Förstå de tre stora solcellsteknologierna:

Snabbt svar: De tre stora solcellsteknologierna i produktion idag är PERC, TOPCon och heterojunction (HJT), där back-contact-arkitekturer utgör en fjärde familj byggd ovanpå dem. De skiljer sig åt genom vad som händer vid cellens yta snarare än genom kiselskivan, som i stort sett är samma N-typ eller P-typ material i varje fall. PERC lägger till ett passiveringsskikt och lokala bakkontakter på en p-typ-cell. TOPCon ersätter baksidan med en ultratunn tunneloxid — cirka 2 nm — under ett dopat polysilikonlager som är cirka 10 nm tjockt, vilket passiverar ytan och låter laddningsbärare tunnla igenom. HJT deponerar tunna amorfa kisellager på båda sidor och kräver lägre processtemperaturer. Skillnaderna visar sig i effektivitet, temperaturkoefficient, linjekompatibilitet och kostnad, och var och en påverkar en tillverkares val av utrustning.

PV-modultillverkning · av Jerry, Ooitech

Introduktion

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

Hur solceller (PV) 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-hålpar, men överskottsenergin hos högenergifotoner går delvis förlorad som värme.

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

• Rekombinationsförluster uppstår under bärartransport.

• Kontaktresistans ger upphov till ett spänningsfall, vilket orsakar kontaktspänningsförluster.

TOPCon, HJT och perovskit"/>

Minska elektriska förluster

• Välj wafers med god kristallstruktur och rätt typ.

• Utveckla ideala tekniker för pn-övergångsbildning.

• Utveckla ideala passiveringstekniker.

• Anta rimliga metallkontakttekniker.

• Tillämpa utmärkta tekniker för front- och baksidesfält.

Minska optiska förluster

För att minska optiska förluster och öka cellens effektivitet har industrin utvecklat en rad ljusinfångningsmetoder och teknologier. Dessa inkluderar yttexturering av wafers för att minska reflektion, antireflexbeläggning på framsidan, reflekterande beläggning på baksidan och minimering av skuggningsarea från gridlines.

TOPCon

TOPCon, även känd som passiverad kontaktteknik, anses allmänt vara nästa generations solcellsteknik 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 fortfarande uppnår en solid effektivitetsökning på cirka 1%.

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

Tunneloxid-passiverad kontakt

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

HJT Heterojunction

Heterojunction-teknik (HJT) är en solpanelstillverkningsmetod som har varit på uppgång under det senaste decenniet. Det är för närvarande en av de mest effektiva processerna för att pressa effektivitet och effektuttag till höga nivåer, och överträffar till och med prestandan hos branschens mainstream PERC-teknik. 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 effektiviteter på 25% eller högre.

HJT-cellstruktur

Med en monokristallin wafer som substrat deponeras en inneboende a-Si:H-film på 5–10 nm och sedan en p-typ a-Si:H-film i sekvens på den rengjorda och texturerade framsidan av wafern, vilket bildar en p-n-heterojunction. På baksidan av wafern deponeras en inneboende 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 skapar screentryck metalliska kollektorelektroder på toppen av båda sidor, 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 tunnfilmssolenergi-metod kortare tillverkningstid. Tack vare sin förenklade process är HJT mer prisvärt än alternativa lösningar.

Perovskit

År 2009 användes perovskitmaterial för första gången för att uppnå en fotovoltaisk verkningsgrad på 4%. År 2021 nådde enkelskikts-perovskit-solceller (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 driftmetoder fortfarande är relativt nya finns det gott om möjligheter att ytterligare studera den underliggande fysiken och kemin hos perovskit.

Perovskitcellens struktur

De mest avancerade perovskit-solcellsstrukturerna 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 bergarterna i Uralbergen och namngivet efter den ryska geologen Perovski. Perovskitmaterial tenderar att ha låg rekombinationssannolikhet för laddningsbärare och hög laddningsbärarrörlighet, vilket gör dem till idealiska material för solceller.

Metoder för bildning av perovskitfilmer

Nyckeln till att förbättra effektomvandlingseffektiviteten hos perovskitsolceller ligger i att optimera filmens morfologi. De filmbildningsmetoder som vanligtvis används i laboratoriet är deponering i ett eller två steg. För att möta efterfrågan på stora, lågkostnadsperovskitfilmer används även processutrustning 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 att förbättra effektiviteten genom att införliva tvådimensionella perovskiter och mer optimerade gränssnittsmaterial. Laddningsextraktionsskikt kan komma att skifta från organiska till oorganiska material för att förbättra effektivitet och stabilitet. Att förbättra stabiliteten och minska miljöpåverkan förblir viktiga områden.

Kvalitetskontroll i produktion av solcellspaneler

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

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

Rengöring och texturering

Etning avlägsnar det skadade ytskiktet 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.

Diffusionsförbindningsbildning och kantisolering

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

Deponering av antireflexbeläggning

För att ytterligare förbättra ljusabsorptionen appliceras en antireflexbeläggning över vafers ytan. För närvarande använder industrin plasmaförstärkt kemisk ångdeponering (PECVD) för att deponera en tunn film på vafers, som samtidigt fungerar som ett passiveringsskikt. I detta skede är de huvudsakliga mätningarna transmittansen hos antireflexbeläggningen och enhetligheten i skikttåligheten.

Elektrodtillverkning

Grid-linjelektroder screenprintas på cellens framsida, medan bakytans fält och bakelektroden trycks på baksidan, följt av torkning och sintring. Under denna process är temperaturkontroll, inriktningsnoggrannhet och höjd-till-bredd-förhållandet hos grid-linjerna oumbärliga övervakningsindikatorer.

Ooitechs syn

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