المصدر: www.intechopen.com/books/solar-cells/industrial-silicon-solar-cells
بقلم ميهول سي رافال وسوكومار مادوغولا ريدي
تاريخ التقديم: 4 أكتوبر 2018 تاريخ المراجعة: 29 يناير 2019 تاريخ النشر: 15 مايو 2019
DOI: 10.5772 / intechopen.84817
الملخص
سيعرض الفصل تقنيات تصنيع الخلايا الشمسية المصنوعة من السيليكون الصناعي بوضعها الحالي. ستتم مناقشة ومقارنة هياكل الخلايا الشمسية التجارية من النوع p وذات الكفاءة العالية من النوع n بحيث يمكن للقارئ الحصول على السبق في الخلايا الشمسية الصناعية. يتم تقديم عرض موجز لخطوات العملية المختلفة من التركيب إلى المعدن المطبوع على الشاشة. تمت مراجعة عمليات التركيب لرقائق السيليكون أحادية البلورة ومتعددة البلورات باستخدام أحدث العمليات. تم تقديم نظرة عامة على العمليات الحرارية للانتشار وترسب الطلاء المضاد للانعكاس. يتم تقديم عملية طباعة الشاشة الراسخة لمعدن الخلايا الشمسية بخطوة إطلاق النار السريع لتلبيد جهات الاتصال. يتم تقديم اختبار IV للخلايا الشمسية مع معايير مختلفة لتوصيف الخلايا الشمسية. تتم أيضًا مناقشة أحدث التطورات في مختلف العمليات وتصنيع المعدات جنبًا إلى جنب مع الاتجاهات المستقبلية المتوقعة.
الكلمات الدالة
السيليكون
الخلايا الشمسية
تصنيع
متعدد البلورات
أحادي البلورية
التركيب
1 المقدمة
تعد الخلايا الكهروضوئية مصدرًا مهمًا للطاقة المتجددة والتي نمت بسرعة من 8 جيجاوات في عام 2007 إلى 400 جيجاواط في عام 2017 [1]. إلى جانب الطلب المتزايد ، انخفضت تكلفة نظام الطاقة الكهروضوئية أيضًا بشكل كبير من 35.7 دولار / Wpin 1980 إلى 0.34 دولار / Wpin 2017 مما أدى إلى تسريع اعتماده [2]. السيليكون (Si) ، وهو مادة مهمة في صناعة الإلكترونيات الدقيقة ، كان أيضًا المادة السائبة المستخدمة على نطاق واسع للخلايا الشمسية منذ خمسينيات القرن الماضي بحصة سوقية تبلغ> ؛ 90٪ [2]. سيقدم الفصل الخطوات النموذجية لتصنيع الخلايا الشمسية المصنوعة من السيليكون التجاري. سيتم تقديم تاريخ موجز للخلايا الشمسية وإلقاء نظرة عامة على نوع ركائز السيليكون جنبًا إلى جنب مع بنية الخلايا الشمسية المختلفة في القسمين 2 و 3. بعد ذلك ، سيتم وصف خطوات الكيمياء الرطبة ودرجات الحرارة المرتفعة المستخدمة في التصنيع في الأقسام 4 و 5. سيناقش القسم 6 حول عملية المعدنة جنبًا إلى جنب مع معلمات التوصيف النموذجية للخلايا الشمسية التجارية. أخيرًا ، ستتم مناقشة خارطة الطريق المستقبلية والاتجاهات المتوقعة في القسم الختامي.
2. تطور الخلايا الشمسية
يعني "التأثير الكهروضوئي" حرفيًا توليد جهد عند التعرض للضوء. لوحظ هذه الظاهرة لأول مرة من قبل الفيزيائي الفرنسي إدموند بيكريل على خلية كهروكيميائية في عام 1839 ، بينما لوحظ من قبل العلماء البريطانيين WGAdams و REDay على جهاز الحالة الصلبة مصنوع من السيلينيوم في عام 1876 [3]. منذ الخمسينيات فصاعدًا ، كان هناك تقدم سريع في أداء الخلايا الشمسية التجارية من< ؛ 1٪ إلى> ؛ 23٪ [2] وكان السيليكون بمثابة "حصان العمل" للصناعة الكهروضوئية منذ ذلك الحين ومن بعد. يظهر تطور خلايا السيليكون الشمسية في الشكل 1.
الشكل 1: تطور خلايا السيليكون الشمسية. (أ) 1941: الخلية الشمسية التي تم الإبلاغ عنها مع تقاطع نامي ، (ب) 1954: تقاطع الخلية الشمسية pn تشكل مع انتشار dopant ، (c) 1970: خلية بنفسجية مع مجال سطح خلفي من الألومنيوم ، (د) 1974: خلية سوداء مع سطح محكم كيميائيا [3].
كانت الخلايا الشمسية السيليكونية الأولى التي أظهرها راسل أوهل من مختبرات بيل خلال الأربعينيات من القرن الماضي مبنية على تقاطعات طبيعية تشكلت من فصل الشوائب أثناء عملية إعادة التبلور [3]. تتمتع الخلايا بكفاءة تبلغ&لتر ؛ 1٪ بسبب عدم التحكم في موقع التقاطع وجودة مادة السيليكون. ومنذ ذلك الحين ، تُستخدم التسمية لتسمية المناطق (النوع p: الجانب الذي هو الإضاءة والنوع n: الجانب الآخر) الذي قدمه Ohl في اصطلاحات تسمية الخلايا الشمسية.
خلال الخمسينيات من القرن الماضي ، كان هناك تطور سريع في عملية الانتشار ذات درجة الحرارة المرتفعة للمثبطات في السيليكون. أظهر بيرسون وفولر وشابلن من مختبرات بيل خلية شمسية فعالة بنسبة 4.5٪ مع المنشطات القائمة على الليثيوم ، والتي تحسنت إلى 6٪ مع انتشار البورون. تحتوي الخلية الشمسية على "التفاف" حول الهيكل (الشكل 1 (ب)) مع كلا الملامسين على الجانب الخلفي لتجنب خسائر التظليل ، ولكن أدى إلى خسائر مقاومة أعلى بسبب الهيكل الملتف. بحلول عام 1960 ، تطور هيكل الخلية كما هو موضح فيالشكل 1 (ج). نظرًا لأن التطبيق كان لاستكشافات الفضاء ، فقد تم استخدام ركيزة عالية المقاومة تبلغ 10 سم للحصول على أقصى مقاومة للإشعاع. تم استخدام الملامسات المبخرة بالتفريغ على كلا الجانبين ، بينما تم استخدام طلاء أول أكسيد السيليكون كطلاء مضاد للانعكاس (ARC) على الجانب الأمامي (FS) [3].
في أوائل السبعينيات ، وجد أن وجود الألمنيوم الملبد على الجانب الخلفي أدى إلى تحسين أداء الخلية من خلال تشكيل واجهة مخدرة بشكل كبير تُعرف باسم "حقل السطح الخلفي (Al-BSF)" والتخلص من الشوائب [3]. يقلل Al-BSF من إعادة تركيب الموجات الحاملة على الجانب الخلفي وبالتالي يحسن الجهد والاستجابة الطيفية ذات الطول الموجي الطويل. أدى تنفيذ الأصابع الدقيقة والمتقاربة إلى تقليل الحاجة إلى تنشيط المنشطات والتخلص من الطبقة الميتة. إن القوس من ثاني أكسيد التيتانيومx) وتم اختيار سمكه لتقليل الانعكاس لأطوال موجية أقصر وإعطاء مظهر بنفسجي للخلايا الشمسية. تم إجراء مزيد من التحسينات عن طريق تركيب الرقائق باستخدام حفر متباين الخواص لعدد (100) رقاقة لكشف (111) سطح. أدى التركيب إلى تحسين محاصرة الضوء ومنح الخلايا مظهرًا مخمليًا داكنًا. يتم عرض بنية الخلية المحسّنة فيالشكل 1 (د). في عام 1976 ، أظهر Rittner و Arndt خلايا شمسية أرضية بكفاءات تقترب من 17٪ [3].
