Hur klipper man flerdelade solceller bättre?

Snabbt svar: Att skära en hel cell i halvor, tredjedelar eller mindre bitar ökar moduleffekten genom att minska strömmen varje remsa bär, vilket sänker resistiva förluster i ribbonen. Fördelen avtar när remsan blir mindre, och den mekaniska kostnaden ökar. Tre metoder dominerar. Laserskribering följt av mekanisk brytning är snabbast och introducerar minst termisk belastning, men brottkantens kvalitet beror på skriberingsdjupet. Laserhelskärning separerar cellen med enbart strålen och ger en renare kant vid lägre hastighet. Termisk laserseparation kombinerar en laser med ett kylsteg så att sprickan fortplantar sig längs en kontrollerad bana. De relevanta dimensionerna sträcker sig från en laser våglängd på 532 nm via detaljstorlekar nära 1 µm och 20 µm till 100 µm, och remsans spänning är låg — runt 0,55 V — så vinsterna kommer från resistans, inte från spänning.

PV-modultillverkning · av Jerry, Ooitech

Introduktion

TOPCon, SHJ- och BC-celler" title="Hur skär man flerdelade solceller bättre? Den kontraintuitiva sanningen om kantförluster i n-type TOPCon-, SHJ- och BC-celler"/>

I jakten på högre moduleffekt skivar ingenjörer ofta en stor cell i 1/2, 1/3 eller till och med fler "småceller", och kopplar sedan ihop dem i serie och parallellt i en modul. Poängen är att minska strömmen och krympa den resistiva effektförlusten. Men varje klipp lämnar ett opassiverat "sår" längs cellkanten. Dessa sår blir fångstfällor för laddningsbärare och de äter upp öppenkretsspänningen (Voc) och fyllnadsfaktorn (FF). Ju mindre delcellen blir, desto mer skadar denna kantrekombinationsförlust.

Den vanligaste industrimetoden idag, "laserskrivning + mekanisk klyvning" (L&C), lämnar allvarliga termiska skador längs klippet. Och i åratal har branschen varit överens om en sak: skrivning på p-n-övergångssidan orsakar mest skada, så "p-n-övergångssidan är den främsta flaskhalsen för kantförlust". Den övertygelsen födde standardknepet att "skriva från n-n+-sidan för att skydda p-n-övergången".

Men återspeglar den allmänt accepterade "sunda förnuftet" verkligen p-n-övergångens inneboende elektriska beteende? Eller är det bara en artefakt av laserhetta?

Kärnresultat: Ett inneboende elektriskt beteende som bryter konsensus

Ett forskarteam vid FUNSOM-institutet vid Soochow University publicerade arbete i Nano Energy med en ny lågskademetod för klippning som de kallar "45° rotationsklyvning". Den kringgår smart lasertermiska skador och undersöker det verkliga inneboende elektriska beteendet hos p-n-övergångskanten. Slutsatsen överraskade branschen:

Vid lågskadeklippning är kantinsamlingseffektiviteten för laddningsbärare på p-n-övergångssidan faktiskt högre än på n-n+-sidan. Enkelt uttryckt: skrivning från p-n-övergångssidan är den bättre industriella strategin. Det vänder upp och ner på tjugo års accepterad praxis.

Hur man öppnar cellkanten utan att skada den

För att studera "p-n-övergångens inneboende elektriska beteende" måste man först lösa ett besvärligt problem. Traditionell laserskärning lämnar ett omsmält och återstelnat skikt, plus mikrokrackor och en hög termiska skador längs kanten, och allt detta grumlar varje observation av p-n-övergången och ytrekombinationsbeteendet. Teamet gick en annan väg och använde kiselkristallers anisotropa klyvningsegenskaper för att föreslå en "45° rotationsklyvningsmetod":

Steg ett: rotera skivan 45° i planet.

Steg två: förrista en grund linje på (100)-planet med en diamantristare.

Steg tre: klyv längs {110}-plansfamiljen för att få ett atomärt plant, termiskt oskadat tvärsnitt.

