Aurinkosähköisten aurinkokennojen perusteellinen analyysi: kattava opas, osa 1
Aurinkosähköisten aurinkokennojen yksityiskohtainen analyysi
Osa 1: Aurinkosähkökennoteknologian polut
Aurinkoenergia-alalla tehokkuuden parantaminen ja kustannusten alentaminen on edelleen keskeinen liikkeellepaneva voima ja jatkuva keskustelunaihe. Laajassa aurinkoenergian arvoketjussa aurinkokenno on teknologisen kehityksen ydin, joka määrittää aurinkosähkötuotteiden (PV) tehokkuusrajat. Historiallisesti monokiteinen PERC (Passived Emitter and Rear Contact) -reitti toimi merkittävänä käännekohtana, mikä myötävaikutti valtavasti verkkopariteetin saavuttamiseen aurinkosähkön tuotannossa. Kuitenkin, kun sen massatuotannon suorituskyky lähestyy rajojaan (muunnostehokkuuden ollessa noin 23.3-23.5 % ja ei-piin kustannukset noin 0.15 yuania/W), ala vaatii kiireellisesti uusien aurinkokennojen kehittämistä, joilla on suurempi päivityspotentiaali.
Vuodesta 2022 lähtien N-tyypin kennoteknologiat, kuten TOPCon (Tunnel Oxide Passived Contact), HJT (heteroliitos sisäisellä ohuella kalvolla) ja XBC (eXtended Back Contact), ovat käynnistäneet uuden laajennussyklien aallon, jotka muovaavat alan maisemaa. Tämä luku alkaa aurinkokennojen toimintaperiaatteilla, jäljittelee teknologista kehitystä ja kennoteknologioiden eroja ja selventää siten polkuja ja strategioita aurinkokennojen tehokkuuden parantamiseksi. Tämä luo pohjan myöhemmille tuotantokustannusten ja tulevaisuuden kehitysten analyyseille.
(1) Photovoltaic Cell Technologies -katsaus
Aurinkosähkökennojen toimintaperiaate perustuu aurinkosähköefektiin, jonka ranskalainen tiedemies Edmont Becquerel löysi ensimmäisen kerran vuonna 1839. Valaistuksessa puolijohde absorboi fotoneja, joiden energia on suurempi kuin puolijohteen kaistanväli, mikä herättää elektroneja valenssikaistalta johtavuuskaistalle. , jolloin syntyy elektroni-aukko-pareja. P- ja N-tyyppisistä puolijohteista koostuvassa rakenteessa sisäänrakennettu sähkökenttä ohjaa elektronien ja reikien liikettä, jolloin syntyy sähkövirtaa.
Puolijohdemateriaalin kaistanleveys vaikuttaa merkittävästi aurinkokennon oikosulkuvirtaan ja avoimen piirin jännitteeseen (oikosulkuvirta kasvaa kaistan leveyden pienentyessä, kun taas avoimen piirin jännite pienenee). Tästä syystä on teoriassa, että aurinkokennoihin sopivien puolijohdemateriaalien kaistaleveyden tulisi olla välillä 1.1-1.6 eV. Tämä kehys on synnyttänyt kolme sukupolvea aurinkokennoteknologian reittejä: kiteiset piiaurinkokennot, epäorgaaniset ohutkalvoaurinkokennot ja uudet aurinkokennot, joita edustavat perovskiittimateriaalit. Tällä hetkellä globaaleja aurinkosähkömarkkinoita hallitsevat kypsemmät kiteiset piikennot, jotka CPIA:n tilastojen mukaan muodostivat noin 96.2 % markkinaosuudesta vuonna 2021.
Kiteisen piin bandgap-leveys on 1.12 eV, mikä mahdollistaa sen, että se absorboi noin 49 % fotonienergiasta huoneenlämpötilassa samalla kun se tuottaa tehokkaasti noin 60 % sähköenergiasta johtuen eroista bandgap-potentiaalissa ja avoimen piirin jännitteessä. Siksi piipohjaisten yksiliitosaurinkokennojen tehokkuusraja huoneenlämmössä on noin 29.4 %.
Teoreettisesti puolijohteiden optimaalinen kaistanleveys on noin 1.4 eV, mikä mahdollistaisi 33.7 %:n teoreettisen hyötysuhteen rajan. Perovskiittimateriaalit kuuluvat tälle optimaaliselle kaistavälille, kun taas kadmiumtelluridi ja muut ohutkalvomateriaalit ovat myös lähellä ihanteellista bandrap-leveyttä. Tämän seurauksena toisen ja kolmannen sukupolven kennotekniikoilla on korkeammat teoreettiset tehokkuusrajat verrattuna ensimmäisen sukupolven kiteisiin piikennoihin. Lisäksi eri puolijohdemateriaalien pinoaminen moniliitosten aurinkokennojen luomiseksi voi edelleen laajentaa fotonien energian absorptiota, mikä saattaa nostaa tehokkuusrajat yli 40 %. Tämä on tärkeä tulevaisuuden kehityssuunta aurinkokennoteknologialle.