حققت الخلية الشمسية الباعثة المنفصلة (PESC) علامة فارقة في كفاءة 20٪ في 1984-1986. كانت منطقة التلامس المعدنية / السيليكونية 0.3٪ فقط في خلايا PESC ، بينما كانت منطقة التلامس المعدنية بطبقة مزدوجة من ZnS / MgF2تم استخدامه في كل من الهياكل الخلوية. في عام 1994 ، تم عرض خلية منتشرة محليًا (PERL) للباعث المخمل بكفاءة 24٪ [3]. بالمقارنة مع خلية PESC ، فإن خلية PERL لديها أهرامات مقلوبة على FS لتحسين محاصرة الضوء والتخميل القائم على الأكسيد على كلا الجانبين. طبقة تخميل الأكسيد على الجانب الخلفي حسنت أيضًا الانعكاس الداخلي لطول الموجة الطويل وبالتالي استجابة الطيف.
بالإضافة إلى أبنية الخلايا الشمسية المتطورة ، كان هناك أيضًا تطور مستمر في مجال التصنيع من حيث زيادة الإنتاجية وخطوات العملية المحسنة وخفض التكاليف. يتم تقديم عرض موجز لتصنيع ركائز Si وأنواع مختلفة من الخلايا الشمسية في القسم التالي.
3. تقنيات الخلايا الشمسية السيليكونية التجارية
Si هي ثاني أكثر المواد وفرة على وجه الأرض بعد الأكسجين وقد استخدمت على نطاق واسع في صناعة أشباه الموصلات. يتم الحصول على السيليكون من الدرجة المعدنية (Mg-Si) بنسبة نقاء 98٪ عن طريق تسخين الكوارتز (SiO2) بالكربون عند درجات حرارة عالية من 1500-2000 [4]. يتم تنقية Mg-Si أيضًا للحصول على قطع سيليكون من الدرجة الشمسية بنقاوة 99.99٪. يتم بعد ذلك معالجة قطع Si المصقولة من الدرجة الشمسية للحصول على أشكال أحادية البلورية ومتعددة البلورات من سبائك Si ، وهي عبارة عن كتلة كبيرة من السيليكون. في Si أحادي البلورة ، يتم ترتيب الذرات في نفس الاتجاه البلوري في جميع أنحاء المادة. بالنسبة للخلايا الشمسية ، يفضل التوجه (100) حيث يمكن تركيبها بسهولة لتقليل انعكاس السطح [5]. متعدد البلورات Si ، كما يوحي الاسم ، يحتوي على حبيبات متعددة من مادة Si ذات اتجاهات مختلفة ، على عكس الركائز أحادية البلورة. تتمتع المواد أحادية البلورة بعمر نقل أقلية أعلى مقارنةً بسيليكون متعدد البلورات وبالتالي كفاءة أعلى للخلايا الشمسية لتقنية خلية شمسية معينة.
تم توضيح طريقة Czochralski (Cz) لصنع سبائك Si أحادية البلورية في الشكل 2 (أ). يتم الاحتفاظ بالسيليكون المنصهر عالي النقاوة فوق نقطة الانصهار ثم يتم سحب بلورة البذرة بمعدل بطيء جدًا للحصول على سبيكة يبلغ قطرها 300 مم وطولها 2 مترًا [6]. يمكن تخدير السيليكون المصهور إما من النوع p أو النوع n للحصول على النوع المحدد من سبيكة Si أحادية البلورة تصل إلى 200 كجم [2]. الرقاقات المنشورة من السبائك لها حواف دائرية ومن ثم يسمى الشكل "مربع psuedo". يتم تصنيع سبائك السيليكون متعددة البلورات عن طريق إذابة Si عالية النقاء وبلورتها في بوتقة كبيرة بواسطة عملية التصلب الاتجاهي [7] كما هو موضح في الشكل 2 (ب). لا تحتوي العملية على اتجاه بلوري مرجعي مثل عملية تشيكوسلوفاكيا وبالتالي تشكل مادة سيليكون ذات توجهات مختلفة. تزن سبائك Si متعددة البلورات حاليًا> ؛ 800 كجم [2] والتي يتم تقطيعها بعد ذلك إلى قوالب ويتم نشر الرقائق بشكل أكبر.
الحجم الحالي للرقائق أحادية البلورة ومتعددة البلورات لتصنيع الخلايا الشمسية هو 6 بوصة × 6 بوصة. ستكون مساحة الرقائق أحادية البلورة أقل قليلاً بسبب الشكل شبه المربع. المواد الأساسية الأكثر استخدامًا لصنع الخلايا الشمسية هي ركائز Si من النوع p المخدر بالبورون. تستخدم ركائز N-type Si أيضًا في صنع خلايا شمسية عالية الكفاءة ، ولكن لديها تحديات تقنية إضافية مثل الحصول على المنشطات المنتظمة على طول السبيكة مقارنةً بالركائز من النوع p.
الشكل 2: توضيح (أ) عملية CZ للسبائك أحادية البلورة و (ب) عملية التصلب الاتجاهي للسبائك متعددة البلورات.
يظهر تصنيف واسع لأنواع مختلفة من الخلايا الشمسية جنبًا إلى جنب مع نطاقات الكفاءة في الشكل 3. تعد تقنية مجال السطح الخلفي للألمنيوم القياسي (Al-BSF) واحدة من أكثر تقنيات الخلايا الشمسية شيوعًا نظرًا لعملية التصنيع البسيطة نسبيًا. يعتمد على ترسيب Al-side-side (RS) الكامل من خلال عملية طباعة الشاشة وتشكيل ap + BSF الذي يساعد على صد الإلكترونات من الجانب الخلفي من الركيزة من النوع p وتحسين أداء الخلية. يظهر تدفق التصنيع لخلايا Al-BSF الشمسية في الشكل 4. التصميم القياسي للخلايا الشمسية التجارية مع نمط الشبكة FS واتصالات RS كاملة المساحة.
الشكل 3: تصنيف واسع لأنواع مختلفة من الخلايا الشمسية.
الشكل (4): تدفق التصنيع لخلايا Al-BSF الشمسية.
تعمل الخلية الشمسية ذات التلامس الخلفي للباعث الخامل (PERC) على تحسين بنية Al-BSF من خلال إضافة طبقة تخميل الجانب الخلفي لتحسين التخميل الخلفي والانعكاس الداخلي. أكسيد الألومنيوم مادة مناسبة لتخميل RS بمتوسط كفاءة للخلايا الشمسية تقترب من 21٪ تم الحصول عليها في الإنتاج [8]. يمكن ترقية خط الخلايا الشمسية الحالي Al-BSF إلى عملية PERC بواسطة أداتين إضافيتين (ترسيب طبقة التخميل RS والليزر لفتح التلامس المحلي على RS).
