چرا متالیزاسیون سقف بازدهی سلولهای خورشیدی با راندمان بالا را تعیین میکند؟
فهرست مطالب
چرا متالیزاسیون سقف بازدهی سلولهای خورشیدی با راندمان بالا را تعیین میکند؟
در داستان گستردهتر فناوری فتوولتائیک، هر افزایش کوچک در بازدهی تبدیل معمولاً از فشار دادن کمی بیشتر بر محدودیتهای فیزیکی میکروسکوپی ناشی میشود. از زمانی که صنعت از دوران PERC تک کریستالی فراتر رفت و به سمت فناوریهای نوع N مانند TOPCon، HJT و BC حرکت کرد، سقف بازدهی همچنان در حال افزایش است.
با نزدیک شدن سلولهای خورشیدی به حد شاکلی-کوئیسر، یکی از اساسیترین و در عین حال دشوارترین مسائل در فیزیک نیمههادی اهمیت فزایندهای پیدا میکند: تماس الکتریکی بین یک فلز و یک نیمههادی. این رابط به یک مانع فنی اصلی تبدیل شده است که بر بازده تولید انبوه و بازدهی نهایی سلول تأثیر میگذارد.
برای یک غیرمتخصص، یک سلول خورشیدی ممکن است مانند یک ویفر نیمههادی نازک به نظر برسد که به سادگی در زیر نور خورشید برق تولید میکند. با این حال، از دیدگاه صنعتی و دانشگاهی، این یک دستگاه تبدیل انرژی کوانتومی-مکانیکی بسیار دقیق است. باید جفتهای الکترون-حفره تولید شده توسط فوتونهای جذب شده را جدا کرده و با کمترین تلفات ممکن به مدار خارجی هدایت کند.
در طی این فرآیند، الکترودهای فلزی مانند ایستگاههای عوارضی عمل میکنند که حاملهای بار از دنیای میکروسکوپی نیمههادی خارج میشوند. اگر مانع بزرگی در ایستگاه وجود داشته باشد، حاملها ازدحام میکنند، بازترکیب میشوند و انرژی از دست میدهند. در سطح دستگاه، این به صورت افزایش شدید مقاومت تماس، افت شدید ضریب پرشوندگی و در نهایت کاهش توان خروجی سلول خورشیدی ظاهر میشود.
بنابراین، توانایی تشکیل یک تماس اهمی با مقاومت پایین بر روی سطحی که باید بازترکیب بسیار پایینی را نیز حفظ کند، به یک خط تمایز حیاتی برای سلولهای خورشیدی مدرن با راندمان بالا تبدیل شده است.
تماس اهمی: پل زدن شکاف فیزیکی بین فلز و نیمههادی
برای درک مسئله متالیزاسیون، ابتدا باید به نظریه نوار نیمههادی بازگردیم. این شامل میدان الکتریکی داخلی درون یک نیمههادی و انتقال بار میکروسکوپی است که هنگام تماس فلز با نیمههادی رخ میدهد.
مبنای فیزیکی تبدیل فتوولتائیک، اتصال PN است. هنگامی که نیمههادیهای نوع P و N با غلظتهای ناخالصی متفاوت در تماس قرار میگیرند، سطوح فرمی آنها متفاوت است. برای رسیدن به تعادل ترمودینامیکی، انتقال بار میکروسکوپی رخ میدهد.
سطح فرمی یک نیمههادی نوع N بالاتر از نیمههادی نوع P است. بنابراین الکترونها خودبهخود از ناحیه نوع N به سمت ناحیه نوع P حرکت میکنند، در حالی که حفرهها در جهت مخالف حرکت میکنند. با حرکت این حاملها، یونهای باردار ثابت در نزدیکی سطح مشترک اتصال PN باقی میمانند. این یک ناحیه بار فضایی، که ناحیه تخلیه نیز نامیده میشود، همراه با یک میدان الکتریکی داخلی ایجاد میکند.
