Nguồn: www.intechopen.com/books/solar-cells/industrial-silicon-solar-cells
Bởi Mehul C. Raval và Sukumar Madugula Reddy
Đã gửi: Ngày 4 tháng 10 năm 2018 Đã đánh giá: Ngày 29 tháng 1 năm 2019 Đã xuất bản: Ngày 15 tháng 5 năm 2019
DOI: 10.5772 / intechopen.84817
trừu tượng
Chương sẽ giới thiệu các công nghệ sản xuất pin mặt trời silicon công nghiệp với hiện trạng của nó. Cấu trúc pin mặt trời loại p và loại n hiệu suất cao thương mại sẽ được thảo luận và so sánh để người đọc có thể bắt đầu bước đầu trong lĩnh vực pin mặt trời công nghiệp. Trình bày một cái nhìn sơ lược về các bước quy trình khác nhau từ tạo kết cấu đến kim loại in lụa. Quy trình tạo kết cấu cho các tấm silicon đơn tinh thể và đa tinh thể đã được xem xét bằng các quy trình mới nhất. Một cái nhìn tổng thể về các quá trình nhiệt của quá trình khuếch tán và lắng đọng lớp phủ chống phản xạ đã được trình bày. Quy trình in lụa được thiết lập tốt để kim loại hóa pin mặt trời được giới thiệu với bước nung nhanh để thiêu kết các điểm tiếp xúc. Thử nghiệm IV của pin mặt trời với các thông số khác nhau để mô tả đặc tính của pin mặt trời được giới thiệu. Những phát triển mới nhất trong các quy trình và sản xuất thiết bị khác nhau cũng được thảo luận cùng với các xu hướng dự kiến trong tương lai.
Từ khóa
silicon
pin mặt trời
chế tạo
đa tinh thể
đơn tinh thể
kết cấu
1. Giới thiệu
Quang điện là một nguồn năng lượng tái tạo quan trọng đã phát triển nhanh chóng từ 8GW năm 2007 lên 400GW năm 2017 [1]. Cùng với nhu cầu ngày càng tăng, chi phí hệ thống PV cũng đã giảm đáng kể từ 35,7 đô la / Wpin 1980 xuống 0,34 đô la / Wpin 2017 khi tăng tốc độ áp dụng [2]. Silicon (Si) là vật liệu quan trọng của ngành công nghiệp vi điện tử cũng là vật liệu rời được sử dụng rộng rãi của pin mặt trời từ những năm 1950 với thị phần> 90% [2]. Chương này sẽ giới thiệu các bước điển hình để sản xuất pin mặt trời silicon thương mại. Lịch sử ngắn gọn về pin mặt trời và cái nhìn bao quát về loại đế silicon cùng với kiến trúc pin mặt trời khác nhau sẽ được giới thiệu trong Phần 2 và 3. Sau đó, các bước hóa học ướt và nhiệt độ cao được sử dụng trong chế tạo sẽ được mô tả trong Phần 4 và 5. Phần 6 sẽ thảo luận về quá trình kim loại hóa cùng với các thông số đặc tính điển hình cho pin mặt trời thương mại. Cuối cùng, lộ trình tương lai và các xu hướng dự kiến sẽ được thảo luận trong phần kết luận.
2. Sự tiến hóa của pin mặt trời
'Hiệu ứng quang điện' theo nghĩa đen có nghĩa là tạo ra điện áp khi tiếp xúc với ánh sáng. Hiện tượng lần đầu tiên được quan sát bởi nhà vật lý người Pháp Edmund Becquerel trên một tế bào điện hóa vào năm 1839, trong khi nó được quan sát bởi các nhà khoa học Anh WGAdams và REDay trên một thiết bị trạng thái rắn làm bằng selen vào năm 1876 [3]. Từ những năm 1950 trở đi, đã có sự tiến bộ nhanh chóng về hiệu suất của các tế bào năng lượng mặt trời thương mại từ< 1%="" đến=""> 23% [2] và silicon đã trở thành 'ngựa công' của ngành công nghiệp quang điện kể từ đó sau đó. Sự phát triển của pin mặt trời silicon được thể hiện trong Hình 1.
Hình 1: Sự tiến hóa của pin mặt trời silicon. (a) 1941: Tế bào năng lượng mặt trời được báo cáo có điểm tiếp giáp phát triển, (b) 1954: Điểm tiếp giáp pn của pin mặt trời được hình thành với sự khuếch tán dopant, (c) 1970: Tế bào màu tím với trường bề mặt sau bằng nhôm, (d) 1974: Tế bào màu đen với bề mặt kết cấu hóa học [3].
Các tế bào năng lượng mặt trời silicon đầu tiên được chứng minh bởi Russell Ohl của Phòng thí nghiệm Bell trong những năm 1940 dựa trên các mối nối tự nhiên được hình thành từ sự phân tách tạp chất trong quá trình kết tinh lại [3]. Các tế bào có hiệu suất< 1%="" do="" không="" kiểm="" soát="" được="" vị="" trí="" tiếp="" giáp="" và="" chất="" lượng="" của="" vật="" liệu="" silicon.="" danh="" pháp="" để="" đặt="" tên="" cho="" các="" vùng="" (loại="" p:="" phía="" chiếu="" sáng="" và="" loại="" n:="" phía="" khác)="" do="" ohl="" đưa="" ra="" kể="" từ="" đó="" được="" sử="" dụng="" cho="" các="" quy="" ước="" đặt="" tên="" pin="" mặt="">
Trong những năm 1950, đã có sự phát triển nhanh chóng trong quá trình khuếch tán ở nhiệt độ cao đối với thuốc nhuộm silicon. Person, Fuller và Chaplin của Phòng thí nghiệm Bell đã chứng minh một tế bào năng lượng mặt trời hiệu quả 4,5% với pha tạp gốc lithium, được cải thiện lên 6% với sự khuếch tán boron. Pin mặt trời có cấu trúc 'bao bọc' xung quanh (Hình 1 (b)) với cả hai tiếp điểm ở mặt sau để tránh tổn thất che bóng, nhưng dẫn đến tổn thất điện trở cao hơn do cấu trúc quấn quanh. Đến năm 1960, cấu trúc tế bào phát triển thành như trongHình 1 (c). Vì ứng dụng dành cho các cuộc thám hiểm không gian nên chất nền có điện trở suất cao 10Ω cm đã được sử dụng để có khả năng chống bức xạ tối đa. Các tiếp điểm bay hơi chân không được sử dụng ở cả hai mặt, trong khi lớp phủ silicon monoxide được sử dụng làm lớp phủ chống phản xạ (ARC) ở mặt trước (FS) [3].
Vào đầu những năm 1970, người ta phát hiện ra rằng việc nung kết nhôm ở mặt sau đã cải thiện hiệu suất của tế bào bằng cách hình thành một giao diện pha tạp nhiều được gọi là 'trường bề mặt sau (Al-BSF)' và tích tụ các tạp chất [3]. Al-BSF làm giảm sự tái kết hợp của các hạt tải điện ở mặt sau và do đó cải thiện điện áp và đáp ứng phổ bước sóng dài. Việc thực hiện các ngón tay mịn hơn và có khoảng cách gần nhau làm giảm yêu cầu về pha tạp đường giao nhau và loại bỏ lớp chết. ARC của titanium dioxide (TiOx) đã được sử dụng và độ dày của nó được chọn để giảm phản xạ đối với các bước sóng ngắn hơn và tạo ra vẻ ngoài màu tím cho các tế bào năng lượng mặt trời. Cải tiến hơn nữa đã được thực hiện bằng cách tạo kết cấu các tấm bằng cách sử dụng phương pháp khắc bất đẳng hướng của (100) tấm để lộ các bề mặt (111). Kết cấu dẫn đến cải thiện khả năng bẫy ánh sáng và tạo cho các ô một vẻ ngoài như nhung sẫm. Kiến trúc ô cải tiến được hiển thị trongHình 1 (d). Năm 1976, Rittner và Arndt đã chứng minh pin mặt trời trên cạn với hiệu suất đạt tới 17% [3].
