[LT] Išradimas skirtas saulės elementų sričiai. Dviejų išvadų tandeminis saulės elementas iš daugiasluoksnio darinio, kuriame yra dviejų tipų fotoaktyvieji sluoksniai, kurių vienas pagamintas iš perovskito, o kitas iš silicio, kur ant elektroninio laidumo kristalinio silicio bazės išdėstytas skylinio laidumo silicio emiteris, o ant jo elektronų pernašos sluoksnis, ant kurio išdėstytas perovskito sluoksnis, kur tarp skylinio laidumo silicio emiterio ir elektronų pernašos sluoksnio yra suformuota tunelinė sandūra. Siekiant sumažinti technologinių operacijų skaičių, bei padidinti konversijos efektyvumą, tunelinė sandūra yra suformuota legiruojant donorine priemaiša elektronų pernašos sluoksnio sritį, esančią prie minėto skylinio laidumo silicio emiterio paviršiaus, šio sluoksnio auginimo metu.
[EN] PAGE \* MERGEFORMAT 6SUMMARYTandem two-terminal perovskite-silicon multilayer solar cell The invention relates to the field of solar cells. The proposed tandem solar cell consists of two solar cells, perovskite and crystalline silicon, connected in series, and good contact between them is provided by a semiconductor tunnel junction featuring low electrical and optical losses. The advantage of the proposed perovskite/silicon solar cell is achieved by the fact that it does not need creation of the tunnel junction as a separate additional structure, but the tunnel junction is created by means of appropriate doping of electron transfer layer of the perovskite cell during the fabrication of the layer. Thus, production of the tandem perovskite/silicon solar cell involves fewer technological operations and requires less materials, and the tunnel junction being above the silicon solar cell demonstrates low ohmic resistance within the low-voltage range and does not absorb light photons required to generate electrons and holes in the silicon solar cell.The invention relates to the field of solar cells. The proposed tandem solar cell consists of two solar cells, perovskite and crystalline silicon, connected in series, and good contact between them is provided by a semiconductor tunnel junction featuring low electrical and optical losses. The advantage of the proposed perovskite/silicon solar cell is achieved by the fact that it does not need creation of the tunnel junction as a separate additional structure, but the tunnel junction is created by means of appropriate doping of electron transfer layer of the perovskite cell during the fabrication of the layer. Thus, production of the tandem perovskite/silicon solar cell involves fewer technological operations and requires less materials, and the tunnel junction being above the silicon solar cell demonstrates low ohmic resistance within the low-voltage range and does not absorb light photons required to generate electrons and holes in the silicon solar cell.
[0001] TECHNIKOS SRITIS, KURIAI SKIRIAMAS IŠRADIMAS
[0002] Išradimas skirtas saulės elementų sričiai.
[0003] TECHNIKOS LYGIS
[0004] Pasiūlyme aprašytas dviejų elektros išvadų tandeminis saulės elementas sudarytas iš dviejų skirtingo draudžiamosios energijos tarpo - perovskito ir kristalinio silicio - saulės elementų. Šie elementai aprašomajame tandeminiame saulės elemente yra sujungti nuosekliai, o gerą mažų elektrinių ir optinių nuostolių sąlytį tarp jų teikia puslaidininkinė tunelinė sandūra.
[0005] Perspektyvi ir ekologiška saulės elementų gaminama elektra šiuo metu vis dar yra brangesnė už elektros energiją gaunamą iš iškastinio kuro. Norint sumažinti saulės elementų gaminamos elektros energijos kainą, reikia mažinti pačių elementų kainą ir didinti jų konversijos efektyvumą. Tai pasiekiama tobulinant ir plėtojant naujas gamybos technologijas, naujas medžiagas ir naujas koncepcijas. Šiuo metu gaminamų vienos p-n sandūros saulės elementų efektyvumas vis dar nesiekia teorinės Shockley-Queisser ribos. Pavyzdžiui, silicio saulės elementų ši teorinė riba lygi 32 %, tačiau praktiškai šiai dienai yra pasiektas tik 26,1 % efektyvumas.
[0006] Viena iš mažo puslaidininkinių saulės elementų efektyvumo priežasčių yra neefektyvus saulės spinduliuotės spektro panaudojimas konversijai. Anot Shockley-Queisser teorijos, efektyviai panaudojami tik tie šviesos fotonai, kurių energija yra lygi puslaidininkio draudžiamosios energijos tarpui; mažesnės energijos fotonai išvis nesugeriami, o didesnės energijos fotonų perteklinė energija yra eikvojama elemento kaitinimui tuo dar sumažinant jo efektyvumą.
