Как лучше разрезать многокомпонентные солнечные элементы?

Краткий ответ: Разрезание целой ячейки на половины, трети или более мелкие части повышает мощность модуля за счёт снижения тока, который несёт каждая полоса, что уменьшает резистивные потери в ленте. Выгода снижается по мере уменьшения полосы, а механические затраты растут. Доминируют три подхода. Лазерное скрайбирование с последующим механическим разломом — самый быстрый метод и вносит наименьшую термическую нагрузку, но качество края разлома зависит от глубины скрайба. Полное лазерное разрезание разделяет ячейку только лучом и даёт более чистый край при меньшей скорости. Термическое лазерное разделение сочетает лазер с этапом охлаждения, чтобы трещина распространялась по контролируемой траектории. Соответствующие размеры варьируются от длины волны лазера 532 нм через размеры элементов около 1 мкм и 20 мкм до 100 мкм, а напряжение полосы низкое — около 0,55 В — поэтому выигрыш обусловлен сопротивлением, а не напряжением.

Производство PV-модулей · от Джерри, Ooitech

Введение

TOPCon, SHJ и BC элементах" title="Как лучше разрезать многокомпонентные солнечные элементы? Контринтуитивная правда о краевых потерях в n-типа TOPCon, SHJ и BC элементах"/>

В погоне за более высокой мощностью модуля инженеры часто разрезают одну большую ячейку на 1/2, 1/3 или даже больше «маленьких ячеек», а затем соединяют их последовательно и параллельно внутри модуля. Смысл в том, чтобы снизить ток и уменьшить потери мощности на сопротивлении. Но каждый разрез оставляет незащищенную «рану» вдоль края ячейки. Эти раны превращаются в ловушки для носителей и снижают напряжение холостого хода (Voc) и фактор заполнения (FF). Чем меньше подэлемент, тем сильнее эти потери на краевую рекомбинацию.

Самый распространенный сегодня в отрасли метод — «лазерное скрайбирование + механическое раскалывание» (L&C) — оставляет серьезные термические повреждения вдоль разреза. И в течение многих лет в этой области было принято считать: скрайбирование со стороны p-n перехода наносит наибольший ущерб, поэтому «сторона p-n перехода является основным узким местом для краевых потерь». Это убеждение породило стандартный прием — «скрайбирование со стороны n-n+ для защиты p-n перехода».

Но действительно ли это широко принятое «здравый смысл» отражает истинное электрическое поведение p-n перехода? Или это просто артефакт лазерного нагрева?

Ключевое открытие: внутреннее электрическое поведение, которое ломает консенсус

Исследовательская группа из института FUNSOM Университета Сучжоу опубликовала работу в Nano Energy, используя новый метод низкоповреждающей резки, который они называют «раскалывание с поворотом на 45°». Он ловко обходит термические повреждения от лазера и исследует истинное внутреннее электрическое поведение края p-n перехода. Вывод удивил отрасль:

При низкоповреждающей резке эффективность сбора носителей на краю со стороны p-n перехода на самом деле выше, чем со стороны n-n+. Проще говоря: скрайбирование со стороны p-n перехода — лучшая промышленная стратегия. Это переворачивает двадцать лет принятой практики с ног на голову.

Как открыть край ячейки, не повредив его

Чтобы изучить «собственное электрическое поведение p-n перехода», сначала нужно решить неприятную проблему. Традиционный лазерной резки оставляет повторно расплавленный и повторно затвердевший слой, а также микротрещины и массу термических повреждений вдоль края, и всё это затрудняет любое наблюдение p-n перехода и поведения поверхностной рекомбинации. Команда пошла другим путём, используя анизотропную природу раскалывания кристаллов кремния, чтобы предложить метод «раскалывания с поворотом на 45°»:

Шаг первый: поверните пластину на 45° в плоскости.

Шаг второй: нанесите неглубокую царапину на плоскость (100) с помощью алмазного скрайбера.

Шаг третий: расколите по семейству плоскостей {110}, чтобы получить атомарно гладкое поперечное сечение без термических повреждений.

