Sel Surya Tandem Monolitik Selenium/Silikon: Demonstrasi dan Analisis Pertama

1. Pengenalan & Gambaran Keseluruhan

Fotovoltaik silikon mendominasi pasaran tetapi menghampiri had kecekapan sambungan tunggal mereka (~26.8%). Sel surya tandem, yang menimbun sel atas jalur lebar pada sel silikon bawah, menawarkan laluan jelas kepada kecekapan >30%. Kerja ini membentangkan integrasi monolitik pertama sel atas Selenium (Se) dengan sel bawah Silikon (Si). Selenium, dengan jalur lebar langsung ~1.8-2.0 eV, pekali penyerapan tinggi, dan kesederhanaan unsur, adalah calon yang menjanjikan tetapi secara sejarahnya tidak berkembang, dihidupkan semula untuk aplikasi tandem.

2. Seni Bina Peranti & Fabrikasi

2.1 Struktur Timbunan Monolitik

Peranti ini difabrikasi secara monolitik, bermakna sel atas dan bawah disambungkan secara elektrik dalam siri melalui sambungan terowong atau lapisan rekombinasi. Susunan lapisan umum dari bawah ke atas adalah:

• Sel Bawah: Substrat c-Si jenis-n dengan kenalan pemilih pembawa poli-Si terdop (n+ dan p+), ditutup dengan ITO.
• Sambungan Antara/Sambungan Terowong: Kritikal untuk rekombinasi pembawa rintangan rendah, lutsinar optik.
• Sel Atas: Penyerap Selenium polihablur jenis-p (poli-Se).
• Kenalan Pemilih Pembawa: Lapisan pemilih elektron (ZnMgO atau TiO2) dan lapisan pemilih lubang (MoO_x).
• Elektrod Hadapan: ITO dengan grid Au untuk pengumpulan arus.

2.2 Pemilihan Bahan & Pemprosesan

Takat lebur rendah Selenium (220°C) membolehkan pemprosesan suhu rendah yang serasi dengan sel silikon di bawahnya. Pemilihan kenalan pemilih pembawa adalah penting. Peranti awal menggunakan ZnMgO, tetapi simulasi kemudian mengenal pasti TiO2 sebagai lebih unggul untuk mengurangkan halangan pengangkutan elektron.

3. Analisis Prestasi & Keputusan

3.1 Prestasi Peranti Awal

Tandem monolitik Se/Si pertama menunjukkan voltan litar terbuka (V_oc) yang menjanjikan iaitu 1.68 V daripada pengukuran suns-V_oc. V_oc tinggi ini adalah penunjuk kuat kualiti bahan yang baik dan pasangan jalur lebar yang berkesan, kerana ia menghampiri jumlah voltan sel individu.

3.2 Pengoptimuman Kenalan Pemilih Pembawa

Menggantikan kenalan elektron ZnMgO awal dengan TiO2 membawa kepada peningkatan kuasa output sebanyak 10 kali ganda. Peningkatan dramatik ini menekankan peranan penting kejuruteraan antara muka dalam sel tandem, di mana halangan tenaga kecil boleh menyebabkan kesesakan arus yang teruk.

3.3 Metrik Prestasi Utama

• Voltan Litar Terbuka (V_oc): 1.68 V (suns-V_oc).
• Faktor Pengisian Pseudo (pFF): >80%. Nilai tinggi ini, diperoleh daripada pengukuran V_oc bergantung tahap suntikan, menunjukkan bahawa kehilangan utama adalah rintangan siri parasit, bukan kehilangan rekombinasi asas dalam penyerap.
• Pembatas Kecekapan: Faktor pengisian (FF) dan ketumpatan arus (J_sc) rendah disebabkan halangan pengangkutan yang dikenal pasti.

4. Pandangan Teknikal & Cabaran

4.1 Halangan Pengangkutan & Mekanisme Kehilangan

Cabaran teras adalah pengangkutan pembawa tidak ideal merentasi antara muka hetero. Simulasi SCAPS-1D mendedahkan halangan tenaga yang ketara pada kenalan pemilih elektron (antara muka ZnMgO/Se), yang menyekat pengekstrakan elektron. Ini menjelma sebagai rintangan siri tinggi, yang mengehadkan FF dan J_sc.

