Jak lepiej ciąć wieloczęściowe ogniwa słoneczne?

Krótka odpowiedź: Cięcie całego ogniwa na połówki, trzecie części lub mniejsze kawałki zwiększa moc modułu, zmniejszając prąd przewodzony przez każdy pasek, co obniża straty rezystancyjne w taśmie. Korzyść maleje wraz ze zmniejszaniem paska, a koszt mechaniczny rośnie. Dominują trzy podejścia. Skrawanie laserowe, a następnie łamanie mechaniczne jest najszybsze i wprowadza najmniejsze obciążenie termiczne, ale jakość krawędzi łamania zależy od głębokości skrawania. Pełne cięcie laserowe oddziela ogniwo wyłącznie wiązką i daje czystszą krawędź przy niższej prędkości. Termiczna separacja laserowa łączy laser z etapem chłodzenia, dzięki czemu pęknięcie rozprzestrzenia się po kontrolowanej ścieżce. Istotne wymiary mieszczą się od długości fali lasera 532 nm przez rozmiary cech około 1 µm i 20 µm do 100 µm, a napięcie paska jest niskie — około 0,55 V — więc zyski wynikają z rezystancji, a nie z napięcia.

Produkcja modułów PV · autor: Jerry, Ooitech

Wprowadzenie

TOPCon, SHJ i BC" title="Jak lepiej ciąć wieloczęściowe ogniwa słoneczne? Kontrintuicyjna prawda o stratach na krawędziach w ogniwach n-type TOPCon, SHJ i BC"/>

Dążąc do wyższej mocy modułu, inżynierowie często dzielą jedno duże ogniwo na 1/2, 1/3 lub nawet więcej „małych ogniw”, a następnie łączą je ponownie szeregowo i równolegle wewnątrz modułu. Chodzi o zmniejszenie prądu i ograniczenie strat mocy rezystancyjnej. Jednak każde pojedyncze cięcie pozostawia niepasywowaną „ranę” wzdłuż krawędzi ogniwa. Te rany stają się pułapkami nośników i obniżają napięcie obwodu otwartego (Voc) oraz współczynnik wypełnienia (FF). Im mniejsze staje się podogniwo, tym bardziej ta strata rekombinacji na krawędzi szkodzi.

Najczęściej stosowana dziś w branży metoda, „skrawanie laserowe + mechaniczne rozłupywanie” (L&C), pozostawia poważne uszkodzenia termiczne wzdłuż cięcia. Od lat środowisko zgadza się co do jednego: skrawanie po stronie złącza p-n powoduje największe uszkodzenia, więc „strona złącza p-n jest głównym wąskim gardłem strat na krawędzi”. To przekonanie dało początek standardowemu zabiegowi „skrawania od strony n-n+, aby chronić złącze p-n”.

Ale czy ten powszechnie akceptowany „zdrowy rozsądek” naprawdę odzwierciedla wewnętrzne zachowanie elektryczne złącza p-n? A może jest to tylko artefakt ciepła lasera?

Kluczowe odkrycie: wewnętrzne zachowanie elektryczne, które łamie konsensus

Zespół badawczy z instytutu FUNSOM na Soochow University opublikował pracę w Nano Energy, w której wykorzystał nową metodę cięcia o niskich uszkodzeniach, nazywaną „rozłupywaniem obrotowym o 45°”. Sprytnie omija ona uszkodzenia termiczne od lasera i pozwala zbadać rzeczywiste wewnętrzne zachowanie elektryczne krawędzi złącza p-n. Wniosek zaskoczył branżę:

Przy cięciu o niskich uszkodzeniach wydajność zbierania nośników na krawędzi po stronie złącza p-n jest faktycznie wyższa niż po stronie n-n+. Mówiąc prosto: skrawanie od strony złącza p-n jest lepszą strategią przemysłową. To wywraca do góry nogami dwadzieścia lat przyjętej praktyki.