Полученное таким образом поперечное сечение кромки сохраняет свою структурную и электрическую целостность. В сочетании с методом визуализации фотонапряжения с микрометровым разрешением можно сканировать электрическое поведение вблизи кромки точка за точкой, не повреждая p-n переход.

В эксперименте использовался лазер с длиной волны 532 нм (глубина проникновения около 1,3 мкм), что позволило достичь пространственного разрешения примерно 1 мкм при использовании объектива 50×, достаточного для регистрации затухания фотонапряжения в пределах десятков микрометров от кромки.

Экспериментальные результаты

Рисунок 1. Влияние резки на целостность p-n перехода (a, b), схема метода раскалывания с поворотом на 45° (c, d) и схемы трёх высокоэффективных структур ячеек (e-g).

На рисунке 1a показан традиционный процесс L&C с нанесением царапины на стороне p-n перехода: сначала лазер выжигает канавку на поверхности ячейки (лазерная метка), затем механическое усилие разламывает ячейку. На рисунке 1b показано SEM-изображение поперечного сечения кромки после резки L&C. Хорошо видно, что сечение разделено на две зоны. Верхняя часть — это «область лазерной абляции», демонстрирующая явную морфологию переплавленного и повторно затвердевшего материала. Нижняя часть — это «область разделения напряжением», разорванная механическим усилием, оставляющая множество нерегулярных микротрещин и зон оплавления. Именно эти термические повреждения вызывают скачок тока утечки и снижение производительности ячейки.

Стоит отметить: когда лазер наносит царапину на стороне p-n перехода, сам p-n переход полностью разрушается под воздействием тепла. Таким образом, «явление», которое всегда наблюдалось в промышленности, а именно то, что «сторона p-n перехода является узким местом потерь на кромке», на самом деле является артефактом термического повреждения.

На рисунке 1c показан предложенный здесь метод поворотного раскалывания на 45°: поверните пластину на 45° вокруг оси в плоскости, процарапайте плоскость (100) алмазным скрайбером, затем разорвите вдоль плоскости раскалывания {110}. Рисунок 1d — это СЭМ-изображение сколотого края, масштабная линейка 20 мкм. Поперечное сечение чрезвычайно плоское и чистое, без каких-либо следов плавления, что идеально сохраняет структуру и электрическую целостность p-n-перехода. Это ключ к изучению «собственного поведения».

В этой работе рассматриваются три основные технологии высокоэффективных ячеек n-типа: TOPCon, SHJ и TBC. У них есть общая черта. На подложке из кристаллического кремния n-типа они содержат как p-n-переход (гомо- или гетеропереход), так и n-n+ высоко-низкий переход. Поэтому изучение их краевого поведения дает прямые рекомендации для реального промышленного производства.

Рисунок 2. Анализ краевого фотонапряжения с лицевой стороны элементов TOPCon, SHJ и TBC.

На рисунке 2a показано сканирование лазером с длиной волны 532 нм от края лицевой поверхности элемента внутрь, в сочетании с прецизионным столиком XY и электрическим усилителем для записи сигнала фотонапряжения в реальном времени, что в итоге позволяет построить 2D-карту фотонапряжения. Рисунок 2b — это изображение фотонапряжения с лицевой стороны TOPCon, SHJ и TBC (слева направо). Более яркий цвет означает более высокое фотонапряжение. Все три элемента демонстрируют очевидную «градиентную полосу» в пределах ~100 мкм от края, с более низким фотонапряжением ближе к краю. Это прямое доказательство потерь на краевой рекомбинации.

Сравнивая три типа: TOPCon имеет самое высокое фотонапряжение (0,40–0,55 В) и насыщается быстрее всего. TBC имеет самое низкое (0,36–0,49 В) и затухает медленнее всего, что означает, что его краевая рекомбинация наихудшая. Этот результат противоречит общепринятому мнению о том, что «p-n-переход является узким местом», поскольку лицевая сторона (сторона, обращенная к свету) обычно является именно тем местом, где находится p-n-переход.