4.2 Reka Bentuk Berpandukan Simulasi (SCAPS-1D)

Penggunaan SCAPS-1D, sebuah simulator kapasitans sel surya piawai, adalah penting dalam mendiagnosis masalah. Dengan memodelkan gambar rajah jalur tenaga, penyelidik dapat mengenal pasti lokasi dan ketinggian tepat halangan pengangkutan, membawa kepada penggantian disasarkan ZnMgO dengan TiO2, yang mempunyai penjajaran jalur konduksi yang lebih baik dengan Se.

5. Pandangan Inti Penganalisis: Dekonstruksi Empat Langkah

Pandangan Inti: Kertas ini bukan tentang peranti juara berkecekapan tinggi; ia adalah kelas induk dalam kejuruteraan diagnostik. Penulis telah mengambil sistem bahan baru, berpotensi tinggi (Se/Si) dan mengenal pasti titik kelemahannya—pengangkutan antara muka—secara pembedahan menggunakan gabungan metrologi dan simulasi yang bijak. Kisah sebenar adalah metodologi, bukan nombor kecekapan utama.

Aliran Logik: Logiknya sempurna: 1) Bina peranti monolitik pertama (suatu pencapaian sendiri). 2) Perhatikan V_oc menjanjikan tetapi FF lemah. 3) Gunakan suns-V_oc untuk mengasingkan rintangan siri sebagai punca (pFF >80% adalah titik data utama). 4) Gunakan SCAPS-1D untuk menggambarkan halangan tenaga yang bermasalah. 5) Tukar bahan (ZnMgO→TiO2) dan capai peningkatan 10x. Ini adalah penyelesaian masalah buku teks.

Kekuatan & Kelemahan: Kekuatan adalah pendekatan pengoptimuman peranti yang jelas, berasaskan fizik dahulu. Kelemahan, yang diakui secara terbuka oleh penulis, adalah ini kekal sebagai peranti arus rendah. V_oc tinggi itu menarik, tetapi tanpa menyelesaikan kehilangan optik (mungkin ketara dalam lapisan poli-Se dan ITO) dan kejuruteraan kenalan lanjut, siling kecekapan adalah rendah. Berbanding dengan pengoptimuman empirikal pantas yang dilihat dalam tandem perovskit/Si, pendekatan ini lebih perlahan tetapi berpotensi lebih asas.

Pandangan Boleh Tindak: Untuk industri, mesejnya adalah dua. Pertama, Se/Si adalah laluan penyelidikan yang boleh dilaksanakan dengan kelebihan kesederhanaan unik. Kedua, set alat yang ditunjukkan di sini—suns-V_oc, analisis pFF, pemodelan SCAPS—patut menjadi isu piawai untuk mana-mana pasukan membangunkan seni bina tandem novel. Pelabur harus memantau kerja susulan yang menangani reka bentuk optik dan menunjukkan ketumpatan arus >15 mA/cm². Sehingga itu, ini adalah platform yang menjanjikan tetapi di peringkat awal.

6. Analisis Asal: Kebangkitan Semula Selenium dalam PV

Kebangkitan semula selenium dalam fotovoltaik, seperti yang ditunjukkan dalam kerja ini, adalah kes menarik "bahan lama, helah baru". Selama beberapa dekad, selenium disisihkan ke buku sejarah sebagai bahan sel surya keadaan pepejal pertama, dinaungi dominasi perindustrian silikon. Kebangkitannya baru-baru ini didorong oleh keperluan khusus paradigma tandem silikon, di mana rakan kongsi yang stabil, jalur lebar, dan proses mudah adalah cawan suci. Walaupun tandem perovskit/silikon telah mencuri perhatian dengan peningkatan kecekapan meteorik mereka, mereka bergelut dengan isu kestabilan dan kandungan plumbum. Seperti yang dinyatakan dalam Carta Kecekapan Sel Penyelidikan Terbaik NREL 2023, tandem perovskit/Si mendahului dalam kecekapan tetapi mempunyai lajur berasingan untuk "PV muncul," menyerlahkan persoalan kebolehpercayaan yang berterusan.

