چگونه سلولهای خورشیدی چندتکه را بهتر برش دهیم؟
فهرست مطالب
پاسخ سریع: برش یک سلول کامل به نصف، یکسوم یا قطعات کوچکتر توان ماژول را با کاهش جریان هر نوار افزایش میدهد، که تلفات مقاومتی در ریبون را کم میکند. این مزیت با کوچکتر شدن نوار کاهش مییابد و هزینه مکانیکی افزایش مییابد. سه رویکرد غالب هستند. حکاکی لیزری و سپس شکستن مکانیکی سریعترین است و کمترین بار حرارتی را وارد میکند، اما کیفیت لبه شکست به عمق حکاکی بستگی دارد. برش کامل لیزری سلول را تنها با پرتو جدا میکند و لبه تمیزتری با سرعت کمتر ارائه میدهد. جداسازی حرارتی لیزری یک لیزر را با یک مرحله خنکسازی ترکیب میکند تا ترک در مسیری کنترلشده منتشر شود. ابعاد مرتبط از طول موج لیزر 532 nm تا اندازههای ویژگی نزدیک به 1 µm و 20 µm تا 100 µm متغیر است، و ولتاژ نوار پایین است — حدود 0.55 V — بنابراین دستاوردها از مقاومت ناشی میشوند، نه از ولتاژ.
تولید ماژول PV · توسط جری، Ooitech
مقدمه
TOPConبرای مطالعه «رفتار الکتریکی ذاتی پیوند p-n»، ابتدا باید یک مشکل دشوار را حل کنید. روش سنتی
در تعقیب توان بالاتر ماژول، مهندسان اغلب یک سلول بزرگ را به ۱/۲، ۱/۳ یا حتی بیشتر «سلول کوچک» برش میدهند و سپس آنها را به صورت سری و موازی در داخل ماژول دوباره متصل میکنند. هدف کاهش جریان و کوچککردن تلفات توان مقاومتی است. اما هر برش یک «زخم» بدون غیرفعالسازی در امتداد لبه سلول باقی میگذارد. آن زخمها به تلههای حامل تبدیل میشوند و ولتاژ مدار باز (Voc) و ضریب پرشوندگی (FF) را کاهش میدهند. هرچه سلول فرعی کوچکتر شود، این تلفات نوترکیبی لبه بیشتر آسیب میزند.
رایجترین روش صنعتی امروز، «خطاندازی لیزری + شکست مکانیکی» (L&C)، آسیب حرارتی جدی در امتداد برش باقی میگذارد. و برای سالها این حوزه بر یک چیز توافق داشته است: خطاندازی روی سمت پیوند p-n بیشترین آسیب را وارد میکند، بنابراین «سمت پیوند p-n گلوگاه اصلی تلفات لبه است». این باور باعث تولد ترفند استاندارد «خطاندازی از سمت n-n+ برای محافظت از پیوند p-n» شد.
اما آیا آن «عقل سلیم» به طور گسترده پذیرفتهشده واقعاً رفتار الکتریکی ذاتی پیوند p-n را منعکس میکند؟ یا فقط یک مصنوع از گرمای لیزر است؟
یافته اصلی: رفتار الکتریکی ذاتی که اجماع را میشکند
یک تیم تحقیقاتی در موسسه FUNSOM دانشگاه سوچو مقالهای در Nano Energy منتشر کرد که از روش برش کمآسیب جدیدی به نام «شکست چرخشی ۴۵ درجه» استفاده میکند. این روش هوشمندانه از آسیب حرارتی لیزر دوری میکند و رفتار الکتریکی ذاتی واقعی لبه پیوند p-n را بررسی میکند. نتیجه صنعت را شگفتزده کرد:
در برش با آسیب کم، راندمان جمعآوری حامل لبه در سمت پیوند p-n در واقع بالاتر از سمت n-n+ است. به زبان ساده: خطاندازی از سمت پیوند p-n استراتژی صنعتی بهتری است. این بیست سال رویه پذیرفتهشده را زیر و رو میکند.
