Introduktion

Solcellstekniken har utvecklats snabbt under det senaste decenniet, med flera konkurrerande cellarkitekturer som driver effektiviteten till nya höjder. Denna artikel går igenom de grundläggande arbetsprinciperna för solceller, bryter sedan ner de tre stora nästa generationens teknologier som formar industrin idag, och avslutar med en titt på kvalitetskontroll i cellproduktion.

Hur solceller fungerar

En solcell omvandlar ljus till elektricitet, men inte alla inkommande fotoner bidrar lika mycket. Att förstå var energi går förlorad är det första steget mot att bygga bättre celler.

• Fotoner med energi under bandgapet absorberas inte och passerar helt enkelt genom cellen.

• Fotoner med energi över bandgapet absorberas och genererar elektron-hål-par, men överskottsenergin från högenergifotoner förloras delvis som värme.

• Laddningsseparation och transport av de genererade bärarna medför förluster vid pn-övergången.

• Rekombinationsförluster uppstår under bärartransport.

• Kontaktmotstånd orsakar ett spänningsfall, vilket leder till kontaktspänningsförluster.

Minska elektriska förluster

• Välj wafers med god kristallstruktur och rätt typ.

• Utveckla idealiska tekniker för pn-övergångsbildning.

• Utveckla idealiska passiveringstekniker.

• Anta rimliga metallkontakttekniker.

• Tillämpa utmärkta front- och baksidesfältsteknologier.

Minska optiska förluster

För att minska optiska förluster och öka cellens verkningsgrad har industrin utvecklat en rad ljusinfångningsmetoder och teknologier. Dessa inkluderar yttexturering av skivan för att minska reflektion, antireflektionsbeläggningar på framsidan, reflekterande beläggningar på baksidan och minimering av skuggningsområdet från grid-linjer.

TOPCon

TOPCon, även känt som passiverad kontaktteknologi, anses allmänt vara nästa generations solcellsteknologi efter PERC. Jämfört med andra potentiella nya teknologier som HJT och IBC kan TOPCon uppgraderas direkt från befintliga PERC- eller PERT-linjer. Som ett resultat kräver tillverkare som vill uppgradera sina befintliga produktionslinjer en relativt låg kapitalinvestering, samtidigt som de uppnår en solid verkningsgradsökning på cirka 1%.

Framsidan av en TOPCon-cell är i princip densamma som en konventionell N-typ eller N-PERT-cell, bestående av en bor (p+)-emitter, ett passiveringsskikt och ett antireflektionsskikt. Kärnteknologin ligger i den bakre passiverade kontakten: baksidan av skivan bär ett ultratunt oxidskikt (1–2 nm) plus en fosfordopad mikro/amorf blandad kisel tunnfilm. För bifaciala applikationer görs metalliseringen genom screentryck av Ag- eller Ag-Al-galler på framsidan och Ag-galler på baksidan.

Tunneloxid passiverad kontakt

Tunneloxid passiverad kontakt (TOPCon) har nyligen väckt stor uppmärksamhet eftersom den uppnår en hög omvandlingseffektivitet på 25,7%. TOPCon-strukturen består av en tunn tunneloxid och ett fosfor (P)-dopat polysiliciumkontaktskikt. Det P-dopade polysiliciumskiktet kan tillverkas genom att kristallisera a-Si:H eller genom att direkt deponera polysilicium med LPCVD. TOPCon utmärker sig som en lovande kandidat bland högeffektiva solcellsteknologier.

HJT Heterojunction

Heterojunction-teknologi (HJT) är en solpaneltillverkningsmetod som har ökat under det senaste decenniet. Det är för närvarande en av de mest effektiva processerna för att driva verkningsgrad och effekt till höga nivåer, och överträffar till och med prestandan hos industrins mainstream PERC-teknologi. HJT-celler kombinerar två olika teknologier i en: kristallint kisel och amorft tunnfilm. Att använda dessa teknologier tillsammans skördar mer energi än att använda endera ensam, och når verkningsgrader på 25% eller högre.

HJT-cellstruktur

Med en monokristallin wafer som substrat deponeras en intrinsisk a-Si:H-film på 5–10 nm och därefter en p-typ a-Si:H-film i följd på den rengjorda och texturerade framsidan av wafern, vilket bildar en p-n-heterojunction. På baksidan av wafern deponeras en intrinsisk film på 5–10 nm och en n-typ a-Si:H-film för att bilda ett bakre ytfält. En transparent ledande oxidfilm deponeras sedan, och slutligen skapas metalliska samlarelektroder på båda sidornas toppar med screentryck, vilket bygger en symmetrisk HJT-solcell.

Fördelar med HJT-celler

• Flexibilitet och anpassningsförmåga — Denna teknik utvecklades för utmärkt produktionskapacitet även under extrema väderförhållanden. HJT-paneler har en lägre temperaturkoefficient än konventionella paneler, vilket säkerställer hög prestanda vid förhöjda yttre temperaturer.

• Förväntad livslängd — I genomsnitt kan tunnfilms-PV-moduler hålla i upp till 25 år, medan HJT-celler kan fortsätta fungera normalt i mer än 30 år.

