Извор: ввв.интецхопен.цом/боокс/солар-целлс/индустриал-силицон-солар-целлс
Написали Мехул Ц. Равал и Сукумар Мадугула Редди
Објављено: 4. октобра 2018. Рецензирано: 29. јануара 2019. Објављено: 15. маја 2019
ДОИ: 10.5772 / интецхопен.84817
Апстрактан
Поглавље ће представити индустријске технологије израде силиконских соларних ћелија са њиховим тренутним статусом. Размотриће се комерцијалне структуре п-типа и високо ефикасне структуре н-типа соларних ћелија које ће се упоредити како би читач могао да добије предност у индустријским соларним ћелијама. Представљен је кратак преглед различитих корака процеса од текстуре до ситоштампане метализације. Процеси текстурисања монокристалних и вишекристалних силицијумских плочица прегледани су најновијим поступцима. Приказан је преглед термичких процеса дифузијског и антирефлексног наношења премаза. Добро успостављени поступак ситотиска за метализацију соларних ћелија представљен је кораком брзог печења за синтеровање контаката. Уведено је ИВ испитивање соларних ћелија са различитим параметрима за карактеризацију соларних ћелија. Такође се разговара о најновијим достигнућима у различитим процесима и производњи опреме, заједно са очекиваним будућим трендовима.
Кључне речи
силицијум
соларне ћелије
производња
вишекристална
монокристални
текстурирање
1. Представљање
Фотонапонски системи су важан обновљиви извор енергије који је нагло порастао са 8 ГВ у 2007. на 400 ГВ у 2017. [1]. Заједно са све већом потражњом, трошкови фотонапонских система такође су значајно опали са 35,7 $ / Впин 1980 на 0,34 $ / Впин 2017 убрзавајући његово усвајање [2]. Силицијум (Си), који је важан материјал микроелектронске индустрије, такође је широко коришћен расути материјал соларних ћелија од 1950-их са тржишним уделом од [ГГ] гт; 90% [2]. Поглавље ће представити типичне кораке за производњу комерцијалних силицијумских соларних ћелија. Кратка историја соларних ћелија и преглед типа силицијумске подлоге заједно са различитим архитектурама соларних ћелија биће представљени у одељцима 2 и 3. Затим ће кораци влажне хемије и високе температуре који се користе у производњи бити описани у одељцима 4 и 5. Одељак 6 ће расправљати о процесу метализације заједно са типичним параметрима карактеризације комерцијалних соларних ћелија. Коначно, будућа мапа пута и очекивани трендови биће разматрани у завршном одељку.
2. Еволуција соларних ћелија
„Фотонапонски ефекат“ дословно значи стварање напона при излагању светлости. Појаву је први пут приметио француски физичар Едмунд Бецкуерел на електрохемијској ћелији 1839. године, док су је британски научници ВГАдамс и РЕДаи приметили на чврстом уређају од селена 1876. године [3]. Од педесетих година прошлог века, нагло је напредовао у перформансама комерцијалних соларних ћелија од [ГГ] лт; 1% до [ГГ] гт; 23% [2], а силицијум је „радни коњ“ фотонапонске индустрије од онда. Еволуција силицијумових соларних ћелија приказана је на слици 1.
Слика 1.Еволуција силицијумских соларних ћелија. (а) 1941: Соларна ћелија пријављена са ураслим спојем, (б) 1954: Соларна ћелија пн спој формирана дифузијом додавања, (ц) 1970: Љубичаста ћелија са полеђином од алуминијумског поља, (д) 1974: Црна ћелија са површина хемијске текстуре [3].
Прве силицијумске соларне ћелије које је Русселл Охл из Белл Лабораториес демонстрирао током 1940-их година биле су засноване на природним спојевима формираним од сегрегације нечистоћа током процеса рекристализације [3]. Ћелије су имале ефикасност од [ГГ] 1% због недостатка контроле над местом споја и квалитета силицијумског материјала. Номенклатура за именовање региона (п-тип: страна која је осветљење и н-тип: друга страна) коју даје Охл од тада се користи за конвенције о именовању соларних ћелија.
Током 1950-их дошло је до брзог развоја процеса дифузије високотемпературних лекова у силицијуму. Персон, Фуллер и Цхаплин из Белл Лабораториес демонстрирали су 4,5% ефикасну соларну ћелију са допингом на бази литијума, која се побољшала на 6% дифузијом бора. Соларна ћелија је имала „омотач“ око структуре (Слика 1 (б)) са оба контакта на задњој страни како би се избегли губици у сенци, али су довели до већих отпорних губитака због омотане структуре. До 1960. структура ћелија је еволуирала како је приказано уСлика 1 (ц). Будући да је апликација намењена истраживањима свемира, коришћена је подлога високе отпорности од 10Ω цм која има максималну отпорност на зрачење. Вакуумски испарени контакти су коришћени са обе стране, док је силикон моноксидни премаз коришћен као антирефлексни премаз (АРЦ) на предњој страни (ФС) [3].
Почетком 1970-их откривено је да је синтеровање алуминијума на задњој страни побољшало перформансе ћелије формирајући јако допирану површину интерфејса познату као „полеђина (Ал-БСФ)“ и добијање нечистоћа [3]. Ал-БСФ смањује рекомбинацију носача на задњој страни и тиме побољшава напон и спектрални одзив дугих таласних дужина. Примена финих и блиско размакнутих прстију смањила је захтев за допингом споја и елиминисала мртви слој. АРЦ титан-диоксида (ТиОx) је коришћена и његова дебљина је одабрана да смањи рефлексију за краће таласне дужине и даје љубичаст изглед соларним ћелијама. Даље побољшање је постигнуто текстурирањем наполитанки коришћењем анизотропног нагризања (100) наполитанки за излагање површина (111). Текстурирање је довело до побољшаног заробљавања светлости и дало је ћелијама тамни баршунасти изглед. Побољшана ћелијска архитектура приказана је уСлика 1 (д). 1976. године Риттнер и Арндт су демонстрирали земаљске соларне ћелије са ефикасношћу која се приближила 17% [3].