Pin mặt trời phát thụ động (PESC) đã đạt được cột mốc hiệu suất 20% vào năm 1984–1986. Diện tích tiếp xúc kim loại / silicon chỉ là 0,3% trong các tế bào PESC, trong khi ARC hai lớp của ZnS / MgF2đã được sử dụng trong cả hai cấu trúc tế bào. Năm 1994, tế bào khuếch tán cục bộ phía sau thụ động (PERL) với hiệu suất 24% đã được chứng minh [3]. So với ô PESC, ô PERL có các kim tự tháp đảo ngược trên FS để thu hút ánh sáng tốt hơn và sự thụ động dựa trên oxit ở cả hai bên. Lớp thụ động oxit ở mặt sau cũng cải thiện độ phản xạ bên trong của bước sóng dài và do đó đáp ứng phổ.
Ngoài các kiến trúc pin mặt trời đang phát triển, cũng đã có sự phát triển không ngừng trong lĩnh vực sản xuất nhằm tăng thông lượng, cải tiến các bước quy trình và giảm chi phí. Phần tiếp theo sẽ đưa ra một cái nhìn sơ lược về việc sản xuất chất nền Si và các loại pin mặt trời khác nhau.
3. Công nghệ pin mặt trời silicon thương mại
Si là vật liệu phong phú thứ hai trên trái đất sau oxy và đã được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp bán dẫn. Silic cấp luyện kim (Mg-Si) có độ tinh khiết 98% thu được bằng cách nung thạch anh (SiO2) với cacbon ở nhiệt độ cao 1.500-2.000 [4]. Mg-Si được tinh chế thêm để thu được các khối silicon cấp mặt trời có độ tinh khiết 99,99%. Các khối Si cấp mặt trời tinh chế sau đó được xử lý thêm để thu được các dạng thỏi Si đơn tinh thể và đa tinh thể, là một khối lượng lớn của silic. Trong Si đơn tinh thể, các nguyên tử được sắp xếp theo cùng một hướng tinh thể trong toàn bộ vật liệu. Đối với pin mặt trời, định hướng (100) được ưu tiên hơn vì nó có thể dễ dàng kết cấu để giảm phản xạ bề mặt [5]. Si đa tinh thể, như tên gọi cho thấy có nhiều hạt vật liệu Si với các hướng khác nhau, không giống như các chất nền đơn tinh thể. Vật liệu đơn tinh thể có tuổi thọ sóng mang thiểu số cao hơn so với Si đa tinh thể và do đó hiệu suất pin mặt trời cao hơn đối với một công nghệ pin mặt trời nhất định.
Phương pháp Czochralski (Cz) để tạo ra các thỏi Si đơn tinh thể được minh họa trong Hình 2 (a). Silicon nóng chảy có độ tinh khiết cao với pha tạp chất được duy trì trên điểm nóng chảy và sau đó một tinh thể hạt được kéo với tốc độ rất chậm để thu được một thỏi có đường kính 300mm và chiều dài 2 m [6]. Silicon nóng chảy có thể được pha tạp với chất pha tạp loại p hoặc loại n để thu được loại thỏi Si đơn tinh thể cụ thể có khối lượng lên đến 200kg [2]. Bánh xốp xẻ từ các thỏi có các cạnh tròn và do đó hình dạng được gọi là 'hình vuông psuedo'. Các thỏi silic đa tinh thể được tạo ra bằng cách nấu chảy Si có độ tinh khiết cao và kết tinh chúng trong một chén nung lớn bằng quá trình đông đặc định hướng [7] như được trình bày trong Hình 2 (b). Quá trình này không có định hướng tinh thể tham chiếu như quá trình Cz và do đó hình thành vật liệu silicon có định hướng khác nhau. Hiện tại các thỏi Si đa tinh thể nặng> 800kg [2] sau đó được cắt thành gạch và tấm wafer được xẻ thêm.
Kích thước hiện tại của tấm wafer đơn tinh thể và đa tinh thể để chế tạo pin mặt trời là 6 inch × 6 inch. Diện tích của các tấm wafer đơn tinh thể sẽ ít hơn một chút do hình dạng giả hình vuông. Vật liệu cơ bản được sử dụng rộng rãi nhất để chế tạo pin mặt trời là đế Si loại p pha tạp bo. Chất nền Si loại N cũng được sử dụng để sản xuất pin mặt trời hiệu suất cao, nhưng có thêm những thách thức kỹ thuật như thu được sự pha tạp đồng nhất dọc theo thỏi so với chất nền loại p.
Hình 2. Quá trình xử lý (a) Cz đối với thỏi đơn tinh thể và (b) quá trình đông đặc định hướng đối với thỏi đa tinh thể.
Hình 3. Công nghệ trường bề mặt sau bằng nhôm tiêu chuẩn (Al-BSF) là một trong những công nghệ pin mặt trời phổ biến nhất với quy trình sản xuất tương đối đơn giản. Nó dựa trên sự lắng đọng Al hoàn toàn ở mặt sau (RS) bằng quy trình in lụa và hình thành ap + BSF giúp đẩy lùi các điện tử từ mặt sau của chất nền loại p và cải thiện hiệu suất của tế bào. Quy trình sản xuất pin mặt trời Al-BSF được thể hiện trong Hình 4. Thiết kế tiêu chuẩn của pin mặt trời thương mại là với FS dạng lưới và các tiếp điểm RS toàn vùng.
Hình 3: Phân loại đường của các loại pin mặt trời khác nhau.
Hình 4: Quy trình sản xuất pin mặt trời Al-BSF.
Pin mặt trời tiếp xúc phía sau bộ phát thụ động (PERC) cải thiện trên kiến trúc Al-BSF bằng cách bổ sung lớp thụ động phía sau để cải thiện sự thụ động phía sau và phản xạ bên trong. Nhôm-oxit là vật liệu thích hợp để thụ động RS với hiệu suất pin mặt trời trung bình đạt gần 21% trong quá trình sản xuất [8]. Một dòng pin mặt trời Al-BSF hiện có có thể được nâng cấp lên quy trình PERC bằng hai công cụ bổ sung (lắng đọng lớp thụ động RS và laser để mở tiếp điểm cục bộ trên RS).