میدان داخلی نوارهای انرژی نیمههادی را خم میکند و نیروی رانشی مخالف جهت انتشار حامل ایجاد میکند. هنگامی که انتشار و رانش به تعادل دینامیکی میرسند، سطوح فرمی در دو طرف همتراز شده و جریان خالص صفر میشود. تحت تابش، جفتهای الکترون-حفره تولید شده توسط نور توسط این میدان داخلی جدا شده و ولتاژ نوری و جریان خروجی تولید میکنند.
این فرآیند فیزیکی ظریف تنها زمانی کارآمد عمل میکند که حاملها بتوانند بدون مواجهه با مانع بزرگ دیگری از نیمههادی خارج شده و وارد الکترودهای فلزی شوند.
سدهای شاتکی: دیواری بلند در مسیر جریان
هنگامی که یک الکترود فلزی جمعکننده جریان با یک نیمههادی تماس فیزیکی برقرار میکند، تفاوت در تابع کار باعث انتقال بار و خمیدگی نوار در سطح مشترک میشود.
یک فلز در تماس با یک نیمههادی نوع N را در نظر بگیرید. اگر تابع کار فلز بزرگتر از تابع کار نیمههادی باشد، الکترونهای سطح نیمههادی به سمت فلز حرکت میکنند. سپس یک لایه تخلیه با حاملهای اکثریت کمتر در نزدیکی سطح نیمههادی تشکیل میشود. نوارهای انرژی به سمت بالا خم میشوند و یک سد انرژی سطحی به نام سد شاتکی ایجاد میکنند.
سد شاتکی اثر یکسوکنندگی مشخصی دارد، مشابه رسانش یکطرفه یک دیود. برای عبور از آن، حاملها در نیمههادی به انرژی حرارتی کافی نیاز دارند تا از طریق گسیل ترمیونی از روی سد عبور کنند.
اگر یک تماس شاتکی معمولی بین الکترود و زیرلایه سیلیکونی یک سلول خورشیدی فعال تشکیل شود، حاملهای فوتوژنراتور در حین حرکت به سمت فلز با مقاومت شدیدی مواجه میشوند. سد نه تنها جریان را محدود میکند، بلکه باعث تجمع و بازترکیب حاملها در سطح مشترک شده و مستقیماً بازده تبدیل را کاهش میدهد.
تماس اهمی برعکس است. این یک تماس الکتریکی غیریکسوکننده بین یک فلز و یک نیمههادی با مقاومت تماسی بسیار کم است. در حالت ایدهآل، جریان به صورت خطی در هر دو جهت از سطح مشترک عبور میکند، با افت ولتاژ و اتلاف انرژی حداقل.
در تئوری، انتخاب فلزی با تابع کار بسیار پایین برای نیمههادی نوع N، یا تابع کار بسیار بالا برای نیمههادی نوع P، میتواند به جلوگیری از سد شاتکی کمک کند. سطوح واقعی سیلیکون پیچیدهتر هستند. پیوندهای آویزان ناشی از خاتمه شبکه و چگالی بالای حالتهای سطحی میتوانند پینینگ قوی سطح فرمی ایجاد کنند. بنابراین تغییر تابع کار فلز به تنهایی به ندرت برای ایجاد یک تماس اهمی کامل کافی است.
راهحل صنعتی رایج، آلایش سنگین همراه با تونلزنی کوانتومی است. یک لایه N++ یا P++ با آلایش بالا به صورت موضعی در جایی که نیمههادی با فلز تماس دارد، تشکیل میشود. این کار ناحیه تهیسازی در سطح را به شدت باریک میکند. هنگامی که سد به اندازه کافی نازک شود، حاملها دیگر نیازی به عبور از روی آن ندارند. آنها میتوانند با احتمال بالا مستقیماً از طریق آن تونل بزنند. این اثر تونلزنی کوانتومی است.
وقتی مقاومت تماسی افزایش مییابد، فاکتور پرشوندگی کاهش مییابد
پس از روشن شدن مبنای فیزیکی یک تماس اهمی، سوال بعدی این است که چرا صنعت خورشیدی به نقصهای تماسی میکروسکوپی اینقدر حساس است. پاسخ شامل سه پارامتر الکتریکی کلیدی است: مقاومت تماسی، مقاومت سری، و فاکتور پرشوندگی.