چگونه لبه سلول را بدون آسیب باز کنیم
یک لایه ذوبشده و دوباره منجمدشده، بههمراه ریزترکها و انبوهی از آسیب حرارتی در امتداد لبه باقی میگذارد، و همه اینها هرگونه مشاهده پیوند p-n و رفتار بازترکیب سطحی را مخدوش میکند. تیم مسیر متفاوتی را در پیش گرفت و با استفاده از خاصیت شکافتن ناهمسانگرد بلورهای سیلیکون، روش «شکافتن چرخشی ۴۵ درجه» را پیشنهاد کرد: برش لیزری leaves a re-melted and re-solidified layer, plus microcracks and a pile of thermal damage along the edge, and all of that muddies any observation of the p-n junction and the surface recombination behavior. The team went a different way, using the anisotropic cleaving nature of silicon crystals to propose a "45° rotational cleaving" method:
مرحله اول: ویفر را ۴۵ درجه در صفحه بچرخانید.
مرحله دوم: با یک قلم الماسه یک خط کم عمق روی صفحه (100) ایجاد کنید.
مرحله سوم: در امتداد خانواده صفحه {110} شکاف دهید تا یک مقطع عرضی اتمی صاف و بدون آسیب حرارتی به دست آورید.
مقطع لبه به دست آمده از این روش یکپارچگی ساختاری و الکتریکی خود را حفظ میکند. با ترکیب با تکنیک تصویربرداری فوتوولتاژ با وضوح میکرومتری، میتوانید رفتار الکتریکی را در نزدیکی لبه نقطهبهنقطه اسکن کنید، بدون اینکه به اتصال p-n آسیب برسانید.
آزمایش از لیزر ۵۳۲ نانومتری (عمق نفوذ حدود ۱.۳ میکرومتر) استفاده کرد و با عدسی شیئی ۵۰ برابر به وضوح فضایی تقریباً ۱ میکرومتر رسید که برای ثبت رفتار فروپاشی فوتوولتاژ در فاصله دهها میکرومتری از لبه کافی بود.
یافتههای تجربی

شکل ۱. اثر برش بر یکپارچگی اتصال p-n (a، b)، شماتیک روش شکاف چرخشی ۴۵ درجه (c، d)، و شماتیک سه ساختار سلول با راندمان بالا (e-g).
شکل ۱a فرآیند سنتی L&C را نشان میدهد که روی سمت اتصال p-n خط میکشد: ابتدا لیزر یک شیار روی سطح سلول حک میکند (علامت لیزر)، سپس نیروی مکانیکی سلول را میشکند. شکل ۱b مقطع SEM لبه پس از برش L&C است. بهوضوح میبینید که مقطع به دو ناحیه تقسیم میشود. قسمت بالایی «ناحیه فرسایش لیزری» است که مورفولوژی آشکار ذوب و انجماد مجدد را نشان میدهد. قسمت پایینی «ناحیه جداشده با تنش» است که با نیروی مکانیکی پاره شده و ریزترکها و حوضچههای مذاب نامنظم زیادی باقی میگذارد. این آسیب حرارتی دقیقاً همان چیزی است که باعث افزایش جریان نشتی و افت عملکرد سلول میشود.
قابل توجه است: وقتی لیزر روی سمت اتصال p-n خط میکشد، خود اتصال p-n کاملاً توسط گرما تخریب میشود. بنابراین «پدیدهای» که صنعت همیشه میدید، یعنی «سمت اتصال p-n گلوگاه افت لبه است»، در واقع مصنوعی از آسیب حرارتی است.
شکل 1c روش برش چرخشی 45 درجه پیشنهادی در اینجا را نشان میدهد: ویفر را 45 درجه حول محور درونصفحهای بچرخانید، صفحه (100) را با قلم الماسه خط بیندازید، سپس در امتداد صفحه شکاف {110} پاره کنید. شکل 1d تصویر SEM لبه برشخورده است، مقیاس 20 میکرومتر. سطح مقطع بسیار صاف و تمیز است، هیچ اثری از ذوب وجود ندارد، ساختار و یکپارچگی الکتریکی اتصال p-n کاملاً حفظ میشود. این کلید مطالعه «رفتار ذاتی» است.
این کار به سه فناوری اصلی سلولهای کارآمد نوع n میپردازد: TOPCon، SHJ و TBC. آنها ویژگی مشترکی دارند. روی زیرلایه سیلیکون کریستالی نوع n، هم اتصال p-n (همو یا هترو) و هم اتصال بالا-پایین n-n+ دارند. بنابراین مطالعه رفتار لبهای آنها راهنمای مستقیمی برای تولید صنعتی واقعی فراهم میکند.

