: сонячна енергетика, сонячні батареї, фотоперетворювачі сонячної енергії, ККД сонячного елемента.

Back / Повернутися