Att lägga ett syrerikt lager av kisel mellan en solcell och dess metallkontakt har gjort det möjligt för forskare i Europa att slå prestandarekord för effektiviteten med vilken kiselsolceller omvandlar solljus till elektricitet. Men utmaningen nu är hur man gör dessa så kallade passiverande kontakter lämpliga för massproduktion.

"Det finns för närvarande mycket spänning över att passivisera kontakter bland solcellssamhället, " sa Dr Byungsul Min vid Institutet för solenergiforskning i Hamelin (ISFH), Tyskland. Det här året, tekniken gjorde det möjligt för hans laboratorium att sätta en ny rekordeffektiv effektivitet på 26,1 % för den typ av solceller som dominerar solcellsmarknaden. Kommersiella solpaneler fungerar för närvarande med en verkningsgrad på cirka 20 %.

Passiverande kontakter består av två tunna lager av oxiderat och kristalliserat kisel inklämt mellan en solcell och dess metallkontakt. Talar till en fullsatt sal i september på European Photovoltaics Solar Energy Conference i Bryssel, Belgien, Dr Min sa att skikten fungerar genom att läka brutna atombindningar på kiselytan och minska risken för att elektriska laddningar fastnar när de rinner ut ur solcellen.

Designen utvecklades 2013 av ISFH och Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE i Freiburg, Tyskland. På senare år har det har drivit energiomvandlingseffektiviteten för kiselsolceller över 25 % - ett tak som hade begränsat effektiviteten som forskare kunde uppnå i labbet i över ett decennium.

Masstillverkning

Fortfarande, Dr Min säger att få tillverkare hittills har antagit passiviserande kontakter inom industrin. Som en del av ett projekt kallat DISC, han samordnar nu arbetet med forskningsinstitut och utrustningstillverkare över hela Europa för att effektivisera deras design för masstillverkning.

Att göra rekordstarka solceller med passiverande kontakter har hittills krävt kostsamma material och komplexa laboratorietekniker som Dr. Min säger inte kan användas i fabrikens monteringslinjer. Dock, genom att bli av med dessa sofistikerade tillvägagångssätt och ersätta dem med verktyg som redan är vanliga inom solcellsindustrin, DISC-konsortiet förväntar sig att sänka tillverkningskostnaderna för tekniken.

ISFH har särskilt ersatt ett dyrt och mycket ledande indium-innehållande skikt som avsätts på cellytan för att bättre samla elektriska laddningar ur den passiverande kontakten. Genom att finjustera tryck- och temperaturförhållanden under produktionen, Dr. Min kan nu bilda ett zinkhaltigt skikt som uppvisar jämförbara fysikaliska egenskaper vid användning av rikligt med material.

Den holländska utrustningsleverantören Meco byter ut komplexa litografisteg med pläteringstekniker som kan metallisera de elektriska kontakterna hos passiverande kontaktsolceller i tillräckligt hög genomströmning för fabriksmonteringslinjer.

Under det senaste året, DISC-prover har åkt över Frankrike, Tyskland, Schweiz och Nederländerna som partners spelar sin roll i en internationell leveranslinje. Varje laboratorium lägger till ett lager av kisel eller annat material som det är specialiserat på, gradvis bygga upp stapeln av halvledare till en fungerande solcell.

"I augusti, vi färdigställde våra första solceller i industristorlek, " sa Dr. Min. "De har redan nått energiomvandlingseffektiviteter över 21 %." Detta faller inom sortimentet av solceller på marknaden idag.

Under det kommande året, Dr. Min förväntar sig att finjustering av lagren i dessa fabriksvänliga enheter kommer att bidra till att förbättra deras prestanda över konkurrenternas. I en bransch där en skillnad på bara en halv procent kan göra eller knäcka företag, en teknologi med en bevisad potential på över 25 % effektivitet i laboratoriet erbjuder lockande möjligheter för tillverkarna.

"Vi måste gå till högre solcellseffektivitet, " instämde Dr. Martin Hermle, en av pionjärerna för att passivisera kontakter på Fraunhofer ISE. Hans forskargrupp utvecklar nu industriella deponeringsmetoder för de solceller som produceras i DISC, och utveckla sätt att ytterligare öka sin energiomvandlingseffektivitet i ett annat projekt kallat Nano-Tandem.

"Kostnaden för solpaneler dikteras till stor del av deras yta. Om du kan göra celler med 30 % effektivitet istället för 20 % eller 15 %, som verkligen hjälper till att minska den totala kostnaden för solenergi."

33% effektivitet

Tidigare i år, Fraunhofer ISE producerade en solcell som nådde en häpnadsväckande effektivitet på 33 %. Forskare staplade en kiselsolcell som inkorporerade passiverande kontakter med ytterligare två solceller gjorda av mer exotiska material, baserat på grundämnen i den tredje och femte gruppen av det periodiska systemet.

"Dessa toppceller är bra på att absorbera blå nyanser av ljus, men de är gjorda av relativt sällsynta element, som gallium eller indium, som också är långsammare att montera än konventionella kiselsolceller, " sa Dr Hermle. "Om du vill tävla på massmarknaden, du måste sänka kostnaden för materialavsättningen med ungefär två storleksordningar."

En lösning som Nano-Tandem undersöker är att använda mindre av dem. Fraunhofer ISE har skickat kiselsolceller med passiverande kontakter till IBM Research Zürich, där projektpartners placerar solceller ovanpå dem, inte som solida lager, men som mattor av trådar knappt 1000 atomer breda. Startup Sol Voltaics och Lunds universitet i Sverige utvecklar ett potentiellt billigare sätt att tillverka nanotrådarna, sätter ihop dem från gasmolekyler när de flyger genom en rörugn.

Nano-Tandem-koordinator professor Lars Samuelson vid Lunds universitet säger att råvarorna som används är dyra, men att fotoniska effekter i dem kunde vända deras ekonomi. Han säger det, sammansatt klokt, Tillverkarna skulle i princip kunna använda 90 % mindre material utan någon större inverkan på deras solcellers effektivitet eller ljusabsorption.

Detta är den typ av innovativa fördelar som Dr. Hermle beskriver som avgörande för att hålla europeiska forskningsinstitut i spetsen för solcellsteknik. När marknaden för solceller skjuter i höjden till 11-siffriga årssiffror, Den asiatiska konkurrensen tvingar i allt högre grad europeiska tillverkare ur verksamheten.

Dr Hermle säger att passiverande kontakter är ett exempel på hur europeisk industri kan förbli relevant inför den globala konkurrensen. "Det här är en teknik som verkligen kom från Europa till solcellsmarknaden, " han sa.