یک سلول خورشیدی یک منبع جریان ایدهآل نیست. این سلول شامل چندین مکانیزم اجتنابناپذیر اتلاف مقاومتی است که به طور جمعی با مقاومت سری نشان داده میشود. مقاومت سری شامل مقاومت تودهای ویفر سیلیکون، مقاومت ورق امیتر، مقاومت تماسی در سطوح مشترک فلز-نیمههادی، مقاومت اهمی انگشتها و باسبارها، و مقاومت فیزیکی روبانها و سایر مواد اتصال است.
با پیشرفت رشد سیلیکون مونوکریستالین، بهبود خمیرهای نقره رسانا و ریزتر شدن مشهای چاپ صفحه، مقاومت ویفر و مقاومت شبکه فلزی به سطوح نسبتاً پایینی کاهش یافته است. در سلولهای کارآمد نوع N فعلی، یکی از دشوارترین گلوگاههای میکروسکوپی، مقاومت تماسی بین الکترود فلزی و ساختار تماس مبتنی بر سیلیکون است.
اگر تماس اهمی تحت سلطه تونلزنی کوانتومی برقرار نشود، مقاومت تماس میتواند به صورت نمایی افزایش یافته و به منبع غالب تلفات مقاومت سری تبدیل شود.
ضریب پرشدگی یکی از مهمترین پارامترهای ارزیابی خروجی سلول خورشیدی و تلفات انرژی داخلی است. این ضریب نسبت حداکثر توان خروجی به حاصلضرب ولتاژ مدار باز و جریان اتصال کوتاه است. در منحنی I-V، نشاندهنده مربعی یا پر بودن منحنی است.
هنگامی که تماس ضعیف باعث شکست تماس اهمی میشود، افزایش مقاومت تماس، مقاومت سری کل را به شدت بالا میبرد. سپس منحنی I-V در اطراف نقطه حداکثر توان کج و فرو میریزد. سلول ممکن است همچنان ولتاژ مدار باز و جریان اتصال کوتاه نسبتاً نرمال نشان دهد، اما حداکثر توان قابل دسترس برای مدار خارجی میتواند به طور قابل توجهی کاهش یابد.
زنجیره فنی ساده است:
یک رابط ضعیف فلز-نیمههادی از تشکیل تماس اهمی مناسب جلوگیری میکند.
تماس ناموفق باعث افزایش مقاومت تماس سطح مشترک میشود.
مقاومت تماس، مقاومت سری کل سلول را افزایش میدهد.
مقاومت سری بالا ضریب پرشدگی را کاهش میدهد.
ضریب پرشدگی پایین، بازده تبدیل را به زیر آستانه پذیرش تولید انبوه میکشاند.
غیرفعالسازی و تماس: تضاد ذاتی سلولهای خورشیدی مدرن
طراحی سلولهای با بازده بالا مدرن با یک تضاد فیزیکی بین غیرفعالسازی و تماس الکتریکی مواجه است. برای به دست آوردن ولتاژ مدار باز بالا، مهندسان به لایههای دیالکتریک نیاز دارند که سطح سیلیکون را تا حد امکان کامل غیرفعال کنند.
غیرفعالسازی به دو صورت عمل میکند. غیرفعالسازی شیمیایی از عناصری مانند هیدروژن برای اشباع پیوندهای آویزان در نقصهای شبکه سیلیکون کریستالی استفاده میکند و بازترکیب ناشی از نقص را کاهش میدهد. غیرفعالسازی میدان الکتریکی یک میدان الکتریکی قوی در سطح مشترک ایجاد میکند. دافعه الکترواستاتیکی حاملهای اقلیت با بار مشابه را از سطح دور نگه میدارد و یک مسیر مهم بازترکیب سطحی را مسدود میکند.
برای مثال، در سطح پشتی نوع P یک سلول PERC، یک لایه اکسید آلومینیوم حاوی چگالی بالای بارهای منفی میتواند خمیدگی نوار قوی ایجاد کرده و غیرفعالسازی شیمیایی و میدانی را فراهم کند. با این حال، این لایه دیالکتریک عایق بسیار مؤثر، مانعی برای استخراج جریان نیز میشود.