شکل 2. تحلیل فوتوولتاژ لبه سمت جلو سلولهای TOPCon، SHJ و TBC.
شکل 2a اسکن لیزر 532 نانومتری از لبه سطح جلوی سلول به سمت داخل را نشان میدهد، که با مرحله دقیق XY و تقویتکننده الکتریکی برای ثبت سیگنال فوتوولتاژ در زمان واقعی کار میکند و در نهایت نقشه فوتوولتاژ دوبعدی میسازد. شکل 2b تصویر فوتوولتاژ سمت جلو TOPCon، SHJ و TBC (از چپ به راست) است. رنگ روشنتر به معنای فوتوولتاژ بالاتر است. هر سه سلول یک «نوار گرادیانی» آشکار در حدود 100 میکرومتر از لبه نشان میدهند، فوتوولتاژ کمتر نزدیکتر به لبه. این شواهد مستقیم تلفات بازترکیب لبه است.
با مقایسه سه مورد: TOPCon بالاترین فوتوولتاژ (0.40–0.55 ولت) را دارد و سریعترین اشباع را نشان میدهد. TBC کمترین (0.36–0.49 ولت) را دارد و کندترین افت را نشان میدهد، به این معنی که بازترکیب لبه آن بدترین است. این نتیجه برخلاف تصور رایج «اتصال p-n گلوگاه است» است، زیرا سمت جلو (سمت رو به نور) معمولاً دقیقاً جایی است که اتصال p-n قرار دارد.
شکل 2c پروفایل فوتوولتاژ استخراجشده در امتداد خط چین سیاه در شکل 2b را نرمالسازی میکند. هر سه منحنی «کم در لبه، زیاد در فلات» را نشان میدهند، اما سرعت اشباع (که طول بازترکیب لبه را منعکس میکند) به وضوح متفاوت است:
TOPCon: کوتاهترین ناحیه افت، نزدیک به اشباع در حدود 100 میکرومتر، کمترین تلفات لبه.
SHJ: ناحیه افت متوسط، نزدیک به اشباع در حدود 200 میکرومتر.
TBC: کندترین بازیابی، تا حدود 500 میکرومتر کشیده میشود قبل از اشباع کامل، بدترین تلفات لبه.
شکل 2d فیزیک پشت تفاوتها را توضیح میدهد. یک حفره فوتوتولیدشده در نهایت یکی از دو کار را انجام میدهد: توسط الکترود جمعآوری میشود، یا به سمت لبه رانده شده و بازترکیب میشود.
TOPCon: امیتر در جلو، مسیر جمعآوری حفره فوقکوتاه
سطح جلو یک امیتر p+ است. حفرهها فقط باید از امیتر بسیار نازک عبور کنند تا توسط الکترود جلو جمع شوند، بنابراین بیشتر حفرهها «هرگز فرصت» رسیدن به لبه را پیدا نمیکنند. در عین حال، میدان قوی تشکیلشده توسط p+ emitter / SiOx / n-poly-Si در لبه نیز مؤثر باقی میماند و حاملها را به سرعت جدا میکند. این دلیل اصلی است که TOPCon کمترین تلفات لبه را دارد.
SHJ: جلو الکترونها را جمع میکند، حفرهها راه طولانی را طی میکنند
سطح جلوی SHJ از n-a-Si:H است که الکترونها را جمع میکند. حفرهها باید تمام راه تا p-a-Si:H پشتی منتشر شوند تا جمع شوند، مسیری بسیار طولانی. لایه TCO با رسانایی بالا مانند یک «بزرگراه» عمل میکند و تعداد زیادی حفره را به سمت لبه حمل میکند و بازترکیب لبه به طور محسوس افزایش مییابد.
TBC: همه الکترودها در پشت، نابودی کامل
در TBC همه الکترودها در پشت قرار دارند. حاملهای تولیدشده در سطح جلو باید به صورت جانبی در کل ویفر حرکت کنند تا جمع شوند. بدتر از آن، لایه غیرفعالسازی Al2O3 جلویی بار منفی ثابت زیادی دارد که لایه تجمع حفره در سطح Si ایجاد میکند و «کانال رسانای حفره» تشکیل میدهد که حفرهها را حتی بیشتر به سمت لبه هل میدهد.