Kanttvärsnittet som erhålls på detta sätt behåller sin strukturella och elektriska integritet. I kombination med en fotospänningsavbildningsteknik med mikrometerupplösning kan man skanna det elektriska beteendet nära kanten punkt för punkt, utan att skada p-n-övergången.

Experimentet använde en 532 nm laser (penetrationsdjup cirka 1,3 µm), vilket gav ungefär 1 µm rumslig upplösning under ett 50×-objektiv, tillräckligt tydligt för att fånga fotospänningsavklingningsbeteendet inom tiotals mikrometer från kanten.

Experimentella resultat

Figur 1. Effekt av skärning på p-n-övergångens integritet (a, b), schematisk bild av 45° rotationsklyvningsmetoden (c, d) och schematiska bilder av de tre högverkningsgradscellstrukturerna (e-g).

Figur 1a visar den traditionella L&C-processen som rister på p-n-övergångssidan: först ablaterar en laser en fåra på cellytan (lasermärket), sedan bryts cellen isär med mekanisk kraft. Figur 1b är SEM-tvärsnittet av kanten efter L&C-skärning. Man kan tydligt se att sektionen delas i två zoner. Den övre delen är "laserablationområdet", som visar en tydlig omsmält och återstelnad morfologi. Den nedre delen är "spänningsseparerat område", rivet av mekanisk kraft, vilket lämnar många oregelbundna mikrosprickor och smältpooler. Denna termiska skada är precis vad som driver läckströmsökningen och minskningen av cellprestanda.

Värt att notera: när lasern rister på p-n-övergångssidan förstörs själva p-n-övergången helt av värmen. Så det "fenomen" som branschen alltid såg, att "p-n-övergångssidan är flaskhalsen för kantförluster", är faktiskt en artefakt av termisk skada.

Figur 1c visar den 45° rotationsklyvningsmetod som föreslås här: rotera skivan 45° runt axeln i planet, rispa (100)-planet med en diamantritare, och riv sedan längs {110}-klyvningsplanet. Figur 1d är SEM-bilden av den klyvda kanten, skala 20 µm. Tvärsnittet är extremt plant och rent, inga smältspår alls, vilket perfekt bevarar p-n-övergångens struktur och elektriska integritet. Det är nyckeln till att studera "inneboende beteende".

Detta arbete tittar på tre mainstream n-typ högverkningsgrad cellteknologier: TOPCon, SHJ och TBC. De delar en gemensam egenskap. På ett n-typ c-Si-substrat bär de både en p-n-övergång (homo- eller heteroövergång) och en n-n+ hög-låg-övergång. Så att studera deras kantbeteende ger direkt vägledning för verklig industriell produktion.

Figur 2. Fotospänningsanalys av framsidans kant för TOPCon-, SHJ- och TBC-celler.

Figur 2a visar 532 nm-laserskanningen från cellens framsida kant och inåt, som arbetar med ett XY-precisionssteg och en elektrisk förstärkare för att registrera fotospänningssignalen i realtid, och slutligen bygger en 2D-fotospänningskarta. Figur 2b är fotospänningsbilden av framsidan för TOPCon, SHJ och TBC (från vänster till höger). Ljusare färg betyder högre fotospänning. Alla tre celler visar ett tydligt "gradientband" inom ~100 µm från kanten, lägre fotospänning närmare kanten. Det är det direkta beviset på kantrekombinationsförlust.

Jämför man de tre: TOPCon har högst fotospänning (0,40–0,55 V) och mättas snabbast. TBC har lägst (0,36–0,49 V) och avklingar långsammast, vilket betyder att dess kantrekombination är värst. Detta resultat går emot den allmänna uppfattningen att "p-n-övergången är flaskhalsen", eftersom framsidan (den ljusvända sidan) vanligtvis är precis där p-n-övergången sitter.