Jak otworzyć krawędź ogniwa bez jej uszkadzania

Aby zbadać "wewnętrzne zachowanie elektryczne złącza p-n", najpierw trzeba rozwiązać trudny problem. Tradycyjne cięcia laserowego pozostawia ponownie stopioną i ponownie zestaloną warstwę, a także mikropęknięcia i stos uszkodzeń termicznych wzdłuż krawędzi, a wszystko to zaburza obserwację złącza p-n i zachowania rekombinacji powierzchniowej. Zespół poszedł inną drogą, wykorzystując anizotropową naturę rozłupywania kryształów krzemu, aby zaproponować metodę "rozłupywania pod kątem 45°":

Krok pierwszy: obróć płytkę o 45° w płaszczyźnie.

Krok drugi: wykonaj wstępne nacięcie płytkiej linii na płaszczyźnie (100) za pomocą rylca diamentowego.

Krok trzeci: rozłup wzdłuż rodziny płaszczyzn {110}, aby uzyskać atomowo płaski przekrój poprzeczny bez uszkodzeń termicznych.

Uzyskany w ten sposób przekrój poprzeczny krawędzi zachowuje integralność strukturalną i elektryczną. W połączeniu z techniką obrazowania fotowoltaicznego o rozdzielczości mikrometrowej można skanować zachowanie elektryczne w pobliżu krawędzi punkt po punkcie, nie uszkadzając złącza p-n.

W eksperymencie użyto lasera 532 nm (głębokość penetracji około 1,3 µm), osiągając rozdzielczość przestrzenną około 1 µm przy obiektywie 50×, wystarczającą do uchwycenia zachowania zaniku fotowoltaicznego w odległości kilkudziesięciu mikrometrów od krawędzi.

Wyniki eksperymentalne

Rysunek 1. Wpływ cięcia na integralność złącza p-n (a, b), schemat metody łupliwości obrotowej o 45° (c, d) oraz schematy trzech struktur ogniw wysokowydajnych (e-g).

Rysunek 1a przedstawia tradycyjny proces L&C polegający na nacinaniu po stronie złącza p-n: najpierw laser ablacyjnie usuwa rowek na powierzchni ogniwa (znacznik Laser), następnie siła mechaniczna rozrywa ogniwo. Rysunek 1b to przekrój poprzeczny SEM krawędzi po cięciu L&C. Wyraźnie widać, że przekrój dzieli się na dwie strefy. Górna część to "obszar ablacji laserowej", wykazujący oczywistą morfologię ponownego stopienia i zestalenia. Dolna część to "obszar rozdzielenia naprężeniowego", rozerwany siłą mechaniczną, pozostawiający wiele nieregularnych mikropęknięć i jeziorek stopionego materiału. To uszkodzenie termiczne jest dokładnie tym, co powoduje skok prądu upływu i spadek wydajności ogniwa.

Warto zauważyć: gdy laser nacina po stronie złącza p-n, samo złącze p-n zostaje całkowicie zniszczone przez ciepło. Zatem "zjawisko", które branża zawsze obserwowała, że "strona złącza p-n jest wąskim gardłem strat na krawędzi", jest w rzeczywistości artefaktem uszkodzenia termicznego.

Rysunek 1c przedstawia proponowaną tutaj metodę rozłupywania przez obrót o 45°: obrócić wafer o 45° wokół osi w płaszczyźnie, zarysować płaszczyznę (100) rylcem diamentowym, a następnie rozdzielić wzdłuż płaszczyzny łupliwości {110}. Rysunek 1d to obraz SEM rozłupanej krawędzi, pasek skali 20 µm. Przekrój jest niezwykle płaski i czysty, bez żadnych śladów nadtopienia, doskonale zachowując strukturę i integralność elektryczną złącza p-n. To jest klucz do badania „zachowania wewnętrznego”.

Ta praca analizuje trzy główne technologie ogniw wysokowydajnych typu n: TOPCon, SHJ i TBC. Mają one wspólną cechę. Na podłożu c-Si typu n znajduje się zarówno złącze p-n (homo- lub heterozłącze), jak i złącze wysokoniskie n-n+. Dlatego badanie ich zachowania na krawędzi daje bezpośrednie wskazówki dla rzeczywistej produkcji przemysłowej.