Соларна ћелија са пасивизираним емитерима (ПЕСЦ) постигла је прекретницу од 20% ефикасности у периоду 1984–1986. Површина контакта метал / силицијум била је само 0,3% у ПЕСЦ ћелијама, док је двослојни АРЦ од ЗнС / МгФ2је коришћен у обе ћелијске структуре. 1994. године демонстриране су пасивизоване задње локално дифузне ћелије емитера (ПЕРЛ) са ефикасношћу од 24% [3]. У поређењу са ПЕСЦ ћелијом, ПЕРЛ ћелија је имала обрнуте пирамиде на ФС ради бољег задржавања светлости и пасивизације на бази оксида на обе стране. Слој пасивације оксида на задњој страни такође је побољшао унутрашњу рефлексију дуге таласне дужине, а тиме и одзив спектра.
Поред еволуционих архитектура соларних ћелија, континуирано се развија и производни домен у смислу повећане пропусности, побољшаних корака процеса и смањених трошкова. Кратки преглед производње Си супстрата и различитих врста соларних ћелија дат је у следећем одељку.
3. Комерцијалне технологије силицијумских соларних ћелија
Си је други најраспрострањенији материјал на земљи после кисеоника и широко се користи у индустрији полупроводника. Металуршки силицијум (Мг-Си) чистоће 98% добија се загревањем кварца (СиО2) угљеником на високим температурама од 1.500-2.000 [4]. Мг-Си се даље пречишћава да би добио силиконске комаде соларне чистоће чистоће 99,99%. Рафинирани комадићи Си соларне класе се затим даље обрађују да би се добили монокристални и вишекристални облици Си ингота, који су велика маса силицијума. У монокристалном Си, атоми су распоређени у истој кристалној оријентацији у целом материјалу. За соларне ћелије је пожељна оријентација (100), јер се лако може текстурисати како би се смањио одраз површине [5]. Вишекристални Си, као што му име говори, има више зрна Си материјала са различитим оријентацијама, за разлику од монокристалних подлога. Моно-кристални материјали имају већи век трајања носача мањина у поређењу са вишекристалним Си-ом, а самим тим и већу ефикасност соларних ћелија за одређену технологију соларних ћелија.
Метода Цзоцхралског (Цз) за прављење монокристалних Си ингота приказана је на слици 2 (а). Растопљени силицијум високе чистоће са додавачем се одржава изнад тачке топљења, а затим се клиц клица полако извлачи да би се добио инготи пречника 300 мм и дужине 2 м [6]. Растопљени силицијум се може допинговати или додавачима п-типа или н-типа да би се добио специфични тип монокристалног Си ингота до 200 кг [2]. Облатне резане из ингота имају кружне ивице и отуда се облик назива „квадрат псуедо“. Мултикристални силицијумски инготи настају топљењем Си високе чистоће и кристализацијом у великом лонцу поступком усмереног очвршћавања [7], као што је приказано на слици 2 (б). Процес нема референтну оријентацију кристала попут Цз процеса и стога формира силицијумски материјал различитих оријентација. Тренутно су мултикристални Си инготи тешки [ГГ] гт; 800 кг [2], који се затим сечу на цигле, а облатне се даље пиле.
Тренутна величина монокристалних и вишекристалних плочица за производњу соларних ћелија је 6 инча × 6 инча. Подручје монокристалних плочица биће мало мање због псеудо-квадратног облика. Најчешће коришћени основни материјал за израду соларних ћелија су Си супстрати допирани бором п-типа. Си-супстрати Н-типа који се такође користе за израду соларних ћелија високе ефикасности, али имају додатне техничке изазове попут добијања равномерног допинга дуж ингота у поређењу са подлогама п-типа.
Слика 2. Илустрација (а) Цз поступка за монокристалне инготе и (б) процеса усмереног очвршћавања за мултикристалне инготе.
Широка класификација различитих типова соларних ћелија заједно са опсезима ефикасности приказана је на слици 3. Стандардна технологија алуминијумског поља са задњом површином (Ал-БСФ) једна је од најчешћих технологија соларних ћелија с обзиром на релативно једноставан производни процес. Заснован је на потпуном таложењу Ал на задњој страни (РС) поступком ситотиска и формирањем ап + БСФ који помаже одбијању електрона са задње стране супстрата п-типа и побољшава перформансе ћелије. Производни ток соларних ћелија Ал-БСФ приказан је на слици 4. Стандардни дизајн комерцијалних соларних ћелија је са мрежним узорком ФС и РС контактима на целој површини.
Слика 3. Широка класификација различитих врста соларних ћелија.
Слика 4. Производни ток соларних ћелија Ал-БСФ.
Соларна ћелија пасивизираног емитора са задњим контактом (ПЕРЦ) побољшава архитектуру Ал-БСФ додавањем слоја пасивизације са задње стране ради побољшања пасивизације на стражњој страни и унутрашњег одраза. Алуминијум-оксид је погодан материјал за РС пасивизацију са просечном ефикасношћу соларних ћелија близу 21% добијеном у производњи [8]. Постојећа линија соларних ћелија Ал-БСФ може се надоградити на ПЕРЦ поступак помоћу два додатна алата (таложење РС пасивацијског слоја и ласер за локализовано отварање контаката на РС).
