Nieuwe opzet voor lichtvangst van TU Delft brengt prestatie van dunne c-Si-zonnecel dicht bij de limietwaarde

Promovendus Andrea Ingenito van de TU Delft verdedigde op 18 april 2016 zijn proefschrift ‘Opto-electrical surface engineering of wafer-based c-Si solar cells’ en verkreeg daarmee zijn doctorstitel met de kwalificatie cum laude. Dr. Ingenito, begeleid door prof. dr. Miro Zeman en dr. Olindo Isabella, ontwierp, ontwikkelde en demonstreerde baanbrekende concepten voor geavanceerd lichtmanagement, technieken voor oppervlaktepassivering en celarchitecturen die samen tot betere prestaties van dunne kristallijn silicium (c-Si) zonnecellen hebben geleid.

Limiet voor absorptieverhoging
Dertig jaar geleden berekenden Yablonovitch en Cody een limietwaarde voor mogelijke lichtabsorptieverhoging in een halfgeleiderplaat. Ze lieten zien dat de absorptie van zwak geabsorbeerd licht kan worden verhoogd met 4n2, waarin n de brekingsindex van de halfgeleider is. Andrea Ingenito was de eerste ter wereld die erin is geslaagd een opzet voor lichtvangst te ontwerpen en toe te passen voor een zeer dunne c-Si-plaat, en die experimenteel heeft aangetoond dat de theoretische limiet van 4n2 daadwerkelijk kan worden bereikt. Om hoge reflectie van zwak geabsorbeerd infrarood licht te verkrijgen heeft Andrea Ingenito eendimensionale gedistribueerde Bragg-reflectoren van lage temperatuur ontwikkeld om de functie van diëlektrische achterreflector (DBR) te vervullen, op basis van afwisselende diëlektrische lagen met verschillende brekingsindices. In deze nieuwe opzet worden oppervlaktetexturen aan de voor- en achterkant met verschillende schalen van grootte (respectievelijk nano- en microtexturen) gecombineerd met efficiënte achterreflectoren op basis van lagen SiO2/Ag op elkaar, ofwel DBR’s.

Zelf-alignerende IBC c-Si zonnecellen
Andrea Ingenito stond voor de uitdaging om de nieuwe opzet voor lichtvangst toe te passen in c-Si zonnecellen. Daarvoor moest hij het hele proces van fabricage van c-Si zonnecellen bij de TU Delft vanaf de eerste stap opnieuw ontwikkelen. Ingenito koos voor de architectuur van IBC-c-Si zonnecellen, waarbij ‘IBC’ staat voor interdigitated back contacted, ofwel ‘in elkaar grijpende achtercontacten’. Hij ontwikkelde een zelf-alignerende processtroom, waar hij ook octrooi op aanvroeg, op basis van de combinatie van implantatie van fosfor in silicium en epitaxiaal gegroeid, in-situ boriumgedoteerd silicium. Zonnecellen die volgens dit proces bij de TU Delft zijn gemaakt, vertoonden een hoge conversie-efficiëntie van 20,2%.

Gemoduleerde oppervlaktetextuur en oppervlaktepassivering
De toepassing van een oppervlak met nanotextuur zoals Andrea Ingenito die heeft ontworpen en getest in c-Si zonnecellen wordt in hoge mate beperkt door de hogere recombinatiesnelheid van het vooroppervlak. Daarom heeft Ingenito een passiveringsschema ontwikkeld dat gebaseerd is op nat etsen van het nanotextuuroppervlak, om de recombinatiesnelheid van het oppervlak te minimaliseren met behoud van de lage reflectie. Hij toonde experimenteel aan dat verstrooiing van het licht in een c-Si zonnecel kan worden vergroot door aan de voorkant nano- en microschaaltexturen te combineren (gemoduleerde oppervlaktetextuur, MST) en daarnaast een gepolijste achterkant te gebruiken. Ingenito was de eerste die deze MST-lichtvangsttechniek en oppervlaktepassivering in een IBC c-Si zonnecel toepaste, en hij bereikte daarmee een conversie-efficiëntie van 19,8%: een wereldrecord.

Tweezijdige c-Si zonnecellen
Tweezijdige zonnecellen, waarop van zowel de voor- als de achterkant licht kan invallen, zijn in opkomst in de fotovoltaïsche industrie. Dit komt vooral door de hogere energieopbrengst vergeleken met standaardzonnecellen, waarvan de achterzijde geheel met metaal is bedekt. Zonnecellen met een open achterkant laten echter infrarood (IR) licht door, dat bij het achtercontact niet terug in de zonnecel wordt gereflecteerd. In samenwerking met het ECN demonstreerde Ingenito de toepassing van diëlektrische achterreflectoren in tweezijdige c-Si zonnecellen. De reflectoren waren gebaseerd op witte verf van TiO2-deeltjes en DBR’s. De toepassing van deze achterreflectoren biedt, naast een hogere lichtabsorptie, ook mogelijkheden voor zonnecellen die in verschillende kleuren worden waargenomen, wat belangrijk is voor toegenomen integratie van zonnecellen in de gebouwde omgeving.

Het werk van dr. Ingenito is beloond met de Best Poster Award bij de 6e World Conference on Photovoltaic Energy Conversion (WCPEC) in Kyoto in 2014 en de Best Student Award bij de 31e European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition (EU PVSEC) in Hamburg in 2015.