Ba kiến trúc tế bào còn lại chủ yếu là công nghệ hiệu suất cao hơn dựa trên chất nền Si loại n. Pin mặt trời dị liên kết a-Si có các lớp a-Si trên FS và RS của chất nền Si loại n để tạo thành 'dị liên kết' không giống như tiếp giáp pn dựa trên khuếch tán nhiệt độ cao thông thường. Công nghệ như vậy cho phép xử lý ở nhiệt độ thấp hơn, nhưng rất nhạy cảm với chất lượng của bề mặt giao diện. Pin mặt trời dị liên kết dựa trên a-Si được sản xuất thương mại bởi Sanyo Electric, hiện do Panasonic tiếp quản [9]. Trong thiết kế pin mặt trời tiếp điểm xen kẽ (IBC), cả hai tiếp điểm đều có mặt ở mặt sau giúp loại bỏ tổn thất che bóng tiếp điểm FS. Thông thường đối với pin mặt trời IBC, đường giao nhau cũng sẽ nằm ở phía sau. Một trong những nhà sản xuất đầu tiên của pin mặt trời IBC loại n hiệu suất cao là SunPower Corporation [10]. Các tế bào hai mặt, như tên gọi cho thấy có thể thu nhận ánh sáng từ cả hai mặt của các tế bào mặt trời. Điều này dẫn đến việc mặt sau cũng có các điểm tiếp xúc dạng lưới để cho phép thu thập ánh sáng. Một ví dụ về công nghệ hai mặt là pin mặt trời BiSON được phát triển và thương mại hóa bởi ISC, Konstanz [11]. Cần lưu ý rằng phân loại được chỉ định không phải là danh sách đầy đủ về các loại kiến trúc pin mặt trời khác ở giai đoạn R& D, sắp được thương mại hóa hoặc đã được sản xuất. Các phần tiếp theo sẽ cung cấp một cái nhìn tổng thể về các bước quy trình sản xuất pin mặt trời Al-BSF.
4. Quy trình hóa học ướt để chế tạo pin mặt trời
Xử lý dựa trên hóa học ướt là một bước quan trọng trong quá trình xử lý pin mặt trời để loại bỏ hư hỏng do cưa (SDR) cho các tấm mỏng như cắt, tạo kết cấu bề mặt để tăng khả năng hấp thụ bức xạ mặt trời tới và cách ly mép sau quá trình khuếch tán. Như đã thảo luận trong phần trước, chủ yếu có các tấm silicon đơn tinh thể và đa tinh thể được sử dụng để chế tạo pin mặt trời. Quá trình xử lý dựa trên hóa học ướt cho các loại bánh xốp tương ứng sẽ được thảo luận ở phần trước.
4.1 Kết cấu của tấm silicon đơn tinh thể
Như đã chỉ ra trong Phần 2, sự phát triển của pin mặt trời bắt đầu chủ yếu với các tấm wafer đơn tinh thể và do đó sử dụng các phương pháp đã được thiết lập tốt từ lĩnh vực vi điện tử. Kiềm ăn mòn dị hướng dựa trên KOH / NaOH được sử dụng để tạo kết cấu hình chóp của tấm wafer đơn tinh thể. Một tấm wafer đơn tinh thể như cắt có độ phản xạ trung bình có trọng số là> 30% (trên bước sóng 300–1.200nm), giảm xuống còn 11–12% sau quá trình tạo vân. Hình thái điển hình của bề mặt có kết cấu kiềm được thể hiện trong Hình 5. Dung dịch ăn mòn dị hướng sẽ khắc bề mặt (100) của tấm để lộ ra các mặt (111) có mật độ nguyên tử silic cao hơn và do đó tốc độ ăn mòn chậm hơn so với ( 100) khuôn mặt. Điều này dẫn đến việc hình thành các cấu trúc kim tự tháp ngẫu nhiên tạo thành một góc 54,7 ° so với bề mặt wafer.
Hình 5: Hình thái bề mặt điển hình của tấm wafer đơn tinh thể có kết cấu kiềm.
Các thông số điển hình cho quá trình tạo kết cấu kiềm được thể hiện trong Bảng 1. Cần lưu ý rằng giá trị của các thông số khác nhau chỉ mang tính biểu thị và không được coi là tuyệt đối vì có nhiều nhà sản xuất phụ gia trên thị trường. Isopropyl alcohol (IPA) ban đầu được sử dụng như một chất phụ gia trong dung dịch tạo kết cấu, chất này không tham gia vào phản ứng ăn mòn, nhưng hoạt động như một chất làm ướt để cải thiện tính đồng nhất của quá trình tạo kết cấu bằng cách ngăn chặn các hạt H2 (tạo ra trong phản ứng) bám vào bề mặt silicon [12]. Tuy nhiên đến năm 2010, IPA dần được thay thế bằng các chất phụ gia thay thế do các nhược điểm như nồng độ không ổn định vì nhiệt độ bể gần với điểm sôi của IPA (82,4 ° C), chi phí cao, tiêu thụ nhiều, nguy hiểm cho sức khỏe và dễ nổ [12]. Nhiều nhóm đã công bố công trình phát triển nhằm thay thế IPA bằng các chất phụ gia thay thế để khắc phục các nhược điểm của IPA, tăng cửa sổ quá trình và giảm độ phản xạ bề mặt [12,13,14,15,16]. Các chất phụ gia cũng làm giảm thời gian xử lý xuống< 10="" phút="" và="" tăng="" tuổi="" thọ="" của="" bể="" lên=""> 100 lần chạy.
Quá trình
KOH / IPA
KOH / phụ gia
KOH (%) | 3 | & lt; 3 |
IPA (%) | 6 | — |
Phụ gia (%) | — | & lt; 2 |
Nhiệt độ quá trình [° C] | & gt; 80 | 70–100 |
Kích thước kim tự tháp [μm] | 5–12 | 2–7 |
Thời gian xử lý [phút] | 30–40 | 5–10 |
Nội dung hữu cơ [wt%] | 4–10 | & lt; 1,0 |
Điểm sôi [° C] | 83 | & gt; 100 |
Các đời tắm | & lt; 15 | & gt; 100 |
Bảng 1. Các thông số quy trình cho tạo kết cấu kiềm dựa trên IPA và phụ gia của tấm wafer đơn tinh thể.
Quá trình tạo kết cấu của các tấm wafer đơn tinh thể thường được thực hiện trong một 'mẻ' có nghĩa là các tấm wafer được tải trong một chất mang có các khe để giữ các tấm wafer (100 khe trong một chất mang) và sau đó lô được xử lý tuần tự trong các bể cho các bước tạo kết cấu, làm sạch, xử lý để loại bỏ cặn hữu cơ và ô nhiễm kim loại và làm khô các tấm wafer đã qua xử lý. Các chất mang thường được phủ bằng PVDF có khả năng chống chịu rất tốt đối với các loại hóa chất, mài mòn và hao mòn cơ học. Chất mang điển hình để xử lý tấm wafer đơn tinh thể được thể hiện trong Hình 6. Dụng cụ tạo kết cấu lô có các bể chuyên dụng cho từng bước với các bể định lượng cho các hóa chất được sử dụng trong bể. Công cụ này xử lý nhiều sóng mang đồng thời và có thể đạt đến thông lượng> 6.000 wafer / h với việc xử lý bốn sóng mang cùng một lúc.
Hình 6.Các rào cản để tải tấm wafer trong công cụ hàng loạt. Nguồn: Giải pháp RCT GmbH.