برای جمعآوری حاملهای فوتوژنراتور، الکترودهای فلزی همچنان به یک مسیر الکتریکی به زیرلایه سیلیکونی نیاز دارند. فرآیند متداول PERC از لیزر برای ایجاد حفرههای کوچک در لایه غیرفعالسازی پشتی استفاده میکند تا خمیر آلومینیوم یا نقره بتواند با سیلیکون تماس برقرار کند. با این حال، تماس مستقیم فلز-سیلیکون باعث بازترکیب شدید در سطح مشترک میشود. این نقاط تماس میتوانند مانند چاهکهای بازترکیب عمل کنند.
در عصر نوع N، که توسعه سلول به حد تئوری ۲۹.۴۳٪ بازدهی برای سیلیکون کریستالی نزدیک میشود، تلفات بازترکیب ناشی از تماسهای موضعی بسیار غیرقابل قبول میشود. بنابراین فناوریهای TOPCon، HJT و BC باید همان مشکل اصلی را حل کنند: چگونه میتوان انتقال حامل با مقاومت کم و سطح بزرگ را بدون تخریب غیرفعالسازی سطحی به دست آورد.
TOPCon: اکسید تونلی و جراحی میکروسکوپی LECO
تقاضای قوی فتوولتائیک باعث تسریع جایگزینی PERC نوع P با فناوریهای نوع N شده است. بر اساس ارقام صنعتی ذکر شده در اینجا، TOPCon نوع N تنها حدود ۲۳٪ از بازار سلولها را در سال ۲۰۲۳ در اختیار داشت. سهم آن در سال ۲۰۲۴ به بیش از ۶۰٪ افزایش یافت، در حالی که برخی دادههای پوشش تجهیزات از تولیدکنندگان پیشرو سهم نوع N را تا ۷۱.۱٪ نشان میدهد.
TOPCon سطح بالایی از سازگاری با خطوط تولید PERC موجود را حفظ میکند. ارتقاء معمولاً به چهار فرآیند اصلی اضافی نیاز دارد. سرمایهگذاری تجهیزات ذکر شده حدود ۵۰-۷۰ میلیون یوان به ازای هر گیگاوات است، در مقایسه با حدود ۳۵۰-۴۰۰ میلیون یوان به ازای هر گیگاوات برای یک خط جدید HJT. TOPCon همچنین مزایای عملکردی واضحی نسبت به PERC ارائه میدهد. حد بازدهی تئوری آن حدود ۲۸.۷٪ گزارش شده است، در حالی که بازدهی تولید انبوه فعلی معمولاً از ۲۶.۵٪ فراتر رفته و بازدهی آزمایشگاهی از ۲۷.۵٪ عبور کرده است.
کلید عملکرد TOPCon ساختار تماس غیرفعالساز پشتی آن است. یک لایه اکسید سیلیکون فوقالعاده نازک بر روی زیرلایه سیلیکون نوع N رشد داده میشود که ضخامت آن به دقت در حدود ۱-۲ نانومتر کنترل میشود. سپس یک لایه پلیسیلیکون ذاتی به ضخامت حدود ۶۰-۱۰۰ نانومتر رسوب داده شده و از طریق یک فرآیند دمای بالا به شدت با فسفر دوپ میشود.
از دیدگاه فیزیک نوار، لایه اکسید سیلیکون فوقالعاده نازک از نظر شیمیایی پیوندهای آویخته در سطح ویفر را اشباع میکند. پلیسیلیکون با دوپ بالا باعث خمیدگی شدید نوار در نزدیکی سطح مشترک میشود. این ساختار یک مانع بالا برای حاملهای اقلیت (در اینجا حفرهها) و یک مانع مؤثر بسیار کوچکتر برای حاملهای اکثریت (الکترونها) ایجاد میکند. از آنجایی که اکسید بسیار نازک است، الکترونها میتوانند از طریق آن به لایه پلیسیلیکون تونل بزنند، در حالی که حفرهها مسدود میشوند. نتیجه انتقال انتخابی حامل است.
