Wprowadzenie

Technologia fotowoltaiczna rozwinęła się gwałtownie w ciągu ostatniej dekady, a kilka konkurujących ze sobą architektur ogniw podniosło wydajność na nowe wyżyny. Ten artykuł przeprowadzi przez podstawowe zasady działania ogniw słonecznych, a następnie omówi trzy główne technologie nowej generacji kształtujące dzisiejszy przemysł, a na koniec przyjrzy się kontroli jakości w produkcji ogniw.

Jak działają ogniwa fotowoltaiczne

Ogniwo słoneczne przekształca światło w energię elektryczną, ale nie wszystkie padające fotony przyczyniają się w równym stopniu. Zrozumienie, gdzie tracona jest energia, to pierwszy krok w kierunku budowy lepszych ogniw.

• Fotony o energii poniżej pasma wzbronionego nie są absorbowane i po prostu przechodzą przez ogniwo.

• Fotony o energii powyżej pasma wzbronionego są absorbowane i generują pary elektron-dziura, ale nadmiar energii wysokoenergetycznych fotonów jest częściowo tracony w postaci ciepła.

• Separacja ładunków i transport wygenerowanych nośników powodują straty na złączu pn.

• Straty rekombinacyjne występują podczas transportu nośników.

• Rezystancja styków powoduje spadek napięcia, co prowadzi do strat napięcia na stykach.

Redukcja strat elektrycznych

• Wybieraj płytki o dobrej strukturze krystalicznej i odpowiednim typie.

• Opracuj idealne techniki formowania złącza pn.

• Opracuj idealne techniki pasywacji.

• Zastosuj rozsądne techniki styku metalicznego.

• Zastosuj doskonałe technologie pola przedniej i tylnej powierzchni.

Redukcja strat optycznych

Aby ograniczyć straty optyczne i zwiększyć wydajność ogniw, branża opracowała szereg podejść i technologii pułapkowania światła. Obejmują one teksturowanie powierzchni płytki w celu zmniejszenia odbicia, powłoki antyrefleksyjne na przedniej powierzchni, powłoki odblaskowe na tylnej powierzchni oraz minimalizację obszaru zacienienia przez linie siatki.

TOPCon

TOPCon, znana również jako technologia pasywowanego kontaktu, jest powszechnie uważana za technologię ogniw słonecznych nowej generacji po PERC. W porównaniu z innymi potencjalnymi nowymi technologiami, takimi jak HJT i IBC, TOPCon może być bezpośrednio modernizowany z istniejących linii PERC lub PERT. W rezultacie producenci chcący zmodernizować swoje istniejące linie produkcyjne potrzebują stosunkowo niskiego nakładu inwestycyjnego, osiągając jednocześnie solidny wzrost wydajności o około 1%.

Przednia strona ogniwa TOPCon jest zasadniczo taka sama jak w konwencjonalnym ogniwie typu N lub N-PERT, składająca się z emitera borowego (p+), warstwy pasywacyjnej i warstwy antyrefleksyjnej. Kluczowa technologia leży w tylnym pasywowanym kontakcie: tył płytki zawiera ultracienką warstwę tlenku (1–2 nm) plus domieszkowaną fosforem warstwę cienką z mikrokrystalicznego/amorficznego krzemu. W zastosowaniach dwustronnych metalizacja odbywa się poprzez sitodruk siatek Ag lub Ag-Al z przodu i siatek Ag z tyłu.

Pasywowany kontakt z tlenkiem tunelowym

Pasywowany kontakt z tlenkiem tunelowym (TOPCon) przyciągnął ostatnio znaczną uwagę, ponieważ osiąga wysoką sprawność konwersji na poziomie 25,7%. Struktura TOPCon składa się z cienkiego tlenku tunelowego i domieszkowanej fosforem (P) warstwy kontaktowej polikrzemu. Warstwa polikrzemu domieszkowana P może być wytwarzana przez krystalizację a-Si:H lub przez bezpośrednie osadzanie polikrzemu przy użyciu LPCVD. TOPCon wyróżnia się jako obiecujący kandydat wśród technologii ogniw słonecznych o wysokiej wydajności.