إن معماريات الخلايا الثلاث المتبقية هي بشكل أساسي تقنيات عالية الكفاءة تعتمد على ركائز Si من النوع n. تحتوي الخلية الشمسية غير المتجانسة a-Si على طبقات a-Si على FS و RS من ركيزة Si من النوع n لتشكيل "تقاطعات غير متجانسة" على عكس تقاطع pn التقليدي القائم على الانتشار عالي الحرارة. تسمح هذه التقنية بالمعالجة في درجات حرارة منخفضة ، ولكنها حساسة جدًا لجودة واجهات السطح. تم تصنيع الخلايا الشمسية غير المتجانسة القائمة على a-Si تجاريًا بواسطة Sanyo Electric ، والتي استحوذت عليها الآن شركة Panasonic [9]. في تصميم الخلايا الشمسية ذات الاتصال الخلفي البيني (IBC) ، توجد كلا الملامستين على الجانب الخلفي مما يلغي خسائر تظليل التلامس FS. عادةً بالنسبة للخلايا الشمسية IBC ، سيكون التقاطع موجودًا أيضًا على الجانب الخلفي. واحدة من أوائل الشركات المصنعة للخلية الشمسية IBC عالية الكفاءة من النوع n هي شركة SunPower Corporation [10]. الخلايا ثنائية الوجه ، كما يوحي الاسم ، يمكنها التقاط الضوء من جانبي الخلايا الشمسية. يستلزم ذلك أن يكون للجانب الخلفي أيضًا جهات اتصال بنمط الشبكة لتمكين جمع الضوء. مثال على التكنولوجيا ثنائية الوجه هو خلية BiSON الشمسية التي طورتها وتسويقها ISC ، Konstanz [11]. وتجدر الإشارة إلى أن التصنيف المشار إليه ليس قائمة شاملة لأنواع أخرى مختلفة من معماريات الخلايا الشمسية الموجودة في مرحلة R&؛ D ، على مقربة من التسويق أو يجري تصنيعها بالفعل. ستقدم الأقسام التالية نظرة عامة على خطوات العملية لتصنيع خلايا Al-BSF الشمسية.
4. عمليات الكيمياء الرطبة لتصنيع الخلايا الشمسية
تعتبر المعالجة القائمة على الكيمياء الرطبة خطوة مهمة في معالجة الخلايا الشمسية لإزالة تلف المنشار (SDR) للرقائق المقطوعة ، وتركيب السطح لزيادة امتصاص الإشعاع الشمسي الوارد وعزل الحواف بعد عملية الانتشار. كما تمت مناقشته في القسم السابق ، هناك بشكل أساسي رقائق السيليكون أحادية البلورية ومتعددة البلورات المستخدمة في تصنيع الخلايا الشمسية. ستتم مناقشة المعالجة القائمة على الكيمياء الرطبة لأنواع الرقاقات المعنية مسبقًا.
4.1 تركيب رقائق السيليكون أحادية البلورة
كما هو مبين في القسم 2 ، بدأ تطوير الخلايا الشمسية بشكل أساسي باستخدام الرقائق أحادية البلورة ، وبالتالي استخدمت طرقًا راسخة في مجال الإلكترونيات الدقيقة. يستخدم النقش القلوي متباين الخواص على أساس KOH / NaOH للتركيب الهرمي للرقائق أحادية البلورة. رقاقة أحادية البلورية مقطوعة لها متوسط مرجح للانعكاس يبلغ> ؛ 30٪ (على طول موجة يزيد عن 300 - 1200 نانومتر) والتي تنخفض إلى 11-12٪ بعد عملية التركيب. يظهر الشكل النموذجي لسطح قلوي محكم في الشكل 5. يحفر محلول النقش متباين الخواص السطح (100) من الرقائق لفضح (111) وجهًا بها كثافة أعلى من ذرات السيليكون وبالتالي معدل حفر أبطأ مقارنةً بـ ( 100) وجه. ينتج عن هذا تكوين هياكل هرمية عشوائية تشكل زاوية 54.7 درجة بالنسبة لسطح الرقاقة.
الشكل 5. الشكل السطحي النموذجي لرقاقة أحادية البلورية قلوية محكم.
تظهر المعلمات النموذجية لعملية التركيب القلوي في الجدول 1. وتجدر الإشارة إلى أن قيم المعلمات المختلفة إرشادية ولا يجب اعتبارها مطلقة نظرًا لوجود مجموعة متنوعة من الشركات المصنعة للمواد المضافة في السوق. تم استخدام كحول الأيزوبروبيل (IPA) في البداية كمادة مضافة في محلول التركيب ، والذي لا يشارك في تفاعل التنميش ، ولكنه يعمل كعامل ترطيب لتحسين تجانس عملية التركيب عن طريق منع فقاعات H2 (الناتجة أثناء التفاعل) من الالتصاق سطح السيليكون [12]. ومع ذلك ، بحلول عام 2010 ، تم استبدال IPA تدريجيًا بمضافات بديلة بسبب عيوب مثل التركيز غير المستقر حيث أن درجة حرارة الحمام قريبة من نقطة غليان IPA (82.4 درجة مئوية) ، والتكاليف المرتفعة ، والاستهلاك المرتفع ، والمخاطر الصحية والقابلية للانفجار [12]. نشرت العديد من المجموعات أعمال تطوير لاستبدال IPA بإضافات بديلة للتغلب على عيوب IPA ، وزيادة نافذة العملية وتقليل انعكاس السطح [12،13،14،15،16]. تعمل الإضافات أيضًا على تقليل وقت المعالجة إلى&لتر ؛ 10 دقائق وتزيد من عمر الحمام إلى> ؛ 100 دورة.
عملية
KOH / IPA
KOH / مادة مضافة
KOH (٪) | 3 | & lt ؛ 3 |
IPA (٪) | 6 | — |
مادة مضافة (٪) | — | & lt ؛ 2 |
درجة حرارة العملية [درجة مئوية] | & جي تي ؛ 80 | 70–100 |
حجم الهرم [ميكرومتر] | 5–12 | 2–7 |
وقت المعالجة [دقيقة] | 30–40 | 5–10 |
المحتوى العضوي [wt٪] | 4–10 | & lt ؛ 1.0 |
نقطة الغليان [درجة مئوية] | 83 | & جي تي ؛ 100 |
عمر الحمام | 15 | & جي تي ؛ 100 |
الجدول 1: معلمات العملية للتركيب القلوي القائم على IPA والقائم على المواد المضافة للرقائق أحادية البلورة.
عادة ما يتم إجراء عملية التركيب للرقائق أحادية البلورة في "دفعة" مما يعني أن الرقائق يتم تحميلها في ناقل مع فتحات لعقد الرقائق (100 فتحة في ناقل) ثم تتم معالجة الدُفعة بالتتابع في الحمامات من أجل التركيب والتنظيف وخطوات المعالجة لإزالة المخلفات العضوية والتلوث المعدني وتجفيف الرقاقات المعالجة. عادةً ما تكون الحاملات مغطاة بـ PVDF الذي يتمتع بمقاومة جيدة جدًا للمواد الكيميائية المختلفة ، والتآكل والتآكل الميكانيكي. يظهر الحامل النموذجي لمناولة الرقائق أحادية البلورة في الشكل 6. تحتوي أداة تركيب الدُفعات على حمامات مخصصة لكل خطوة مع خزانات جرعات للمواد الكيميائية المستخدمة في الحمام. تعالج الأداة العديد من الموجات الحاملة في وقت واحد ويمكن أن تصل إلى معدل نقل يبلغ> ؛ 6000 رقاقة / ساعة مع معالجة أربع ناقلات في نفس الوقت.
الشكل 6 - حاملات تحميل الرقاقات في أداة الدُفعات. المصدر: RCT Solutions GmbH.
