Понимание трех основных технологий фотоэлектрических элементов: TOPCon, HJT и перовскит

Введение

Солнечная фотоэлектрическая технология быстро развивалась за последнее десятилетие, и несколько конкурирующих архитектур элементов подняли эффективность на новые высоты. В этой статье рассматриваются основные принципы работы солнечных элементов, затем подробно разбираются три основные технологии следующего поколения, формирующие сегодняшнюю отрасль, и завершается обзором контроля качества при производстве элементов.

Как работают солнечные PV-элементы

Солнечный элемент преобразует свет в электричество, но не все падающие фотоны вносят одинаковый вклад. Понимание того, где теряется энергия, является первым шагом к созданию более совершенных элементов.

• Фотоны с энергией ниже ширины запрещенной зоны не поглощаются и просто проходят через элемент.

• Фотоны с энергией выше ширины запрещенной зоны поглощаются и генерируют электронно-дырочные пары, но избыточная энергия высокоэнергетических фотонов частично теряется в виде тепла.

• Разделение зарядов и транспорт генерируемых носителей приводят к потерям на pn-переходе.

• Рекомбинационные потери возникают при транспорте носителей.

• Контактное сопротивление вызывает падение напряжения, что приводит к потерям напряжения на контактах.

Снижение электрических потерь

• Выбирайте пластины с хорошей кристаллической структурой и правильным типом.

• Разрабатывайте идеальные методы формирования pn-перехода.

• Разрабатывайте идеальные методы пассивации.

• Применяйте разумные методы металлических контактов.

• Применяйте отличные технологии фронтального и тыльного полей.

Снижение оптических потерь

Для снижения оптических потерь и повышения эффективности ячеек промышленность разработала ряд подходов и технологий улавливания света. К ним относятся текстурирование поверхности пластины для уменьшения отражения, просветляющие покрытия на лицевой стороне, отражающие покрытия на тыльной стороне и минимизация площади затенения контактных линий.

TOPCon

TOPCon, также известная как технология пассивированных контактов, широко считается технологией солнечных элементов следующего поколения после PERC. По сравнению с другими потенциальными новыми технологиями, такими как HJT и IBC, TOPCon может быть модернизирован непосредственно с существующих линий PERC или PERT. В результате производители, желающие модернизировать свои существующие производственные линии, требуют относительно низких капитальных вложений, достигая при этом надежного прироста эффективности около 1%.

Лицевая сторона элемента TOPCon практически идентична обычному элементу N-типа или N-PERT и состоит из борового (p+) эмиттера, пассивирующего слоя и просветляющего слоя. Основная технология заключается в тыльном пассивированном контакте: на задней стороне пластины находится сверхтонкий оксидный слой (1–2 нм) плюс легированная фосфором микро/аморфная смешанная кремниевая пленка. Для двустороннего применения металлизация выполняется методом трафаретной печати сеток из Ag или Ag-Al на лицевой стороне и сеток из Ag на тыльной стороне.

Туннельный оксид пассивированный контакт

Туннельный оксидный пассивированный контакт (TOPCon) в последнее время привлек значительное внимание благодаря достижению высокой эффективности преобразования 25,7%. Структура TOPCon состоит из тонкого туннельного оксида и контактного слоя поликремния, легированного фосфором (P). Слой поликремния, легированный P, может быть изготовлен путем кристаллизации a-Si:H или прямым осаждением поликремния с помощью LPCVD. TOPCon выделяется как многообещающий кандидат среди технологий высокоэффективных солнечных элементов.

HJT Гетеропереход

Гетеропереходная технология (HJT) — это метод производства солнечных панелей, который набирает популярность в последнее десятилетие. В настоящее время это один из наиболее эффективных процессов для повышения эффективности и выходной мощности до высоких уровней, даже превосходящий производительность основной промышленной технологии PERC. Элементы HJT объединяют две разные технологии в одну: кристаллический кремний и аморфную тонкую пленку. Совместное использование этих технологий позволяет получать больше энергии, чем использование каждой по отдельности, достигая эффективности 25% и выше.

Структура элемента HJT

Используя монокристаллическую подложку, на очищенную и текстурированную лицевую сторону подложки последовательно наносятся собственный слой a-Si:H толщиной 5–10 нм, а затем p-тип a-Si:H, образуя p-n гетеропереход. На тыльной стороне подложки наносятся собственный слой толщиной 5–10 нм и n-тип a-Si:H для создания тыльного поверхностного поля. Затем наносится прозрачный проводящий оксидный слой, и, наконец, трафаретная печать создает металлические коллекторные электроды на верхней части обеих сторон, формируя симметричный HJT солнечный элемент.

Преимущества HJT элементов

• Гибкость и адаптивность — Эта технология разработана для обеспечения отличной производительности даже в экстремальных погодных условиях. HJT панели имеют более низкий температурный коэффициент по сравнению с обычными панелями, что обеспечивает высокую производительность при повышенных внешних температурах.