بحثهای آکادمیک در مورد انتقال از طریق اکسید شامل تونلزنی کوانتومی مستقیم و مدل پینهول است. هنگامی که ضخامت اکسید تونل از حدود ۲ نانومتر بیشتر میشود، احتمال تونلزنی به صورت نمایی کاهش مییابد. سپس انتقال حامل ممکن است بیشتر به نقصهای میکروسکوپی یا پینهولهای ایجاد شده در طول بازپخت با دمای بالا وابسته باشد. تعداد کم پینهولها میتواند مقاومت تماس را افزایش دهد. تعداد زیاد آنها میتواند نشاندهنده آسیب گسترده فیلم و تضعیف غیرفعالسازی شیمیایی باشد.
حتی با یک تماس پشتی غیرفعالکننده و یک امیتر انتخابی در جلو، TOPCon در هنگام پخت متالیزاسیون با یک تناقض جدی مواجه است. سلول به پخت با دمای بالا نیاز دارد تا خمیر نقره بتواند یک تماس با مقاومت کم با پلیسیلیکون تشکیل دهد. اگر پخت بیش از حد تهاجمی باشد، کریستالیتهای نقره ممکن است به اکسید تونل ۱-۲ نانومتری نفوذ کرده و به زیرلایه سیلیکون کریستالی برسند. سپس ساختار غیرفعالسازی میتواند فرو بریزد، جریان تاریک افزایش یابد و ولتاژ مدار باز به شدت کاهش یابد. اگر دمای پخت خیلی کم باشد، خمیر نقره ممکن است نتواند به درستی با پلیسیلیکون اتصال برقرار کند. سپس مقاومت تماس بیش از حد شده و ضریب پرشوندگی میتواند فرو بریزد.
بهینهسازی تماس تقویتشده با لیزر، یا LECO، برای رفع این پنجره پخت معرفی شد. این فرآیند ابتدا از یک خمیر نقره مخصوص فرمولهشده و کمتر خورنده استفاده میکند. پخت معمولی به الکترود اجازه میدهد تا بدون آسیب جدی به اکسید تونل فوقنازک زیرین، به لایه نیترید سیلیکون نفوذ کند. پس از پخت، سطح سلول در معرض یک لیزر با شدت بالا با طول موج انتخابشده قرار میگیرد در حالی که یک ولتاژ بایاس بین الکترودها اعمال میشود.
از طریق اثر فوتوکانداکتیو، میدان الکتریکی محلی یک جریان میکروسکوپی کوتاه و با شدت بالا در سطح مشترک فلز-نیمههادی تولید میکند. این پالس تا حدودی شبیه رعد و برق میکروسکوپی رفتار میکند. این پالس به صورت موضعی موانع رابط باقیمانده را شکسته و ذوب الکتروترمال و مناطق رسانای بسیار موضعی ایجاد میکند. مسیرهای جریان کوچک متعددی تشکیل میشود.
پس از درمان LECO، مقاومت تماس ماکروسکوپی میتواند چندین مرتبه بزرگی کاهش یابد و یک تماس اهمی مؤثرتر برقرار شود. شکست کوتاه و موضعی است. این کار انتقال جریان را بهبود میبخشد در حالی که بیشتر ساختار غیرفعالسازی اکسید تونل را حفظ میکند.
HJT: یک تماس ملایم بین خمیر نقره با دمای پایین و TCO
اگر TOPCon در دمای بالا روی طناب باریک راه برود، فناوری هتروجانکشن تحت محدودیت دمای پایین شدید عمل میکند. HJT اولین بار توسط شرکت سانیو ژاپن در اواخر دهه ۱۹۸۰ ارائه شد. این فناوری از لایههای نازک ذاتی سیلیکون آمورف هیدروژنه بر روی هر دو سطح یک ویفر سیلیکون کریستالی نوع N برای غیرفعالسازی دوطرفه استفاده میکند. سپس لایههای سیلیکون آمورف نوع P و N دوپ شده برای تشکیل هتروجانکشنها رسوب داده میشوند. حد بازده نظری آن به طور کلی حدود ۲۸.۵٪ تخمین زده میشود که آن را به یکی از معماریهای پیشرو سلول در بلندمدت تبدیل میکند.
