Κατασκευή και χαρακτηρισμός διαφανών ηλιακών κυττάρων υψηλής απόδοσης

Abstract

Τhis doctoral thesis focuses on the design, fabrication and electrical characterization of large surface area (156 X 156 mm2) semi-transparent mono-crystalline silicon solar cells with high efficiency. The semi-transparency of our large surface area cells was achieved by creating periodic patterns of ellipses on industrially manufactured and high efficient silicon solar cells using a CO2 laser beam. The design of semi-transparent solar cells became in such a way as to achieve uniform transmittance of incident sunlight combined with low production cost. In the fabrication process of our samples we managed to distribute, over the whole surface area of the cell and at precise positions, the two-dimensional periodic pattern of ellipses in order to achieve uniform transmittance of incident sunlight. Secondly, but very important result of that research, is that we effectively minimize breakages of the thin and large surface area cells during the laser cutting of the pattern elements, by invented and constructed a novel two-level metal base. Analysis of the electrical data shows that the efficiencies of our fabricated large area semi-transparent Si solar cells, with transparencies from 2.9% to 5.4%, vary between 13.2% and 14.2%. Most importantly the analysis shows that the efficiency of a semi-transparent cell depends not only on the total surface area of the elements to be removed by laser cutting but also on the total length of their perimeters. In the second part of this doctoral thesis we investigated and defined the optimum conditions for making reliable lead free interconnections, using copper ribbons covered with environmentally friendly soldering alloys, on commercially manufactured Si solar cells. For replacing the traditional eutectic soldering alloy, two different binary eutectic lead free alloys have been used Sn96.5/Ag3.5 and Sn42/Bi58 with melting temperatures 221°C and 139°C respectively. For studying the performance of the Pb-free interconnections different samples from the two alloys were repeatedly exposed in concentrated solar radiation up to 16 Suns (16X) using Fresnel lenses. Analysis of the electrical measurements shows that the lead-free interconnections were fully responded for extracting the high electric currents generated by such cell while simultaneously demonstrated mechanical stability despite the rapid rise of their temperature due to high concentrations.

Στην παρούσα Διδακτορική Διατριβή πραγματοποιήθηκε ο σχεδιασμός,η κατασκευή και ο ηλεκτρικός χαρακτηρισμός ημιδιαφανών ηλιακών κυττάρων μονο-κρυσταλλικού πυριτίου μεγάλης επιφάνειας (156 x 156 mm2) και υψηλής απόδοσης. Η διαπερατότητα των ηλιακών κυττάρων επιτεύχθηκε με την κοπή, με δέσμη λέιζερ διοξειδίου του άνθρακα (CO2), περιοδικών πλεγμάτων ελλείψεων επί συμβατικών ηλιακών κυττάρων μονοκρυσταλλικού πυριτίου. O σχεδιασμός των ημιδιαφανών ηλιακών κυττάρων έγινε έτσι ώστε να παρουσιάζουν ομοιόμορφη διαπερατότητα φυσικού φωτός και υψηλή απόδοση σε συνδυασμό με χαμηλή δαπάνη παραγωγής. Στην κατασκευή των δειγμάτων αρχικά καταφέραμε να κατανεμηθούν ομοιόμορφα και σε ακριβείς θέσεις επί της επιφάνειας τα πολυάριθμα και πολύ μικρών διαστάσεων στοιχεία που απαρτίζουν τα περιοδικά πλέγματα των ελλείψεων ώστε να επιτευχθεί ομοιόμορφη διαπερατότητα ηλιακού φωτός. Δεύτερον, αλλά πολύ σημαντικό αποτέλεσμα της συγκεκριμένης έρευνας, είναι ότι μειώθηκε αποτελεσματικά η θραύση τους κατά τη διάρκεια κοπής των στοιχείων των πλεγμάτων με την επινόηση και κατασκευή μιας μεταλλικής βάσης δύο επιπέδων. Από τον ηλεκτρικό χαρακτηρισμό των δειγμάτων προκύπτει ότι τα καλύτερα ημιδιαφανή ηλιακά κύτταρα πυριτίου που κατασκευάστηκαν παρουσιάζουν αποδόσεις από 13.2% μέχρι 14.2% για τιμές διαπερατότητας από 4.6% μέχρι 5.4%. Το σημαντικότερο συμπέρασμα που προέκυψε από την ανάλυσή των πειραματικών αποτελεσμάτων είναι ότι η απόδοση ενός ημιδιαφανούς κυττάρου Si δεν εξαρτάται μόνο από το συνολικό εμβαδόν επιφάνειας των στοιχείων που αφαιρούνται με κοπή laser, αλλά και από το συνολικό μήκος των περιμέτρων τους. Στο δεύτερο μέρος της Διδακτορικής Διατριβής καθορίστηκαν οι ιδανικότερες συνθήκες συγκολλήσεως για την κατασκευή ωμικών συνδέσεων επίπεδων αγωγών χαλκού που επικαλύπτονται από φιλικά προς το περιβάλλον κράματα σε φωτοβολταϊκά στοιχεία μονοκρυσταλλικού πυριτίου. Τα κράματα που μελετήθηκαν για να αντικαταστήσουν την παραδοσιακά χρησιμοποιούμενη ύλη συγκολλήσεως ήταν τα κασσιτέρου-αργύρου Sn96.5Ag3.5 και βισμουθίου-κασσιτέρου Bi58Sn42 με θερμοκρασίες τήξης 221°C και 139°C. Δείγματα με ωμικές συνδέσεις και από τα δύο κράματα δέχτηκαν συγκεντρώσεις ηλιακής ακτινοβολίας έως 16 ήλιους (16Χ) με την χρησιμοποίηση φακών Fresnel. Τα αποτελέσμτα των ηλεκτρικών μετρήσεων έδειξαν ότι οι ωμικές συνδέσεις ανταποκρίθηκαν πλήρως στην διαχείριση υψηλών ρευμάτων ενώ ταυτοχρόνως επέδειξαν μηχανική αντοχή δεδομένης της ραγδαίας αύξησης της θερμοκρασίας τους με την εφαρμογή υψηλών συγκεντρώσεων.