Преостале три ћелијске архитектуре углавном су технологије веће ефикасности засноване на Си подлогама н-типа. Соларна ћелија а-Си хетеројункције има а-Си слојеве на ФС и РС н-типа Си подлоге да би створила „хетеројукције“ за разлику од конвенционалног пн споја заснованог на дифузији високе температуре. Таква технологија омогућава обраду на нижим температурама, али је веома осетљива на квалитет површинских интерфејса. Хетеројункциону соларну ћелију на бази а-Си комерцијално је произвела компанија Санио Елецтриц, коју је сада преузео Панасониц [9]. У дизајну соларних ћелија са интердигигираним повратним контактом (ИБЦ), оба контакта су присутна на задњој страни елиминишући губитке сенчења ФС контакта. Типично за ИБЦ соларне ћелије, спој ће се такође налазити на задњој страни. Један од раних произвођача високо ефикасних соларних ћелија ИБЦ н-типа је СунПовер Цорпоратион [10]. Двофазне ћелије, као што и само име говори, могу хватати светлост са обе стране соларних ћелија. То подразумева да задња страна такође има мрежне контакте који омогућавају сакупљање светлости. Пример двофазне технологије је соларна ћелија БиСОН коју је развио и комерцијализовао ИСЦ, Констанз [11]. Треба напоменути да наведена класификација није исцрпан списак разних других врста архитектура соларних ћелија које су у Р [ГГ] Д фази, близу комерцијализације или се већ производе. Следећи одељци ће дати преглед процесних корака за производњу соларних ћелија Ал-БСФ.
4. Процеси влажне хемије за производњу соларних ћелија
Третман заснован на мокрој хемији важан је корак у обради соларних ћелија за уклањање оштећења на тестерима (СДР) за изрезане облатне, текстурирање површине ради повећања апсорпције долазећег сунчевог зрачења и изолације ивица након процеса дифузије. Као што је објашњено у претходном одељку, углавном постоје монокристалне и вишекристалне силицијумске плочице које се користе за производњу соларних ћелија. Обрада заснована на мокрој хемији за одговарајуће врсте наполитанки биће размотрена унапред.
4.1 Текстурирање монокристалних силицијумских плочица
Као што је назначено у одељку 2, развој соларних ћелија започет је првенствено монокристалним облатнама и стога је користио добро успостављене методе из домена микроелектронике. Алкално анизотропно нагризање на бази КОХ / НаОХ користи се за пирамидално текстурирање монокристалних облатни. Резана монокристална облатна има пондерисану просечну рефлективност [ГГ] гт; 30% (преко таласне дужине 300–1,200 нм) која се смањује на 11–12% након процеса текстурисања. Типична морфологија површине алкалне текстуре приказана је на слици 5. Анизотропно решење за нагризање нагриза (100) површину облатни да би се откриле површине (111) које имају већу густину атома силицијума и због тога спорију брзину нагризања у поређењу са ( 100) лица. То резултира случајним пирамидалним структурама које чине угао од 54,7 ° у односу на површину плочице.
Слика 5. Типична површинска морфологија монокристалне облатне алкалне текстуре.
Типични параметри за процес алкалног текстурирања приказани су у Табели 1. Треба имати на уму да су вредности различитих параметара индикативне и да их не треба узимати као апсолутне јер на тржишту постоји низ произвођача адитива. Изопропилни алкохол (ИПА) је у почетку коришћен као адитив у раствору за текстурисање, који није укључен у реакцију нагризања, али делује као средство за влажење да побољша хомогеност поступка текстурисања спречавајући да се мехурићи Х2 (настали током реакције) придржавају површину силицијума [12]. Међутим, до 2010. године ИПА је постепено замењен алтернативним адитивима због недостатака попут нестабилне концентрације, јер је температура купке близу тачке кључања ИПА (82,4 ° Ц), високих трошкова, велике потрошње, опасности по здравље и експлозивности [12]. Многе групе су објавиле развојни рад за замену ИПА алтернативним адитивима како би се превазишли недостаци ИПА, повећао процесни процес и смањила површинска рефлексија [12,13,14,15,16]. Адитиви такође смањују време обраде на [ГГ] лт; 10 минута и продужавају век купања на [ГГ] гт; 100 покретања.
Процес
КОХ / ИПА
КОХ / адитив
КОХ (%) | 3 | [ГГ] лт; 3 |
ИПА (%) | 6 | — |
Адитив (%) | — | [ГГ] лт; 2 |
Температура процеса [° Ц] | [ГГ] гт; 80 | 70–100 |
Величина пирамиде [μм] | 5–12 | 2–7 |
Време процеса [мин] | 30–40 | 5–10 |
Органски садржај [вт%] | 4–10 | [ГГ] лт; 1.0 |
Тачка кључања [° Ц] | 83 | [ГГ] гт; 100 |
Животни век купке | [ГГ] лт; 15 | [ГГ] гт; 100 |
Табела 1. Параметри процеса за алкално текстурирање монокристалних плочица на бази ИПА и адитива.
Процес текстурисања монокристалних облатни обично се изводи у „шаржи“, што подразумева да су облатне натоварене у носач са прорезима за држање облатни (100 прореза у носачу), а затим се шаржа секвенцијално обрађује у купкама за текстурирање, чишћење, кораци обраде за уклањање органских остатака и загађења металима и сушење обрађених облатни. Носачи су обично обложени ПВДФ-ом који има врло добру отпорност на разне хемикалије, абразију и механичко хабање. Типични носач за руковање монокристалним облатнама приказан је на слици 6. Алат за шаржну текстуру има наменске купке за сваки корак са дозирним резервоарима за хемикалије које се користе у кади. Алат обрађује много носача истовремено и може постићи проток од [ГГ] гт; 6.000 облатни / х уз истовремено обрађивање четири носача.
Слика 6. Носачи за утовар облатни у шаржном алату. Извор: РЦТ солутионс ГмбХ.
4.2 Текстурирање вишекристалних силицијумских плочица
Вишекристалне облатне нуде предност у трошковима у поређењу са монокристалним облатнама и стога су шире прихваћене. Међутим, алкална хемија која се користи за текстурирање монокристалних облатни не делује добро за вишекристалне облатне због присуства различитих оријентација зрна. Развијена је алтернативна кисела хемија заснована на ХФ и ХНО3 за уклањање оштећења тестере и истовремено структурирање вишекристалних плочица [17,18]. Текстурирање на бази киселог раствора делује на температурама нижим од собне, што доводи до смањене емисије реакционих гасова, малог стварања топлоте, веће стабилности раствора за нагризање и боље контроле брзине нагризања [18]. Поређење алкалног текстурирања и процеса киселог текстурирања за вишекристалне облатне приказано је на слици 7.