غیرفعالسازی قوی HJT ریشه در لایههای ذاتی سیلیکون آمورف دارد. سیلیکون آمورف حاوی پیوندهای Si-H مرتبط با هیدروژن زیادی است. هیدروژن میتواند پیوندهای آویزان روی سطح سیلیکون کریستالی را اشباع کرده و غیرفعالسازی شیمیایی قوی ایجاد کند. این پیوندها همچنین شکننده هستند. هنگامی که دمای پردازش بعدی از حدود ۲۰۰-۲۵۰ درجه سانتیگراد فراتر رود، هیدروژن میتواند از لایه سیلیکون آمورف خارج شود. این هیدروژنزدایی اثر غیرفعالسازی شیمیایی را از بین میبرد.
محدودیت دما تأثیر تعیینکنندهای بر فلزکاری HJT دارد. خمیر نقره با دمای بالا معمولی که برای PERC و TOPCon استفاده میشود و معمولاً نیاز به پخت بالای ۸۰۰ درجه سانتیگراد دارد، قابل استفاده نیست. HJT به یک سیستم خمیر نقره با دمای پایین اختصاصی نیاز دارد.
به جای تکیه بر واکنش شیشه-فریت با دمای بالا، خمیر دمای پایین از یک رزین پلیمر آلی به عنوان چسب برای ذرات نقره رسانا استفاده میکند. پس از چاپ صفحه، سلول وارد یک کوره پخت میشود که در دمای زیر حدود ۲۰۰ درجه سانتیگراد کار میکند و برای یک چرخه پخت نسبتاً طولانی در دمای پایین در آنجا باقی میماند.
حل مشکل دما مشکل دیگری ایجاد میکند: هدایت الکتریکی. سیلیکون آمورف غیرفعالسازی عالی ارائه میدهد، اما رسانایی جانبی آن ضعیف است. پس از عبور حاملها از هتروجانکشن، نمیتوانند به طور کارآمد در فواصل طولانی روی سطح سیلیکون آمورف حرکت کنند تا به انگشتان فلزی برسند.
بنابراین یک لایه اکسید رسانای شفاف روی سیلیکون آمورف دوپ شده، معمولاً با کندوپاش مگنترون، رسوب داده میشود. ITO یک انتخاب رایج است. لایه TCO نور را عبور میدهد، مقاومت تماسی نسبتاً پایینی ارائه میدهد و حاملها را به صورت جانبی به سمت خطوط شبکه هدایت میکند.
در ساختار HJT، تماس فلزی نهایی بین خمیر نقره پخت شده با دمای پایین و لایه TCO تشکیل میشود. این دو چالش مقاومت سری را معرفی میکند.
اول، خمیر دما پایین به انقباض رزین پلیمری در طول پخت وابسته است. انقباض ذرات نقره را به یکدیگر و به سطح TCO فشار میدهد. این تماس فیزیکی ذره به ذره مقاومت قابل توجهی بالاتر از اتصال متالورژیکی تولید شده توسط پخت دمای بالا دارد.
دوم، تابع کار TCO باید با لایه سیلیکون آمورف دوپ شده زیرین و الکترود فلزی بالای آن سازگار باشد. اکسیداسیون جزئی یا پین شدن سطح فرمی میتواند یک مانع شاتکی کوچک در سطح مشترک TCO-نقره ایجاد کند. این مانع مقاومت سری را افزایش داده و ضریب پرشوندگی را کاهش میدهد.
تامینکنندگان خمیر با بهینهسازی شکل ذرات نقره، توزیع اندازه ذرات و سیستمهای رزین آلی پاسخ میدهند. صنعت HJT همچنین در حال بررسی آبکاری مس بدون نقره برای فراتر رفتن از محدودیتهای هزینه و تماس فیزیکی خمیر نقره دما پایین است. آبکاری میتواند خطوط شبکه متراکم و خالص از مس را مستقیماً روی TCO یا روی یک لایه بذر اختصاصی رشد دهد و یک تماس متالورژیکی با مقاومت پایین ایجاد کند که بسیار نزدیک به حالت ایدهآل است.
BC: رقصی در مقیاس میکرومتری الکترودهای پشتی
در میان معماریهای سلول خورشیدی، فناوری تماس پشتی بسیار جذاب اما ساخت آن دشوار است. BC یک ماده زیرلایه خاص نیست. این یک مفهوم معماری است که سلول تماس پشتی درهمرفته یا IBC شکل پایه آن است.