نکته سریع: رفتار فوتوولتاژ سمت جلو عمدتاً توسط دو چیز تعیین میشود: «فاصله جمعآوری حامل» و «وجود کانال انتقال جانبی»، و هیچ ارتباطی با جهت خود پیوند p-n ندارد.

شکل 3. تحلیل فوتوولتاژ لبه پشتی سلولهای TOPCon، SHJ و TBC.
شکل 3a اسکن لیزری از لبه پشتی را نشان میدهد. شکل 3b نقشه فوتوولتاژ دوبعدی مربوطه است. در مقایسه با شکل 2b، هر سه سلول فوتوولتاژ پشتی کمتری نسبت به سمت جلو نشان میدهند (زیرا سطح جلو معمولاً طراحی ضدبازتاب بهتری و استفاده نوری بالاتری دارد). شکل 3c چیز جالبی را نشان میدهد: «برنده» لبه پشتی TBC میشود. حتی اگر SHJ نیز پیوند p-n در پشت دارد، فوتوولتاژ لبه آن در واقع کمتر از TOPCon است، که بیشتر نشان میدهد «موقعیت پیوند p-n» تنها عامل تعیینکننده تلفات لبه نیست. شکل 3d مکانیسم انتقال حاملهای اقلیت در سمت پشتی را نشان میدهد. پشت ویژه است: n-poly-Si پشتی غلظت بالایی از الکترونها را نگه میدارد و محیط میدان قوی ایجاد میکند که حفرهها را سرکوب میکند اما جمعآوری الکترون را ترویج میدهد.
سمت پشتی TOPCon: «مسیر سریع» حفره سرکوب شده است
غلظت بالای الکترون در پلیسیلیکون نوع n پشتی، انتقال حفره را سرکوب میکند. حفرهها باید کل زیرلایه سیلیکون کریستالی نوع n را طی کنند تا به امیتر p+ جلویی برسند و جمعآوری شوند. این «انتقال طولانیبرد» باعث میشود فتوولتاژ سمت پشت بهطور کلی کمتر باشد، اما همچنین تعداد حفرههایی که به لبه میرسند را کاهش میدهد.
سمت پشت SHJ: اتصال ناهمگون قوی است، اما TCO شمشیر دولبه است
اتصال ناهمگون n-type c-Si / p-a-Si:H در SHJ واقعاً جداسازی حاملهای قویتری نسبت به TOPCon ارائه میدهد، اما TCO آن مقاومت جانبی پایینی دارد و همچنان سهم قابل توجهی از حفرهها را به لبه «اتصال کوتاه» میکند. نتیجه: توانایی جداسازی قوی به معنای تلفات لبه کم نیست.
سمت پشت TBC: HSC حفره دقیقاً در پشت قرار دارد، یک مزیت خانگی
HSC سمت پشت TBC مستقیماً با حفرههای تولید شده نوری مواجه است. حاملها دقیقاً در پشت جمعآوری میشوند، بنابراین تعداد بسیار کمتری به لبه جریان مییابند و فتوولتاژ سمت پشت سریعترین اشباع را دارد.
نکته سریع: رفتار فتوولتاژ سمت پشت روند «معکوس» نسبت به جلو نشان میدهد. TBC در جلو بدترین و در پشت بهترین است، که نشان میدهد «کدام سمت رو به نور است» مهمتر از «کدام سمت اتصال p-n است» میباشد.

شکل 4. مدل توزیع فتوولتاژ مقطعی سلولهای TOPCon و SHJ.
