مقدمه

فناوری فتوولتائیک خورشیدی در دهه گذشته به سرعت تکامل یافته است، با چندین معماری سلول رقیب که بازده را به ارتفاعات جدیدی می‌رسانند. این مقاله اصول کار اساسی سلول‌های خورشیدی را مرور می‌کند، سپس سه فناوری اصلی نسل بعدی که امروزه صنعت را شکل می‌دهند، تجزیه و تحلیل می‌کند و در پایان به کنترل کیفیت در تولید سلول می‌پردازد.

چگونه سلول‌های خورشیدی PV کار می‌کنند

یک سلول خورشیدی نور را به الکتریسیته تبدیل می‌کند، اما همه فوتون‌های ورودی به یک اندازه مشارکت ندارند. درک اینکه انرژی در کجا از دست می‌رود، اولین گام برای ساخت سلول‌های بهتر است.

• فوتون‌هایی با انرژی کمتر از شکاف باند جذب نمی‌شوند و به سادگی از سلول عبور می‌کنند.

• فوتون‌هایی با انرژی بالاتر از شکاف باند جذب می‌شوند و جفت الکترون-حفره تولید می‌کنند، اما انرژی اضافی فوتون‌های پرانرژی تا حدی به صورت گرما از دست می‌رود.

• جداسازی بار و انتقال حامل‌های تولید شده در محل اتصال pn دچار تلفات می‌شود.

• تلفات بازترکیب در طول انتقال حامل رخ می‌دهد.

• مقاومت تماس باعث افت ولتاژ می‌شود و تلفات ولتاژ تماس را ایجاد می‌کند.

کاهش تلفات الکتریکی

• انتخاب ویفرهایی با ساختار کریستالی خوب و نوع مناسب.

• توسعه تکنیک‌های ایده‌آل تشکیل اتصال pn.

• توسعه تکنیک‌های ایده‌آل غیرفعال‌سازی.

• اتخاذ تکنیک‌های تماس فلزی منطقی.

• اعمال فناوری‌های عالی میدان سطح جلو و سطح پشت.

کاهش تلفات نوری

برای کاهش تلفات نوری و افزایش بازده سلول، صنعت مجموعه‌ای از رویکردها و فناوری‌های جمع‌آوری نور را توسعه داده است. این موارد شامل بافت‌سازی سطح ویفر برای کاهش بازتاب، پوشش‌های ضدبازتاب سطح جلو، پوشش‌های بازتابنده سطح پشت و به حداقل رساندن ناحیه سایه خطوط شبکه است.

TOPCon

TOPCon که به عنوان فناوری تماس غیرفعال نیز شناخته می‌شود، به طور گسترده به عنوان فناوری سلول خورشیدی نسل بعد از PERC در نظر گرفته می‌شود. در مقایسه با سایر فناوری‌های جدید بالقوه مانند HJT و IBC، TOPCon می‌تواند مستقیماً از خطوط PERC یا PERT موجود ارتقا یابد. در نتیجه، تولیدکنندگانی که می‌خواهند خطوط تولید موجود خود را ارتقا دهند، به سرمایه‌گذاری نسبتاً کمی نیاز دارند، در حالی که همچنان به افزایش بازدهی حدود 1% دست می‌یابند.

سمت جلوی یک سلول TOPCon اساساً مشابه یک سلول معمولی نوع N یا N-PERT است که از یک امیتر بور (p+) ، یک لایه غیرفعال‌سازی و یک لایه ضدبازتاب تشکیل شده است. فناوری اصلی در تماس غیرفعال پشتی نهفته است: پشت ویفر یک لایه اکسید بسیار نازک (1-2 نانومتر) به همراه یک لایه نازک سیلیکون میکرو/آمورف مخلوط دوپ شده با فسفر دارد. برای کاربردهای دوطرفه، فلزکاری با چاپ صفحه‌ای شبکه‌های Ag یا Ag-Al در جلو و شبکه‌های Ag در پشت انجام می‌شود.

تماس اکسید تونلی غیرفعال شده

تماس غیرفعال اکسید تونلی (TOPCon) اخیراً توجه قابل توجهی را به خود جلب کرده است زیرا به بازده تبدیل بالای 25.7% دست می‌یابد. ساختار TOPCon از یک اکسید تونلی نازک و یک لایه تماس پلی‌سیلیکون دوپ شده با فسفر (P) تشکیل شده است. لایه پلی‌سیلیکون دوپ شده با P را می‌توان با تبلور a-Si:H یا با رسوب مستقیم پلی‌سیلیکون با استفاده از LPCVD تولید کرد. TOPCon به عنوان یک نامزد امیدوارکننده در میان فناوری‌های سلول خورشیدی با بازده بالا برجسته است.