4.2 Kết cấu của tấm silicon đa tinh thể
Các tấm wafer đa tinh thể mang lại lợi thế về chi phí so với wafer đơn tinh thể và do đó đã được áp dụng rộng rãi hơn. Tuy nhiên, hóa chất kiềm được sử dụng để tạo kết cấu cho các tấm wafer đơn tinh thể không hoạt động tốt cho các tấm wafer đa tinh thể do sự hiện diện của các hướng hạt khác nhau. Một phương pháp hóa học có tính axit thay thế dựa trên HF và HNO3 đã được phát triển để loại bỏ vết cưa và kết cấu của các tấm wafer đa tinh thể đồng thời [17,18]. Kết cấu dựa trên dung dịch axit hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ phòng và do đó dẫn đến giảm phát thải khí phản ứng, ít sinh nhiệt, độ ổn định cao hơn của dung dịch ăn mòn và kiểm soát tốc độ khắc tốt hơn [18]. Sự so sánh giữa quá trình tạo kết cấu bằng kiềm và quá trình tạo kết cấu có tính axit cho các tấm wafer đa tinh thể được thể hiện trong Hình 7.
Hình 7. So sánh kết cấu kiềm và axit cho các tấm wafer đa tinh thể. Đường cong phản xạ sau khi lắng đọng SiNx: H cũng được hiển thị để so sánh [17].
Quá trình tạo kết cấu bằng axit của tấm wafer đa tinh thể có thể được thực hiện trong thời gian giảm đáng kể so với quá trình tạo kết cấu bằng kiềm và do đó có thể được thực hiện theo cấu hình 'nội tuyến' nơi các tấm wafer được đưa qua các con lăn ngâm trong bể khắc. Hình ảnh đại diện của quy trình nội tuyến cùng với quy trình tạo kết cấu có tính axit điển hình được hiển thị trong Hình 8. Đối với cấu hình năm làn, công cụ nội tuyến có thể có thông lượng lên đến 4.000wafers / h. Điều quan trọng cần lưu ý là bề mặt tấm wafer úp xuống trong dung dịch ăn mòn có kết cấu tốt hơn mặt trên và là 'mặt nắng' để xử lý thêm. Quá trình tạo kết cấu có tính axit dẫn đến sự hình thành silicon xốp trên bề mặt kết cấu hấp thụ ánh sáng và cũng làm tăng sự tái kết hợp bề mặt [18]. Do đó silicon xốp được loại bỏ bằng dung dịch kiềm loãng. Sau đó, quá trình làm sạch có tính axit (HF + HCl) được thực hiện để loại bỏ các oxit và kim loại nhiễm bẩn khỏi bề mặt tấm wafer.
Hình 8. (a) Quy trình nội tuyến đại diện với năm làn và (b) quy trình tạo kết cấu axit cho các tấm wafer đa tinh thể.
Điều quan trọng cần lưu ý là quy trình tạo kết cấu có tính axit được thảo luận ở trên là phù hợp cho các tấm wafer đa tinh thể xẻ rãnh (SWS). Trong vài năm qua, quy trình cưa dây kim cương (DWS) đã thay thế quy trình cắt dây dựa trên bùn do quy trình và lợi thế kinh tế [19]. Sự phá hủy do cưa của tấm wafer đa tinh thể SWS nhiều hơn wafer DWS, có rãnh thẳng sâu và bề mặt nhẵn hơn nhiều so với wafer xẻ sợi dây thanh [19]. Hư hỏng do cưa đối với các tấm SWS đóng một vai trò quan trọng để bắt đầu quá trình tạo kết cấu, điều này không xảy ra đối với các tấm DWS.
Nhiều phương pháp khác nhau đã được đề xuất để tạo vân cho tấm wafer đa tinh thể DWS và được tóm tắt trong Bảng 2 [20]. Bằng cách điều chỉnh các phương pháp khác nhau, có thể thu được độ phản xạ gần bằng 0% và do đó thuật ngữ 'silicon đen' đã được sử dụng cho quá trình tạo kết cấu của tấm wafer đa tinh thể DWS. RIE là phương pháp đầu tiên để tạo ra silic đen và sử dụng lưu huỳnh hexaflouride (SF6) để phản ứng với Si và các khí như Cl2 và O2 để tạo ra sự thụ động và hạn chế phản ứng [20]. Gần đây, pin mặt trời đa PERC thương mại với hiệu suất trung bình 21,3% đã được chứng minh với quy trình tạo kết cấu dựa trên RIE [21]. Tuy nhiên, vì RIE là quy trình dựa trên chân không nên thông lượng thấp hơn so với quy trình nội tuyến điển hình và cũng cần phải xử lý trước và xử lý sau bổ sung để loại bỏ hư hỏng do cưa và hư hỏng do bắn phá ion, tương ứng. Một biến thể của phương pháp RIE không cần chân không hoặc plasma đã được thực hiện trong một công cụ thương mại [22].
phương pháp
Thuốc thử
Mặt nạ
Chất xúc tác
Độ phản xạ tối thiểu (%)
Khắc ion phản ứng (RIE) | SF6/O2, SF6/ Cl2/O2, SF6/O2/ CH4 | không ai | không ai | 4.0 |
Cấy ion ngâm trong plasma (PIII) | SF6/O2 | không ai | không ai | 1.8 |
Chiếu xạ laser | CCl4, C2Cl3F3, SF6, Cl2, N2, không khí | không ai | không ai | 2.5 |
Khắc Plasma | SF6 | Hạt nano Ag | không ai | 4.2 |
Khắc hóa chất hỗ trợ kim loại (MACE) | AgNO3/ HF / HNO3 | không ai | Ag, Au | 0.3 |
Khắc điện hóa | HF, EtOH, H2O | không ai | không ai | & lt; 5,0 |
Bảng 2: Các phương pháp khác nhau để tạo vân cho các tấm wafer đa tinh thể cắt dây kim cương [20].
Một trong những cách tiếp cận để tạo kết cấu cho tấm wafer đa tinh thể DWS là nâng cấp hóa chất tạo kết cấu có tính axit hiện có bằng các chất phụ gia [23,24,25]. Cách tiếp cận như vậy có thể có CoO thấp hơn so với cách tiếp cận dựa trên MACE [23]. Sự phản ánh của phương pháp tiếp cận dựa trên phụ gia như vậy đã được chứng minh là tương tự như giải pháp kết cấu đẳng cấp thông thường với hiệu suất pin mặt trời là 18,7% đối với cấu trúc dựa trên Al-BSF [24].
Tạo kết cấu dựa trên MACE tương tự như phương pháp ăn mòn axit thông thường với một bước bổ sung là lắng đọng kim loại xúc tác. Quy trình xử lý bao gồm SDR, lắng đọng kim loại xúc tác, ăn mòn hóa học và xử lý sau. Hiệu quả đạt được là 19,2% đối với nhiều tế bào Al-BSF thương mại bằng cách sử dụng quy trình tạo kết cấu MACE kiểu lô [26]. Công cụ thương mại dựa trên MACE loại nội tuyến đã được chứng minh với khả năng điều chỉnh độ phản xạ trong phạm vi 12–23% và thu được hiệu suất trung bình cho cấu trúc Al-BSF và PERC lần lượt là 18,8 và 20,2% [27]. Hình ảnh đại diện của bề mặt kết cấu dựa trên quy trình MACE được hiển thị trong Hình 9. Chi phí sở hữu (CoO) của quy trình MACE nội tuyến có khả năng thấp hơn so với quy trình MACE dựa trên lô với phạm vi giảm nó hơn nữa bằng cách tái chế Ag từ bể tạo kết cấu [27].
Hình 9.MACE multi wafers DWS kết cấu, (a) bề mặt với Ravg=12% và (b) bề mặt với Ravg=22% [27].