چه از ویفر نوع P، ساختار تماس مبتنی بر TOPCon یا ساختار HJT استفاده کند، اصل اصلی یکسان است: امیتر، میدان سطح پشتی و تمام خطوط شبکه فلزی مثبت و منفی به پشت سلول منتقل میشوند.
حذف تمام الکترودها از سطح روشن یک مزیت نوری واضح ایجاد میکند: سایهزنی فلزی صفر در سمت جلو. بدون انگشتان یا باسبارهایی که نور ورودی را مسدود کنند، فوتونهای بیشتری میتوانند وارد سلول شوند. در مقایسه با سلولهای دوطرفه معمولی، چگالی جریان اتصال کوتاه یک سلول BC میتواند تقریباً 7% افزایش یابد.
در مرحله ساخت ماژول و کپسولهسازی، سلولهای BC میتوانند مسیر اتصال سنتی Z شکل از جلو به عقب را با یک اتصال مسطح در سمت پشتی جایگزین کنند. این امر تنش مکانیکی بین سطوح جلو و عقب را کاهش داده و میتواند مقاومت در برابر ریزترکها را بهبود بخشد. به عنوان مثال، گزارش شده است که تنش لبه سلولهای HPBC لانگی 48% کمتر از سلولهای غیر BC معمولی است که از قابلیت اطمینان بلندمدت بهبود یافته پشتیبانی میکند.
بهره نوری سمت جلو باید از طریق طراحی الکتریکی بسیار پیچیدهتر سمت عقب پرداخت شود. در سطح محدود پشتی، نواحی امیتر نوع P و نواحی میدان سطح پشتی نوع N به صورت انگشتهای متراکم متناوب چیده شدهاند. الکترودهای جداگانه باید با دقت بالا تشکیل شوند. فلز مثبت باید با ناحیه نوع P با آلایش سنگین تماس اهمی ایجاد کند، در حالی که فلز منفی باید با ناحیه نوع N با آلایش سنگین تماس برقرار کند.
سه مشکل مهندسی برجسته هستند.
اول، از آنجایی که سطح جلو دیگر جریان را جمعآوری نمیکند، تمام حاملهای تولید شده نوری باید از ضخامت ویفر عبور کرده و سپس به صورت جانبی در سه بعد به سمت کنتاکت پشتی مناسب حرکت کنند. اگر فاصله بین الکترودهای مثبت و منفی عقب بیش از حد زیاد باشد، مسیرهای انتقال حامل طولانیتر میشوند. احتمال بازترکیب افزایش یافته و مقاومت تودهای جانبی افزایش مییابد.
دوم، کوتاه کردن فاصله انتقال جانبی نیاز به الکترودهای مثبت و منفی با فاصله بسیار نزدیک دارد. باز کردن لیزری همراه با چاپ سیلک، یا متالیزاسیون با ماسک عایق و فوتولیتوگرافی، باید با دقت در سطح میکرومتر تراز شوند. کمی سرریز خمیر یا انحراف باز شدن لیزری تنها چند میکرومتر میتواند فلز سمت P و سمت N را مستقیماً متصل کرده و باعث اتصال کوتاه شدید شود.
سوم، تمام کنتاکتهای مثبت و منفی در نواحی موضعی روی سطح پشتی متمرکز شدهاند. مساحت کل تماس فلز-نیمههادی ممکن است از سلول معمولی که از کنتاکتهای دو طرف استفاده میکند، کوچکتر باشد. با همگرا شدن جریان تولید شده نوری به این نقاط تماس موضعی، چگالی جریان بسیار بالا میرود. حتی یک نقص کوچک در تماس میتواند به تلفات مقاومتی و حرارتی قابل توجهی تبدیل شود.
پایان بازی: از جذب نوری تا مدیریت حامل
تمرکز صنعت بر تماس اهمی و مقاومت تماس نشاندهنده تغییر عمیقتری در توسعه فتوولتائیک است. اولویت از جذب فوتون در مقیاس ماکروسکوپی به کنترل دقیق دینامیک حامل در مقیاس میکروسکوپی در حال تغییر است.