• Högre effektivitet — De flesta heterojunction-paneler på marknaden idag har verkningsgrader mellan 19,9% och 21,7%, en enorm förbättring jämfört med andra konventionella monokristallina celler.

• Kostnadsbesparingar — Det amorfa kisel som används i HJT-paneler är en kostnadseffektiv PV-teknik. Jämfört med andra tekniker kräver denna tunnfilmssolcellsmetod kortare tillverkningstid. Tack vare sin förenklade process är HJT mer prisvärd än alternativa lösningar.

Perovskit

År 2009 användes perovskitmaterial för första gången för att uppnå en fotovoltaisk verkningsgrad på 4%. År 2021 nådde enkelskikts perovskitsolceller (PSC) en verkningsgrad på 25,5%. Den snabba förbättringen av perovskitceller har gjort dem till en stigande stjärna inom PV-området och väckt stort intresse inom akademin. Eftersom deras funktionssätt fortfarande är relativt nytt finns det gott om möjligheter att ytterligare studera den underliggande fysiken och kemin hos perovskit.

Perovskitcellstruktur

De mest avancerade perovskitsolcellsstrukturerna är baserade på fem komponenter: en transparent ledande oxid, ett elektrontransportlager (ETL), perovskiten, ett håltransportlager (HTL) och en metallelektrod. Att förstå och optimera energinivåerna och interaktionerna mellan olika material vid dessa gränssnitt är ett mycket spännande forskningsområde som fortfarande är under aktiv diskussion.

CaTiO3

Perovskit är namnet på ett mineral, upptäckt 1839 av Rose i bergartsmineraler från Uralbergen och namngivet efter den ryske geologen Perovski. Perovskitmaterial tenderar att ha låg rekombinationssannolikhet för bärare och hög bärarmobilitet, vilket gör dem till idealiska material för solceller.

Metoder för bildning av perovskitfilm

Nyckeln till att förbättra effektomvandlingseffektiviteten hos perovskitsolceller ligger i att optimera filmens morfologi. De filmbildningsmetoder som vanligtvis används i laboratoriet är ett- eller tvåstegsprocessdeposition. För att möta efterfrågan på stora, lågkostnadsperovskitfilmer används även bearbetningsutrustning som slot-die-beläggning, tryckning och sprutning för att tillverka perovskitsolceller.

Perovskitens framtid

Framtida forskning om perovskit kommer sannolikt att fokusera på att minska rekombination genom strategier som passivering och defektreducering, samt förbättra effektiviteten genom att införliva tvådimensionella perovskiter och mer optimerade gränssnittsmaterial. Laddningsextraktionsskikt kan övergå från organiska till oorganiska material för att förbättra effektivitet och stabilitet. Att förbättra stabiliteten och minska miljöpåverkan förblir viktiga områden.

Kvalitetskontroll vid produktion av solcells-PV-celler

Kristallina kisel-PV-celler är de vanligaste cellerna i kommersiella solpaneler och står för mer än 90% av den globala försäljningen av PV-celler.

I laboratoriet överstiger energiomvandlingseffektiviteten för kristallina kisellceller 25% för monokristallina celler och når 20% eller mer för polykristallina celler. Industriellt producerade solmoduler uppnår dock för närvarande endast 18%–22% effektivitet under standardtestförhållanden.

Rengöring och texturering

Etning avlägsnar ytskadans skikt och texturerar ytan för att bilda en texturerad struktur som fångar ljus och minskar reflektionsförluster. Att mäta reflektansen hos den texturerade ytan är ett viktigt sätt att övervaka textureringsprocessen.

Diffusionsförbindelsebildning och kantisolering

Termisk diffusion och liknande metoder bildar ett diffusionsskikt av en annan ledningstyp på waferskivan, vilket skapar pn-övergången. Olika celltyper deponerar ett passiveringsskikt av en viss tjocklek mellan pn-övergången och waferskivan för att få en mer effektiv tunnfilmssolcell. Denna process övervakar främst minoritetsbärarlivslängd, waferskivans tjocklek och brytningsindex.

Deponering av antireflexbeläggning

För att ytterligare förbättra ljusabsorptionen appliceras en antireflexfilm över waferskivans yta. För närvarande använder industrin plasmaförstärkt kemisk ångdeponering (PECVD) för att deponera en tunn film på waferskivan, som samtidigt fungerar som ett passiveringsskikt. I detta skede mäts främst antireflexfilmens transmittans och enhetligheten i skiktresistansen.

Elektrodtillverkning

Rutnätselektroder screenprintas på cellens framsida, medan bakytfältet och bakelektroden trycks på baksidan, följt av torkning och sintring. Under denna process är temperaturkontroll, inriktningsnoggrannhet och rutnätets höjd-till-bredd-förhållande oumbärliga övervakningsindikatorer.

Ooitechs syn

ooitech anser: TOPCon, HJT och perovskit driver var och en solcellseffektiviteten framåt på sitt eget sätt, och rigorös produktionskvalitetskontroll är det som i slutändan omvandlar dessa teknologier till pålitliga, högpresterande moduler.