• Ожидаемый срок службы — В среднем тонкопленочные фотоэлектрические модули могут работать до 25 лет, в то время как HJT элементы могут нормально функционировать более 30 лет.

• Более высокая эффективность — Большинство гетеропереходных панелей на рынке сегодня имеют эффективность от 19,9% до 21,7%, что является огромным улучшением по сравнению с другими обычными монокристаллическими элементами.

• Экономия средств — Аморфный кремний, используемый в HJT панелях, является экономически эффективной фотоэлектрической технологией. По сравнению с другими технологиями, этот тонкопленочный солнечный подход требует меньшего времени производства. Благодаря упрощенному процессу, HJT более доступен по цене, чем альтернативные решения.

Перовскит

В 2009 году перовскитные материалы впервые были использованы для достижения фотоэлектрической эффективности 4%. К 2021 году однопереходные перовскитные солнечные элементы (PSC) достигли эффективности 25,5%. Быстрое улучшение перовскитных элементов сделало их восходящей звездой в области фотоэлектричества и вызвало большой интерес в академических кругах. Поскольку методы их работы все еще относительно новы, существует множество возможностей для дальнейшего изучения лежащей в основе физики и химии перовскита.

Структура перовскитного элемента

Большинство современных структур перовскитных солнечных элементов основаны на пяти компонентах: прозрачный проводящий оксид, слой транспорта электронов (ETL), перовскит, слой транспорта дырок (HTL) и металлический электрод. Понимание и оптимизация энергетических уровней и взаимодействий различных материалов на этих интерфейсах является очень интересной областью исследований, которая все еще активно обсуждается.

CaTiO3

Перовскит — это название минерала, открытого в 1839 году Роузом в горных породах Урала и названного в честь русского геолога Перовского. Перовскитные материалы обычно имеют низкую вероятность рекомбинации носителей и высокую подвижность носителей, что делает их идеальными материалами для солнечных элементов.

Методы формирования перовскитной пленки

Ключ к повышению эффективности преобразования энергии перовскитных солнечных элементов заключается в оптимизации морфологии пленки. Методы формирования пленки, обычно используемые в лаборатории, — это одностадийное или двухстадийное осаждение. Для удовлетворения спроса на крупноформатные недорогие перовскитные пленки также используется оборудование для обработки, такое как щелевое покрытие, печать и напыление, для изготовления перовскитных солнечных элементов.

Будущее перовскита

Будущие исследования перовскита, вероятно, будут сосредоточены на снижении рекомбинации с помощью таких стратегий, как пассивация и уменьшение дефектов, а также на повышении эффективности за счет включения двумерных перовскитов и более оптимизированных интерфейсных материалов. Слои извлечения заряда могут перейти от органических к неорганическим материалам для повышения эффективности и стабильности. Повышение стабильности и снижение воздействия на окружающую среду остаются важными областями.

Контроль качества в производстве солнечных фотоэлектрических элементов

Кристаллические кремниевые фотоэлектрические элементы являются наиболее распространенными элементами в коммерческих солнечных панелях, составляя более 90% мировых продаж фотоэлектрических элементов.

В лаборатории эффективность преобразования энергии кристаллических кремниевых элементов превышает 25% для монокристаллических элементов и достигает 20% и выше для поликристаллических элементов. Однако промышленно произведенные солнечные модули в настоящее время достигают эффективности 18%–22% в стандартных условиях испытаний.

Очистка и текстурирование

Травление удаляет поверхностный слой повреждений и текстурирует поверхность, образуя текстурированную структуру, которая улавливает свет и уменьшает потери на отражение. Измерение отражательной способности текстурированной поверхности является важным средством контроля процесса текстурирования.

Формирование диффузионного перехода и изоляция краев

Термическая диффузия и аналогичные методы формируют на пластине диффузионный слой другого типа проводимости, создавая pn-переход. Различные типы ячеек наносят пассивирующий слой определенной толщины между pn-переходом и пластиной для получения более эффективного тонкопленочного солнечного элемента. В этом процессе в основном контролируются время жизни неосновных носителей, толщина пластины и показатель преломления.

Нанесение антиотражающего покрытия

Для дальнейшего улучшения поглощения света на поверхность пластины наносится антиотражающая пленка. В настоящее время в промышленности используется плазмохимическое осаждение из газовой фазы (PECVD) для нанесения тонкой пленки на пластину, которая одновременно служит пассивирующим слоем. На этом этапе основными измерениями являются пропускание антиотражающей пленки и однородность удельного сопротивления.

Изготовление электродов

На лицевую сторону ячейки методом трафаретной печати наносят гребенчатые электроды, а на тыльную сторону — тыльное поле и тыльный электрод, после чего проводят сушку и спекание. В этом процессе контроль температуры, точность совмещения и отношение высоты к ширине гребенчатых линий являются обязательными показателями мониторинга.

Мнение Ooitech

ooitech считает: TOPCon, HJT и перовскит каждый по-своему продвигают эффективность солнечных элементов вперед, и строгий контроль качества производства в конечном итоге превращает эти технологии в надежные, высокопроизводительные модули.