Понимание трёх основных технологий фотоэлектрических элементов:

Краткий ответ: Три основные технологии производства фотоэлектрических элементов сегодня — это PERC, TOPCon и гетеропереход (HJT), а архитектуры с задним контактом образуют четвёртое семейство, построенное на их основе. Они различаются тем, что происходит на поверхности элемента, а не кремниевой пластиной, которая в каждом случае в целом представляет собой один и тот же материал N-типа или P-типа. PERC добавляет пассивирующий слой и локальные задние контакты к элементу p-типа. TOPCon заменяет заднюю сторону ультратонким туннельным оксидом — около 2 нм — под легированным слоем поликремния толщиной около 10 нм, который пассивирует поверхность и позволяет носителям туннелировать. HJT наносит тонкие слои аморфного кремния с обеих сторон и требует более низких температур процесса. Различия проявляются в эффективности, температурном коэффициенте, совместимости с линией и стоимости, и каждое из них влияет на выбор оборудования производителем.

Производство PV-модулей · от Джерри, Ooitech

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 отрасль сегодня, и в конце рассматривается контроль качества в производстве элементов.

Как работают солнечные фотоэлектрические элементы

Солнечный элемент преобразует свет в электричество, но не все поступающие фотоны вносят одинаковый вклад. Понимание того, где теряется энергия, — первый шаг к созданию лучших 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 пары электрон-дырка, но избыточная энергия высокоэнергетических фотонов частично теряется в виде тепла.

• Разделение зарядов и транспорт генерируемых носителей вызывают потери на pn-переходе.

• Потери на рекомбинацию возникают при транспорте носителей.

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

TOPCon, HJT, and Perovskite"/>

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 полей на лицевой и тыльной сторонах.

Снижение оптических потерь

Чтобы сократить оптические потери и повысить эффективность элементов, отрасль разработала ряд подходов и технологий для 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 от токосъемных шин.

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, нуждаются в относительно низких капитальных вложениях, при этом достигая надежного прироста эффективности около 1%.

Лицевая сторона элемента TOPCon практически такая же, как у обычного элемента N-типа или N-PERT, и состоит из борового (p+) эмиттера, пассивирующего слоя и антиотражающего слоя. Основная технология заключается в заднем пассивированном контакте: на задней стороне пластины находится сверхтонкий оксидный слой (1–2 нм) плюс легированная фосфором микро/аморфная смешанная кремниевая тонкая пленка. Для двустороннего применения металлизация выполняется трафаретной печатью сеток Ag или Ag-Al на лицевой стороне и сеток Ag на задней стороне.

Туннельный оксидный пассивированный контакт (TOPCon)

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

HJT Гетеропереход

Технология гетероперехода (HJT) — это метод производства солнечных панелей, который набирает популярность в течение последнего десятилетия. В настоящее время это один из наиболее эффективных процессов для достижения высоких уровней эффективности и выходной мощности, даже превосходящий производительность主流 технологии PERC в отрасли. Элементы HJT объединяют две разные технологии в одну: кристаллический кремний и аморфную тонкую пленку. Использование этих технологий вместе позволяет получать больше энергии, чем использование каждой по отдельности, достигая эффективности 25% и выше.

Структура элемента HJT

Используя монокристаллическую пластину в качестве подложки, на очищенной и текстурированной лицевой стороне пластины последовательно осаждаются внутренняя пленка a-Si:H толщиной 5–10 нм, а затем пленка a-Si:H p-типа, образуя p-n гетеропереход. На задней стороне пластины осаждаются внутренняя пленка толщиной 5–10 нм и пленка a-Si:H n-типа для формирования тыльного поверхностного поля. Затем осаждается прозрачная проводящая оксидная пленка, и, наконец, трафаретная печать создает металлические коллекторные электроды на верхней части обеих сторон, создавая симметричный солнечный элемент HJT.

Преимущества элементов HJT

• Гибкость и адаптивность — Эта технология была разработана для обеспечения отличной производственной способности даже в экстремальных погодных условиях. Модули HJT имеют более низкий температурный коэффициент, чем обычные панели, что обеспечивает высокую производительность при повышенных внешних температурах.

• Ожидаемый срок службы — В среднем тонкопленочные фотоэлектрические модули могут прослужить до 25 лет, в то время как элементы HJT могут продолжать нормально работать 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 затрат — Аморфный кремний, используемый в панелях HJT, 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 были впервые 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, есть много 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 границах раздела является очень захватывающей областью исследований, которая все еще активно обсуждается.

CaTiO3

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

Методы формирования перовскитных пленок

Ключ к повышению эффективности преобразования энергии перовскитных солнечных элементов заключается в оптимизации морфологии пленки. Методы формирования пленки, обычно используемые в лаборатории, — это осаждение в один или два этапа. Для удовлетворения спроса на крупноформатные недорогие перовскитные пленки также используются технологические установки, такие 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 материалов интерфейса. Слои извлечения заряда могут сместиться с органических на неорганические материалы 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 производимые солнечные модули в настоящее время достигают эффективности 18%–22% в стандартных условиях испытаний.

Очистка и текстурирование

Травление удаляет поврежденный поверхностный слой и текстурирует поверхность, образуя текстурированную структуру, которая улавливает свет и снижает 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 элементов осаждают пассивирующий слой определенной толщины между pn-переходом и пластиной для получения более эффективного тонкопленочного солнечного элемента. Этот процесс в основном контролирует время жизни неосновных носителей, толщину пластины и показатель преломления.

Осаждение антиотражающего покрытия

Для дальнейшего улучшения поглощения света на поверхность пластины наносится просветляющая 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 коэффициент пропускания просветляющей пленки и равномерность поверхностного сопротивления.

Изготовление электродов

Линейные электроды наносятся трафаретной печатью на лицевую сторону ячейки, а поле обратной стороны и тыльный электрод печатаются на обратной стороне, после чего следует сушка и спекание. В этом процессе контроль температуры, точность совмещения и отношение высоты к ширине линий электродов являются незаменимыми показателями мониторинга.

Мнение Ooitech

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