Огляд сучасних технологій сонячних панелей

Теоретична основа роботи сонячних панелей заснована на принципі фотоефекту — перетворення енергії світла на електрику. Звучить відносно просто? Звичайно.

Але якщо спробувати розібратись трохи детальніше, на передній план вийдуть складні технології, націлені на отримання приросту ККД фотоелементів. Насправді, таких технологій було досить багато, однак до реального використання у масштабному виробництві дійшли тільки деякі з них. Саме такі технології сонячних панелей ми і розглянемо далі.

Що таке сонячний елемент PERC?

Пасивована сонячна батарея із заднім випромінювачем, або коротше PERC (Passivated rear emitter contact solar cell), є типом архітектури сонячних елементів, який захопив сонячну фотоелектричну промисловість. Винайдена групою на чолі з професором Мартіном Гріном в UNSW у 80-х і 90-х роках, ця технологія була розгорнута близько 2019 року більшістю великих виробників сонячної фотоелектричної енергії у світі.

На малюнку (a) показано традиційну архітектуру Si solar cell, на яку припадає більшість сонячних фотоелементів, вироблених у світі на початку та середині 2010-х років. Сонячний елемент створений на основі кремнієвої пластини p-типу. Передня поверхня (випромінювач) пасивується діелектриками, такими як SiNx, які також діють як антивідбивний шар. Однак задня поверхня кремнієвої пластини не пасивується жодним діелектриком. Алюміній (Al) легується в Si для утворення поля задньої поверхні (BSF) під час процесу спільного випалювання металу, щоб діяти як з’єднання, що запобігає рекомбінації неосновних носіїв на задній поверхні.

З іншого боку, для сонячного елемента PERC, як показано на малюнку (b), як передня, так і задня поверхні пристрою пасивуються діелектриками. Невеликі отвори заднього шару діелектрика відкриваються (витравлюються) за допомогою лазера, щоб метал міг контактувати із задньою поверхнею пристрою.

Порівняно зі звичайними кремнієвими сонячними батареями, PERC здатний підвищити ефективність кремнієвих сонячних елементів головним чином за рахунок додаткового пасивуючого діелектричного шару на задній стороні за рахунок:

1. Пасивації на задній стороні, яка запобігає рекомбінації (усуненню) неосновних носіїв (струму, що генерується в результаті поглинання світла) на задній поверхні.

2. Додатковий шар заднього діелектрика відображає довгохвильові фотони від задньої поверхні назад до пристрою для більшого поглинання світла та створення струму.

Що таке сонячний елемент PERT?

PERT – це абревіатура від пасивованого випромінювача, який ззаду повністю розсіяний (passivated emitter rear totally diffused). Останнім часом він привернув широку увагу з боку сонячної фотоелектричної промисловості та науково-дослідних установ. Зокрема, оскільки популярна структура PERC, схоже, досягає вузького місця практичної межі ефективності перетворення електроенергії, дослідники фотоелектричної енергії шукають інші архітектури елементів, щоб продовжувати підвищувати ефективність промислово життєздатних Si сонячних елементів.

На малюнку показано різницю між структурою PERC p-типу та структурою PERT n-типу.

Структура PERC (пасивований задній контакт випромінювача) має локалізоване поле задньої поверхні (BSF). BSF створюється з легування Al в Si під час процесів спільного випалу металу. BSF допомагає підвищити ефективність сонячних батарей, утворюючи перехід «високий-низький» із базовою пластиною Si p-типу. Це з’єднання відштовхує міноритарні носії та запобігає їх рекомбінації на задній поверхні кремнієвої пластини.

З іншого боку, для структури PERT задня поверхня «повністю дифундована» або бором (p-тип), або фосфором (n-тип). Зазвичай технологія PERT реалізується на кремнієвих сонячних елементах n-типу. Це має на меті скористатися перевагами більш високої стійкості пластин кремнію n-типу до металевих домішок, нижчого температурного коефіцієнта та меншої деградації, викликаної світлом, ніж пластини кремнію p-типу. Деградація, індукована світлом, нижча в Si n-типу, можливо, через меншу кількість пар бор-кисень, оскільки основна маса пластин n-типу легована фосфором.

Тим не менш, «повністю дифузійний» BSF потребує додаткових нових процесів, таких як високотемпературний POCL та дифузія BBr3. В результаті PERT дорожчий у виробництві, ніж PERC.