Rysunek 2. Analiza fotonapięcia krawędzi przedniej ogniw TOPCon, SHJ i TBC.

Rysunek 2a przedstawia laser 532 nm skanujący od krawędzi przedniej powierzchni ogniwa do wewnątrz, współpracujący z precyzyjnym stolikiem XY i wzmacniaczem elektrycznym w celu rejestrowania sygnału fotonapięcia w czasie rzeczywistym, co ostatecznie pozwala zbudować dwuwymiarową mapę fotonapięcia. Rysunek 2b to obraz fotonapięcia przedniej strony ogniw TOPCon, SHJ i TBC (od lewej do prawej). Jaśniejszy kolor oznacza wyższe fotonapięcie. Wszystkie trzy ogniwa wykazują wyraźny „pas gradientowy” w odległości ~100 µm od krawędzi, z niższym fotonapięciem bliżej krawędzi. To jest bezpośredni dowód strat rekombinacyjnych na krawędzi.

Porównując trzy ogniwa: TOPCon ma najwyższe fotonapięcie (0,40–0,55 V) i najszybciej osiąga stan nasycenia. TBC ma najniższe (0,36–0,49 V) i najwolniej zanika, co oznacza, że jego rekombinacja na krawędzi jest najgorsza. Ten wynik przeczy potocznej opinii, że „złącze p-n jest wąskim gardłem”, ponieważ przednia strona (strona oświetlana) jest zwykle właśnie tam, gdzie znajduje się złącze p-n.

Rysunek 2c normalizuje profil fotonapięcia wyodrębniony wzdłuż czarnej linii przerywanej na rysunku 2b. Wszystkie trzy krzywe wykazują „niskie na krawędzi, wysokie na plateau”, ale szybkość nasycenia (odzwierciedlająca długość rekombinacji na krawędzi) różni się wyraźnie:

• TOPCon: najkrótszy obszar zaniku, blisko nasycenia w ciągu około 100 µm, najmniejsze straty na krawędzi.

• SHJ: pośredni obszar zaniku, blisko nasycenia przy ~200 µm.

• TBC: najwolniejsze odzyskiwanie, rozciągające się aż do ~500 µm przed pełnym nasyceniem, najgorsze straty na krawędzi.

Rysunek 2d wyjaśnia fizykę stojącą za tymi różnicami. Fotogenerowana dziura ostatecznie robi jedną z dwóch rzeczy: zostaje zebrana przez elektrodę albo dryfuje do krawędzi i ulega rekombinacji.

TOPCon: emiter z przodu, ultrakrótka ścieżka zbierania dziur

Powierzchnia przednia to emiter p+. Dziury muszą pokonać jedynie bardzo cienki emiter, aby zostać zebrane przez przednią elektrodę, więc większość dziur "nigdy nie ma szansy" dotrzeć do krawędzi. Jednocześnie silne pole utworzone przez emiter p+ / SiOx / n-poly-Si pozostaje skuteczne również na krawędzi, szybko rozdzielając nośniki. To jest zasadniczy powód, dla którego TOPCon ma najmniejsze straty na krawędzi.

SHJ: przód zbiera elektrony, dziury pokonują długą drogę

Powierzchnia przednia SHJ to n-a-Si:H, która zbiera elektrony. Dziury muszą dyfundować aż do tylnej warstwy p-a-Si:H, zanim zostaną zebrane, co stanowi bardzo długą drogę. Dodając wysoce przewodzącą warstwę TCO działającą jak "autostrada", transportującą wiele dziur w kierunku poprzecznym do krawędzi, rekombinacja na krawędzi zauważalnie wzrasta.

TBC: wszystkie elektrody z tyłu, całkowita likwidacja

W TBC każda elektroda znajduje się z tyłu. Nośniki generowane na powierzchni przedniej muszą przemieszczać się w kierunku poprzecznym przez cały wafer, aby zostać zebrane. Co gorsza, przednia warstwa pasywacyjna Al2O3 niesie duży ładunek ujemny, indukując warstwę akumulacji dziur na powierzchni Si i tworząc "kanał przewodzenia dziur", który jeszcze mocniej popycha dziury w kierunku krawędzi.