[0007] Siekiant įveikti šį trūkumą, keli skirtingų draudžiamosios energijos tarpo puslaidininkiniai saulės elementai yra apjungiami viename įtaise, t.y. kuriami daugiasandūriniai saulės elementai. Įvairios puslaidininkinės medžiagos, tarp jų ir perovskitai, yra tiriamos kuriant tokius tandeminius saulės elementus. Maksimalus teorinis tandeminio dviejų sandūrų saulės elemento efektyvumas siekia 47 % esant AM1.5G spektro nekoncentruotai saulės apšvitai. Tačiau praktiškai laboratorijose yra pasiektas maksimalus 32,8 % tokių elementų efektyvumas, o silicio/perovskito tandeme - 28,0 %.
[0008] Silicio draudžiamosios energijos tarpas yra 1,12 eV. Kuriant maksimalaus efektyvumo tandemą su apatiniu silicio elementu, idealiausias virš jo esančio elemento draudžiamosios energijos tarpas turėtų būti 1,7–1,8 eV. Tam itin tinka perovskitai, kurių draudžiamosios energijos tarpas gali būti keičiamas nuo 1,55 eV iki 2,3 eV parenkant atitinkamą cheminę perovskito sudėtį.
[0009] Didžiausia problema kuriant dviejų išvadų tandeminį saulės elementą yra poreikis tarp abiejų sudėtinių saulės elementų sukurti kuo mažesnės varžos sąlytį. Kuo mažesnė sąlyčio varža, tuo mažesni elektros energijos nuostoliai. Dažniausiai toks sąlytis, pasižymintis mažais elektros energijos nuostoliais, yra tunelinės sandūros tipo. Ji pasižymi maža varža ir tiesine elektros srovės priklausomybe nuo įtampos mažų įtampų srityje. Kitas reikalavimas šitam sąlyčiui: jis turi nesugerti saulės spektro šviesos fotonų, kurių energija yra lygi ar didesnė už apatinio saulės elemento draudžiamosios energijos tarpą.
[0010] Artimiausias analogas yra dviejų išvadų metalo halido puslaidininkio ir kristalinio silicio daugiasandūrinis saulės elementas su tuneline sandūra (patentas US20160163904). Tunelinė n-p sandūra analoge yra formuojama stipriai legiruojant donorais (1019-1020 cm-3) stipriai legiruoto skylinio laidumo kristalinio silicio paviršių, kuris yra kristalinio silicio saulės elemento emiterio paviršius. Vėliau suformuotos tunelinės sandūros stipriai legiruoto elektroninio laidumo sluoksnio paviršius yra dengiamas elektronų pernašos sluoksniu reikalingu perovskite šviesa generuotiems elektronams išvesti. Analogo trūkumai yra šie: 1) tunelinės sandūros gamyba reikalauja papildomos technologinės operacijos - puslaidininkio paviršiaus legiravimo, papildomų medžiagų - puslaidininkio donorinių priemaišų, papildomo laiko ir darbo sąnaudų; 2) tokia tunelinė sandūra, kurios draudžiamosios energijos tarpas yra toks pats kaip ir po ja esančio silicio saulės elemento, sugeria šviesos fotonus reikalingus elektronų ir skylių generavimui silicio saulės elemente ir tokiu būdu sumažina šio elemento, o kartu ir tandeminio elemento, efektyvumą.
[0011] SPRENDŽIAMA TECHNINĖ PROBLEMA
[0012] Išradimu siekiama sumažinti technologinių operacijų skaičių, laiko ir medžiagų sąnaudas gaminant perovskitas/silicis tandeminį saulės elementą bei padidinti jo konversijos efektyvumą.
[0013] Uždavinio sprendimo esmė pagal pasiūlytą išradimą yra ta, kad dviejų išvadų tandeminiame saulės elemente iš daugiasluoksnio darinio, apimančiame elektroninio laidumo kristalinio silicio bazę, kurios apatinis paviršius turi ominį sąlytį su apatiniu elektros išvadu, skylinio laidumo silicio emiterį, išdėstytą ant minėtos kristalinio silicio bazės, elektronų pernašos sluoksnį, išdėstytą virš skylinio laidumo silicio emitero, tunelinę sandūrą, išdėstytą tarp skylinio laidumo silicio emitero ir elektronų pernašos sluoksnio, perovskito sluoksnį, išdėstytą ant elektronų pernašos sluoksnio, kur perovskito sluoksnio paviršius turi ominį sąlytį su viršutiniu elektros išvadu, tunelinė sandūra yra suformuota legiruojant donorine priemaiša elektronų pernašos sluoksnio sritį, esančią prie minėto skylinio laidumo silicio emiterio paviršiaus, šio sluoksnio auginimo metu.