HJT Heterozłącze

Technologia heterozłączowa (HJT) to metoda produkcji paneli słonecznych, która rozwija się w ciągu ostatniej dekady. Jest obecnie jednym z najskuteczniejszych procesów zwiększania wydajności i mocy wyjściowej do wysokich poziomów, przewyższając nawet wydajność głównej technologii PERC w branży. Ogniwa HJT łączą dwie różne technologie w jedną: krzem krystaliczny i amorficzną warstwę cienką. Użycie tych technologii razem pozwala uzyskać więcej energii niż użycie każdej z osobna, osiągając wydajność 25% lub wyższą.

Struktura ogniwa HJT

Używając monokrystalicznego wafla jako podłoża, na oczyszczonej i teksturowanej przedniej stronie wafla osadza się kolejno warstwę intrinsycznego a-Si:H o grubości 5–10 nm, a następnie warstwę a-Si:H typu p, tworząc heterozłącze p-n. Na tylnej stronie wafla osadza się warstwę intrinsyczną o grubości 5–10 nm oraz warstwę a-Si:H typu n, tworząc pole powierzchni tylnej. Następnie osadza się przezroczystą warstwę tlenku przewodzącego, a na końcu, za pomocą sitodruku, tworzy się metalowe elektrody kolektorowe na górze obu stron, budując symetryczne ogniwo słoneczne HJT.

Zalety ogniw HJT

• Elastyczność i zdolność adaptacji — Technologia ta została opracowana z myślą o doskonałej wydajności produkcyjnej nawet w ekstremalnych warunkach pogodowych. Panele HJT mają niższy współczynnik temperaturowy niż konwencjonalne panele, co zapewnia wysoką wydajność przy podwyższonych temperaturach zewnętrznych.

• Przewidywana żywotność — Średnio moduły fotowoltaiczne cienkowarstwowe mogą działać do 25 lat, podczas gdy ogniwa HJT mogą normalnie pracować przez ponad 30 lat.

• Wyższa wydajność — Większość dostępnych na rynku paneli heterozłączowych ma wydajność między 19,9% a 21,7%, co stanowi ogromną poprawę w porównaniu z innymi konwencjonalnymi ogniwami monokrystalicznymi.

• Oszczędności kosztów — Amorficzny krzem stosowany w panelach HJT to opłacalna technologia fotowoltaiczna. W porównaniu z innymi technologiami, to cienkowarstwowe podejście słoneczne wymaga krótszego czasu produkcji. Dzięki uproszczonemu procesowi, HJT jest bardziej przystępny cenowo niż alternatywne rozwiązania.

Perowskit

W 2009 roku materiały perowskitowe zostały po raz pierwszy użyte do osiągnięcia wydajności fotowoltaicznej na poziomie 4%. Do 2021 roku jednozłączowe perowskitowe ogniwa słoneczne (PSC) osiągnęły wydajność 25,5%. Szybki postęp ogniw perowskitowych uczynił je wschodzącą gwiazdą w dziedzinie fotowoltaiki i wzbudził duże zainteresowanie w środowisku akademickim. Ponieważ ich metody działania są wciąż stosunkowo nowe, istnieje wiele możliwości dalszego badania podstawowej fizyki i chemii perowskitu.

Struktura ogniwa perowskitowego

Większość zaawansowanych struktur perowskitowych ogniw słonecznych opiera się na pięciu komponentach: przezroczystym tlenku przewodzącym, warstwie transportującej elektrony (ETL), perowskicie, warstwie transportującej dziury (HTL) oraz metalowej elektrodzie. Zrozumienie i optymalizacja poziomów energii oraz interakcji różnych materiałów na tych interfejsach to bardzo ekscytujący obszar badań, który wciąż jest przedmiotem aktywnej dyskusji.