Рисунок 2c нормализует профиль фотонапряжения, извлеченный вдоль черной пунктирной линии на рисунке 2b. Все три кривые показывают «низкое значение у края, высокое на плато», но скорость насыщения (которая отражает длину краевой рекомбинации) явно различается:

• TOPCon: самая короткая область затухания, почти насыщение в пределах примерно 100 мкм, наименьшие краевые потери.

• SHJ: область затухания средней протяженности, почти насыщение на ~200 мкм.

• TBC: самое медленное восстановление, растягивающееся до ~500 мкм до полного насыщения, наихудшие краевые потери.

Рисунок 2d объясняет физику, стоящую за различиями. Фотогенерированная дырка в конечном итоге делает одно из двух: собирается электродом или дрейфует к краю и рекомбинирует.

TOPCon: эмиттер на лицевой стороне, сверхкороткий путь сбора дырок

Лицевая поверхность представляет собой p+ эмиттер. Дыркам нужно лишь пересечь очень тонкий эмиттер, чтобы быть собранными передним электродом, поэтому большинство дырок «никогда не получают шанса» достичь края. В то же время сильное поле, образованное p+ эмиттером / SiOx / n-poly-Si, остается эффективным и на краю, быстро разделяя носители. Это коренная причина того, что TOPCon имеет наименьшие потери на краю.

SHJ: передняя часть собирает электроны, дырки идут долгим путем

Передняя поверхность SHJ — это n-a-Si:H, который собирает электроны. Дыркам приходится диффундировать весь путь до заднего p-a-Si:H, прежде чем они будут собраны, что является очень длинным путем. Добавьте высокопроводящий слой TCO, действующий как «магистраль», переносящий множество дырок латерально к краю, и рекомбинация на краю заметно возрастает.

TBC: все электроды на задней стороне, полное уничтожение

В TBC все электроды расположены на задней стороне. Носители, генерируемые на передней поверхности, должны перемещаться латерально через всю пластину, чтобы быть собранными. Хуже того, передний слой пассивации Al2O3 несет много фиксированного отрицательного заряда, индуцируя слой накопления дырок на поверхности Si и образуя «проводящий канал для дырок», который еще сильнее толкает дырки к краю.

Краткое примечание: поведение фотонапряжения на передней стороне в основном определяется двумя вещами: «расстоянием сбора носителей» и «наличием латерального транспортного канала», и это не имеет ничего общего с направлением самого p-n перехода.

Рисунок 3. Анализ краевого фотонапряжения с задней стороны для элементов TOPCon, SHJ и TBC.

Рисунок 3a схематично показывает лазерное сканирование от края задней стороны. Рисунок 3b — соответствующая 2D-карта фотонапряжения. По сравнению с рисунком 2b, все три элемента показывают более низкое фотонапряжение с задней стороны, чем с передней (поскольку передняя поверхность обычно имеет лучшую конструкцию антиотражения и более высокое использование света). Рисунок 3c раскрывает нечто интересное: «победителем» на краю задней стороны становится TBC. Хотя SHJ также имеет p-n переход на задней стороне, его краевое фотонапряжение на самом деле ниже, чем у TOPCon, что дополнительно показывает, что «положение p-n перехода» не является единственным фактором, определяющим потери на краю. Рисунок 3d схематично показывает механизм транспорта неосновных носителей с задней стороны. Задняя сторона особенная: задний n-poly-Si содержит высокую концентрацию электронов, образуя среду с сильным полем, которая подавляет дырки, но способствует сбору электронов.

Задняя сторона TOPCon: «быстрая полоса» для дырок подавлена

Высокая концентрация электронов в тыльном n-poly-Si подавляет перенос дырок. Дырки должны пересечь всю n-типа c-Si подложку, чтобы достичь фронтального p+ эмиттера до того, как будут собраны. Этот «дальний перенос» делает тыльное фотонапряжение в целом ниже, но также сокращает количество дырок, достигающих края.

Тыльная сторона SHJ: гетеропереход сильный, но TCO — палка о двух концах

Гетеропереход n-типа c-Si / p-a-Si:H в SHJ действительно обеспечивает более сильное разделение носителей, чем TOPCon, но его TCO имеет низкое латеральное сопротивление и по-прежнему «закорачивает» значительную часть дырок на край. Результат: сильная способность к разделению не означает малые потери на краю.