HJT هتروجانکشن

فناوری هتروجانکشن (HJT) یک روش ساخت پنل خورشیدی است که در دهه گذشته رو به افزایش بوده است. در حال حاضر یکی از مؤثرترین فرآیندها برای رساندن بازده و توان خروجی به سطوح بالا است، حتی از عملکرد فناوری主流 PERC صنعت نیز فراتر می‌رود. سلول‌های HJT دو فناوری مختلف را در یک ترکیب می‌کنند: سیلیکون کریستالی و لایه نازک آمورف. استفاده از این فناوری‌ها با هم انرژی بیشتری نسبت به استفاده از هر یک به تنهایی برداشت می‌کند و به بازدهی 25% یا بالاتر می‌رسد.

ساختار سلول HJT

با استفاده از ویفر مونوکریستال به عنوان زیرلایه، یک لایه ذاتی a-Si:H به ضخامت ۵–۱۰ نانومتر و سپس یک لایه a-Si:H از نوع p به ترتیب بر روی سطح جلویی تمیز و بافت‌دار شده ویفر رسوب داده می‌شود و یک اتصال ناهمگون p-n تشکیل می‌دهد. در پشت ویفر، یک لایه ذاتی به ضخامت ۵–۱۰ نانومتر و یک لایه a-Si:H از نوع n برای تشکیل میدان سطح پشتی رسوب داده می‌شود. سپس یک لایه اکسید رسانای شفاف رسوب داده می‌شود و در نهایت چاپ صفحه‌ای الکترودهای جمع‌کننده فلزی را در بالای هر دو طرف ایجاد می‌کند و یک سلول خورشیدی HJT متقارن می‌سازد.

مزایای سلول‌های HJT

• انعطاف‌پذیری و سازگاری — این فناوری برای قابلیت تولید عالی حتی در شرایط آب و هوایی شدید توسعه یافته است. پنل‌های HJT ضریب دمایی کمتری نسبت به پنل‌های معمولی دارند و عملکرد بالایی را در دماهای خارجی بالا تضمین می‌کنند.

• طول عمر مورد انتظار — به طور متوسط، ماژول‌های فتوولتائیک لایه نازک می‌توانند تا ۲۵ سال دوام بیاورند، در حالی که سلول‌های HJT می‌توانند بیش از ۳۰ سال به طور عادی کار کنند.

• بازده بالاتر — بیشتر پنل‌های هتروجانکشن موجود در بازار امروز بازدهی بین ۱۹.۹٪ تا ۲۱.۷٪ دارند که بهبود عظیمی نسبت به سایر سلول‌های مونوکریستال معمولی است.

• صرفه‌جویی در هزینه — سیلیکون آمورف استفاده شده در پنل‌های HJT یک فناوری فتوولتائیک مقرون به صرفه است. در مقایسه با سایر فناوری‌ها، این رویکرد خورشیدی لایه نازک به زمان تولید کمتری نیاز دارد. به لطف فرآیند ساده‌اش، HJT مقرون به صرفه‌تر از راه‌حل‌های جایگزین است.

پرووسکایت

در سال ۲۰۰۹، مواد پرووسکایت برای اولین بار برای دستیابی به بازده فتوولتائیک ۴٪ استفاده شد. تا سال ۲۰۲۱، سلول‌های خورشیدی پرووسکایت تک اتصالی (PSC) به بازده ۲۵.۵٪ رسیدند. بهبود سریع سلول‌های پرووسکایت آنها را به یک ستاره در حال ظهور در زمینه فتوولتائیک تبدیل کرده و علاقه زیادی را در دانشگاه برانگیخته است. از آنجایی که روش‌های عملکرد آنها هنوز نسبتاً جدید است، فرصت زیادی برای مطالعه بیشتر فیزیک و شیمی زیربنایی پرووسکایت وجود دارد.

ساختار سلول پرووسکایت

پیشرفته‌ترین ساختارهای سلول خورشیدی پرووسکایت بر اساس پنج جزء هستند: یک اکسید رسانای شفاف، یک لایه انتقال الکترون (ETL)، پرووسکایت، یک لایه انتقال حفره (HTL) و یک الکترود فلزی. درک و بهینه‌سازی سطوح انرژی و برهم‌کنش‌های مواد مختلف در این رابط‌ها یک حوزه تحقیقاتی بسیار هیجان‌انگیز است که هنوز تحت بحث فعال است.

CaTiO3

پروسکایت نام یک ماده معدنی است که در سال 1839 توسط رز در سنگ‌های معدنی کوه‌های اورال کشف شد و به نام زمین‌شناس روسی پروفسکی نامگذاری شد. مواد پروسکایت تمایل به احتمال بازترکیب حامل پایین و تحرک حامل بالا دارند که آنها را به مواد ایده‌آلی برای سلول‌های خورشیدی تبدیل می‌کند.