اگر شکلهای ۲ و ۳ به لبه «از پهلو» نگاه کنند، شکل ۴ آن را «از عرض» برش میزند. لیزر مستقیماً روی مقطع اسکن میکند، بنابراین کل رفتار الکتریکی از پیوند p-n تا n-n+ را در یک نما میبینید. این اصیلترین بخش مطالعه است. شکل ۴a نقشه فوتوولتاژ مقطعی TOPCon است، از چپ به راست سمت جلو (امیتر p+ / پیوند p-n) و سمت پشت (n-poly-Si / پیوند n-n+). میبینید که سمت چپ (پیوند p-n) به طور کلی روشنتر است و سمت راست (n-n+) تیرهتر. منحنی استخراجشده در شکل ۴b بسیار واضح است: از سمت پیوند p-n به سمت n-n+، فوتوولتاژ به طور یکنواخت کاهش مییابد، با کل ناحیه افت حدود ۱۰۰ میکرومتر. این نتیجه به طور قاطع دیدگاه سنتی که «پیوند p-n گلوگاه تلفات لبه است» را رد میکند، زیرا در شرایط آسیب کم، سمت پیوند p-n در عوض ناحیه فوتوولتاژ بالا است. شکل ۴c دلیل فیزیکی را ارائه میدهد: در سمت پیوند p-n (امیتر p+) حاملهای اقلیت (حفرهها) فقط مسافت کوتاهی را برای جمعآوری طی میکنند، در حالی که در سمت n-n+ (ناحیه n-poly-Si) حفرهها باید کل c-Si نوع n را برای رسیدن به امیتر p+ طی کنند، مسیری طولانی با احتمال بازترکیب بالا، بنابراین تلفات بیشتر است. شکلهای ۴d–f دقیقاً همان روند را در سلولهای SHJ نشان میدهند: از پیوند p-n پشتی (p-a-Si:H / n-c-Si) به پیوند n-n+ جلویی (i/n-a-Si:H / n-c-Si)، فوتوولتاژ دوباره به طور یکنواخت کاهش مییابد. این قاعدهمندی که در ساختارهای مختلف سلول برقرار است، یکی از استدلالهای اصلی مطالعه است.
برای توصیف کمی این موضوع، تیم یک مدل انتشار حامل اقلیت یکبعدی استخراج کرد. شکل ۴g شماتیک مدل است که منحنی (نارنجی) را نشان میدهد که به طور یکنواخت از سمت پیوند p-n (تماس انتخابی حفره، HSC) به سمت سمت ESC (تماس انتخابی الکترون، ESC) کاهش مییابد. شکل ۴h رفتار حامل را در سمتهای HSC و ESC بیشتر مقایسه میکند:
سمت HSC: حاملهای اقلیت (حفرهها) در مسافت کوتاهی جمعآوری میشوند، احتمال بازترکیب کم.
سمت ESC: حاملهای اقلیت باید مسافت طولانی را برای رسیدن به HSC طی کنند و در طول مسیر به شدت بازترکیب شوند.
مکانیزم جداسازی حامل در پیوند p-n دارای مزیت دوگانه تماس با دوپینگ سنگین به علاوه تماس غیرفعالشده است و کارآمدتر از یک پیوند بالا-پایین ساده (n-n+) است.
نکته سریع: مدل فوتوولتاژ مقطعی به طور کمی تأیید میکند که «عملکرد الکتریکی سمت پیوند p-n از سمت n-n+ بهتر است» و «طول انتشار حامل اقلیت L» را به عنوان معیار جدیدی برای ارزیابی تلفات لبه پیشنهاد میکند.

شکل ۵. تحلیل فوتوولتاژ مقطعی یک سلول TOPCon ساختهشده با روش جداسازی حرارتی لیزری صنعتی (TLS).
برای بررسی اینکه آیا نتیجهگیری از روش شکست ۴۵ درجه برای برش صنعتی معتبر است، تیم از روش «جداسازی حرارتی لیزری» (TLS) استفاده کرد (شکل ۵a) — ابتدا لیزر سمت پیوند p-n را پیشتیمار میکند (شیار پیشساخته در شکل)، سپس آب خنککننده به جداسازی کمک میکند. TLS یکی از تکنیکهای شناختهشده برش کمآسیب امروزی است. شکل ۵b تصویر فوتوولتاژ مقطعی سلول TOPCon پس از برش TLS است: سمت چپ (پیوند p-n) بهوضوح روشنتر از سمت راست (n-n+) است. منحنی کمی در شکل ۵c نشان میدهد که از پیوند p-n به سمت پشت، فوتوولتاژ همچنان بهصورت یکنواخت کاهش مییابد، که کاملاً با نتیجه شکست ۴۵ درجه سازگار است.