Тыльная сторона TBC: дырочный HSC находится прямо на тыльной стороне — преимущество домашнего поля

Тыльный HSC в TBC напрямую обращен к фотогенерированным дыркам. Носители собираются прямо на тыльной стороне, поэтому к краю уходит гораздо меньше, и тыльное фотонапряжение насыщается быстрее всего.

Краткое примечание: поведение тыльного фотонапряжения демонстрирует «обратную» тенденцию по сравнению с фронтальным. TBC хуже всего на фронте, но лучше всего на тыльной стороне, что показывает: «какая сторона обращена к свету» важнее, чем «на какой стороне находится p-n переход».

Рисунок 4. Модель распределения фотонапряжения по сечению для элементов TOPCon и SHJ.

Если на рисунках 2 и 3 смотреть на край «сбоку», то рисунок 4 разрезает его «поперек». Лазер сканирует непосредственно по поперечному сечению, поэтому вы видите все электрическое поведение от p-n перехода до n-n+ за один раз. Это самая оригинальная часть исследования. Рисунок 4a — это карта фотонапряжения поперечного сечения TOPCon, слева направо: лицевая сторона (p+ эмиттер / p-n переход) и тыльная сторона (n-poly-Si / n-n+ переход). Вы можете видеть, что левая сторона (p-n переход) в целом ярче, а правая сторона (n-n+) темнее. Кривая, извлеченная на рисунке 4b, очень четкая: от стороны p-n перехода к стороне n-n+ фотонапряжение монотонно падает, при этом вся область спада составляет около 100 мкм. Этот результат полностью отвергает традиционное представление о том, что «p-n переход является узким местом потерь на краю», поскольку в условиях низкого повреждения сторона p-n перехода, наоборот, является зоной высокого фотонапряжения. Рисунок 4c дает физическое объяснение: на стороне p-n перехода (p+ эмиттер) неосновные носители (дырки) проходят лишь короткое расстояние до сбора, в то время как на стороне n-n+ (область n-poly-Si) дырки должны пересечь весь n-тип c-Si, чтобы достичь p+ эмиттера, что является длинным путем с высокой вероятностью рекомбинации, поэтому потери больше. Рисунки 4d–f показывают ту же тенденцию на элементах SHJ: от тыльного p-n перехода (p-a-Si:H / n-c-Si) к лицевому n-n+ переходу (i/n-a-Si:H / n-c-Si) фотонапряжение снова монотонно падает. Эта закономерность, сохраняющаяся для разных структур элементов, является одним из ключевых аргументов исследования.

Чтобы описать это количественно, команда вывела одномерную модель диффузии неосновных носителей. Рисунок 4g — это схема модели, показывающая кривую (оранжевую), монотонно убывающую от стороны p-n перехода (дырочный селективный контакт, HSC) к стороне ESC (электронный селективный контакт, ESC). Рисунок 4h дополнительно сравнивает поведение носителей на сторонах HSC и ESC:

• Сторона HSC: неосновные носители (дырки) собираются на коротком расстоянии, низкая вероятность рекомбинации.

• Сторона ESC: неосновные носители должны диффундировать на большое расстояние, чтобы достичь HSC, сильно рекомбинируя по пути.

• Механизм разделения носителей в p-n переходе имеет двойное преимущество сильнолегированного контакта плюс пассивированного контакта, что более эффективно, чем простой переход высокий-низкий (n-n+).

Краткое примечание: модель фотонапряжения поперечного сечения количественно подтверждает, что «электрические характеристики стороны p-n перехода превосходят сторону n-n+», и предлагает «длину диффузии неосновных носителей L» в качестве нового показателя для оценки потерь на краю.

Рисунок 5. Анализ фотонапряжения поперечного сечения элемента TOPCon, изготовленного промышленным методом термического лазерного разделения (TLS).