CaTiO3

Perowskit to nazwa minerału odkrytego w 1839 roku przez Rose'a w skałach Uralu, nazwanego na cześć rosyjskiego geologa Perowskiego. Materiały perowskitowe charakteryzują się niskim prawdopodobieństwem rekombinacji nośników i wysoką ruchliwością nośników, co czyni je idealnymi materiałami do ogniw słonecznych.

Metody formowania warstwy perowskitowej

Kluczem do poprawy wydajności konwersji energii ogniw perowskitowych jest optymalizacja morfologii warstwy. Metody formowania warstwy stosowane w laboratorium to osadzanie jedno- lub dwuetapowe. Aby sprostać zapotrzebowaniu na duże powierzchnie i niskie koszty, stosuje się również urządzenia takie jak powlekanie szczelinowe, druk i natrysk do wytwarzania ogniw perowskitowych.

Przyszłość perowskitu

Przyszłe badania nad perowskitem prawdopodobnie skupią się na redukcji rekombinacji poprzez strategie takie jak pasywacja i redukcja defektów, a także na poprawie wydajności poprzez wprowadzenie perowskitów dwuwymiarowych i bardziej zoptymalizowanych materiałów interfejsowych. Warstwy ekstrakcji ładunku mogą przejść z materiałów organicznych na nieorganiczne w celu poprawy wydajności i stabilności. Zwiększenie stabilności i zmniejszenie wpływu na środowisko pozostają ważnymi obszarami.

Kontrola jakości w produkcji ogniw fotowoltaicznych

Krzemowe ogniwa fotowoltaiczne są najczęściej stosowanymi ogniwami w komercyjnych panelach słonecznych, stanowiąc ponad 90% światowej sprzedaży ogniw PV.

W laboratorium wydajność konwersji energii ogniw krzemowych przekracza 25% dla ogniw monokrystalicznych i osiąga 20% lub więcej dla ogniw polikrystalicznych. Jednak produkowane przemysłowo moduły słoneczne osiągają obecnie wydajność 18%–22% w standardowych warunkach testowych.

Czyszczenie i teksturowanie

Trawienie usuwa warstwę uszkodzeń powierzchni i teksturuje powierzchnię, tworząc strukturę teksturowaną, która zatrzymuje światło i zmniejsza straty odbicia. Pomiar odbicia teksturowanej powierzchni jest ważnym sposobem monitorowania procesu teksturowania.

Tworzenie złącza dyfuzyjnego i izolacja krawędzi

Dyfuzja termiczna i podobne metody tworzą warstwę dyfuzyjną o innym typie przewodnictwa na płytce, tworząc złącze pn. Różne typy ogniw osadzają warstwę pasywacyjną o określonej grubości między złączem pn a płytką, aby uzyskać bardziej wydajne cienkowarstwowe ogniwo słoneczne. Proces ten monitoruje głównie czas życia nośników mniejszościowych, grubość płytki i współczynnik załamania światła.

Osadzanie warstwy antyrefleksyjnej

Aby dodatkowo poprawić absorpcję światła, na powierzchnię płytki nakładana jest warstwa antyrefleksyjna. Obecnie w przemyśle stosuje się chemiczne osadzanie z fazy gazowej wspomagane plazmą (PECVD) do osadzania cienkiej warstwy na płytce, która jednocześnie działa jako warstwa pasywacyjna. Na tym etapie głównymi pomiarami są przepuszczalność warstwy antyrefleksyjnej i jednorodność rezystancji warstwy.

Wytwarzanie elektrod

Elektrody siatkowe są sitodrukowane na przedniej stronie ogniwa, a pole powierzchni tylnej i elektroda tylna są drukowane na tylnej stronie, a następnie suszone i spiekane. Podczas tego procesu kontrola temperatury, dokładność wyrównania i stosunek wysokości do szerokości linii siatki są niezbędnymi wskaźnikami monitorowania.

Opinia Ooitech

ooitech uważa: TOPCon, HJT i perowskit każdy na swój sposób przesuwają granice wydajności ogniw słonecznych, a rygorystyczna kontrola jakości produkcji jest tym, co ostatecznie przekształca te technologie w niezawodne, wysokowydajne moduły.