Kerja ini meletakkan selenium sebagai alternatif yang menarik, walaupun dianggap lemah. Komposisi unsur tunggalnya adalah kelebihan asas, menghapuskan sakit kepala stoikiometrik dan pemisahan fasa semikonduktor sebatian seperti CIGS atau perovskit. Kestabilan udara filem selenium yang dilaporkan adalah pembeza kritikal lain, berpotensi mengurangkan kos enkapsulasi. Pencapaian penulis 1.68 V V_oc adalah tidak remeh; ia menunjukkan bahawa sel atas selenium bukan pautan lemah dari segi voltan. Ini selari dengan had imbangan terperinci Shockley-Queisser, yang menunjukkan jalur lebar sel atas optimum untuk sel Si bawah adalah sekitar 1.7-1.9 eV—tepat dalam lingkungan selenium.

Walau bagaimanapun, jalan ke hadapan adalah curam. Jurang kecekapan dengan tandem berasaskan perovskit adalah besar. Makmal Tenaga Boleh Diperbaharui Kebangsaan (NREL) menjejaki rekod kecekapan tandem perovskit/Si melebihi 33%, manakala peranti Se/Si ini berada dalam fasa demonstrasi pertama. Cabaran utama, seperti yang didiagnosis dengan pakar oleh penulis, adalah fizik pengangkutan pada antara muka hetero. Ini adalah tema biasa dalam bahan PV novel, mengingatkan penyelidikan sel surya organik awal di mana kejuruteraan kenalan adalah paling penting. Masa depan tandem Se/Si bergantung pada membangunkan pustaka bahan kenalan yang meluluskan kecacatan, berjajaran jalur—cabaran sains bahan serupa dengan yang dihadapi dan sebahagiannya diselesaikan oleh komuniti perovskit dengan sebatian seperti Spiro-OMeTAD dan SnO2. Jika selenium boleh memanfaatkan pelajaran kejuruteraan antara muka yang dipelajari dari bidang PV muncul lain, kestabilan dan kesederhanaan semula jadinya boleh menjadikannya penentor kuda hitam dalam perlumbaan tandem.

7. Butiran Teknikal & Formalisme Matematik

Analisis bergantung pada persamaan fotovoltaik utama dan parameter simulasi:

1. Kaedah Suns-V_oc: Teknik ini mengukur V_oc sebagai fungsi keamatan cahaya, memisahkan kesan rintangan siri daripada ciri-ciri diod. Hubungannya adalah:
$V_{oc}(S) = \frac{n k T}{q} \ln(S) + V_{oc}(1)$
di mana $S$ ialah keamatan suns, $n$ ialah faktor keidealan, $k$ ialah pemalar Boltzmann, $T$ ialah suhu, dan $q$ ialah cas asas. Sesuaian linear mendedahkan faktor keidealan.

2. Faktor Pengisian Pseudo (pFF): Diperoleh daripada data suns-V_oc, ia mewakili FF maksimum yang mungkin tanpa rintangan siri ($R_s$) dan kehilangan pintasan ($R_{sh}$). Ia dikira dengan mengintegrasikan ciri arus-voltan diod ($J_d-V$) yang diekstrak:
$pFF = \frac{P_{max, ideal}}{J_{sc} \cdot V_{oc}}$
pFF > 80% menunjukkan kualiti simpang pukal adalah tinggi, dan kehilangan terutamanya resistif.

3. Parameter Simulasi SCAPS-1D: Input utama untuk memodelkan tandem Se/Si termasuk:
- Selenium: Jalur lebar $E_g = 1.9$ eV, keelektronegatifan elektron $χ = 4.0$ eV, pemalar dielektrik $ε_r ≈ 6$.
- Antara Muka: Ketumpatan kecacatan ($N_t$), keratan rentas tangkapan ($σ_n, σ_p$) pada heterosimpang.
- Kenalan: Fungsi kerja ZnMgO (~4.0 eV) vs. TiO2 (~4.2 eV) secara kritikal mempengaruhi ofset jalur konduksi ($ΔE_c$) dengan Se.