4.3 Cách ly mép dựa trên hóa học ướt
Vùng phát trong pin mặt trời được chế tạo bằng quá trình khuếch tán nhiệt độ cao (sẽ được thảo luận trong các phần trước). Trong quá trình khuếch tán, thủy tinh silicat phosphor (PSG) được lắng đọng trên tấm wafer cần được loại bỏ trước khi lắng đọng lớp ARC. Như được mô tả trong Hình 10, sau bước khuếch tán, vùng loại n cũng xuất hiện trên các cạnh và mặt sau của tấm wafer. Lớp loại n trên các cạnh và mặt sau sẽ làm ngắn mạch bộ phát với chất nền và do đó điều quan trọng là phải khắc các vùng này và cách ly bộ phát trên FS khỏi chất nền như được mô tả trong Hình 10 (c).
Hình 10. Quy trình xử lý wafer silicon sau khi khuếch tán và cô lập cạnh (a) wafer silicon kết cấu, (b) wafer silicon khuếch tán, (c) wafer silicon khuếch tán sau khi cô lập rìa.
Quá trình cách ly cạnh có thể được thực hiện theo cách nội dòng tương tự như quá trình tạo kết cấu đã thảo luận trong phần trước. Ngoại lệ trong trường hợp này là hóa chất chỉ được khắc vào mặt sau và các cạnh mà không tương tác với FS. Hình ảnh đại diện của quá trình cách ly mép được hiển thị trong Hình 11. Điều quan trọng cần lưu ý là các con lăn chỉ có mặt ở mặt dưới để tránh bất kỳ sự tiếp xúc nào của dung dịch khắc với mặt trước. Các bước tiếp theo sau khi khắc RS tương tự như các bước trong máy tạo vân nội tuyến.
Hình 11: Hình ảnh đại diện của pin mặt trời trong bồn tắm cách ly cạnh nội tuyến.
5. Quy trình nhiệt để chế tạo pin mặt trời
Các quá trình nhiệt độ cao tạo thành một phần quan trọng trong quá trình chế tạo pin mặt trời. Ví dụ về các quá trình như vậy là hình thành tiếp giáp pn bằng cách khuếch tán, bắn các tiếp điểm in trên màn hình, kích hoạt các lớp thụ động bề mặt hoặc các khuyết tật do quá trình ủ gây ra. Phần này giới thiệu sơ lược về vật lý cơ bản của quá trình khuếch tán chất phát và sự lắng đọng hơi hóa học tăng cường plasma (PECVD).
5.1 Khuếch tán phát
Khuếch tán phát xạ là một trong những bước nhiệt quan trọng trong quá trình chế tạo pin mặt trời công nghiệp. Bộ phát loại n của pin mặt trời silicon loại p tinh thể được hình thành do sự khuếch tán phốt pho (P). Trong quá trình khuếch tán, các tấm Si được gửi vào lò nung và tiếp xúc ở 800–900 ° C với phosphoryl clorua (POCl3) và O2, kết quả là tạo ra sự lắng đọng của PSG trên bề mặt tấm Si. Bước này được gọi là tiền lắng đọng, trong đó PSG [28] hoạt động như một nguồn pha tạp phốt pho (P) để khuếch tán vào tấm Si. Bước tiếp theo là drive-in, nơi nguồn cung cấp khí dopant bị ngắt và P từ lớp PSG khuếch tán sâu hơn vào wafer Si. Hannes etal. [29] minh họa cho tính khả thi của quy trình tối ưu cho các ứng dụng quang điện, ba hiệu ứng khác nhau phải được xem xét. Thứ nhất, sự khuếch tán trong của P từ PSG và sự hiện diện của nó ở trạng thái hoạt động điện và không hoạt động trong wafer Si, làm tăng sự tái tổ hợp Shockley-Read-Hall (SRH). Thứ hai, sự xâm nhập của các tạp chất vào lớp Si về phía lớp PSG. Cuối cùng, sự hình thành tiếp xúc kim loại với bộ phát Si pha tạp P sẽ rút ra năng lượng được tạo ra.
Quá trình khuếch tán được định lượng bằng điện trở tấm phụ thuộc vào độ sâu của tiếp giáp pn và hồ sơ nồng độ P. Điện trở của tấm có đơn vị là Ω / cm (thường được đo là Ω / □) và được đo bằng hệ thống đầu dò bốn điểm. Định nghĩa về sức đề kháng của tấm được minh họa trongEq. (1).
trong đó R=điện trở của tiết diện hình chữ nhật (Ω); ρ=điện trở suất (Ω cm); l=chiều dài của tiết diện hình chữ nhật (cm); A=diện tích của tiết diện hình chữ nhật (cm2); W=chiều rộng của tiết diện hình chữ nhật (cm ); D=chiều sâu của mặt cắt hình chữ nhật (cm) vàρsheet=điện trở đối với chiều sâu đã cho (D) khi l=W (Ω / □).
Các giá trị trước đây của điện trở tấm phát là 30–60Ω / □ với độ sâu tiếp giáp pn là> 400nm và nồng độ bề mặt P cao. Với những cải tiến trong lớp dán tiếp xúc bạc (Ag) ở mặt trước, điện trở của tấm phát hiện nằm trong khoảng 90–110Ω / □ với độ sâu tiếp giáp khoảng 300nm và nồng độ P trên bề mặt thấp hơn. Việc chuyển sang khả năng chống tấm lớn hơn cho phép thu được nhiều ánh sáng hơn trong quang phổ UV và xanh lam, đồng thời giảm sự tái kết hợp bề mặt để cải thiện Vocal. Cần lưu ý rằng quá trình khuếch tán xảy ra trên FS (tiếp xúc trực tiếp với khí) và cả trên các cạnh và RS. Nếu quá trình cách ly cạnh không được thực hiện (như đã thảo luận trong Phần 4.3), bộ phát sẽ bị ngắn mạch với chất nền.
Hình 12 cho thấy quá trình khuếch tán POCl3 trong một hệ thống ống thạch anh kín. Bằng cách trộn
Hình 12. (a) Biểu diễn sơ đồ của quá trình khuếch tán kiểu lô và (b) hình ảnh đại diện của thiết bị khuếch tán kiểu lô. Nguồn: centrotherm GmbH.
Ở bề mặt Si,
Clo là một sản phẩm phụ trong quá trình lắng đọng trước làm sạch các phiến và ống thạch anh bằng cách tạo phức với kim loại. PSG được sử dụng làm nguồn để chuyển động các nguyên tử P vào bề mặt Si. Trong quá trình điều khiển, POCl3 bị tắt và chỉ O2 được thêm vào để tạo nên một lớp oxit mỏng bên dưới PSG để tăng cường sự khuếch tán của các nguyên tử P vào bề mặt Si.
Bên trong ống khuếch tán có năm vùng sưởi ấm như được minh họa trong Hình 13. Các vùng đó là:
Vùng tải (LZ) —là nơi mà các tấm được nạp vào ống.
Khu vực chất hàng trung tâm (CLZ) —giao diện giữa khu vực chất hàng và khu vực trung tâm.
Vùng trung tâm (CZ) —vùng trung tâm của ống.
Vùng khí trung tâm (CGZ) —giao diện giữa vùng trung tâm và vùng khí đốt.
Vùng khí (GZ) —là nơi mà các khí di chuyển ra ngoài qua ống xả.
Hình 13: Các vùng gia nhiệt bên trong ống khuếch tán.