Krótka uwaga: zachowanie fotowoltaiczne strony przedniej jest głównie określane przez dwie rzeczy — "odległość zbierania nośników" i "czy istnieje kanał transportu poprzecznego" — i nie ma nic wspólnego z kierunkiem samego złącza p-n.

Rysunek 3. Analiza fotowoltaiczna krawędzi tylnej strony ogniw TOPCon, SHJ i TBC.

Rysunek 3a przedstawia skanowanie laserowe od krawędzi tylnej strony. Rysunek 3b to odpowiadająca mu dwuwymiarowa mapa fotowoltaiczna. W porównaniu z rysunkiem 2b wszystkie trzy ogniwa wykazują niższe napięcie fotowoltaiczne na tylnej stronie niż na przedniej (ponieważ powierzchnia przednia zwykle ma lepszą konstrukcję antyrefleksyjną i wyższe wykorzystanie światła). Rysunek 3c ujawnia coś interesującego: "zwycięzcą" na krawędzi tylnej strony staje się TBC. Chociaż SHJ również ma złącze p-n z tyłu, jego napięcie fotowoltaiczne na krawędzi jest w rzeczywistości niższe niż w TOPCon, co dodatkowo pokazuje, że "położenie złącza p-n" nie jest jedynym czynnikiem decydującym o stratach na krawędzi. Rysunek 3d przedstawia mechanizm transportu nośników mniejszościowych na tylnej stronie. Tylna strona jest szczególna: tylna warstwa n-poly-Si zawiera wysokie stężenie elektronów, tworząc środowisko silnego pola, które tłumi dziury, ale sprzyja zbieraniu elektronów.

Tylna strona TOPCon: "szybki pas" dla dziur jest tłumiony

Wysokie stężenie elektronów w tylnym n-poly-Si tłumi transport dziur. Dziury muszą przejść przez cały podłoże c-Si typu n, aby dotrzeć do przedniego emitera p+, zanim zostaną zebrane. Ten „transport na dużą odległość” sprawia, że fotowoltaika tylnej strony jest na ogół niższa, ale jednocześnie zmniejsza liczbę dziur docierających do krawędzi.

Tylna strona SHJ: heterozłącze jest mocne, ale TCO to broń obosieczna

Heterozłącze n-typ c-Si / p-a-Si:H w SHJ naprawdę oferuje silniejszą separację nośników niż TOPCon, ale jego TCO ma niski opór boczny i nadal „zwiera” sporą część dziur do krawędzi. Wynik: silna zdolność separacji nie równa się małej stracie na krawędzi.

Tylna strona TBC: HSC dla dziur jest tuż z tyłu, przewaga własnego boiska

Tylny HSC w TBC jest skierowany bezpośrednio na fotogenerowane dziury. Nośniki są zbierane bezpośrednio z tyłu, więc znacznie mniej przepływa do krawędzi, a fotowoltaika tylnej strony nasyca się najszybciej.

Krótka uwaga: zachowanie fotowoltaiki tylnej strony wykazuje „odwrócony” trend w porównaniu z przednią. TBC jest najgorszy z przodu, ale najlepszy z tyłu, co pokazuje, że „która strona jest zwrócona do światła” ma większe znaczenie niż „która strona jest złączem p-n”.

Rysunek 4. Model rozkładu fotowoltaiki w przekroju poprzecznym ogniw TOPCon i SHJ.