در طول دههای که PERC غالب بود، بخش زیادی از تلاشهای تحقیقاتی بر افزایش بازتاب نوری پشت و بهبود غیرفعالسازی با موادی مانند اکسید آلومینیوم متمرکز بود. در عصر نوع N، پیشرفتهای علم مواد، غیرفعالسازی شیمیایی سطح را به حد عملی خود نزدیک کرده است. ضعیفترین حلقه تغییر کرده است. استخراج انتخابی حامل و انتقال سطحی اکنون نقش بزرگتری در تعیین عملکرد نهایی ایفا میکنند.
شرکتها و پلتفرمهای فناوری که مقاومت تماس رابط فلزی را به طور مؤثرتری حل میکنند، میتوانند از طریق مقاومت سری پایینتر و ضریب پرشوندگی بالاتر، مزیت کارایی و هزینه قابل توجهی ایجاد کنند.
توسعه سریع بازار TOPCon در سال 2024 تنها به دلیل سازگاری با خطوط PERC موجود نبود. تولیدکنندگان تجهیزات و تأمینکنندگان خمیر نیز فرآیندهای تماس با کمک لیزر مانند LECO را بهبود بخشیدند و از اثرات الکتریکی و حرارتی موضعی برای متعادلسازی غیرفعالسازی اکسید تونل در برابر تشکیل تماس آلیاژی با مقاومت کم استفاده کردند.
با نگاه به آینده، هزینههای بالای مداوم نقره و محدودیتهای مقاومت فیزیکی خمیر نقره با دمای پایین، کاهش مصرف نقره و آبکاری مس را در کانون توجه قرار میدهد. رشد الکتروشیمیایی مس متراکم روی یک فیلم رسانا یا لایه بذر میتواند یک تماس اهمی نزدیک به متالورژیکی ایجاد کند و در عین حال مقاومت الکتریکی خود شبکه را کاهش دهد.
نبرد نهایی در رابط میکرومتری
سلولهای خورشیدی به دلیل اینکه رابط الکترود آخرین و دشوارترین مرحله در حلقه تبدیل انرژی فتوولتائیک است، به تماس ضعیف بسیار حساس هستند.
TOPCon شرایط پخت را با یکپارچگی اکسید تونل با ضخامت تنها 1-2 نانومتر متعادل میکند و LECO به عنوان یک فرآیند بهینهسازی تماس بسیار موضعی عمل میکند. HJT باید یک اتصال قابل اعتماد بین خمیر رسانای دمای پایین و اکسید رسانای شفاف ایجاد کند و در عین حال از حد حرارتی 200 درجه سانتیگراد تجاوز نکند. سلولهای BC هر دو قطبیت را در سطح پشتی قرار میدهند و نیاز به الگوبرداری در مقیاس میکرومتر دارند که تنها با یک خطای تراز کوچک از اتصال کوتاه فاصله دارد.
این تلاشهای صنعتی در مقیاس بزرگ به یک هدف نیمههادی یکسان اشاره دارند: سرکوب سد شاتکی، ایجاد یک تماس اهمی مؤثر، و کاهش مقاومت تماس تا حد امکان نزدیک به صفر.
همانطور که فناوری سلول سیلیکونی کریستالی به رویکرد طولانی خود به سمت حد تئوری 29.43٪ ادامه میدهد، یک قانون همچنان غیرقابل چشمپوشی است: رابط تماس را کنترل کنید و سقف کارایی را کنترل میکنید.
دیدگاه Ooitech
چالش واقعی تولید صرفاً چاپ خطوط شبکه باریکتر یا افزودن یک لایه غیرفعالسازی دیگر نیست. متالیزاسیون باید به عنوان بخشی از فرآیند کامل سلول و ماژول بهینهسازی شود، زیرا یک تغییر کوچک در مقاومت تماس میتواند بر ضریب پرشوندگی، رفتار حرارتی، قوام لحیمکاری و توان نهایی ماژول تأثیر بگذارد. با تکامل طرحهای TOPCon، HJT و BC، کنترل فرآیند تماس و بازرسی الکتریکی قابل اعتماد به اندازه کارایی عنوان سلول اهمیت خواهد داشت.
