High-performance tandem heterojunction solar cells for specific applications

Utvikling av nye og avanserte materialsystemer for økt virkningsgrad for fotovoltaiske komponenter basert på silisium-teknologi er av stor betydning for både å imøtekomme det økende behovet for konkurransedyktige alternative lav-karbon-energiteknologier og for å øke konkurransedyktigheten til den europeiske solcelleindustrien. Målsetningen for SOLHET-prosjektet (High-performance tandem heterojunction solar cells for specific applications) har vært å øke ytelsen til silisiumbaserte solceller forbi deres konvensjonelle grense (20-25 % virkningsgrad) ved å utvikle metalloksider som kan inkorporeres i Si-baserte høy-ytelses tandem-solceller. Metalloksider er noen av de mest lovende materialer for utvikling av neste generasjon solceller, da disse materialene er billige, rikelig tilgjengelige, og ikke-toksiske. SOLHET har fokusert på å utvikle billige og kjemisk stabile metalloksid-tynnfilmer med høy optisk absorpsjon og høy elektrisk ledeevne som kan benyttes til fabrikkering av tandem solceller med over 30 % virkningsgrad. En teoretisk simuleringsmodell for design og optimalisering av tandemsolcellen har blitt utviklet i et samarbeid mellom Institutt for energiteknikk (IFE) og det Polytekniske universitetet i Bucuresti (PUB). Dataverktøy som er blitt benyttet inkluderer Silvaco Atlas, PC1D, Quokka2, OPAL2 og Crosslight APSYS. Dette samarbeidet har ført til flere felles publikasjoner, og vil danne grunnlaget for fremtidig videre utvikling av solcellekonseptet som SOLHET-prosjektet er bygget på. Et 4-terminals tandemcellekonsept ble utviklet i prosjektet og teoretisk modellering av dette solcelledesignet har antydet at en virkningsgrad nær 30 % er mulig. Ytelsen for toppcellen (ZnO/Cu2O heterojunction) for ulike bufferlag inkludert i tynnfilmstrukturen ble analysert for bedre å forstå betydningen av båndopplinjering for transport av ladningsbærer gjennom grenseflaten for heterojunction. Effekten av ulike materialegenskaper (tettheten av overflatedefekter og elektronaffiniteten til tynnfilmmaterialene) for ytelsen til Al:ZnO/Cu2O heteroovergangen ble undersøkt ved bruk av Silvaco Atlas. I tillegg har betydningen av c-Si bunncelle-designet for totalytelsen til fire-terminal tandemsolcellen blitt studert teoretisk. Fremstilling av metalloksid-tynnfilmer (Cu2O og ZnO) ved sputterdeponering er blitt utført ved Universitetet i Oslo (UiO). UiO og National Institute for Research and Development in Optoelectronics (INOE) har samarbeidet om analyse av de strukturelle, kjemiske, optiske og elektriske egenskapene for disse tynnfilmmaterialene, og resultatene fra disse analysene har blitt publisert i flere artikler og konferansebidrag. Separate tynnfilmlag av Cu2O og ZnO har blitt utviklet og disse lagene har fremvist gode elektriske og optiske egenskaper. Nitrogen-dopede Cu2O-tynnfilmer ble fremstilt ved UiO og sendt til INOE for karakterisering av de strukturelle, kjemiske og optiske egenskaper. Nitrogendopingen ble utført ved å tilsette nitrogengass til argon-oksygen gassmiksen under sputterdeponeringsprosessen og det ble påvist at de elektriske egenskapene til tynnfilmen kunne påvirkes ved å tilsette nitrogen. SOLHET-prosjektet klarte dessverre ikke å utvikle en ZnO/Cu2O-heteroovergang (toppcelle) med god nok kvalitet (diodeoppførsel) til at eksperimentell fremstilling av en tandemsolcelle kunne bli realisert. Bufferlag av TiO2 og ZnO ble inkorporert i heteroovergangen i et forsøk for å bedre stabiliteten, men den elektriske ytelsen til Al:ZnO/Cu2O heteroovergangen ble ikke vesentlig forbedret. Totalt har 15 journalartikler og 14 konferansebidrag blitt oppnådd, i tillegg til 4 allmennrettede formidlingstiltak. Blant annet har resultater oppnådd i prosjektet blitt presentert som et muntlig foredrag i European photovoltaic and solar energy conference (EUPVSEC 2018), som er en stor og viktig konferanse innen solenergi. I juli 2019 ble en patentsøknad for SOLHETs 4-terminal tandemsolcellekonsept sendt inn til det rumenske statlige patentagenturet State Office for Inventions and Trademarks (OSIM). Prosjektet har ført til økt samarbeid mellom de norske og rumenske partnerne i prosjektet, og har åpnet opp for mulige fremtidige prosjektsamarbeid

- Et solcellekonsept satt sammen av en høyeffektiv silisium-basert bunncelle og en heteroovergang toppcelle bestående av lav-kost, rikelig tilgjengelige og ikke-giftige metalloksider har blitt utviklet, noe som potensielt kan ha store økonomiske og miljømessige ringvirkninger i det fotovoltaiske marked. - Forskningen utført i prosjektet vil kunne føre til økt forståelse for de teknologiske utfordringene knyttet til denne type solcellekonsept, inkludert elektrontransport gjennom p-n-overganger av metalloksider og betydningen av defekter for ytelsen til metalloksid-solceller. - Samtidig kan denne teknologien føre til nye forretningsmuligheter som potensielt kan føre til økt konkurransedyktighet for den europeiske solcelleindustrien, og mer spesifikt for den industrielle partneren i prosjektet. - Prosjektet har bidratt med å utvikle teknologi som kan bidra til å løse de globale klimautfordringene

This project, entitled High-performance tandem heterojunction solar cells for specific applications (SOLHET), is developed by 5 European partners (2 Norwegian, 3 Romanian). The Department for Solar Energy at Institute for Energy Technology (NO) will be the coordinator of the SOLHET project, with University of Oslo (NO), Polytechnic University of Bucharest (RO), National Institute for Research and Development in Optoelectronics (RO), and Altius Fotovoltaic SRL (RO) as partners. The establishment of a strong collaboration between the involved European partners in this consortium within a very timely and relevant research area, namely increased efficiency of Si-based solar cells beyond their traditional limitations, can potentially revolutionize the photovoltaics (PV) area and evolve into a close partnership with many European research institutes, academic institutions, and industrial partners. The project aims at increasing the conversion efficiency of silicon solar cells beyond their conventional limitations by developing high-performance Si-based tandem heterojunction solar cells (STHSC) using low-cost, abundant, and non-toxic oxide materials. Metal oxides are among the most promising candidate materials which have been proposed for the next generation of solar cells. The realization of a high-efficiency STHSC employing low-cost, abundant, and non-toxic oxide materials can potentially have a massive impact on the PV field with obvious economic and environmental benefits. The technology will be validated in an industrial environment by Scatec (Norway) and Altius Fotovoltaic (Romania). The development of novel and advanced materials systems for improved conversion efficiency of photovoltaic devices based on crystalline silicon technology is decisive to achieve the goals of a low carbon economy and for addressing the growing need of new more efficient and cost-competitive low carbon energy technologies, and to increase the competitiveness of the European PV industry.