4.2 تركيب رقائق السيليكون متعددة البلورات
توفر الرقائق متعددة البلورات ميزة التكلفة مقارنةً بالرقائق أحادية البلورة ، وبالتالي تم اعتمادها على نطاق واسع. ومع ذلك ، فإن الكيمياء القلوية المستخدمة في تركيب الرقائق أحادية البلورة لا تعمل بشكل جيد للرقائق متعددة البلورات بسبب وجود اتجاهات مختلفة للحبوب. تم تطوير كيمياء حمضية بديلة تعتمد على HF و HNO3 لإزالة تلف المنشار وملمس الرقائق متعددة البلورات في وقت واحد [17 ، 18]. يعمل التركيب المعتمد على المحلول الحمضي عند درجات حرارة أقل من درجة حرارة الغرفة ، وبالتالي يؤدي إلى تقليل انبعاث غاز التفاعل ، وتوليد حرارة أقل ، وثبات أعلى لمحلول الحفر وتحكم أفضل في معدل الحفر [18]. يوضح الشكل 7 مقارنة بين التركيب القلوي وعملية التركيب الحمضي للرقائق متعددة البلورات.
الشكل 7: مقارنة القوام القلوي والحمضي للرقائق متعددة البلورات. تم عرض منحنيات الانعكاس بعد ترسيب SiNx: H أيضًا للمقارنة [17].
يمكن إجراء عملية التركيب الحمضي للرقاقة متعددة البلورات في وقت أقل بكثير مقارنة بعملية التركيب القلوي ، وبالتالي يمكن تنفيذها في تكوين "مضمّن" حيث يتم تمرير الرقائق عبر بكرات مغمورة في حمام النقش. يتم عرض صورة تمثيلية لعملية مضمنة جنبًا إلى جنب مع عملية التركيب الحمضية النموذجية في الشكل 8. لتكوين خمسة حارات ، يمكن أن يكون للأداة المضمنة إنتاجية تصل إلى 4000 ويفر / ساعة. من المهم ملاحظة أن سطح الرقاقة المتجه لأسفل في محلول النقش محكم بشكل أفضل من الجانب العلوي وهو "الجانب المشمس" لمزيد من المعالجة. تؤدي عملية التركيب الحمضي إلى تكوين سيليكون مسامي على السطح المحكم يمتص الضوء ويزيد أيضًا من إعادة تركيب السطح [18]. ومن ثم تتم إزالة السيليكون المسامي باستخدام محلول قلوي مخفف. بعد ذلك ، يتم إجراء التنظيف الحمضي (HF + حمض الهيدروكلوريك) لإزالة الأكاسيد والتلوث المعدني من أسطح الرقاقة.
الشكل 8. (أ) عملية مضمنة تمثيلية مع خمسة ممرات و (ب) تدفق عملية التركيب الحمضي للرقائق متعددة البلورات.
من المهم ملاحظة أن عملية التركيب الحمضية التي تمت مناقشتها أعلاه مناسبة للرقائق متعددة البلورات المنشورة بأسلاك الملاط (SWS). في السنوات القليلة الماضية ، حلت عملية النشر بالأسلاك الماسية (DWS) محل القطع القائم على سلك الطين بسبب العملية والمزايا الاقتصادية [19]. إن تلف المنشار لرقائق SWS متعددة البلورات هو أكثر من رقائق DWS ، التي تحتوي على أخاديد عميقة مستقيمة وسطح أكثر نعومة من رقائق المنشار ذات الأسلاك الطينية [19]. يلعب تلف المنشار لرقائق SWS دورًا مهمًا في بدء عملية التركيب ، والتي لا تحدث لرقائق DWS.
تم اقتراح طرق مختلفة لتركيب رقائق DWS متعددة البلورات وتم تلخيصها في الجدول 2 [20]. من خلال ضبط الطرق المختلفة ، يمكن الحصول على انعكاس بنسبة تقارب 0٪ ، ومن ثم تم استخدام مصطلح "السيليكون الأسود" لعملية تركيب رقائق DWS متعددة البلورات. كانت RIE هي الطريقة الأولى لصنع السيليكون الأسود وتستخدم سداسي فلوريد الكبريت (SF6) للتفاعل مع Si والغازات مثل Cl2 و O2 لتخميد التفاعل والحد منه [20]. في الآونة الأخيرة ، تم عرض الخلايا الشمسية التجارية متعددة PERC بمتوسط كفاءة 21.3٪ باستخدام عملية التركيب القائمة على RIE [21]. ومع ذلك ، نظرًا لأن RIE عبارة عن عملية قائمة على الفراغ ، فإن الإنتاجية منخفضة مقارنة بالعملية المضمنة النموذجية ، كما يلزم إجراء معالجة مسبقة إضافية ومعالجة لاحقة لإزالة تلف المنشار والأضرار الناجمة عن القصف الأيوني ، على التوالي. تم تنفيذ أحد أشكال طريقة RIE التي لا تتطلب الفراغ أو البلازما في أداة تجارية [22].
طريقة
الكواشف
قناع
عامل حفاز
الحد الأدنى من الانعكاس (٪)
النقش الأيوني التفاعلي (RIE) | سادس6/O2، سادس6/ Cl2/O2، سادس6/O2/ CH4 | لا أحد | لا أحد | 4.0 |
غرس أيونات الغمر بالبلازما (PIII) | سادس6/O2 | لا أحد | لا أحد | 1.8 |
تشعيع الليزر | CCl4, C2Cl3F3، سادس6، Cl2, N2، هواء | لا أحد | لا أحد | 2.5 |
حفر البلازما | سادس6 | Ag نانو الجسيمات | لا أحد | 4.2 |
النقش الكيميائي بمساعدة المعادن (MACE) | AgNO3/ HF / HNO3 | لا أحد | Ag ، Au | 0.3 |
الحفر الكهروكيميائي | HF ، EtOH ، H2O | لا أحد | لا أحد | & لتر ؛ 5.0 |
الجدول 2 - طرق مختلفة لتركيب الرقائق متعددة البلورات المنشورة بأسلاك الماس [20].
تتمثل إحدى طرق تركيب رقائق DWS متعددة البلورات في ترقية الكيمياء القائمة على التركيب الحمضي مع الإضافات [23 ، 24 ، 25]. يمكن أن يكون لمثل هذا النهج CoO أقل مقارنة بالنهج القائم على MACE [23]. تم إثبات انعكاس مثل هذا النهج القائم على المواد المضافة ليكون مشابهًا لمحلول التكسية التقليدي مع كفاءة الخلايا الشمسية بنسبة 18.7 ٪ للبنية القائمة على Al-BSF [24].
التركيب القائم على MACE مشابه لطريقة النقش الحمضية التقليدية مع خطوة إضافية لترسيب المعدن التحفيزي. يتكون تدفق العملية من SDR ، وترسيب المعدن المحفز ، والحفر الكيميائي والمعالجة اللاحقة. تم الحصول على كفاءات 19.2٪ لخلايا Al-BSF المتعددة التجارية باستخدام عملية تركيب MACE من النوع الدفعي [26]. تم إثبات الأداة التجارية المضمنة القائمة على MACE مع إمكانية ضبط الانعكاس في نطاق 12-23٪ والحصول على متوسط كفاءة لهيكل Al-BSF و PERC بنسبة 18.8 و 20.2٪ على التوالي [27]. يتم عرض الصور التمثيلية للسطح المحكم استنادًا إلى عملية MACE في الشكل 9. من المحتمل أن تكون تكلفة الملكية (CoO) لعملية MACE المضمنة أقل مقارنة بعملية MACE القائمة على الدُفعات مع نطاق لتقليلها أكثر عن طريق إعادة تدوير Ag من حمام التركيب [27].
الشكل 9: رقائق DWS متعددة الطبقات من MACE ، (أ) السطح مع Ravg=12٪ و (ب) السطح مع Ravg=22٪ [27].