[0014] Elektronų pernašos sluoksnis yra iš titano dioksido, o jo sritis, esanti sąlytyje su skylinio laidumo silicio emiterio paviršiumi, yra auginimo metu legiruota donorine Nb priemaiša suformuojant tunelinę sandūrą.
[0015] IŠRADIMO NAUDINGUMAS
[0016] Pagal išradimą pasiūlytas dviejų išvadų tandeminis perovskitas/silicis saulės elementas nuo analogo skiriasi tuo, jog jame yra sukuriamas ne atskiras papildomas darinys - tunelinė sandūra - esantis tarp silicio saulės elemento ir elektronų pernašos sluoksnio, bet tunelinė sandūra yra sukuriama atitinkamai legiruojant patį elektronų pernašos sluoksnį jo auginimo metu. Tokiu būdu tandeminio perovskitas/silicis saulės elemento gamyba apima mažesnį technologinių operacijų skaičių bei reikalauja mažiau medžiagų, o pati tunelinė sandūra, esanti virš silicio saulės elemento ir pasižyminti maža omine varža mažų įtampų intervale, nesugeria šviesos fotonų reikalingų elektronų ir skylių generavimui silicio saulės elemente.
[0017] Išradimas detaliau paaiškinamas brėžiniu, kuriame pavaizduotas dviejų elektros išvadų tandeminio perovskitas/silicis saulės elemento skerspjūvis.
[0018] VIENAS IŠ IŠRADIMO REALIZAVIMO PAVYZDŽIŲ
[0019] Dviejų išvadų tandeminis perovskitas/silicis saulės elementas iš daugiasluoksnio darinio apima apatinį elektros išvadą 1, sudarantį ominį sąlytį su elektroninio laidumo (n-tipo) silicio baze 2, ant kurios išdėstytas skylinio laidumo stipriai legiruotas (p++-tipo) silicio emiteris 3. Ant silicio emiterio 3 išdėstytas elektroninio laidumo (n-tipo) elektronų pernašos sluoksnis 4, kuris gali būti, pavyzdžiui, TiO2 sluoksnis, ant kurio išdėstytas perovskito sluoksnis 5, kurio paviršius turi ominį sąlytį su viršutiniu elektros išvadu 6. Pasirinkto elektroninio laidumo (n-tipo) elektronų pernašos TiO2 sluoksnio 4 apatinė sritis, esanti prie minėto skylinio laidumo silicio emiterio 3 paviršiaus, auginimo metu yra papildomai stipriai legiruota donorine priemaiša, kuri gali būti niobio (Nb) donorinė priemaiša, gaunant elektroninio laidumo stipriai legiruotą (n++-tipo) elektronų pernašos sluoksnio sritį 4', suformuojant tunelinę sandūrą 7 tarp (p++-tipo) silicio emiterio 3 ir n++ elektronų pernašos sluoksnio 4 srities 4'. Pasiūlytu būdu suformuota tunelinė sandūra 7 pasižymi maža omine varža mažų įtampų intervale ir nesugeria šviesos fotonų, reikalingų elektronų ir skylių generavimui silicio saulės elemente.
1. Dviejų išvadų tandeminis saulės elementas iš daugiasluoksnio darinio, apimančio:
- elektroninio laidumo kristalinio silicio bazę (2), kurios apatinis paviršius turi ominį sąlytį su apatiniu elektros išvadu (1),
- skylinio laidumo silicio emiterį (3), išdėstytą ant minėtos kristalinio silicio bazės (2),
- elektronų pernašos sluoksnį (4), išdėstytą virš skylinio laidumo silicio emiterio (3),
- tunelinę sandūrą (7), išdėstytą tarp skylinio laidumo silicio emiterio (3) ir elektronų pernašos sluoksnio (4),
- perovskito sluoksnį (5), išdėstytą ant elektronų pernašos sluoksnio (4), kur perovskito sluoksnio (5) paviršius turi ominį sąlytį su viršutiniu elektros išvadu (6), b e s i s k i r i a n t i s tuo, kad tunelinė sandūra (7) yra suformuota legiruojant donorine priemaiša elektronų pernašos sluoksnio sritį (4'), esančią prie minėto skylinio laidumo silicio emiterio (3) paviršiaus, šio sluoksnio auginimo metu.
2. Saulės elementas pagal 1 punktą, b e s i s k i r i a n t i s tuo, kad elektronų pernašos sluoksnis (4) yra iš titano dioksido, o jo sritis (4'), esanti sąlytyje su skylinio laidumo silicio emiterio (3) paviršiumi, yra auginimo metu legiruota donorine Nb priemaiša, suformuojant tunelinę sandūrą (7).