روش‌های تشکیل لایه پروسکایت

کلید بهبود بازده تبدیل توان سلول‌های خورشیدی پروسکایت در بهینه‌سازی مورفولوژی لایه نهفته است. روش‌های تشکیل لایه که معمولاً در آزمایشگاه استفاده می‌شوند، رسوب‌گذاری یک مرحله‌ای یا دو مرحله‌ای هستند. برای پاسخ به نیاز به لایه‌های پروسکایت با مساحت بزرگ و هزینه کم، از تجهیزات پردازشی مانند پوشش‌دهی شکاف‌قالبی، چاپ و اسپری نیز برای ساخت سلول‌های خورشیدی پروسکایت استفاده می‌شود.

آینده پروسکایت

تحقیقات آینده بر روی پروسکایت احتمالاً بر کاهش بازترکیب از طریق استراتژی‌هایی مانند غیرفعال‌سازی و کاهش نقص، و همچنین بهبود بازده با ترکیب پروسکایت‌های دو بعدی و مواد واسط بهینه‌تر متمرکز خواهد بود. لایه‌های استخراج بار ممکن است از مواد آلی به غیرآلی تغییر کنند تا بازده و پایداری بهبود یابد. افزایش پایداری و کاهش تأثیر زیست‌محیطی حوزه‌های مهم باقی می‌مانند.

کنترل کیفیت در تولید سلول‌های فتوولتائیک خورشیدی

سلول‌های فتوولتائیک سیلیکون کریستالی رایج‌ترین سلول‌ها در پنل‌های خورشیدی تجاری هستند و بیش از 90% از فروش بازار جهانی سلول‌های فتوولتائیک را تشکیل می‌دهند.

در آزمایشگاه، بازده تبدیل انرژی سلول‌های سیلیکون کریستالی برای سلول‌های تک‌کریستالی بیش از 25% و برای سلول‌های پلی‌کریستالی به 20% یا بالاتر می‌رسد. با این حال، ماژول‌های خورشیدی تولید شده صنعتی در حال حاضر تنها 18%–22% بازده را در شرایط آزمایش استاندارد به دست می‌آورند.

تمیزکاری و بافت‌دهی

حکاکی لایه آسیب سطحی را حذف کرده و سطح را بافت‌دهی می‌کند تا ساختاری بافت‌دار ایجاد کند که نور را به دام انداخته و تلفات بازتاب را کاهش دهد. اندازه‌گیری بازتاب سطح بافت‌دار ابزار مهمی برای نظارت بر فرآیند بافت‌دهی است.

تشکیل اتصال انتشار و جداسازی لبه

انتشار حرارتی و روش‌های مشابه یک لایه انتشار از نوع رسانایی متفاوت روی ویفر تشکیل می‌دهند و اتصال pn را ایجاد می‌کنند. انواع مختلف سلول‌ها یک لایه غیرفعال‌سازی با ضخامت مشخص بین اتصال pn و ویفر رسوب می‌دهند تا سلول خورشیدی لایه نازک کارآمدتری به دست آورند. این فرآیند عمدتاً طول عمر حامل‌های اقلیت، ضخامت ویفر و ضریب شکست را پایش می‌کند.

رسوب لایه ضدبازتاب

برای بهبود بیشتر جذب نور، یک فیلم ضدبازتاب روی سطح ویفر اعمال می‌شود. در حال حاضر، صنعت از رسوب‌دهی شیمیایی بخار با کمک پلاسما (PECVD) برای رسوب یک لایه نازک روی ویفر استفاده می‌کند که هم‌زمان به عنوان لایه غیرفعال‌سازی عمل می‌کند. در این مرحله، اندازه‌گیری‌های اصلی عبارتند از عبوردهی فیلم ضدبازتاب و یکنواختی مقاومت ورقه‌ای.

ساخت الکترود

الکترودهای خطی شبکه‌ای روی جلوی سلول چاپ می‌شوند، در حالی که میدان سطح پشتی و الکترود پشتی در پشت چاپ می‌شوند و سپس خشک و تف جوشی می‌شوند. در این فرآیند، کنترل دما، دقت تراز و نسبت ارتفاع به عرض خطوط شبکه از شاخص‌های پایش ضروری هستند.

دیدگاه Ooitech

ooitech معتقد است: TOPCon، HJT و پروسکایت هر کدام به روش خود بازده سلول خورشیدی را به جلو می‌برند و کنترل کیفیت دقیق تولید چیزی است که در نهایت این فناوری‌ها را به ماژول‌های قابل اعتماد و با عملکرد بالا تبدیل می‌کند.