8. Keputusan Eksperimen & Penerangan Carta

Penerangan Rajah (Berdasarkan Teks): Kertas ini mungkin mengandungi dua rajah konsep utama.

Rajah 1: Gambar Rajah Seni Bina Peranti. Gambar rajah keratan rentas menunjukkan timbunan monolitik: "Ag / poly-Si:H (n+) / c-Si (n) / poly-Si:H (p+) / ITO / [Sambungan Terowong] / ZnMgO atau TiO2 (n+) / poly-Se (p) / MoO_x / ITO / Au-grid." Ini menggambarkan sambungan siri dan timbunan bahan kompleks yang diperlukan untuk integrasi monolitik.

Rajah 2: Gambar Rajah Jalur Tenaga dari SCAPS-1D. Ini adalah rajah diagnostik kritikal. Ia akan menunjukkan dua gambar rajah bersebelahan:
a) Dengan ZnMgO: "Puncak" atau halangan ketara dalam jalur konduksi pada antara muka ZnMgO/Se, menyekat aliran elektron dari penyerap Se ke kenalan.
b) Dengan TiO2: Penjajaran "tebing" atau puncak kecil yang lebih baik, memudahkan pancaran termionik dan mengurangkan halangan pengangkutan elektron. Penurunan halangan ini secara langsung menerangkan peningkatan prestasi 10x.

Lengkung Arus-Voltan (J-V) Tersirat: Teks mencadangkan peranti awal akan menunjukkan lengkung J-V ciri "berbentuk-s" atau bengkok teruk disebabkan rintangan siri tinggi. Selepas menggantikan ZnMgO dengan TiO2, lengkung akan menjadi lebih segi empat, dengan faktor pengisian dan ketumpatan arus yang lebih baik, walaupun masih terhad berbanding sel juara.

9. Kerangka Analisis: Kajian Kes Bukan Kod

Kajian Kes: Mendiagnosis Kehilangan dalam Sel Tandem Novel

Skenario: Satu kumpulan penyelidikan telah memfabrikasi sel tandem monolitik baru (Bahan X pada Silikon). Ia menunjukkan V_oc tinggi tetapi kecekapan rendah yang mengecewakan.

Aplikasi Kerangka (Diilhamkan oleh Kertas Ini):

1. Langkah 1 - Asingkan Jenis Kehilangan: Lakukan pengukuran suns-V_oc. Keputusan: pFF tinggi (>75%). Kesimpulan: Simpang fotovoltaik itu sendiri adalah baik; kehilangan bukan terutamanya daripada rekombinasi pukal atau antara muka.
2. Langkah 2 - Kuantifikasi Kehilangan Resistif: Perbezaan antara kuasa ideal dari pFF dan kuasa terukur memberikan kehilangan kuasa resistif. Jurang besar menunjukkan rintangan siri tinggi.
3. Langkah 3 - Cari Halangan: Gunakan perisian simulasi peranti (cth., SCAPS-1D, SETFOS). Bina model timbunan. Ubah secara sistematik keelektronegatifan/fungsi kerja lapisan kenalan pemilih pembawa. Kenal pasti antara muka mana yang mencipta halangan tenaga besar dalam gambar rajah jalur di bawah keadaan operasi.
4. Langkah 4 - Hipotesis & Uji: Hipotesis: "Kenalan elektron Bahan Y mempunyai ofset jalur konduksi +0.3 eV dengan Bahan X, menyebabkan halangan menyekat." Uji: Gantikan Bahan Y dengan Bahan Z, yang diramalkan mempunyai ofset hampir sifar atau negatif (tebing).
5. Langkah 5 - Ulangi: Ukur peranti baru. Jika FF dan J_sc bertambah baik dengan ketara, hipotesis adalah betul. Kemudian, beralih kepada kehilangan terbesar seterusnya (cth., penyerapan optik, kenalan lubang).