4.3 عزل الحواف القائم على الكيمياء الرطبة
يتم تصنيع منطقة الباعث في الخلية الشمسية من خلال عملية انتشار ذات درجة حرارة عالية (ستتم مناقشتها في الأقسام القادمة). أثناء عملية الانتشار ، يتم ترسيب زجاج سيليكات الفوسفور (PSG) على الرقاقة التي يجب إزالتها قبل ترسيب طبقة ARC. كما هو موضح في الشكل 10 ، بعد خطوة الانتشار ، توجد المنطقة من النوع n أيضًا على الحواف والجانب الخلفي للرقاقة. ستعمل الطبقة من النوع n على الحواف والجانب الخلفي على قصر دائرة الباعث مع الركيزة الأساسية ومن ثم من المهم حفر هذه المناطق وعزل الباعث على FS من الركيزة الأساسية كما هو موضح في الشكل 10 (ج).
الشكل 10 - معالجة رقاقة السيليكون بعد الانتشار وعزل الحافة (أ) رقاقة السيليكون المحكم ، (ب) رقاقة السيليكون المنتشرة ، (ج) رقاقة السيليكون المنتشرة بعد عزل الحافة.
يمكن إجراء عملية عزل الحواف بطريقة مضمنة مماثلة لعملية التركيب التي تمت مناقشتها في القسم السابق. الاستثناء في هذه الحالة هو أن المادة الكيميائية يجب أن تحفر فقط الجانب الخلفي والحواف دون التفاعل مع الخدمة الثابتة. تظهر صورة تمثيلية لعملية عزل الحواف في الشكل 11. من المهم ملاحظة أن البكرات موجودة فقط في الجانب السفلي لتجنب أي تلامس بين محلول النقش والجانب الأمامي. الخطوات اللاحقة بعد نقش RS مماثلة لتلك الموجودة في آلة النسيج المضمنة.
الشكل 11: صورة تمثيلية للخلية الشمسية في حمام مضمن بعزل الحافة.
5. العمليات الحرارية لتصنيع الخلايا الشمسية
تشكل عمليات درجات الحرارة المرتفعة جزءًا حيويًا من تصنيع الخلايا الشمسية. ومن الأمثلة على هذه العمليات تشكيل تقاطع pn عن طريق الانتشار أو إطلاق جهات الاتصال المطبوعة على الشاشة أو تنشيط طبقات تخميل السطح أو عملية التلدين الناتجة عن العيوب. يلقي القسم الضوء على الفيزياء الأساسية لعملية انتشار الباعث وترسيب البخار الكيميائي المحسن بالبلازما (PECVD).
5.1 انتشار الباعث
يعد انتشار الباعث أحد الخطوات الحرارية الحاسمة في تصنيع الخلايا الشمسية الصناعية. يتكون الباعث من النوع n لخلايا السيليكون الشمسية من النوع p البلوري عن طريق انتشار الفوسفور (P). في عملية الانتشار ، يتم إرسال رقائق Si في الفرن وتعريضها عند 800-900 درجة مئوية لكلوريد الفوسفوريل (POCl3) و O2 مما يؤدي إلى ترسب PSG على أسطح رقاقة Si. تسمى هذه الخطوة بالترسيب المسبق ، حيث يعمل PSG [28] كمصدر لمواد الفوسفور (P) لتنتشر في رقاقة Si. والخطوة التالية هي محرك الأقراص ، حيث يتم فصل إمداد الغازات الشائبة وينتشر P من طبقة PSG بشكل أكبر في رقاقة Si. هانيس إتال. [29] يوضح جدوى العملية المثلى للتطبيقات الكهروضوئية ، يجب مراعاة ثلاثة تأثيرات مختلفة. أولاً ، انتشار P من PSG ووجوده في الحالات النشطة كهربائيًا وغير النشطة في رقاقة Si ، مما يزيد من إعادة تركيب Shockley-Read-Hall (SRH). ثانيًا ، إزالة الشوائب في طبقة Si باتجاه طبقة PSG. أخيرًا ، يسحب تكوين التلامس المعدني مع باعث P-doped Si الطاقة المتولدة.
يتم قياس عملية الانتشار بواسطة مقاومة الألواح التي تعتمد على عمق تقاطع pn وملف تركيز P. تحتوي مقاومة الصفيحة على وحدات Ω / سم (تقاس عادةً كـ Ω / □) ويتم قياسها باستخدام نظام مسبار من أربع نقاط. يتم توضيح تعريف مقاومة الصفيحة في المعادلة. (1).
حيث R=مقاومة قسم مستطيل (Ω) ؛ ρ=المقاومة (Ω سم) ؛ l=طول المقطع المستطيل (سم) ؛ أ=مساحة المقطع المستطيل (سم 2) ؛ W=عرض المقطع المستطيل (سم) ) ؛ D=عمق المقطع المستطيل (سم) وρ الورقة=المقاومة لعمق معين (D) عندما l=W (Ω / □).
كانت القيم السابقة لمقاومة الصفيحة الباعثية 30-60 / مع أعماق تقاطع pn تبلغ> ؛ 400 نانومتر وتركيز سطح عالي P مع التحسينات في معجون ملامسة الجانب الأمامي الفضي (Ag) ، أصبحت مقاومة الصفيحة الباعثة الآن في نطاق 90-110Ω / مع عمق تقاطع يبلغ حوالي 300 نانومتر وتركيز سطح P أقل. يسمح التحول إلى مقاومة أكبر للورق بالتقاط المزيد من الضوء في طيف الأشعة فوق البنفسجية والأزرق ، مع تقليل إعادة تركيب السطح لتحسين Voc. وتجدر الإشارة إلى أن عملية الانتشار تحدث في الخدمة الثابتة (المعرضة مباشرة للغازات) وكذلك على الحواف و RS. إذا لم يتم تنفيذ عملية عزل الحافة (كما تمت مناقشته في القسم 4.3) ، فسيتم قصر دائرة الباعث مع الركيزة.
يوضح الشكل 12 عملية انتشار POCl3 في نظام أنبوب كوارتز مغلق. POCl3 هو مصدر سائل يتم توفيره لأنبوب العملية عن طريق فقاعات بغاز حامل N2. عن طريق الخلط
الشكل 12. (أ) تمثيل تخطيطي لعملية الانتشار من نوع الدُفعات و (ب) صورة تمثيلية لمعدات نشر من نوع الدُفعات. المصدر: centrotherm GmbH.
على سطح Si ،
ينظف الكلور ، وهو منتج ثانوي أثناء الترسيب المسبق ، الرقائق وأنبوب الكوارتز عن طريق تكوين معقدات مع المعادن. يستخدم PSG كمصدر للقيادة في ذرات P إلى سطح Si. أثناء عملية التشغيل ، يتم إيقاف تشغيل POCl3 ويتم إضافة O2 فقط لبناء طبقة أكسيد رقيقة أسفل PSG لتعزيز انتشار ذرات P في سطح Si.
يوجد داخل أنبوب الانتشار خمس مناطق تسخين كما هو موضح في الشكل 13. المناطق هي:
منطقة التحميل (LZ) - المنطقة التي يتم تحميل الرقاقات منها في الأنبوب.
منطقة التحميل المركزية (CLZ) - المنطقة الواقعة بين منطقة التحميل والمنطقة المركزية.
منطقة المركز (تشيكوسلوفاكيا) - المنطقة المركزية للأنبوب.
منطقة الغاز المركزية (CGZ) - المنطقة الواقعة بين منطقة المركز ومنطقة الغاز.
منطقة الغاز (GZ) - المنطقة التي تخرج منها الغازات عبر العادم.