Jeśli ryciny 2 i 3 patrzą na krawędź „z boku”, to rycina 4 tnie ją „w poprzek”. Laser skanuje bezpośrednio na przekroju poprzecznym, więc całe zachowanie elektryczne od złącza p-n do n-n+ widać za jednym razem. To najbardziej oryginalna część badania. Rycina 4a to przekrojowa mapa fotonapięcia TOPCon, od lewej do prawej strona przednia (emiter p+ / złącze p-n) i strona tylna (n-poly-Si / złącze n-n+). Widać, że lewa strona (złącze p-n) jest ogólnie jaśniejsza, a prawa strona (n-n+) ciemniejsza. Krzywa wyznaczona na rycinie 4b jest bardzo wyraźna: od strony złącza p-n do strony n-n+ fotonapięcie maleje monotonicznie, a cały obszar zaniku wynosi około 100 µm. Ten wynik jednoznacznie odrzuca tradycyjny pogląd, że „złącze p-n jest wąskim gardłem strat na krawędzi”, ponieważ w warunkach niskich uszkodzeń strona złącza p-n jest wręcz strefą wysokiego fotonapięcia. Rycina 4c podaje fizyczny powód: po stronie złącza p-n (emiter p+) nośniki mniejszościowe (dziury) pokonują tylko krótki dystans, aby zostać zebrane, natomiast po stronie n-n+ (obszar n-poly-Si) dziury muszą przejść przez cały krzem c-Si typu n, aby dotrzeć do emitera p+, co jest długą drogą o wysokim prawdopodobieństwie rekombinacji, więc straty są większe. Ryciny 4d–f pokazują dokładnie ten sam trend dla ogniw SHJ: od tylnego złącza p-n (p-a-Si:H / n-c-Si) do przedniego złącza n-n+ (i/n-a-Si:H / n-c-Si) fotonapięcie ponownie maleje monotonicznie. Ta prawidłowość utrzymująca się w różnych strukturach ogniw jest jednym z głównych argumentów badania.

Aby opisać to ilościowo, zespół wyprowadził jednowymiarowy model dyfuzji nośników mniejszościowych. Rycina 4g to schemat modelu, pokazujący krzywą (pomarańczową) malejącą monotonicznie od strony złącza p-n (kontakt selektywny dla dziur, HSC) w kierunku strony ESC (kontakt selektywny dla elektronów, ESC). Rycina 4h dodatkowo porównuje zachowanie nośników po stronie HSC i ESC:

• Strona HSC: nośniki mniejszościowe (dziury) są zbierane na krótkim dystansie, niskie prawdopodobieństwo rekombinacji.

• Strona ESC: nośniki mniejszościowe muszą dyfundować na dużą odległość, aby dotrzeć do HSC, silnie rekombinując po drodze.

• Mechanizm separacji nośników w złączu p-n ma podwójną korzyść: silnie domieszkowany kontakt plus pasywowany kontakt, co jest wydajniejsze niż zwykłe złącze wysokoniskie (n-n+).

Krótka uwaga: przekrojowy model fotonapięcia ilościowo potwierdza, że „właściwości elektryczne strony złącza p-n przewyższają stronę n-n+”, i proponuje „długość dyfuzji nośników mniejszościowych L” jako nową metrykę do oceny strat na krawędzi.

Rycina 5. Przekrojowa analiza fotonapięcia ogniwa TOPCon wykonanego przemysłową metodą termicznego rozdzielania laserowego (TLS).

Aby sprawdzić, czy wniosek z metody rozłupywania pod kątem 45° utrzymuje się dla cięcia przemysłowego, zespół zastosował metodę „termicznego rozdzielania laserowego” (TLS) (Rysunek 5a) — najpierw laser wstępnie obrabia stronę złącza p-n (Pre-grooving na rysunku), następnie woda chłodząca wspomaga rozdzielanie. TLS jest jedną z uznanych obecnie technik cięcia o niskich uszkodzeniach. Rysunek 5b to przekrojowy obraz fotowoltaiczny TOPCon po cięciu TLS: lewa strona (złącze p-n) jest wyraźnie jaśniejsza niż prawa strona (n-n+). Krzywa ilościowa na Rysunku 5c pokazuje, że od złącza p-n do strony tylnej fotowoltaika nadal spada monotonicznie, w pełni zgodnie z wynikiem rozłupywania pod kątem 45°.