Тим не менш, повна площа BSF в сонячних елементах PERT може забезпечити більш ефективний ефект пасивації високо-низького переходу, ніж локалізований, більш грубий BSF на основі Al в PERC. Крім того, PERT n-типу також дозволяє інтегрувати так звану структуру пасивованого тунельного оксиду (TOPCON). Ця структура TOPCON має потенціал для подальшого підвищення ефективності пристрою.

Що таке сонячний елемент TOPCON?

Сонячний елемент TOPCON (також відомий як пасивований контакт) рекламується як наступне покоління технології сонячних елементів після PERC. Ця нова архітектура була представлена дослідниками з Інституту сонячної енергії Фраунгофера в Німеччині в 2013 році.

У порівнянні з іншими потенційними новими технологіями, такими як HJT, TOPCON можна оновити з поточної лінійки PERC або PERT . Як наслідок, для існуючих виробників PERC або PERT, які хочуть модернізувати свої існуючі виробничі лінії, необхідні менші капіталовкладення. Крім того, можна досягти хорошого підвищення ефективності сонячних елементів. Це приблизно 1% за абсолютним значенням.

TOPCON — це абревіатура від «Tunnel Oxide Passivated Contact». На малюнку показано цю архітектуру клітини в порівнянні з сонячною батареєю n-PERT.

Як показано на малюнку, n-PERT і n-TOPCON дуже схожі. Як правило, для оновлення сонячної батареї n-PERT до сонячної батареї n-TOPCON потрібні лише додатковий ультратонкий шар SiO 2 і легований полі-Si шар.

Ультратонкий SiO 2 діє як поверхневий пасивуючий шар між задньою поверхнею Si і заднім «контактом» – полі-Si шаром. Крім того, він також повинен бути досить тонким, щоб струм міг тунелювати через нього квантово-механічно.

Полі-Si шар сильно легований для отримання шару з високою провідністю. Цей шар із високою провідністю буде діяти як контакт для збору струму. Крім того, у TOPCON n-типу шар полі-Si зазвичай легований фосфором для забезпечення пасивації поля ( поле задньої поверхні ). Це подібне до легованої фосфором задньої поверхні n-PERT, як показано на частині (a) малюнку.

З додаванням тунельного оксидного шару оригінальні автори з Інституту сонячної енергії Фраунгофера повідомили про збільшення абсолютної ефективності сонячних елементів на ~1%

Що таке сонячний елемент HJT?

HJT — це абревіатура від сонячних елементів із гетеропереходом (hetero-junction solar cells). Представлений японською компанією Sanyo у 1980-х роках, а потім придбаний Panasonic у 2010-х, HJT вважається ще одним потенційним наступником популярної сонячної батареї PERC, окрім інших технологій, таких як PERT і TOPCON .

Завдяки меншій кількості етапів обробки елементів у HJT і значно нижчій температурі обробки елементів, ця архітектура може спростити поточні лінії виробництва сонячних елементів, які в даний час значною мірою базуються на технології PERC.

Як показано на малюнку, HJT сильно відрізняється від популярної структури PERC. В результаті виробничі процеси між цими двома архітектурами дуже відрізняються. У порівнянні з n-PERT або TOPCON, які можна модернізувати з поточних ліній PERC, HJT вимагає значних капіталовкладень у нове обладнання для початку масового виробництва.

Крім того, як і з багатьма новими технологіями, довгострокова стабільність роботи/виробництва HJT все ще розглядається. Це пов’язано з проблемами обробки, такими як сприйнятливість аморфного кремнію до високотемпературних процесів.

HJT демонструє високу ефективність сонячних елементів завдяки високоякісному гідрогенізованому внутрішньому аморфному Si (a-Si:H на малюнку), який може забезпечити вражаючу пасивацію дефектів як на передній, так і на задній поверхні пластин Si (як n-типу, так і p-типу полярності).

Використання ITO як прозорих контактів також покращує потоки струму, одночасно діючи як антивідбивний шар, щоб забезпечити оптимальне уловлювання світла. Крім того, ITO також можна осадити шляхом розпилення при низькій температурі, таким чином уникаючи повторної кристалізації аморфного шару, що вплине на якість пасивації матеріалів на об’ємній поверхні Si.

Незважаючи на проблеми обробки та високі капіталовкладення, HJT залишається привабливою технологією. Ця технологія демонструє здатність досягати ефективності сонячних батарей >23% у порівнянні з ~22%, показаними технологіями TOPCON, PERT і PERC.