الشكل 13 مناطق التسخين داخل أنبوب الانتشار.
عادةً ما يتم ضبط درجات حرارة كل منطقة تسخين للحصول على مقاومة صفائح باعث متساوية لجميع الرقاقات عبر القارب.
يجب أن تكون بيئة عملية الانتشار نظيفة للغاية وبالتالي يتم استخدام مادة الكوارتز للأنابيب. تؤثر أيضًا نظافة الأنابيب وصيانة منطقة التحميل على نتائج العملية. نظرًا لعدم وجود بقايا في الأنبوب في انتشار الطور الغازي ، فإنه ينتج عنه عملية أنظف. بواسطة تحميل نصف الملعب في ظروف الضغط المنخفض (LP) [31] ، يمكن زيادة الإنتاجية. عادةً ما يتم تحميل 1000 رقاقة في أنبوب واحد وبخمسة أنابيب انتشار في نظام نشر من نوع الدُفعات ، ويمكن تحقيق إنتاجية تصل إلى 3800 ويفر / ساعة لتصنيع الخلايا الشمسية.
كما تم استخدام نظام الانتشار المضمن حيث يتم نقل الرقاقات على حزام مع حمض الفوسفوريك كمصدر لمركبات الفوسفور في الإنتاج التجاري [32]. ومع ذلك ، بالمقارنة مع العملية المضمنة ، فإن عملية الدُفعات أكثر نظافة وفعالية وكفاءة. بالنسبة للخلايا الشمسية من النوع n أو مفاهيم الخلايا الشمسية المتقدمة مثل PERT ، يعتمد انتشار الدُفعات من النوع p على مصادر البورون (B) المشبعة مثل ثلاثي بروميد البورون (BBr3) [33 ، 34].
5.2 ترسب طلاء مضاد للانعكاس (ARC)
يعكس سطح Si العاري> ؛ 30٪ من الضوء الساقط. كما تمت مناقشته في القسم 4 ، تعمل عملية التركيب على تحسين التقاط الضوء. من المستحسن تقليل الانعكاس الذي يتم الحصول عليه عن طريق ترسيب طبقة ARC. كانت TiOx واحدة من أقدم المواد التي تم استخدامها كطبقة ARC للخلايا الشمسية ، ولكن نظرًا لعدم قدرتها على توفير تخميل سطحي مناسب ، تم استبدالها في النهاية بـ SiNx: H [37]. تم أيضًا استخدام أكسيد السيليكون المزروع حرارياً (SiO2) كمادة تخميل في خلايا الباعث الخلفية المنتشرة محليًا (PERL) التي تحطم الرقم القياسي. جعلت الميزانية الحرارية العالية ووقت المعالجة الطويل التخميل القائم على SiO2 غير مناسب للإنتاج الضخم للخلايا الشمسية [37]. تمت مناقشة مراجعة شاملة لمختلف ARC والمواد التخميلة لتطبيقات الخلايا الشمسية في [37].
عملية ترسيب البخار الكيميائي المحسن بالبلازما (PECVD) مناسبة لترسيب طبقة ARC من SiNx: H والتي لا تقلل الانعكاس فحسب ، بل تخمل أيضًا باعث الجانب الأمامي من النوع n والجزء الأكبر وبالتالي تحسين كفاءة الخلايا الشمسية [36 ، 37]. يتم عرض مخطط لنظام PECVD من نوع الدُفعات في الشكل 14. يتم تحميل الرقاقات في زورق من الجرافيت مع مواجهة الجوانب الأمامية لبعضها البعض. تقوم بلازما التردد الراديوي على أساس غازات الأمونيا (NH3) وسيلان (SiH4) التي تعمل عند درجة حرارة 400-450 درجة مئوية بترسيب طبقة SiNx: H المهدرجة حسب المعادلة. (4) [35]. ينتشر الهيدروجين المدمج في فيلم SiNx: H في الكتلة أثناء خطوة إطلاق النار (تمت مناقشتها في القسم التالي) ويخمد الروابط المتدلية لتحسين أداء الخلايا الشمسية [36 ، 37].
الشكل 14. (أ) رسم تخطيطي لعملية PECVD من نوع الدُفعات لـ SiNx: H ترسب و (ب) قارب الجرافيت لتحميل رقائق Si في فرن PECVD.
يتم التحكم في معامل الانكسار (RI) لغشاء SiNx: H بواسطة نسبة SiH4 / NH3gas ، بينما تعتمد السماكة على مدة الترسيب. يمكن لـ SiNx: ARC المستندة إلى H تقليل الانعكاس لطول موجة واحد ويتم إعطاء سمك الطول الموجي بواسطة [38] ،
أين=سمك طبقة SiNx: H ARC ، λ0=الطول الموجي للضوء الوارد و n1=معامل الانكسار لطبقة SiNx: H.
بناءً على العلاقة ، يُطلق على ARC أيضًا اسم "ربع الطول الموجي ARC". بالنسبة للخلايا الشمسية ، يتم اختيار RI والسمك لتقليل الانعكاس عند طول موجة يبلغ 600 نانومتر حيث إنها ذروة الطيف الشمسي. يتم تحديد سمك و RI لـ ARC ليكونا المتوسط الهندسي للمواد على كلا الجانبين ، أي الزجاج / الهواء و Si. السماكة النموذجية لـ SiNx: H ARC هي 80-85 نانومتر مع RI 2.0-2.1 مما يعطي الخلية الشمسية لونًا من الأزرق إلى الأزرق البنفسجي. تظهر صورة تمثيلية لخلية شمسية متعددة البلورات محكم ترسب مع SiNx: H في الشكل 15 (أ) ، بينما يظهر تباين لون SiNx: H بناءً على سمكها في الشكل 15 (ب). من المهم ملاحظة أن هناك اعتمادًا على نسيج السطح ولون ARC لمعلمات الترسيب المحددة. هناك مجموعة متنوعة من الوحدات الشمسية حيث يكون لون الخلايا الشمسية أغمق على عكس اللون الأزرق النموذجي. تتكون مرحلة ترسيب ARC النموذجية في خط تصنيع الخلايا الشمسية من نظامين PECVD ، كل منهما يحتوي على أربعة أنابيب وإنتاجية تصل إلى 3500 wafers / h.
الشكل 15. (أ) صورة تمثيلية لـ SiNx: H خلية شمسية متعددة البلورات مغلفة ، (ب) تباين طبقة SiNx: H بناءً على سمكها.
SiNx: H غير مناسب لتخميد Si من النوع p وبالتالي تستخدم عوازل كهربائية مثل Al2O3 لتخميل RS لبنية الخلية مثل خلايا PERC [8] أو للبواعث من النوع p في الخلايا الشمسية من النوع n. بالنسبة لخلايا PERC الشمسية ، يتم توج الطبقة المميّزة Al2O3 بواسطة SiNx: H لحمايتها من عجينة Al أثناء عملية إطلاق النار وأيضًا بمثابة عاكس داخلي للضوء ذي الطول الموجي الطويل. تتوفر الأنظمة القائمة على PECVD وترسيب الطبقة الذرية (ALD) لترسيب Al2O3 بسعة تصل إلى 4800 ويفر / ساعة [39].
6. المعدنة وتوصيف الخلايا الشمسية
6.1 المعدنة القائمة على طباعة الشاشة
خطوة المعالجة الأخيرة لتصنيع الخلايا الشمسية هي معالجة FS و RS لاستخراج الطاقة بأقل خسائر مقاومة. Ag هو مادة تلامس جيدة للباعث من النوع n ، بينما يقوم Al بعمل اتصال جيد جدًا مع الركيزة من النوع p. يتم استخدام مزيج من عجينة Ag / Al لطباعة منصات على RS لتسهيل الترابط بين الخلايا الشمسية في وحدة نمطية. تعد طباعة الشاشة عملية بسيطة وسريعة ومتطورة باستمرار لمعدن الخلايا الشمسية.