Thông thường, nhiệt độ của mỗi vùng sưởi ấm được điều chỉnh để có được điện trở tấm phát bằng nhau cho tất cả các tấm wafer trên thuyền.
Môi trường của quá trình khuếch tán phải rất sạch và do đó vật liệu thạch anh được sử dụng cho các ống. Độ sạch của ống và bảo trì khu vực chất tải cũng ảnh hưởng đến kết quả của quá trình. Vì trong khuếch tán pha khí không có cặn trong ống, nên quá trình sạch hơn. Bằng cách tải một nửa sân trong điều kiện áp suất thấp (LP) [31], thông lượng có thể được tăng lên. Thông thường 1.000 sóng được nạp trong một ống duy nhất và với năm ống khuếch tán trong hệ thống khuếch tán kiểu lô, có thể đạt được thông lượng lên đến 3.800 sóng / h để sản xuất pin mặt trời.
Một hệ thống khuếch tán nội tuyến trong đó các tấm được vận chuyển trên một vành đai với axit photphoric là nguồn cung cấp chất pha tạp P cũng được sử dụng trong sản xuất thương mại [32]. Tuy nhiên, so với quy trình nội tuyến, quy trình theo lô sạch hơn, hiệu quả và hiệu quả hơn. Đối với pin mặt trời loại n hoặc các khái niệm pin mặt trời tiên tiến như PERT, sự khuếch tán lô loại p dựa trên các nguồn dopant boron (B) như bo trigromide (BBr3) [33,34].
5.2 Lắng đọng lớp phủ chống phản xạ (ARC)
Bề mặt Si trần phản xạ> 30% ánh sáng tới. Như đã thảo luận trong Phần 4, quá trình tạo vân cải thiện khả năng thu sáng. Điều mong muốn là giảm thêm độ phản xạ có được bằng cách lắng đọng một lớp ARC. TiOx là một trong những vật liệu sớm nhất được sử dụng làm lớp ARC cho pin mặt trời, tuy nhiên vì nó không thể cung cấp sự thụ động bề mặt đầy đủ nên cuối cùng nó đã được thay thế bằng SiNx: H [37]. Ôxít silic phát triển nhiệt (SiO2) cũng được sử dụng làm vật liệu thụ động hóa trong các ô phát xạ thụ động phá kỷ lục phía sau các tế bào khuếch tán cục bộ (PERL) [37]. Ngân sách nhiệt cao và thời gian xử lý dài khiến quá trình thụ động hóa dựa trên SiO2 không thích hợp để sản xuất hàng loạt pin mặt trời [37]. Đánh giá toàn diện về các ARC và vật liệu thụ động khác nhau cho các ứng dụng pin mặt trời được thảo luận trong [37].
Quá trình lắng đọng hơi hóa học tăng cường plasma (PECVD) thích hợp để lắng đọng một lớp ARC của SiNx: H không chỉ làm giảm sự phản xạ mà còn phân chia bộ phát loại n mặt trước và khối lượng lớn do đó cải thiện hiệu suất pin mặt trời [36, 37]. Sơ đồ của hệ thống PECVD kiểu lô được thể hiện trong Hình 14. Các tấm wafer được chất trong một chiếc thuyền than chì với các mặt trước quay vào nhau. Một plasma RF dựa trên khí quá trình amoniac (NH3) và silan (SiH4) hoạt động ở nhiệt độ 400–450 ° C lắng đọng lớp SiNx: H hydro hóa dưới dạng perEq. (4) [35]. Hydro kết hợp trong màng SiNx: H khuếch tán thành khối lượng lớn trong quá trình nung (thảo luận trong phần tiếp theo) và thụ động hóa các liên kết lơ lửng để cải thiện hiệu suất pin mặt trời [36,37].
Hình 14. (a) Sơ đồ quy trình PECVD kiểu mẻ để lắng đọng SiNx: H và (b) thuyền graphit để nạp Si wafer trong lò PECVD.
Chỉ số khúc xạ (RI) của màng SiNx: H được kiểm soát bởi tỷ lệ SiH4 / NH3gas, trong khi độ dày phụ thuộc vào thời gian lắng đọng. ARC dựa trên SiNx: H có thể giảm thiểu sự phản xạ đối với một bước sóng duy nhất và độ dày bước sóng được cho bởi [38],
trong đót=độ dày của lớp SiNx: H ARC, λ0=bước sóng của ánh sáng tới vàn1=chiết suất của lớp SiNx: H.
Dựa trên mối quan hệ, ARC còn được gọi là 'ARC một phần tư bước sóng'. Đối với pin mặt trời, RI và độ dày được chọn để giảm thiểu sự phản xạ ở bước sóng 600nm vì nó là đỉnh của quang phổ mặt trời. Độ dày và RI của ARC được chọn làm giá trị trung bình hình học của vật liệu ở hai bên, tức là thủy tinh / không khí và Si. Độ dày điển hình của SiNx: H ARC là 80–85nm với RI là 2,0–2,1 tạo cho pin mặt trời có màu từ xanh lam đến xanh tím. Hình ảnh đại diện của pin mặt trời đa tinh thể kết cấu được lắng đọng với SiNx: H được hiển thị trong Hình 15 (a), trong khi sự biến đổi của màu SiNx: H dựa trên độ dày của nó được hiển thị trong Hình 15 (b). Điều quan trọng cần lưu ý là có sự phụ thuộc vào kết cấu bề mặt và màu sắc ARC đối với các thông số lắng đọng nhất định. Có nhiều loại mô-đun năng lượng mặt trời mà màu của pin mặt trời tối hơn không giống như màu xanh lam điển hình. Giai đoạn lắng đọng ARC điển hình trong dây chuyền sản xuất pin mặt trời bao gồm hai hệ thống PECVD, mỗi hệ thống có bốn ống và thông lượng lên đến 3.500wafers / h.
Hình 15. (a) Hình ảnh đại diện của pin mặt trời đa tinh thể phủ SiNx: H, (b) sự biến đổi của lớp SiNx: H dựa trên độ dày của nó.
SiNx: H không thích hợp để thụ động hóa Si loại p và do đó các chất điện môi như Al2O3 được sử dụng để thụ động hóa RS cho kiến trúc tế bào như tế bào PERC [8] hoặc cho bộ phát loại p trong pin mặt trời loại n. Đối với pin mặt trời PERC, lớp phản xạ Al2O3 được bao phủ bởi SiNx: H để bảo vệ nó khỏi Al-paste trong quá trình nung và cũng đóng vai trò như một phản xạ bên trong cho ánh sáng có bước sóng dài. Các hệ thống dựa trên PECVD và lắng đọng lớp nguyên tử (ALD) thương mại có sẵn để lắng Al2O3 với thông lượng lên đến 4.800wafers / h [39].
6. Kim loại hóa và đặc điểm của pin mặt trời
6.1 Kim loại hóa dựa trên in lụa
Bước xử lý cuối cùng để chế tạo pin mặt trời là quá trình kim loại hóa FS và RS để tạo ra nguồn điện với tổn thất điện trở tối thiểu. Ag là vật liệu tiếp xúc tốt với chất phát loại n, trong khi Al tiếp xúc rất tốt với chất nền loại p. Sự kết hợp của Ag / Al paste được sử dụng để in các miếng đệm trên RS nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho việc kết nối các tế bào năng lượng mặt trời trong một mô-đun. In lụa là một quá trình đơn giản, nhanh chóng và liên tục phát triển để kim loại hóa pin mặt trời.