Слика 7. Поређење алкалне и киселе текстуре за вишекристалне облатне. Криве рефлексије након таложења СиНк: Х такође су приказане за поређење [17].
Поступак киселог текстурирања вишекристалне облатне може се извршити за значајно скраћено време у поређењу са алкалним поступком текстурирања, па се стога може применити у „линијској“ конфигурацији где се облатне провлаче кроз ваљке уроњене у башту за јеткање. Репрезентативна слика поступка у линији заједно са типичним поступком киселог текстурирања приказана је на слици 8. За конфигурацију са пет трака, линијски алат може имати проток до 4.000 вафера / х. Важно је напоменути да је површина облатне окренута надоле у раствору за нагризање текстура боља од горње стране и представља „сунчану страну“ за даљу обраду. Кисели процес текстурисања доводи до стварања порозног силицијума на текстурној површини који апсорбује светлост и такође повећава површинску рекомбинацију [18]. Стога се порозни силицијум уклања разблаженим алкалним раствором. После тога се врши кисело чишћење (ХФ + ХЦл) за уклањање оксида и металне контаминације са површина плочица.
Слика 8. (а) Репрезентативни линијски поступак са пет трака и (б) ток киселог текстурисања за вишекристалне облатне.
Важно је напоменути да је горе описани поступак киселог текстурирања погодан за вишекристалне облатне пилеће жице (СВС). У протеклих неколико година, поступак пиљења дијамантном жицом (ДВС) заменио је резање на бази каше због процесних и економских предности [19]. Штета од тестера на СВС мултикристалним облатнама већа је него на облатни ДВС, које имају дубоке равне жлебове и много глаткију површину од пиљених наполитанки са житком жицом [19]. Оштећење тестере на СВС наполитанкама игра важну улогу у покретању процеса текстуре, што се не догађа код ДВС наполитанки.
Предложени су различити поступци за структурирање ДВС вишекристалних облатни и сажети су у Табели 2 [20]. Угађањем различитих метода може се добити рефлексија од близу 0% и отуда се термин „црни силицијум“ користи за процес текстуре ДВС мултикристалних плочица. РИЕ је била прва метода за добијање црног силицијума и користи сумпорни хексафлоурид (СФ6) за реакцију са Си и гасовима попут Цл2 и О2 за пасивирање и ограничавање реакције [20]. Недавно су комерцијалне мулти ПЕРЦ соларне ћелије са просечном ефикасношћу од 21,3% демонстриране поступком текстурирања на основу РИЕ [21]. Међутим, с обзиром да је РИЕ поступак заснован на вакууму, проток је низак у поређењу са типичним линијским поступком, а такође је потребна и додатна претходна обрада и накнадна обрада како би се уклонила оштећења тестере и оштећења услед бомбардовања јона. Варијанта РИЕ методе која не захтева вакуум или плазму примењена је у комерцијалном алату [22].
Метод
Реагенси
Маска
Катализатор
Минимална рефлексија (%)
Реактивно јонско нагризање (РИЕ) | СФ6/O2, СФ6/ Кл2/O2, СФ6/O2/ ЦХ4 | Ниједан | Ниједан | 4.0 |
Имплантација јона у плазми (ПИИИ) | СФ6/O2 | Ниједан | Ниједан | 1.8 |
Ласерско зрачење | ЦЦл4, C2Кл3F3, СФ6, Цл2, N2, ваздух | Ниједан | Ниједан | 2.5 |
Гравирање у плазми | СФ6 | Аг нано честице | Ниједан | 4.2 |
Хемијско нагризање уз помоћ метала (МАЦЕ) | АгНО3/ ХФ / ХНО3 | Ниједан | Аг, Ау | 0.3 |
Електрохемијско нагризање | ХФ, ЕтОХ, Х.2O | Ниједан | Ниједан | [ГГ] лт; 5.0 |
Табела 2. Различите методе за текстурирање дијамантски жице пиљене вишекристалне облатне [20].
Један од приступа текстурирању ДВС мултикристалних плочица је надоградња постојеће кемије засноване на киселој текстури адитивима [23,24,25]. Такав приступ потенцијално може имати нижи ЦоО у односу на приступ заснован на МАЦЕ [23]. Показало се да је рефлексија таквог приступа заснованог на адитивима слична конвенционалном решењу изотекстуре са ефикасношћу соларних ћелија од 18,7% за структуру засновану на Ал-БСФ [24].
Текстурирање на бази МАЦЕ-а слично је конвенционалном киселом нагризању са додатним кораком каталитичког таложења метала. Процесни ток се састоји од СДР, таложења метала катализатора, хемијског нагризања и накнадне обраде. Ефикасност од 19,2% је постигнута за комерцијалне мулти-Ал-БСФ ћелије коришћењем шаржног поступка текстурисања МАЦЕ [26]. Комерцијални алат заснован на линији МАЦЕ је приказан са могућношћу подешавања рефлексије у распону од 12–23% и постизања просечне ефикасности за структуру Ал-БСФ и ПЕРЦ од 18,8, односно 20,2% [27]. Репрезентативне слике текстуриране површине засноване на МАЦЕ процесу приказане су на слици 9. Трошкови власништва (ЦоО) инлине МАЦЕ процеса потенцијално су нижи у поређењу са МАЦЕ поступком заснован на шаржи, с циљем да се даље смањи рециклирањем Аг из текстурне купке [27].
Слика 9. МАЦЕ текстурне ДВС вишеструке облатне, (а) површина са Равг=12% и (б) површина са Равг=22% [27].