يظهر تمثيل تخطيطي لعملية طباعة الشاشة في الشكل 16. تحتوي الشاشات على شبكة من الفولاذ المقاوم للصدأ مطلية بالمستحلب مع فتحات وفقًا لنمط المعدنة المطلوب كما هو موضح في الشكل 17 (أ). ينتشر المعجون المعدني على الشاشة عبر الفيضان وحركة الممسحة التي ترسب العجينة على الخلية الشمسية بناءً على نمط الشاشة. Snap-off هي المسافة بين الشاشة والخلية الشمسية. يعد ضغط الممسحة ومسافة الانطباق من العوامل الحاسمة التي تحدد وضع العجينة وهندسة أصابع Ag FS.
الشكل 16: رسم توضيحي لعملية طباعة الشاشة لمعدن الخلايا الشمسية.
الشكل 17. (أ) شاشة مستحلب الشبكة مع فتح الإصبع لطباعة FS Ag [40] و (ب) نمط المعدنة التمثيلي FS.
يتم وضع عجينة نموذجية للوسادات Ag / Al RS ، RS Al و FS Ag هي 35-45 مجم ، 1.1-1.4 جم و 100-120 مجم ، على التوالي لخلية شمسية متعددة البلورات Al-BSF بحجم 6 إنش. يظهر نمط تعدين Ag FS توضيحي في الشكل 17 (ب). تم تقليل فتحة الإصبع Ag إلى أقل من 30 ميكرومتر ، بينما يتم اعتماد تطبيق 5 قضيب ناقل بشكل متزايد الآن. مع معلمة الشاشة هذه ووضع معجون جيد ، يجب الحصول على FF ثابت من> ؛ يجب الحصول على 80٪ للخلايا الشمسية Al-BSF مع فقدان تظليل بصري قدره&لتر ؛ 6٪.
6.2 تجفيف وإشعال سريع لمعاجين المعدن
تتكون معاجين المعدنة من مسحوق معدني ومذيبات ومواد رابطة عضوية. في حالة عجينة FS Ag ، يحتوي اللصق أيضًا على فريت زجاجي بينما يحفر طبقة SiNx: H ويتلامس مع الباعث من النوع n [41]. يتم تجفيف المعاجين المعدنية بعد الطباعة ، وفي النهاية يتم إرسالها من خلال فرن الحرق السريع للتلبيد وتشكيل التلامس RS Al-BSF و FS Ag. يوضح الشكل 18. عملية تلبيد الأصابع FS Ag من خلال فرن الحرق السريع مع ملف تعريف درجة الحرارة. عندما تمر الخلية الشمسية عبر الفرن سريع الاشتعال ، يتم حرق المواد العضوية ، متبوعة بالصهر. تزجيج الزجاج وأخيراً تكوين بلورات Ag التي تلامس الباعث من النوع n. يجب ضبط ملف تعريف الحرق بناءً على الأنواع المحددة من معاجين المعدنة وملف تعريف انتشار الباعث. على سبيل المثال ، يمكن أن تكون درجة حرارة ذروة الإطلاق منخفضة حتى لا تشكل اتصالًا أوميًا جيدًا على FS ، بينما يمكن أن تؤدي درجة الحرارة المرتفعة جدًا إلى انتشار Ag من خلال التقاطع وتحويل تقاطع pn. صورة لخلية Al-BSF الشمسية متعددة البلورات كاملة موضحة في الشكل 20.
الشكل 18 (أ) مثال على فرن إشعال لتلبيد ملامسات المعادن و (ب) ملف تعريف درجة الحرارة التوضيحي لفرن الحرق. المصدر: centrotherm GmbH.
الشكل 19 - توضيح لعملية إطلاق النار. (أ) الاحتراق من الروابط العضوية ، (ب) ذوبان مزيج الزجاج الذي يحفر SiNx: H و (ج) تكوين بلوري Ag في واجهة الباعث.
الشكل 20. (أ) FS لخلية شمسية كاملة و (ب) RS لخلية شمسية كاملة.
6.3 المعدن من الجانب الأمامي بالطلاء
انخفضت تكلفة العوامل المختلفة في معالجة الخلايا الشمسية على مر السنين ، بينما لا تزال مساهمة Ag الأمامية هي الأكثر أهمية [42]. تم إنجاز قدر كبير من العمل لاستبدال Ag بمعدن بديل مثل النحاس (Cu) الذي له قيمة توصيل قريبة جدًا من Ag ، كما يوفر ميزة تكلفة كبيرة محتملة [43،44]. للنحاس قابلية عالية للانتشار والذوبان في Si ، وبالتالي يتم ترسيب طبقة حاجزة مثل النيكل (Ni) على Si قبل تصفيح النحاس [42]. يستخدم الطلاء المستحث بالضوء (LIP) المشتق من الطلاء التقليدي التأثير الكهروضوئي للضوء لصفيحة المعدن المطلوب وله العديد من المزايا مقارنة بالطلاء التقليدي [43 ، 44].
تتطلب عملية المعدن على الجانب الأمامي القائم على Ni-Cu خطوة نقش ARC إضافية في الجانب الأمامي على عكس المعدنة القائمة على عجينة Ag وفي معظم الحالات أيضًا خطوة تلبيد Ni إضافية لتقليل مقاومة التلامس والحصول على التصاق جيد للمكدس المعدني [42 ]. تم عرض خلايا DWS التجارية المقطوعة mc-Si على أساس مكدس مطلي Ni-Cu-Ag بعرض إصبع يبلغ 22 ميكرومتر ، ونسبة عرض إلى ارتفاع تقترب من 0.5 وكفاءة مماثلة لتلك الخاصة بالخلايا الشمسية المستندة إلى Ag المطبوعة على الشاشة المرجعية [45 ].
أدى التحسين المستمر في معاجين Ag FS جنبًا إلى جنب مع البساطة والموثوقية والإنتاجية العالية لعملية طباعة الشاشة إلى جعل عملية المعالجة المعدنية القائمة على Ni-Cu من الصعب عليها التنافس مع ميتاليز FS المستندة إلى Ag. ومع ذلك ، فإن مفاهيم كفاءة الخلايا الشمسية العالية مثل الخلايا الشمسية غير المتجانسة ثنائية الوجه ، حيث يمكن طلاء النحاس مباشرة على أكسيد موصل شفاف ، يتم تبسيط عملية الطلاء وتتطلب أداة واحدة فقط [39]. وبالمثل ، يمكن لمفاهيم الكفاءة العالية التي تتطلب كمية مخفضة من المعدن أن تحقق نفس الشيء باستخدام المعدن القائم على الطلاء [42 ، 46].
6.4 IV اختبار وتوصيف الخلايا الشمسية
الخطوة الأخيرة هي الاختبار الرابع للخلايا الشمسية الكاملة وفقًا لظروف الاختبار القياسية (STC) ، أي AM 1.5G ، 1000W / m2 مع جهاز محاكاة الطاقة الشمسية فئة AAA. يظهر مثال على فحص FS للخلية الشمسية في الشكل 21. يشار إلى المعلمات النموذجية التي تم الحصول عليها من جهاز اختبار IV في الجدول 3. يمتلك المختبرين IV العديد من معلمات التوصيف التي يمكن أن تكون مفيدة في تشخيص عيوب الخلايا الشمسية. يظهر التلألؤ الكهربائي التمثيلي (EL) وصورة الأشعة تحت الحمراء الحرارية لخلية شمسية مع بعض العيوب في الأشكال 22 (أ) - (ج). تظهر صورة EL لخلية شمسية جيدة ذات كثافة موحدة في الشكل 22 (أ) ، بينما بالنسبة للخلية الشمسية التي لا تُطبع فيها أصابع FS بشكل موحد ، يمكن رؤية تباين أغمق في الشكل 22 (ب). ) صورة حرارية بالأشعة تحت الحمراء لخلية شمسية مع تحويلة محلية تم تشكيلها أثناء إحدى خطوات المعالجة. في النهاية ، يتم فرز الخلايا الشمسية في صناديق كفاءة مختلفة بناءً على التصنيف المحدد.