Kluczowa weryfikacja: nawet przy przemysłowej metodzie TLS (cięcie bezpośrednio od strony złącza p-n) fotowoltaika nadal wykazuje trend „wysokie złącze p-n, niskie n-n+”. Oznacza to, że przy cięciu o niskich uszkodzeniach „złącze p-n” wcale nie jest wąskim gardłem, lecz właśnie tam tkwi przewaga. Dotychczasowe doświadczenie branżowe, że „strona złącza p-n wypada lepiej” przy cięciu TLS, zostaje wreszcie potwierdzone zarówno eksperymentalnie, jak i teoretycznie.

Rysunek 6. Przekrojowa analiza fotowoltaiczna ogniw TBC i THBC oraz schemat strategii cięcia złącza p-n o niskich uszkodzeniach.

Rysunki 6a i 6b to przekrojowe obrazy fotowoltaiczne ogniw TBC i THBC. TBC ma najwyższą fotowoltaikę, 0,39 V, a THBC jest nieco niższa (0,21 V), ale oba wykazują wyraźny rozkład przestrzenny „jasne złącze p-n, ciemne n-n+”. Krzywe wyodrębnione na Rysunkach 6c i 6d podążają za tym samym wzorcem co Rysunek 4: monotoniczny spadek od złącza p-n w kierunku n-n+. Warto szczególnie wspomnieć o małym wstawieniu na Rysunku 6c: „rozkład kierunkowy” fotowoltaiki dla każdej struktury ogniwa wykazuje wzór „gęsty w lewym górnym, rzadki w prawym dolnym”, co oznacza, że przewaga elektryczna strony złącza p-n jest uniwersalna dla struktur i procesów. Rysunek 6e wyjaśnia, co czyni ogniwa z kontaktami tylnymi wyjątkowymi: HSC zbiera dziury „w pobliżu” na tyle, a ESC zbiera elektrony „w pobliżu” na tyle. Nośniki mniejszościowe (dziury) generowane w obszarze złącza p-n potrzebują tylko krótkiego dystansu, aby dotrzeć do HSC, więc straty są małe; nośniki mniejszościowe w obszarze n-n+ muszą odbyć długą wędrówkę, więc straty są większe. Ten wzorzec dokładnie odpowiada TOPCon i SHJ. Na podstawie wszystkich tych dowodów zespół zaproponował zupełnie nową strategię cięcia na Rysunku 6f:

Zalecenie branżowe

W przypadku cięcia o niskim uszkodzeniu (takim jak TLS) należy ciąć od strony złącza p-n. Powód: strona złącza p-n ma wyższą wydajność separacji nośników oraz krótszą ścieżkę transportu nośników mniejszościowych. Nawet przy pewnych zakłóceniach procesu zachowuje przyzwoite parametry elektryczne. To zalecenie obala dwudziestoletnią praktykę branżową „unikać dotykania złącza p-n”.

Opinia Ooitech

Szczerze mówiąc, to jedno z tych odkryć, które po cichu zmieniają nawyk na poziomie linii, a nie nagłówek specyfikacji. Wniosek dla każdego, kto prowadzi linię typu n: dopasuj recepturę cięcia laserowego do fizyki nośników samego ogniwa i nie umieszczaj ślepo linii skrawania po stronie n-n+ tylko dlatego, że taka była stara zasada. Separacja o niskim uszkodzeniu (w stylu TLS) jest tu prawdziwym czynnikiem umożliwiającym, a dostrojenie tego procesu na maszynie do cięcia laserowego ogniw słonecznych to dokładnie miejsce, w którym producenci modułów zyskują lub tracą realne Voc i FF. Budujemy nasze stanowiska do cięcia i łączenia w sznury tak, aby utrzymywać niskie uszkodzenia krawędzi w formatach TOPCon, SHJ i BC, więc tego typu badania przekładają się bezpośrednio na produkcję. Jeśli chcesz zobaczyć, jak te kroki wyglądają na działającej linii, kanał Ooitech na YouTube pod www.youtube.com/ooitech warto obserwować.