4.3 Изолација ивица заснована на мокрој хемији
Емитерска област у соларној ћелији израђена је поступком дифузије високе температуре (о чему ће бити речи у наредним одељцима). Током процеса дифузије, фосфорно силикатно стакло (ПСГ) се таложи на плочицу, коју треба уклонити пре наношења АРЦ слоја. Као што је приказано на слици 10, након корака дифузије, регион н-типа је такође присутан на ивицама и на задњој страни облатне. Слој н-типа на ивицама и на задњој страни ће кратко спојити емитер са основном подлогом и стога је важно да се те области нагрижу и изолирају емитер на ФС од основне подлоге како је приказано на слици 10 (ц).
Слика 10. Обрада силицијумске плочице након дифузије и изолације ивица (а) Текстурисана силицијумска плочица, (б) Дифузна силицијумска плочица, (ц) Дифузна силицијумска плочица након изолације ивица.
Процес изолације ивица може се извести у линији, слично поступку текстурисања који је разматран у претходном одељку. Изузетак у овом случају је да хемикалија треба да урезује само задњу страну и ивице без интеракције са ФС. Репрезентативна слика поступка изолације ивица приказана је на слици 11. Важно је напоменути да су ваљци присутни само са доње стране како би се избегао било какав контакт раствора за нагризање са предњом страном. Следећи кораци након бакрописа РС слични су оним у линијској машини за текстурисање.
Слика 11. Репрезентативна слика соларне ћелије у линијској кади за изолацију ивица.
5. Термички процеси за производњу соларних ћелија
Процеси високе температуре чине витални део производње соларних ћелија. Примери таквих процеса су формирање пн споја дифузијом, пуцање сито штампаних контаката, активирање површинских слојева пасивизације или оштећења изазваних процесом жарења. Одељак даје увид у основну физику процеса дифузије емитора и појачано таложење хемијске паре (ПЕЦВД) у плазми.
5.1 Дифузија емитер
Дифузија емитер је један од пресудних топлотних корака у индустријској производњи соларних ћелија. Емитер н-типа кристалних силиконских соларних ћелија п-типа настаје дифузијом фосфора (П). У процесу дифузије, наполитанке Си се шаљу у пећ и излажу на 800–900 ° Ц фосфорил-хлориду (ПОЦл3) и О2, што резултира таложењем ПСГ-а на површинама облатне Си. Овај корак се назива претходно таложење, где ПСГ [28] делује као извор додатака фосфора (П) који дифундира у облатну Си. Следећи корак је улазак, где се довод додајућих гасова искључује и П из ПСГ слоја даље дифундира у Си облатну. Ханнес етал. [29] илуструје за оптималну изводљивост процеса за фотонапонске примене, морају се узети у обзир три различита ефекта. Прво, дифузија П из ПСГ и његово присуство у електрично активним и неактивним стањима у плочици Си, што повећава рекомбинацију Схоцклеи-Реад-Халл-а (СРХ). Друго, продирање нечистоћа у слој Си према слоју ПСГ. Коначно, метална контактна формација са емитером Си допираним П извлачи генерисану снагу.
Процес дифузије је квантификован отпором лима који зависи од дубине пн споја и профила концентрације П. Отпор лима има јединице Ω / цм (обично се мере као Ω / □) и мери се помоћу система сонди са четири тачке. Дефиниција отпора лима приказана је у екв. (1).
где је Р=отпор правоугаоног пресека (Ω); ρ=отпорност (Ω цм); л=дужина правоугаоног пресека (цм); А=површина правоугаоног пресека (цм2); В=ширина правоугаоног пресека (цм ); Д=дубина правоугаоног пресека (цм) иρсхеет=отпор за задату дубину (Д) када је л=В (Ω / □).
Раније вредности отпора емитерског лима биле су 30–60Ω / □ са пн дубином споја од [ГГ] гт; 400нм и високом површинском концентрацијом П. Са побољшањима пасте за контакт са сребром (Аг) на предњој страни, отпор емитерског лима је сада у опсегу 90–110Ω / □ са дубином споја око 300 нм и нижом концентрацијом П површине. Прелазак на већу отпорност на лим омогућава хватање више светлости у УВ и плавом спектру, истовремено смањујући површинску рекомбинацију за побољшање Воц. Треба напоменути да се процес дифузије дешава на ФС (директно изложен гасовима), а такође на ивицама и РС. Ако се поступак изолације ивица не изведе (као што је објашњено у одељку 4.3), емитер ће доћи до кратког споја са подлогом.
На слици 12 приказан је процес дифузије ПОЦл3 у затвореном систему кварцне цеви. ПОЦл3 је извор течности који се у процесну цев доводи мехурањем са гасом носачем Н2. Мешањем
Слика 12. (а) Шематски приказ процеса дифузије шаржног типа и (б) репрезентативни приказ дифузне опреме шаржног типа. Извор: центротхерм ГмбХ.
На површини Си,
Хлор који је нуспроизвод током претходног таложења чисти облатне и кварцне цеви формирајући комплексе са металима. ПСГ се користи као извор за убацивање П атома у Си површину. Током процеса уласка, ПОЦл3 се искључио и додао је само О2 да би се створио танак оксидни слој испод ПСГ да би се појачала дифузија П атома на површини Си.
Унутар дифузијске цеви налази се пет зона грејања као што је приказано на слици 13. Зоне су:
Зона утовара (ЛЗ) —подручје одакле се облатне стављају у цев.
Централна зона утовара (ЦЛЗ) —подручје између зоне утовара и средишње зоне.
Централна зона (ЦЗ) - средишње подручје цеви.
Централна зона гаса (ЦГЗ) - подручје између средишње зоне и зоне гаса.
Зона гаса (ГЗ) - подручје одакле се гасови одводе кроз издувни гас.
Слика 13. Зоне грејања унутар дифузијске цеви.
Обично се температуре сваке зоне грејања подешавају како би се добио једнак отпор емитерског лима за све облатне на броду.