Figur 2c normaliserar fotospänningsprofilen som extraherats längs den svarta streckade linjen i Figur 2b. Alla tre kurvor visar "lågt vid kanten, högt på platån", men mättnadshastigheten (som återspeglar kantrekombinationslängden) skiljer sig tydligt:

• TOPCon: kortast avklingningsområde, nära mättnad inom cirka 100 µm, minst kantförlust.

• SHJ: medelavklingningsområde, nära mättnad vid ~200 µm.

• TBC: långsammast återhämtning, sträcker sig ända till ~500 µm innan full mättnad, värst kantförlust.

Figur 2d förklarar fysiken bakom skillnaderna. En fotogenererad hål slutar med att göra en av två saker: bli uppsamlad av en elektrod, eller driva till kanten och rekombinera.

TOPCon: emitter på framsidan, ultrasnabb håluppsamlingsväg

Frontytan är en p+-emitter. Hål behöver bara korsa den mycket tunna emittern för att samlas upp av frontelektroden, så de flesta hål "får aldrig chansen" att nå kanten. Samtidigt förblir det starka fältet som bildas av p+-emitter / SiOx / n-poly-Si effektivt även vid kanten, vilket snabbt separerar laddningsbärare. Det är grundorsaken till att TOPCon har den minsta kantförlusten.

SHJ: framsidan samlar elektroner, hål tar den långa vägen

SHJ-frontytan är n-a-Si:H, som samlar elektroner. Hål måste diffundera hela vägen till baksidans p-a-Si:H innan de kan samlas upp, en mycket lång väg. Lägg till det mycket ledande TCO-skiktet som fungerar som en "motorväg", som transporterar många hål lateralt mot kanten, och kantrekombinationen ökar märkbart.

TBC: alla elektroder på baksidan, total utplåning

I TBC sitter varje elektrod på baksidan. Laddningsbärare som genereras vid frontytan måste färdas lateralt över hela skivan för att samlas upp. Värre är att frontens Al2O3-passiveringsskikt bär mycket fast negativ laddning, vilket inducerar ett hålackumuleringsskikt vid Si-ytan och bildar en "hålledande kanal" som trycker hålen ännu hårdare mot kanten.

Snabb notering: frontsidans fotospänningsbeteende bestäms främst av två saker, "laddningsbärarnas insamlingsavstånd" och "huruvida en lateral transportkanal finns", och det har inget att göra med p-n-övergångens riktning i sig.

Figur 3. Analys av baksidekantens fotospänning för TOPCon-, SHJ- och TBC-celler.

Figur 3a skissar laserskanningen från baksidekanten. Figur 3b är motsvarande 2D-fotospänningskarta. Jämfört med figur 2b visar alla tre celler lägre baksidefotospänning än framsidan (eftersom frontytan vanligtvis har bättre antireflexdesign och högre ljusutnyttjande). Figur 3c avslöjar något intressant: baksidekantens "vinnare" blir TBC. Även om SHJ också har en p-n-övergång på baksidan, är dess kantfotospänning faktiskt lägre än TOPCon, vilket ytterligare visar att "p-n-övergångens position" inte är den enda faktorn som avgör kantförlusten. Figur 3d skissar transportmekanismen för minoritetsladdningsbärare på baksidan. Baksidan är speciell: det bakre n-poly-Si håller en hög koncentration av elektroner, vilket bildar en miljö med starkt fält som undertrycker hål men främjar elektroninsamling.

TOPCon-baksida: hålens "snabbfil" är undertryckt

Den höga elektronkoncentrationen i det bakre n-poly-Si:t undertrycker håltransport. Hål måste korsa hela det n-typ c-Si-substratet för att nå den främre p+-emittern innan de samlas upp. Denna "långdistans transport" gör att back-side-fotospänningen generellt är lägre, men den minskar också antalet hål som når kanten.

SHJ baksida: heteroövergången är stark, men TCO:n är ett tveeggat svärd

SHJ:s n-typ c-Si / p-a-Si:H heteroövergång erbjuder verkligen starkare separering av laddningsbärare än TOPCon, men dess TCO har lågt lateralt motstånd och "kortsluter" fortfarande en hel del hål till kanten. Resultatet: stark separeringsförmåga är inte lika med liten kantförlust.

