Analysis of Mechanisms to Increase the Industrial Silicon Solar Cell Efficiency

Abstract

Досліджено можливості підвищення ефективності понад 20 % для кремнієвих фотоелектричних перетворювачів китайського виробництва. Методом комп'ютерного моделювання встановлено, що реалізовані в таких фотоелектричних перетворювачах часи життя нерівноважних носіїв заряду, які складають 520 мкс, не обмежують можливість збільшення їх ККД понад 20 %. Показано, що збільшення густини фотоструму до 43,1 мА/см2 призводить до зростання ККД до 20,1 %, а зниження густини діодного струму насичення до 3,1∙10 – 14 A/см2 зумовлює зростання ККД до 20,4 %. Одночасна зміна цих діодних характеристик призводить до збільшення ККД до 23,1 %. У роботі пропонуються фізикотехнологічні підходи для збільшення густини фотоструму і зменшення густини діодного струму насичення в готових фотоелектричних перетворювачах. У статті проведено дослідження впливу робочої температури на ефективність кристалічних кремнієвих фотоелектричних перетворювачів. Показано, що зі зростанням робочої температури відносне зниження ККД монокристалічних приладів становить – 0,7 відн. %/C, що істотно вище, ніж в приладових структурах європейського виробництва і обумовлено нетрадиційним зниженням густини струму короткого замикання. Математичне моделювання впливу світлових діодних характеристик на ККД кристалічних кремнієвих сонячних елементів показало, що зменшення ефективності приладових структур при збільшенні робочої температури обумовлено не тільки зростанням густини діодного струму насичення з 10 – 13 до 3·10 – 13 А, що складає 300 %, але й зниженням шунтуючого опору з 2,5 до 1,5 кОм. Дослідження впливу робочої температури на діодний струм насичення показало, що висота потенційного бар'єру в досліджених кремнієвих фотоелектричних перетворювачах складає 0,87 еВ, що обумовлено недостанім рівнем легування базового матеріалу. Обмеженість висоти потенційного бар'єру призводить до нетрадиційного зниження електроопору, що шунтує, при збільшенні робочої температури.

Possibilities of increasing the efficiency by more than 20 % for silicon photoelectric converters made in China have been investigated. It has been established by the method of computer simulation that the lifetimes of nonequilibrium charge carriers, which are 520 µs, realized in such photoelectric converters, do not limit the possibility of increasing their efficiency by more than 20 %. It has been shown that an increase in the photocurrent density to 43.1 mA/cm2 leads to an increase in the efficiency to 20.1 %, and a decrease in the diode saturation current density to 3.1∙10 – 14 A/cm2 leads to an increase in the efficiency to 20.4 %. Simultaneous change of these diode characteristics leads to an increase in the efficiency to 23.1 %. The paper proposes physical and technological approaches to increase the photocurrent density and reduce the diode saturation current density in ready-made photovoltaic converters. The study of the influence of operating temperature on the efficiency of crystalline silicon photoelectric converters has been carried out in the article. It has been shown that with increasing operating temperature the relative decrease in the efficiency of single-crystal devices is – 0.7 relative %/C, which is significantly higher than in the device structures of European production and due to non-traditional decrease in short-circuit current density. Mathematical modeling of the influence of light-emitting diode characteristics on the efficiency of crystalline silicon solar cells showed that a decrease in the efficiency of device structures with increasing operating temperature is due not only to an increase in diode saturation current density from 10 – 13 to 3·10 – 13 A, which is 300 %, but also by reducing the shunt resistance from 2.5 to 1.5 kOhm. A study of the effect of operating temperature on the diode saturation current showed that the height of the potential barrier in the studied silicon photovoltaic converters is 0.87 eV due to the insufficient level of doping of the base material. The limited height of the potential barrier leads to an unconventional decrease in the shunt resistance with increasing operating temperature.