Окружење процеса дифузије треба да буде врло чисто и стога се за цеви користи кварцни материјал. Чистоћа епрувета и одржавање простора за утовар такође утичу на резултате процеса. Будући да код дифузије гасне фазе у цевчици нема остатака, то резултира чистијим поступком. Оптерећењем са пола корака у условима ниског притиска (ЛП) [31], проток се може повећати. Обично се 1.000 наполитанки натовари у једну цев и са пет дифузијских цеви у шаржном дифузном систему, може се постићи проток до 3.800 наполитанки / х за производњу соларних ћелија.
Инлине дифузни систем где се облатне транспортују на појасу са фосфорном киселином као извором П допаната такође је коришћен у комерцијалној производњи [32]. Међутим, у поређењу са уграђеним поступком, шаржни поступак је чистији, ефикаснији и ефикаснији. За соларне ћелије н-типа или напредне концепте соларних ћелија попут ПЕРТ-а, шаржна дифузија п-типа заснива се на изворима додатака бора (Б) као што је бор трибромид (ББр3) [33,34].
5.2 Наношење антирефлексног премаза (АРЦ)
Гола површина Си одбија [ГГ] гт; 30% пада светлости. Као што је објашњено у Одељку 4, процес текстуре побољшава хватање светлости. Пожељно је додатно смањити рефлексију која се добија наношењем АРЦ слоја. ТиОк је био један од најранијих материјала који се користио као АРЦ слој за соларне ћелије, међутим, с обзиром да није могао да обезбеди одговарајућу површинску пасивацију, на крају је замењен СиНк: Х [37]. Термички узгајани силицијум-оксид (СиО2) такође је коришћен као пасивирајући материјал у рекордно пасивираним емитерима задњим локално дифузним (ПЕРЛ) ћелијама [37]. Велики термички буџет и дуго време процеса учинили су пасивацију на бази СиО2 неприкладном за масовну производњу соларних ћелија [37]. Свеобухватан преглед различитих АРЦ и пасивизационих материјала за примену соларних ћелија разматран је у [37].
Поступак хемијског таложења са појачаним плазмом (ПЕЦВД) погодан је за наношење АРЦ слоја СиНк: Х који не само да смањује одраз већ и пасивизира предњи емитер н-типа и главнину чиме се побољшава ефикасност соларних ћелија [36, 37]. Шема шаржног система ПЕЦВД приказана је на слици 14. Облатне су натоварене у графитни чамац тако да су предње стране окренуте једна према другој. РФ плазма заснована на процесним гасовима амонијаку (НХ3) и силану (СиХ4) који раде на температури од 400–450 ° Ц депонују хидрогенизовани слој СиНк: Х према екв. (4) [35]. Водоник уграђен у СиНк: Х филм дифундује у главнину током корака печења (размотрено у следећем одељку) и пасивира висеће везе да би побољшао перформансе соларних ћелија [36,37].
Слика 14. (а) Шематски дијаграм шаржног процеса ПЕЦВД за наношење СиНк: Х и (б) графитни чамац за пуњење облатни Си у пећи ПЕЦВД.
Индекс преламања (РИ) филма СиНк: Х контролише се односом СиХ4 / НХ3гас, док дебљина зависи од трајања таложења. АРЦ заснован на СиНк: Х може минимизирати одраз за једну таласну дужину, а дебљина таласне дужине дата је у [38],
где је=дебљина слоја СиНк: Х АРЦ, λ0=таласна дужина долазне светлости и н1=индекс преламања слоја СиНк: Х.
На основу односа, АРЦ се назива и 'АРЦ четвртине таласних дужина'. За соларне ћелије, РИ и дебљина су одабрани да минимизирају рефлексију на таласној дужини од 600нм, јер је то врх сунчевог спектра. Дебљина и РИ АРЦ-а бирају се као геометријска средина материјала са обе стране, односно стакло / ваздух и Си. Типична дебљина СиНк: Х АРЦ је 80–85 нм, а РИ од 2,0–2,1 даје соларној ћелији боју од плаве до љубичасто плаве. Репрезентативна слика текстурне вишекристалне соларне ћелије депоноване са СиНк: Х приказана је на слици 15 (а), док је варијација боје СиНк: Х на основу њене дебљине приказана на слици 15 (б). Важно је напоменути да постоји зависност од текстуре површине и АРЦ боје за дате параметре таложења. Постоји низ соларних модула где је боја соларних ћелија тамнија за разлику од типичне плаве боје. Типична фаза таложења АРЦ-а у производној линији соларних ћелија састоји се од два ПЕЦВД система, сваки са по четири цеви и протоком до 3.500 вафери / х.
Слика 15. (а) Репрезентативна слика мултикристалне соларне ћелије пресвучене СиНк: Х, (б) варијација слоја СиНк: Х на основу његове дебљине.
СиНк: Х није погодан за пасивизацију п-типа Си и стога се диелектрични материјали попут Ал2О3 користе за РС пасивизацију за ћелијску архитектуру попут ПЕРЦ ћелија [8] или за емитере п-типа у соларним ћелијама н-типа. За соларне ћелије ПЕРЦ, слој за пасивизацију Ал2О3 затворен је СиНк: Х да га заштити од Ал пасте током процеса печења и такође служи као унутрашњи рефлектор за светлост дугу таласну дужину. На располагању су комерцијални системи засновани на ПЕЦВД и атомском слоју (АЛД) за депоновање Ал2О3 са протоком до 4.800 плочица / х [39].
6. Метализација и карактеризација соларних ћелија
6.1 Метализација заснована на ситотиску
Последњи корак обраде за производњу соларних ћелија је ФС и РС метализација за извлачење снаге са минималним отпорним губицима. Аг је добар контактни материјал за емитер н-типа, док Ал остварује врло добар контакт са п-подлогом. Комбинација Аг / Ал пасте користи се за штампање јастучића на РС како би се олакшало међусобно повезивање соларних ћелија у модулу. Ситотисак је једноставан, брз и континуирано процес за метализацију соларних ћелија.