Mô tả sơ đồ của quá trình in lụa được thể hiện trong Hình 16. Các tấm lưới này có lưới thép không gỉ phủ nhũ tương với các lỗ hở theo kiểu kim loại hóa mong muốn như được minh họa trong Hình 17 (a). Miếng dán kim loại được trải lên màn hình thông qua lũ lụt và chuyển động của chổi cao su làm lắng đọng chất dán trên pin mặt trời dựa trên kiểu màn hình. Snap-off là khoảng cách giữa màn hình và pin mặt trời. Áp suất chổi cao su và khoảng cách bắt đầu là các thông số quan trọng xác định lớp dán và hình dạng của các ngón tay Ag FS.
Hình 16.Tình hình của quá trình in lụa để kim loại hóa pin mặt trời.
Hình 17. (a) Màn hình nhũ tương dạng lưới có ngón tay mở để in FS Ag [40] và (b) kiểu kim loại hóa FS đại diện.
Chất dán điển hình cho miếng đệm Ag / Al RS, RS Al và FS Ag lần lượt là 35–45mg, 1,1–1,4g và 100–120mg cho pin mặt trời đa tinh thể Al-BSF 6 inch. Mô hình kim loại hóa Ag FS minh họa được thể hiện trong Hình 17 (b). Độ mở ngón tay Ag đã giảm xuống dưới 30μm, trong khi ứng dụng của 5 thanh cái đang ngày càng được áp dụng nhiều hơn. Với thông số màn hình như vậy và lớp dán tốt, FF nhất quán của> 80% sẽ đạt được đối với pin mặt trời Al-BSF với sự mất bóng quang học là<>
6.2 Làm khô và nung nhanh bột nhão kim loại hóa
Bột nhão kim loại bao gồm bột kim loại, dung môi và chất kết dính hữu cơ. Trong trường hợp dán FS Ag, hỗn hợp này cũng chứa hạt thủy tinh trong khi ăn mòn lớp SiNx: H và tiếp xúc với bộ phát loại n [41]. Bột nhão kim loại được làm khô sau khi in và cuối cùng chúng được gửi qua lò nung nhanh để thiêu kết và tạo thành tiếp điểm RS Al-BSF và FS Ag. Ví dụ về lò nung nhanh với nhiệt độ như vậy được minh họa trong Hình 18. Quá trình thiêu kết ngón tay FS Ag được minh họa trong Hình 19. Khi pin mặt trời đi qua lò nung nhanh, các chất kết dính hữu cơ bị cháy, sau đó là nóng chảy. của frit thủy tinh và cuối cùng là sự hình thành các tinh thể Ag tiếp xúc với bộ phát loại n. Hồ sơ nung cần được điều chỉnh dựa trên các loại bột nhão hóa kim loại cụ thể và hồ sơ khuếch tán phát xạ. Ví dụ, nhiệt độ đỉnh nung có thể thấp để không tạo thành tiếp xúc ohmic tốt trên FS, trong khi nhiệt độ quá cao có thể dẫn đến sự khuếch tán của Ag qua đường giao nhau và đóng ngắt của đường giao nhau pn. Hình ảnh của một pin mặt trời Al-BSF đa tinh thể hoàn chỉnh được hiển thị trong Hình 20.
Hình 18. (a) Ví dụ về lò nung để thiêu kết các tiếp điểm kim loại và (b) hồ sơ nhiệt độ minh họa của lò nung. Nguồn: centrotherm GmbH.
Hình 19.Tình hình của quá trình nung. (a) Đốt cháy chất kết dính hữu cơ, (b) nung chảy vụn thủy tinh tạo thành tinh thể SiNx: H và (c) Ag ở bề mặt chất phát.
Hình 20. (a) FS của pin mặt trời hoàn chỉnh và (b) RS của pin mặt trời hoàn chỉnh.
6.3 Kim loại hóa mặt trước dựa trên lớp mạ
Chi phí của các yếu tố khác nhau trong quá trình xử lý pin mặt trời đã giảm trong những năm qua, trong khi sự đóng góp của Ag phía trước vẫn là đáng kể nhất [42]. Một lượng công việc đáng kể đã được thực hiện để thay thế Ag bằng kim loại thay thế như đồng (Cu) có giá trị độ dẫn điện rất gần với giá trị của Ag và cũng mang lại lợi thế chi phí đáng kể tiềm năng [43,44]. Cu có tính khuếch tán và độ hòa tan cao trong Si và do đó một lớp chắn như niken (Ni) được lắng đọng trên Si trước khi mạ Cu [42]. Mạ cảm ứng ánh sáng (LIP) có nguồn gốc từ mạ thông thường sử dụng hiệu ứng quang điện của ánh sáng để tạo tấm kim loại mong muốn và có nhiều ưu điểm hơn so với mạ thông thường [43,44].
Quá trình kim loại hóa mặt trước dựa trên Ni-Cu yêu cầu một bước tạo mẫu ARC bổ sung ở mặt trước không giống như quá trình kim loại hóa dựa trên hồ dán Ag và trong hầu hết các trường hợp, cũng cần thêm một bước thiêu kết Ni để giảm điện trở tiếp xúc và có độ bám dính tốt của chồng kim loại [42 ]. Pin mặt trời mc-Si cắt DWS thương mại dựa trên ngăn xếp mạ Ni-Cu-Ag đã được chứng minh với chiều rộng ngón tay là 22μm, tỷ lệ khung hình gần 0,5 và hiệu suất tương tự như của pin mặt trời dựa trên Ag in trên màn hình tham chiếu [45 ].
Cải tiến liên tục trong bột nhão Ag FS cùng với tính đơn giản, độ tin cậy và thông lượng cao của quá trình in lụa đã khiến quá trình kim loại hóa dựa trên Ni-Cu khó có thể cạnh tranh với quá trình kim loại hóa dựa trên Ag FS. Tuy nhiên, các khái niệm về hiệu suất pin mặt trời cao như pin mặt trời dị liên kết hai mặt, trong đó Cu có thể được mạ trực tiếp lên oxit dẫn điện trong suốt, quá trình mạ được đơn giản hóa và chỉ cần một công cụ duy nhất [39]. Tương tự, các khái niệm hiệu suất cao yêu cầu lượng kim loại giảm có thể đạt được như vậy bằng cách sử dụng quá trình kim loại hóa dựa trên lớp mạ [42,46].
6.4 Thử nghiệm IV và mô tả đặc tính của pin mặt trời
Bước cuối cùng là thử nghiệm IV đối với các pin mặt trời hoàn chỉnh theo các điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn (STC), tức là AM 1.5G, 1000W / m2 với bộ mô phỏng năng lượng mặt trời loại AAA. Ví dụ về khảo sát FS của pin mặt trời được thể hiện trong Hình 21. Các thông số điển hình thu được từ máy thử IV được chỉ ra trong Bảng 3. Máy thử IV có nhiều thông số đặc trưng có thể hữu ích cho việc chẩn đoán các khuyết tật của pin mặt trời. Điện phát quang đại diện (EL) và hình ảnh hồng ngoại nhiệt của pin mặt trời có một số khuyết tật được thể hiện trong Hình 22 (a) - (c). Hình ảnh EL của một pin mặt trời tốt với cường độ đồng đều được hiển thị trong Hình 22 (a), trong khi đối với pin mặt trời trong đó các ngón tay FS không được in đồng nhất, có thể thấy độ tương phản tối hơn trong Hình 22 (b). Hình 22 (c ) hiển thị hình ảnh hồng ngoại nhiệt của pin mặt trời với shunt cục bộ đã được hình thành trong một trong các bước xử lý. Cuối cùng, các pin mặt trời được phân loại trong các thùng hiệu suất khác nhau dựa trên phân loại đã chọn.