TBC baksida: hål-HSC:n finns precis där på baksidan, en hemmaplansfördel

TBC:s bakre HSC är direkt vänd mot de fotogenererade hålen. Laddningsbärare samlas upp direkt på baksidan, så många färre flödar till kanten, och back-side-fotospänningen mättas snabbast.

Snabb notering: back-side-fotospänningsbeteendet visar en "omvänd" trend jämfört med framsidan. TBC är sämst på framsidan men bäst på baksidan, vilket visar att "vilken sida som vetter mot ljuset" betyder mer än "vilken sida som är p-n-övergången".

Figur 4. Tvärsnittsmodell för fotospänningsfördelning av TOPCon- och SHJ-celler.

Om figurerna 2 och 3 betraktar kanten "från sidan", så skär figur 4 den "tvärs över". Lasern skannar direkt på tvärsnittet, så du ser hela det elektriska beteendet från p-n-övergången till n-n+ i ett enda ögonkast. Detta är den mest originella delen av studien. Figur 4a är tvärsnittsfotospänningskartan för TOPCon, från vänster till höger framsidan (p+ emitter / p-n-övergång) och baksidan (n-poly-Si / n-n+-övergång). Du kan se att vänster sida (p-n-övergången) är ljusare överlag, och höger sida (n-n+) är mörkare. Kurvan som extraheras i figur 4b är mycket tydlig: från p-n-övergångssidan till n-n+-sidan faller fotospänningen monotont, med hela avklingningsområdet runt 100 µm. Detta resultat avfärdar rakt av den traditionella uppfattningen att "p-n-övergången är flaskhalsen för kantförlust", eftersom p-n-övergångssidan under lågskadeförhållanden istället är zonen med hög fotospänning. Figur 4c ger den fysikaliska anledningen: på p-n-övergångssidan (p+ emitter) behöver minoritetsbärarna (hål) bara färdas en kort sträcka för att samlas upp, medan på n-n+-sidan (n-poly-Si-området) måste hålen korsa hela n-typ c-Si för att nå p+-emittern, en lång väg med hög rekombinationssannolikhet, så förlusten är större. Figurerna 4d–f visar exakt samma trend på SHJ-celler: från bakre p-n-övergången (p-a-Si:H / n-c-Si) till främre n-n+-övergången (i/n-a-Si:H / n-c-Si) faller fotospänningen återigen monotont. Att denna regelbundenhet gäller över olika cellstrukturer är ett av studiens kärnargument.

För att beskriva detta kvantitativt härledde teamet en endimensionell diffusionsmodell för minoritetsbärare. Figur 4g är modellschemat, som visar kurvan (orange) som avtar monotont från p-n-övergångssidan (hålselektiv kontakt, HSC) mot ESC-sidan (elektronselektiv kontakt, ESC). Figur 4h jämför vidare bärarbeteendet på HSC- och ESC-sidorna:

• HSC-sidan: minoritetsbärare (hål) samlas upp över en kort sträcka, låg rekombinationssannolikhet.

• ESC-sidan: minoritetsbärare måste diffundera en lång sträcka för att nå HSC, med kraftig rekombination längs vägen.

• P-n-övergångens mekanism för bärarseparation har den dubbla fördelen av kraftigt dopad kontakt plus passiverad kontakt, effektivare än en vanlig hög-låg-övergång (n-n+).

Snabb notering: tvärsnittsfotospänningsmodellen bekräftar kvantitativt att "p-n-övergångssidans elektriska prestanda överträffar n-n+-sidan", och föreslår "minoritetsbärarnas diffusionslängd L" som ett nytt mått för att utvärdera kantförlust.

Figur 5. Tvärsnittsfotospänningsanalys av en TOPCon-cell tillverkad med industriell termisk laserseparering (TLS)-metod.