Чтобы проверить, справедлив ли вывод, полученный методом скола под углом 45°, для промышленной резки, команда использовала метод «термического лазерного разделения» (TLS) (Рисунок 5a) — сначала лазер предварительно обрабатывает сторону p-n перехода (Pre-grooving на рисунке), затем охлаждающая вода способствует разделению. TLS — один из признанных сегодня методов резки с низким уровнем повреждений. Рисунок 5b — это поперечное изображение фотонапряжения TOPCon после резки TLS: левая сторона (p-n переход) явно ярче правой (n-n+). Количественная кривая на Рисунке 5c показывает, что от p-n перехода к тыльной стороне фотонапряжение по-прежнему монотонно падает, что полностью согласуется с результатом скола под углом 45°.

Ключевая проверка: даже при промышленном методе TLS (резка непосредственно со стороны p-n перехода) фотонапряжение по-прежнему демонстрирует тенденцию «высокое у p-n перехода, низкое у n-n+». Это говорит о том, что при резке с низким уровнем повреждений «p-n переход» вовсе не является узким местом, а наоборот, его преимуществом. Прежний отраслевой опыт, что «сторона p-n перехода работает лучше» при резке TLS, наконец получил подтверждение как экспериментально, так и теоретически.

Рисунок 6. Поперечный анализ фотонапряжения элементов TBC и THBC, а также схема стратегии резки p-n перехода с низким уровнем повреждений.

Рисунки 6a и 6b — это поперечные изображения фотонапряжения элементов TBC и THBC. У TBC самое высокое фотонапряжение — 0,39 В, у THBC немного ниже (0,21 В), но оба демонстрируют четкое пространственное распределение «яркий p-n переход, темный n-n+». Кривые, извлеченные на Рисунках 6c и 6d, следуют той же закономерности, что и на Рисунке 4: монотонное снижение от p-n перехода к n-n+. Особого упоминания заслуживает небольшая вставка на Рисунке 6c: «направленное распределение» фотонапряжения для каждой структуры элемента показывает картину «плотно в верхнем левом углу, разреженно в нижнем правом», что означает, что электрическое преимущество стороны p-n перехода универсально для всех структур и процессов. Рисунок 6e объясняет, что делает элементы с задними контактами особенными: HSC собирает дырки «поблизости» на тыльной стороне, а ESC собирает электроны «поблизости» на тыльной стороне. Неосновным носителям (дыркам), генерируемым в области p-n перехода, требуется лишь короткое расстояние, чтобы достичь HSC, поэтому потери малы; неосновным носителям в области n-n+ приходится преодолевать длинный путь, поэтому потери больше. Эта закономерность точно совпадает с TOPCon и SHJ. Основываясь на всех этих данных, команда предложила совершенно новую стратегию резки на Рисунке 6f:

Отраслевая рекомендация

При низкоповреждающей резке (например, TLS) следует выполнять скрайбирование со стороны p-n перехода. Причина: сторона p-n перехода имеет более высокую эффективность разделения носителей и более короткий путь транспорта неосновных носителей. Даже при некоторых отклонениях процесса сохраняются приемлемые электрические характеристики. Эта рекомендация опровергает двадцатилетнюю отраслевую практику «избегать касания p-n перехода».

Мнение Ooitech

Честно говоря, это одно из тех открытий, которые тихо переписывают привычку на уровне линии, а не громкую характеристику. Вывод для тех, кто работает на линии n-типа: сочетайте рецепт лазерной резки с физикой носителей самой ячейки и не паркуйте слепо скрайбер на стороне n-n+ только потому, что так было по старому правилу. Низкоповреждающее разделение (в стиле TLS) — вот настоящий ключевой фактор, и точная настройка этого процесса на станке для лазерной резки солнечных элементов — именно то, где производители модулей выигрывают или теряют реальные Voc и FF. Мы строим наши станции резки и стрингования так, чтобы минимизировать повреждения кромок в форматах TOPCon, SHJ и BC, поэтому такие исследования напрямую переносятся в производство. Если хотите увидеть, как эти шаги выглядят на работающей линии, посмотрите канал Ooitech на YouTube по адресу www.youtube.com/ooitech стоит подписаться.