Hình 21.IV đo lường FS thăm dò để xác định đặc tính của pin mặt trời.
Tham số
Bình luận
Voc(V) | Pin mặt trời mc-Si Al-BSF tốt có giá trị> 0,635V |
Isc(A) | Pin mặt trời mc-Si Al-BSF tốt có giá trị> 9,0 A |
FF (%) | Pin mặt trời mc-Si Al-BSF tốt có giá trị> 80% |
Hiệu quả (%) | Pin mặt trời mc-Si Al-BSF tốt có giá trị> 18,6% |
Vmpp(V) | Điện áp tương ứng tại điểm công suất lớn nhất |
Impp(A) | Dòng điện tương ứng tại điểm công suất tối đa |
Rs(Ω) | Pin mặt trời mc-Si Al-BSF tốt có giá trị< 1,5=""> |
Rsh(Ω) | Pin mặt trời mc-Si Al-BSF tốt có giá trị> 100Ω |
Ivòng quay(A) | Dòng ngược ở điện áp −12V phải là< 0,5="" a="" đối="" với="" pin="" mặt="" trời=""> |
FS BB-BB kháng (Ω) | Điện trở được đo giữa các BB trên FS |
RS BB-BB kháng (Ω) | Kháng cự được đo giữa BB trên RS |
Bảng 3: Các thông số để mô tả đặc tính của pin mặt trời thu được từ phép đo IV.
Hình 22. (a) Hình ảnh EL của một pin mặt trời tốt, (b) Hình ảnh EL của một pin mặt trời không đồng nhất trong in vân tay Ag và (c) Hình ảnh IR nhiệt của pin mặt trời cho thấy sự hiện diện của các shunts cục bộ.
7. Xu hướng trong tương lai
DWS đã trở thành tiêu chuẩn cho các tấm wafer đơn tinh thể, trong khi nó dự kiến sẽ có thị phần> 80% vào năm 2022 cho wafer đa tinh thể [2]. SWS cho các tấm wafer đa tinh thể dự kiến sẽ loại bỏ dần vào thời điểm đó. Với DWS, tổn thất kerf cũng sẽ trở thành< 80μm="" vào="" năm="" 2022,="" do="" đó="" sẽ="" làm="" giảm="" mức="" tiêu="" thụ="" poly-si="" trên="" mỗi="" tấm="" wafer="" xuống="" dưới="" 15g.="" thiết="" kế="" 3bb="" cho="" các="" điểm="" tiếp="" xúc="" phía="" trước="" dự="" kiến="" sẽ="" bị="" loại="" bỏ="" vào="" năm="" 2020="" với="" 50%="" thị="" phần="" cho="" thiết="" kế="" 5bb.="" với="" những="" cải="" tiến="" liên="" tục="" trong="" bột="" nhão="" và="" màn="" hình="" ag,="" chiều="" rộng="" ngón="" tay="" fs="" dự="" kiến="" sẽ="" giảm="" xuống="" còn="" 30μm="" vào="" năm="" 2022.="" các="" công="" cụ="" xử="" lý="" hóa="" chất="" ướt="" đã="" đạt="" công="" suất="" 8.000μm="" h="" vào="" năm="" 2018="" và="" sẽ="" đạt="" 9.000μm="" vào="" năm="" 2020.="" thiết="" bị="" xử="" lý="" nhiệt="" đã="" đạt="" công="" suất="" 5000wafers="" h="" vào="" năm="" 2018="" và="" dự="" kiến="" đạt="" 7.000wafers="" h="" vào="" năm="" 2020.="" phần="" kiểm="" tra="" phân="" loại="" kim="" loại="" và="" iv="" dự="" kiến="" sẽ="" có="" thông="" lượng=""> 7.000wafers / h vào năm 2022.
Công nghệ tế bào dựa trên Al-BSF có thị phần> 60% vào năm 2018 dự kiến sẽ giảm xuống< 20%="" vào="" năm="" 2025.="" với="" việc="" nhấn="" mạnh="" hơn="" vào="" khái="" niệm="" pin="" mặt="" trời="" hiệu="" suất="" cao,="" thị="" phần="" của="" perc="" công="" nghệ="" dự="" kiến="" sẽ="" là=""> 50% vào năm 2022. Hiệu suất sản xuất của Mono PERC dự kiến là> 22% vào năm 2022, trong khi đối với đa PERC, nó sẽ đạt 21% cùng thời điểm. Một khía cạnh quan trọng liên quan đến đa PERC là giảm thiểu vấn đề dựa trên LeTID để giảm thiểu việc mất hiệu quả sau khi lắp đặt các mô-đun tại hiện trường. Tế bào Si HJ với hiệu suất> 22% vào năm 2018 sau khi dự kiến đạt hiệu suất ổn định là 23% vào năm 2020, với thị phần khoảng 10% vào năm 2022. Tế bào hai mặt hiệu suất cao có thêm lợi thế khai thác năng lượng mặt trời bức xạ từ phía sau dự kiến sẽ có thị phần là 20% vào năm 2022. Các pin mặt trời tiếp xúc ngược loại N dự kiến sẽ đạt hiệu suất vượt qua 24% vào năm 2020.
8. Kết luận
Pin mặt trời Si đã trở thành một phần quan trọng của lĩnh vực năng lượng tái tạo trong nhiều thập kỷ qua với các công nghệ sản xuất hoàn thiện. Các tấm wafer đa tinh thể loại P đã trở thành vật liệu chính để sản xuất pin mặt trời. Tuy nhiên, với hiệu suất cao hơn và chi phí sản xuất giảm, pin mặt trời đơn tinh thể cũng đã chiếm được thị phần đáng kể và dự kiến sẽ cạnh tranh chặt chẽ với các tấm wafer đa tinh thể trong tương lai gần. Đối với công nghệ Al-BSF tiêu chuẩn, 19 và 20% đã trở thành tiêu chuẩn cho các pin mặt trời đa tinh thể và đơn tinh thể, tương ứng. Các tế bào mono-PERC và đa PERC đã đạt đến hiệu suất ổn định lần lượt là 21,5 và 20%. Ngoài ra, PERC cũng cung cấp một cách tiếp cận đơn giản hơn cho pin mặt trời hai mặt bằng cách có một mô hình lưới trên RS thay vì tiếp xúc toàn diện. Pin mặt trời loại n và hai mặt hiệu suất cao có thị phần< 10%,="" dự="" kiến="" sẽ="" tăng="" trong="" tương="" lai.="" các="" công="" nghệ="" sản="" xuất="" đã="" phát="" triển="" đáng="" kể="" trong="" vài="" năm="" qua="" với="" những="" cải="" tiến="" hơn="" nữa="" để="" tăng="" thông="">
Sự nhìn nhận
Các tác giả xin cảm ơn các đồng nghiệp từ RCT Solutions GmbH, những người đã thực hiện một số nội dung của chương. Mehul C.Raval muốn cảm ơn đồng nghiệp Jim Zhou về những cuộc thảo luận liên quan đến kết cấu silicon đen.