För att kontrollera om slutsatsen från 45°-klyvningsmetoden gäller för industriell skärning använde teamet metoden "termisk laserseparering" (TLS) (Figur 5a) — först förbehandlar en laser p-n-övergångssidan (Pre-grooving i figuren), sedan hjälper kylvatten till med separeringen. TLS är en av de erkända lågskadande skärteknikerna idag. Figur 5b är tvärsnittsfotospänningsbilden av TOPCon efter TLS-skärning: den vänstra sidan (p-n-övergången) är tydligt ljusare än den högra sidan (n-n+). Den kvantitativa kurvan i Figur 5c visar att från p-n-övergången till baksidan faller fotospänningen fortfarande monotont, helt i linje med 45°-klyvningsresultatet.

Nyckelverifiering: även med den industriella TLS-metoden (skärning direkt från p-n-övergångssidan) visar fotospänningen fortfarande trenden "hög p-n-övergång, låg n-n+". Detta säger att under lågskadande skärning är "p-n-övergången" inte alls en flaskhals, utan snarare där fördelen ligger. Den tidigare industriella erfarenheten att "p-n-övergångssidan presterar bättre" vid TLS-skärning bekräftas slutligen av både experiment och teori.

Figur 6. Tvärsnittsfotospänningsanalys av TBC- och THBC-celler, plus en schematisk bild av den lågskadande p-n-övergångsskärningsstrategin.

Figurerna 6a och 6b är tvärsnittsfotospänningsbilderna av TBC- och THBC-celler. TBC har högst fotospänning, 0,39 V, och THBC är något lägre (0,21 V), men båda visar den tydliga rumsliga fördelningen "ljus p-n-övergång, mörk n-n+". Kurvorna som extraherats i Figurerna 6c och 6d följer samma mönster som Figur 4: monotont avtagande från p-n-övergången mot n-n+. Värt att särskilt nämna är den lilla insatsfiguren i Figur 6c: den "riktningsmässiga fördelningen" av fotospänning för varje cellstruktur visar ett mönster med "tätt övre vänster, glest nedre höger", vilket innebär att den elektriska fördelen med p-n-övergångssidan är universell över strukturer och processer. Figur 6e förklarar vad som gör bakkontaktceller speciella: HSC samlar hål "i närheten" på baksidan, och ESC samlar elektroner "i närheten" på baksidan. Minoritetsbärarna (hålen) som genereras i p-n-övergångsområdet behöver bara en kort sträcka för att nå HSC, så förlusten är liten; minoritetsbärarna i n-n+-området måste göra en lång resa, så förlusten är större. Detta mönster matchar TOPCon och SHJ exakt. Baserat på alla dessa bevis föreslog teamet en helt ny skärningsstrategi i Figur 6f:

Industrirekommendation

Vid lågskadeklippning (som TLS) bör du skära från p-n-övergångssidan. Anledning: p-n-övergångssidan har högre separationsverkningsgrad för bärare plus en kortare transportväg för minoritetsbärare. Även under viss processstörning behåller den anständig elektrisk prestanda. Denna rekommendation kullkastar tjugo års branschpraxis om att "undvika att röra p-n-övergången".

Ooitechs syn

Ärligt talat är detta ett av de rön som tyst skriver om en linjenivåvana snarare än en rubrikspecifikation. Slutsatsen för alla som driver en n-typ-linje: para ihop ditt laserskärningsrecept med cellens egen bärarfysik, och parkera inte blint skärlinjen på n-n+-sidan bara för att det var den gamla regeln. Lågskadeseparering (TLS-stil) är den verkliga möjliggöraren här, och att ställa in den processen på en solcellslaserskärningsmaskin är exakt där modultillverkare vinner eller förlorar verklig Voc och FF. Vi bygger våra skär- och stringningsstationer för att hålla kantsskador låga över TOPCon, SHJ och BC-format, så denna typ av forskning överförs direkt till produktion. Om du vill se hur dessa steg ser ut på en löpande linje, finns Ooitech YouTube-kanal på www.youtube.com/ooitech värd att följa.