Шематски приказ поступка ситотиска приказан је на слици 16. Екрани имају мрежицу од нерђајућег челика пресвучену емулзијом са отворима према жељеном узорку метализације као што је приказано на слици 17 (а). Метална паста се шири преко екрана поплавом и покретом брисача који одлаже пасту на соларну ћелију на основу узорака екрана. Снап-офф је удаљеност екрана и соларне ћелије. Притисак брисача и удаљеност одбијања су критични параметри који одређују полагање пасте и геометрију прстију Аг ФС.
Слика 16. Илустрација процеса ситотиска за метализацију соларних ћелија.
Слика 17. (а) Мрежасти емулзиони заслон са отвором за прсте за ФС Аг штампу [40] и (б) репрезентативни ФС образац метализације.
Типична паста за Аг / Ал РС јастучиће, РС Ал и ФС Аг су 35–45 мг, 1,1–1,4 г и 100–120 мг, за 6-инчне Ал-БСФ мултикристалне соларне ћелије. Илустративни образац метализације Аг ФС приказан је на слици 17 (б). Отвор прста Аг смањен је на испод 30 μм, док се примена 5 сабирница сада све више усваја. Са таквим положеним параметрима екрана и добром пастом, треба добити конзистентни ФФ од [ГГ] гт; 80% за соларне ћелије Ал-БСФ са оптичким губитком сјенчања од [ГГ] лт; 6%.
6.2 Сушење и брзо печење метализационих паста
Пасте за метализацију састоје се од металног праха, растварача и органских везива. У случају пасте ФС Аг, паста такође садржи стаклену фриту, док урезује СиНк: Х слој и успоставља контакт са емитером н-типа [41]. Металне пасте се осуше након штампања и на крају се шаљу кроз брзо печење за синтеровање и формирају контакт РС Ал-БСФ и ФС Аг. Пример такве пећи са брзим ложењем са температурним профилом приказан је на слици 18. Процес синтеровања прста ФС Аг приказан је на слици 19. Када соларна ћелија пролази кроз пећ за брзо ложење, органска везива се сагоревају, праћено топљењем стаклене фрите и коначно формирање кристалита Аг у контакту са емитером н-типа. Профил печења треба подесити на основу специфичних врста паста за метализацију и профила дифузије емитора. Као пример, вршна температура пуцања може бити ниска да не би створила добар омски контакт на ФС, док превисока температура може довести до дифузије Аг кроз спој и ранжирање пн споја. Слика комплетне вишекристалне соларне ћелије Ал-БСФ приказана је на слици 20.
Слика 18. (а) Пример ложишне пећи за синтеровање металних контаката и (б) илустративни температурни профил пећи за печење. Извор: центротхерм ГмбХ.
Слика 19.Илустрација процеса пуцања. (а) Изгарање органских везива, (б) топљење стаклене фрите која нагриза СиНк: Х и (ц) Аг кристалитну формацију на интерфејсу емитора.
Слика 20. (а) ФС комплетне соларне ћелије и (б) РС комплетне соларне ћелије.
6.3 Метализација на предњој страни пресвлаке
Трошкови различитих фактора у обради соларних ћелија смањивали су се током година, док је допринос предњег Аг још увек најзначајнији [42]. Урађен је значајан посао како би се Аг заменио алтернативним металом попут бакра (Цу) који има вредност проводљивости врло близу вредности Аг и такође нуди потенцијалну значајну предност у трошковима [43,44]. Цу има високу дифузност и растворљивост у Си, па се на њега пре наношења Цу наноси баријерни слој попут никла (Ни) [42]. Облагање индуковано светлошћу (ЛИП) изведено од конвенционалних облога користи фотонапонски ефекат светлости за постављање жељеног метала и има многе предности у поређењу са конвенционалним оплатама [43,44].
Метализација на предњој страни на бази Ни-Цу захтева додатни АРЦ шаблон на предњој страни, за разлику од метализације на бази пасте Аг, а у већини случајева и додатни корак на синтеровању Ни за смањење контактног отпора и добру адхезију металне хрпе [42 ]. Комерцијалне ДВС резане мц-Си соларне ћелије засноване на слоју обложеном Ни-Цу-Аг демонстриране су са ширином прста од 22μм, односом ширине приближно 0,5 и сличном ефикасношћу као код референтних екранских штампаних соларних ћелија на бази Аг [45 ].
Стално побољшање Аг ФС паста, заједно са једноставношћу, поузданошћу и великом пропусношћу процеса ситотиска, отежава метализацији на бази Ни-Цу да се такмичи са ФС метализацијом на бази Аг. Међутим, концепти високе ефикасности соларних ћелија попут двофазних хетеројункционих соларних ћелија, где се Цу може директно нанети на прозирни проводни оксид, поступак облагања је поједностављен и захтева само један алат [39]. Слично томе, концепти високе ефикасности који захтевају смањену количину метала могу то исто постићи коришћењем метализације засноване на оплатама [42,46].
6.4 ИВ испитивање и карактеризација соларних ћелија
Завршни корак је ИВ испитивање комплетних соларних ћелија према стандардним условима испитивања (СТЦ), тј. АМ 1,5Г, 1000В / м2 соларним симулатором класе ААА. Пример ФС сондирања соларне ћелије приказан је на слици 21. Типични параметри добијени из ИВ тестера назначени су у табели 3. ИВ тестери имају много параметара за карактеризацију који могу бити корисни за дијагнозу дефеката соларних ћелија. Репрезентативна електролуминисценција (ЕЛ) и термална ИР слика соларне ћелије са неким дефектима приказани су на сликама 22 (а) - (ц). ЕЛ слика добре соларне ћелије уједначеног интензитета приказана је на слици 22 (а), док се за соларну ћелију у којој ФС прсти нису одштампани једнолико, тамнији контраст може видети на слици 22 (б). Слика 22 (ц ) приказује термалну ИР слику соларне ћелије са локализованим шантом која је настала током једног од корака обраде. На крају, соларне ћелије се сортирају у различите канте за ефикасност на основу одабране класификације.