الشكل 21- رابع قياس FS التحقيق لتوصيف الخلايا الشمسية.
معامل
تعليقات
Vأوك(V) | الخلايا الشمسية الجيدة mc-Si Al-BSF لها قيمة> ؛ 0.635V |
Iالشوري(A) | الخلايا الشمسية الجيدة mc-Si Al-BSF لها قيمة> ؛ 9.0 أ |
FF (٪) | الخلايا الشمسية الجيدة mc-Si Al-BSF لها قيمة> ؛ 80٪ |
كفاءة (٪) | الخلايا الشمسية الجيدة mc-Si Al-BSF لها قيمة> ؛ 18.6٪ |
Vالنائب(V) | الجهد المقابل عند نقطة الطاقة القصوى |
Iالنائب(A) | التيار المقابل عند أقصى نقطة طاقة |
Rs(Ω) | الخلايا الشمسية الجيدة mc-Si Al-BSF لها قيمة&لتر ؛ 1.5 متر مكعب |
Rش(Ω) | الخلايا الشمسية الجيدة mc-Si Al-BSF لها قيمة> ؛ 100Ω |
Iمراجعة(A) | يجب أن يكون التيار العكسي عند جهد −12V&لتر ؛ 0.5 أمبير للخلايا الشمسية الجيدة |
مقاومة FS BB-BB (Ω) | تم قياس المقاومة بين BB's على FS |
مقاومة RS BB-BB (Ω) | تم قياس المقاومة بين BB على RS |
الجدول 3 - معلمات توصيف الخلية الشمسية التي تم الحصول عليها من القياس الرابع.
الشكل 22: (أ) صورة EL لخلية شمسية جيدة ، (ب) صورة EL لخلية شمسية مع عدم انتظام في بصمة Ag و (ج) صورة الأشعة تحت الحمراء الحرارية لخلية شمسية تشير إلى وجود تحويلات محلية.
7. الاتجاهات المستقبلية
أصبح DWS هو المعيار للرقائق أحادية البلورة ، بينما من المتوقع أن يكون لها حصة في السوق تبلغ> ؛ 80٪ بحلول عام 2022 للرقائق متعددة البلورات [2]. من المتوقع أن يتم التخلص التدريجي من نظام SWS للرقائق متعددة البلورات بحلول ذلك الوقت. مع DWS ، ستصبح خسارة الشق أيضًا&لتر ؛ 80 ميكرومتر بحلول عام 2022 ، مما سيقلل بدوره من استهلاك بولي سيليكون لكل رقاقة أقل من 15 جم. من المتوقع أن يتم التخلص التدريجي من تصميم 3BB لجهات الاتصال الأمامية بحلول عام 2020 بحصة 50٪ لتصميم 5BB. مع التحسينات المستمرة في عجائن Ag والشاشات ، من المتوقع أن ينخفض عرض أصابع FS إلى 30 ميكرومتر بحلول عام 2022. وقد تجاوزت أدوات المعالجة الكيميائية الرطبة إنتاجية 8000 ويفر / ساعة في عام 2018 وستلمس 9000 ويفر / ساعة بحلول عام 2020. معدات المعالجة الحرارية وصلت إلى إنتاجية 5000wafers / h في 2018 ومن المتوقع أن تتجاوز 7000 wafers / h بحلول عام 2020. ومن المتوقع أن يصل إنتاجية قسم المعدنة والاختبار / الفرز IV إلى> ؛ 7،000 wafers / h بحلول عام 2022.
تقنية الخلايا القائمة على Al-BSF والتي تمتلك حصة سوقية تبلغ> ؛ 60٪ في 2018 من المتوقع أن تنخفض إلى&لتر ؛ 20٪ بحلول عام 2025. مع زيادة التركيز على مفاهيم الخلايا الشمسية عالية الكفاءة ، حصة PERC من المتوقع أن تبلغ التكنولوجيا> ؛ 50٪ بحلول عام 2022. من المتوقع أن تبلغ كفاءة إنتاج Mono PERC> ؛ 22٪ بحلول عام 2022 ، بينما بالنسبة لـ PERC المتعددة يجب أن تلمس 21٪ في نفس الوقت. يتمثل أحد الجوانب المهمة المتعلقة بـ mult-PERC في التخفيف من المشكلة القائمة على LeTID لتقليل فقدان الكفاءة بعد تثبيت الوحدات النمطية في الحقل. خلايا Si HJ بكفاءة> ؛ 22٪ في عام 2018 بعد أن كان من المتوقع أن تصل إلى كفاءة مستقرة بنسبة 23٪ بحلول عام 2020 ، مع حصة سوقية تبلغ حوالي 10٪ بحلول عام 2022. خلايا ثنائية الوجه ذات كفاءة عالية مع ميزة إضافية للاستفادة من الطاقة الشمسية من المتوقع أن يكون للإشعاع من الجانب الخلفي حصة في السوق تبلغ 20٪ بحلول عام 2022. ومن المتوقع أن تتجاوز كفاءة الخلايا الشمسية ذات التلامس الخلفي من النوع N 24٪ بحلول عام 2020.
8. الاستنتاجات
أصبحت خلايا Si الشمسية جزءًا مهمًا من مجال الطاقة المتجددة على مدار العقود الماضية مع تقنيات التصنيع الناضجة. أصبحت الرقاقات متعددة البلورات من النوع P هي الدعامة الرئيسية لإنتاج الخلايا الشمسية. ومع ذلك ، مع زيادة الكفاءة وانخفاض تكاليف الإنتاج ، اكتسبت الخلايا الشمسية أحادية البلورة أيضًا حصة كبيرة ومن المتوقع أن تتنافس بشكل وثيق مع الرقائق متعددة البلورات في المستقبل القريب. بالنسبة لتقنية Al-BSF القياسية ، أصبح 19 و 20٪ معيارًا للخلايا الشمسية متعددة البلورات وأحادية البلورية ، على التوالي. وصلت خلايا Mono-PERC و multi-PERC كفاءات ثابتة تبلغ 21.5 و 20٪ على التوالي. بالإضافة إلى ذلك ، يوفر PERC أيضًا نهجًا أبسط للخلايا الشمسية ثنائية الوجه من خلال وجود نمط شبكة على RS بدلاً من جهة الاتصال الكاملة. تتمتع الخلايا الشمسية عالية الكفاءة من النوع n والخلايا الشمسية ثنائية الوجه بحصة سوقية تبلغ&لتر ؛ ومن المتوقع أن تزداد في المستقبل بنسبة 10٪. لقد نضجت تقنيات التصنيع بشكل كبير خلال السنوات القليلة الماضية مع مزيد من التحسينات لزيادة الإنتاجية.
شكر وتقدير
يود المؤلفون أن يشكروا الزملاء من RCT Solutions GmbH الذين تم أخذ بعض محتويات الفصل منهم. يود ميهول رافال أن يشكر زميله جيم زو على المناقشات المتعلقة بتركيب السيليكون الأسود.