Kerangka berstruktur, berasaskan fizik ini melangkaui cuba-jaya dan boleh digunakan secara langsung kepada mana-mana teknologi tandem yang muncul.

10. Aplikasi Masa Depan & Peta Jalan Pembangunan

Jangka Pendek (1-3 tahun):

• Kejuruteraan Kenalan: Penemuan dan pengoptimuman lapisan pengangkut elektron/lubang novel khusus untuk selenium. Logam oksida terdop, molekul organik, dan bahan 2D harus disaring.
• Pengurusan Optik: Mengintegrasikan struktur perangkap cahaya (tekstur, parutan) dan mengoptimumkan salutan anti-pantulan untuk meningkatkan ketumpatan arus sel atas Se, yang mungkin dihadkan oleh penyerapan tidak lengkap atau penyerapan parasit dalam kenalan.
• Penalaan Jalur Lebar: Meneroka aloi selenium-tellurium (SeTe) untuk menala halus jalur lebar lebih dekat kepada ideal 1.7 eV untuk tandem Si, berpotensi meningkatkan padanan arus.

Jangka Sederhana (3-7 tahun):

• Pemendapan Boleh Skala: Beralih dari penyejatan terma skala makmal kepada teknik boleh skala seperti pemendapan pengangkutan wap atau penyemburan untuk selenium.
• Pengoptimuman Sambungan Terowong: Membangunkan lapisan sambungan antara yang sangat lutsinar, rintangan rendah, dan teguh yang boleh menahan pemprosesan sel atas.
• Pencapaian Kecekapan Pertama: Menunjukkan kecekapan sel tandem Se/Si disahkan >15%, membuktikan konsep boleh bergerak melepasi peringkat bukti-prinsip.

Jangka Panjang & Pandangan Aplikasi:

• Dwimuka & Agri-PV: Memanfaatkan potensi selenium untuk separa-kelutsinaran (dengan penipisan) dalam modul dwimuka atau sistem agrivoltaik di mana penghantaran cahaya separa dikehendaki.
• Fotovoltaik Angkasa: Kekerasan sinaran dan kestabilan selenium yang dilaporkan boleh menjadikan tandem Se/Si menarik untuk aplikasi angkasa, di mana kecekapan dan berat adalah paling penting.
• Ceruk Kos Rendah: Jika kebolehpengilangan dan kecekapan (>20%) boleh dibuktikan, tandem Se/Si boleh mensasarkan segmen pasaran di mana kestabilan melampau dan rantaian bekalan mudah mengatasi mahkota kecekapan muktamad yang dipegang oleh teknologi lain.

11. Rujukan

1. Nielsen, R., Crovetto, A., Assar, A., Hansen, O., Chorkendorff, I., & Vesborg, P. C. K. (2023). Monolithic Selenium/Silicon Tandem Solar Cells. arXiv preprint arXiv:2307.05996.
2. National Renewable Energy Laboratory (NREL). (2023). Best Research-Cell Efficiency Chart. Diambil dari https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html
3. Shockley, W., & Queisser, H. J. (1961). Detailed balance limit of efficiency of p-n junction solar cells. Journal of Applied Physics, 32(3), 510-519.
4. Green, M. A., Dunlop, E. D., Hohl-Ebinger, J., Yoshita, M., Kopidakis, N., & Hao, X. (2023). Solar cell efficiency tables (Version 61). Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 31(1), 3-16.
5. Todorov, T., Singh, S., Bishop, D. M., Gunawan, O., Lee, Y. S., Gershon, T. S., ... & Mitzi, D. B. (2017). Ultrathin high band gap solar cells with improved efficiencies from the world's oldest photovoltaic material. Nature Communications, 8(1), 682.
6. Youngman, T. H., Nielsen, R., Crovetto, A., Hansen, O., & Vesborg, P. C. K. (2021). What is the band gap of selenium? Solar Energy Materials and Solar Cells, 231, 111322.
7. Burgelman, M., Nollet, P., & Degrave, S. (2000). Modelling polycrystalline semiconductor solar cells. Thin Solid Films, 361, 527-532. (SCAPS-1D)