تأیید کلیدی: حتی با روش صنعتی TLS (برش مستقیم از سمت پیوند p-n)، فوتوولتاژ همچنان روند «پیوند p-n بالا، n-n+ پایین» را نشان میدهد. این بدان معناست که در برش کمآسیب، «پیوند p-n» اصلاً گلوگاه نیست، بلکه محل مزیت است. تجربه قبلی صنعت که «سمت پیوند p-n عملکرد بهتری دارد» در برش TLS سرانجام توسط آزمایش و نظریه تأیید میشود.

شکل ۶. تحلیل فوتوولتاژ مقطعی سلولهای TBC و THBC، بههمراه شماتیک استراتژی برش کمآسیب پیوند p-n.
شکلهای ۶a و ۶b تصاویر فوتوولتاژ مقطعی سلولهای TBC و THBC هستند. TBC بالاترین فوتوولتاژ را دارد، ۰.۳۹ ولت، و THBC کمی پایینتر است (۰.۲۱ ولت)، اما هر دو توزیع فضایی واضح «پیوند p-n روشن، n-n+ تاریک» را نشان میدهند. منحنیهای استخراجشده در شکلهای ۶c و ۶d از همان الگوی شکل ۴ پیروی میکنند: کاهش یکنواخت از پیوند p-n به سمت n-n+. شایان ذکر است که تصویر کوچک در شکل ۶c: «توزیع جهتی» فوتوولتاژ برای هر ساختار سلول الگوی «بالا-چپ متراکم، پایین-راست پراکنده» را نشان میدهد، به این معنی که مزیت الکتریکی سمت پیوند p-n در همه ساختارها و فرآیندها جهانی است. شکل ۶e توضیح میدهد که چه چیزی سلولهای تماس پشتی را خاص میکند: HSC حفرهها را «در نزدیکی» در پشت جمع میکند، و ESC الکترونها را «در نزدیکی» در پشت جمع میکند. حاملهای اقلیت (حفرهها) تولیدشده در ناحیه پیوند p-n فقط به فاصله کوتاهی برای رسیدن به HSC نیاز دارند، بنابراین تلفات کم است؛ حاملهای اقلیت در ناحیه n-n+ باید مسافت طولانی را طی کنند، بنابراین تلفات بیشتر است. این الگو دقیقاً با TOPCon و SHJ مطابقت دارد. بر اساس همه این شواهد، تیم یک استراتژی برش کاملاً جدید در شکل ۶f پیشنهاد کرد:
توصیه صنعتی
در برش با آسیب کم (مانند TLS)، باید از سمت اتصال p-n برش بزنید. دلیل: سمت اتصال p-n راندمان جداسازی حامل بالاتری دارد و همچنین مسیر انتقال حامل اقلیت کوتاهتری دارد. حتی در برخی اختلالات فرآیندی، عملکرد الکتریکی مناسبی را حفظ میکند. این توصیه، رویه بیست ساله صنعت مبنی بر «اجتناب از تماس با اتصال p-n» را واژگون میکند.
دیدگاه Ooitech
صادقانه بگویم، این یکی از آن یافتههایی است که بهآرامی یک عادت سطح خط تولید را بازنویسی میکند، نه یک مشخصه فنی برجسته را. نکته کلیدی برای هر کسی که خط تولید سلول نوع n را اداره میکند: دستور پخت برش لیزری خود را با فیزیک حامل خود سلول هماهنگ کنید و کورکورانه خط برش را فقط به دلیل قانون قدیمی روی سمت n-n+ قرار ندهید. جداسازی با آسیب کم (سبک TLS) عامل واقعی در اینجا است و تنظیم دقیق آن فرآیند روی دستگاه برش لیزری سلول خورشیدی دقیقاً همان جایی است که تولیدکنندگان ماژول Voc و FF واقعی را به دست میآورند یا از دست میدهند. ما ایستگاههای برش و اتصال خود را طوری میسازیم که آسیب لبه را در فرمتهای TOPCon، SHJ و BC پایین نگه داریم، بنابراین این نوع تحقیق مستقیماً به تولید واقعی منتقل میشود. اگر میخواهید ببینید این مراحل در یک خط فعال چگونه به نظر میرسند، کانال یوتیوب Ooitech در www.youtube.com/ooitech ارزش دنبال کردن دارد.