Слика 21.ИВ мерење ФС сондирање за карактеризацију соларних ћелија.
Параметар
Коментари
Vоц(V) | Добре мц-Си Ал-БСФ соларне ћелије имају вредност [ГГ] гт; 0,635В |
Iсц(A) | Добре мц-Си Ал-БСФ соларне ћелије имају вредност [ГГ] гт; 9,0 А |
ФФ (%) | Добре мц-Си Ал-БСФ соларне ћелије имају вредност [ГГ] гт; 80% |
Ефикасност (%) | Добре мц-Си Ал-БСФ соларне ћелије имају вредност [ГГ] гт; 18,6% |
Vмпп(V) | Одговарајући напон на тачки максималне снаге |
Iмпп(A) | Одговарајућа струја на тачки максималне снаге |
Rs(Ω) | Добре мц-Си Ал-БСФ соларне ћелије имају вредност [ГГ] лт; 1,5 мΩ |
Rсх(Ω) | Добре мц-Си Ал-БСФ соларне ћелије имају вредност [ГГ] гт; 100Ω |
Iрев(A) | Обрнута струја при напону од -12В треба да буде [ГГ] лт; 0,5 А за добре соларне ћелије |
Отпор ФС ББ-ББ (Ω) | Отпор измерен између ББ-а на ФС |
РС отпор ББ-ББ (Ω) | Отпор измерен између ББ-а на РС-у |
Табела 3. Параметри за карактеризацију соларне ћелије добијене из ИВ мерења.
Слика 22. (а) ЕЛ слика добре соларне ћелије, (б) ЕЛ слика соларне ћелије са неуједначеношћу у отиску прстију Аг и (ц) термална ИР слика соларне ћелије која указује на присуство локализованих шантова.
7. Будући трендови
ДВС је постао стандард за монокристалне облатне, док се очекује да ће имати тржишни удео од [ГГ] гт; 80% до 2022. за вишекристалне облатне [2]. Очекује се да ће се СВС за вишекристалне облатне до тог времена поступно укидати. Са ДВС-ом, губитак прореза би такође постао [ГГ] лт; 80μм до 2022. године, што би заузврат смањило потрошњу поли-Си по облатни испод 15г. Очекује се да ће се 3ББ дизајн за предње контакте укидати до 2020. године са 50% удела за 5ББ дизајн. Уз континуирана побољшања Аг паста и сита, предвиђа се да ће се ширина прстију ФС смањити на 30 μм до 2022. Алати за прераду влажне хемијске индустрије прешли су 8.000 вафера / х у 2018. години и додирнули би 9.000 вафери / х до 2020. Опрема за термичку обраду су достигли проток од 5000 наполница / х у 2018. години и очекује се да ће прећи 7.000 наполитанки / х до 2020. Одељак за метализацију и ИВ испитивање / сортирање очекује се да има проток од [ГГ] гт; 7.000 наполитанки / х до 2022. године.
Ћелијска технологија заснована на Ал-БСФ која има тржишни удео од [ГГ] гт; очекује се да ће се 60% у 2018. смањити на [ГГ] лт; 20% до 2025. Уз већи нагласак на концептима соларних ћелија високе ефикасности, удео ПЕРЦ-а очекује се да технологија буде [ГГ] гт; 50% до 2022. године. Очекује се да ће ефикасност производње Моно ПЕРЦ-а бити [ГГ] гт; 22% до 2022. године, док би за мулти ПЕРЦ истовремено требало да додирне 21%. Важан аспект везан за мулти-ПЕРЦ је ублажавање проблема заснованог на ЛеТИД-у како би се минимализовао губитак ефикасности након инсталације модула на терену. Си ХЈ ћелије са ефикасношћу [ГГ] гт; 22% у 2018. години, након што се очекује да ће достићи стабилну ефикасност од 23% до 2020. године, са тржишним уделом од око 10% до 2022. Бифацијалне ћелије високе ефикасности са додатном предношћу тапкања сунчеве енергије очекује се да ће зрачење са задње стране имати тржишни удео од 20% до 2022. Очекује се да соларне ћелије са повратним контактом Н-типа пређу ефикасност од 24% до 2020.
8. Закључци
Си соларне ћелије су постале важан део домена обновљиве енергије током протеклих деценија са зрелим производним технологијама. Вишекристалне облатне типа П постале су главни остатак производње соларних ћелија. Међутим, са већом ефикасношћу и смањењем трошкова производње, монокристалне соларне ћелије такође су стекле значајан удео и очекује се да ће се у блиској будућности тесно такмичити са мултикристалним облатнама. За стандардну Ал-БСФ технологију, 19 и 20% постало је референтна вредност за мултикристалне и монокристалне соларне ћелије. Моно-ПЕРЦ и мулти-ПЕРЦ ћелије достигле су стабилизовану ефикасност од 21,5, односно 20%. Поред тога, ПЕРЦ такође пружа једноставнији приступ бифацијалним соларним ћелијама тако што ће на РС-у имати мрежни узорак уместо контакта на целој површини. Соларне ћелије високог степена ефикасности и двофазне соларне ћелије имају тржишни удео од [ГГ] лт; 10%, за који се очекује да ће се повећати у будућности. Производне технологије су знатно сазреле током последњих неколико година са даљим побољшањима како би се повећала пропусност.
Захвалнице
Аутори би желели да се захвале колегама из РЦТ Солутионс ГмбХ од којих су преузети неки садржаји из овог поглавља. Мехул Ц.Равал жели да се захвали колеги Јиму Зхоуу на дискусијама у вези са текстурирањем црног силикона.