Tämä raportti keskittyy ensisijaisesti nykyiseen valtavirran kiteiseen piikennoteknologiaan.
Vaikka kiteisten piikennojen teoreettinen tehokkuusraja on vain 29.4 %, todelliset energiahäviöt tarkoittavat, että tällä hetkellä saavutettu korkein kokeellinen hyötysuhde on noin 26.8 % ja massatuotannon hyötysuhde noin 26 %. Tämä osoittaa, että parantamisen varaa on edelleen.
Erityisesti energiahäviöt voidaan luokitella optisiin häviöihin ja sähköhäviöihin. Optisia häviöitä esiintyy, kun piisubstraatti ei absorboi fotonienergiaa, mikä johtuu sellaisista tekijöistä kuin pintaheijastus, pitkäaaltoprojektio tai elektrodien ristikon varjostus. Sähköhäviöt voidaan jakaa edelleen rekombinaatiohäviöihin ja ohmisisiin häviöihin (resistiiviset häviöt). Edellinen viittaa virran pienenemiseen elektronien ja aukkojen rekombinaatiosta ennen virran muodostamista, kun taas jälkimmäinen viittaa virransiirron aikana tapahtuviin häviöihin vastuksen vuoksi. Aurinkosähkökennoteknologian kehityksen ydin on kennorakenteiden ja materiaalien optimoinnissa sekä optisten että sähköisten häviöiden minimoimiseksi.
Varhaisimmista kaupallisesti menestyneistä alumiinin takapintakentän (Al-BSF) kennoista PERC-kennoihin, jotka mahdollistivat aurinkoenergian verkkopariteettia, tehokkuuden parantamisstrategia keskittyi ensisijaisesti passivointirakenteiden ja elektrodien kosketusmenetelmien optimointiin rekombinaatio- ja ohmisen häviöiden vähentämiseksi. N-tyypin solujen aikakauden tultua sekä TOPCon- että HJT-solut omaksuivat "passivoidun kontaktin" -tekniikan vähentääkseen edelleen sähköisiä rekombinaatiohäviöitä. Samaan aikaan BC (Back Contact) -kenno omaksui erilaisen lähestymistavan siirtämällä etupinnan elektrodit taakse, mikä vähentää ruudukon varjostusta ja siten minimoi optisia häviöitä. Monipuolisena teknologiana se voi myös yhdistää synergistisesti TOPCon- ja HJT-solujen edut, mikä synnyttää tehokkaamman XBC-solupolun. Tulevaisuudessa läpimurrot uusien materiaalien, kuten perovskiitin, tutkimuksessa lupaavat kehittää aurinkokennojen uutta sukupolvea ja mahdollistaa kiteisten piikennojen sulautumisen uusiin materiaaleihin, jolloin tutkitaan läpimurtoja kohti korkeampia tehokkuusrajoja moniliitoskennoissa.
(2) Aurinkosähkökennojen rakenne ja tehokkuuden parantamisstrategiat
BSF:stä monokristalliseen PERC:hen
Kiteisten piikennojen ensisijainen rakenne sisältää PN-liitoksen, passivointikalvot ja metallointielektrodit. PN-liitos toimii aurinkokennojen sydämenä, joka muodostuu negatiivisesti varautuneesta P-tyypin alueesta ja positiivisesti varautuneesta N-tyypin alueesta. Niiden luoma sisäänrakennettu sähkökenttä ohjaa elektronien ja reikien liikettä ja tuottaa virtaa. Passivointikalvo vähentää pinnan rekombinaatiohäviöitä, kun taas metallielektrodiritilät keräävät virtaa ja johtavat sitä ulospäin.
Esimerkkinä PERC-soluista fosforin seostus P-tyypin piisubstraatille muodostaa N-tyypin emitterialueen, joka yhdessä piikiekon kanssa muodostaa PN-liitoksen. Alumiinioksidikerros ja piinitridikalvo kerrostetaan kennon takapinnalle passivoimaan ja vähentämään heijastuksia. Etupinnan positiivinen hopeaelektrodi ja alumiininen takapinta yhdessä hopea-takaelektrodin kanssa muodostavat kennon metallointirakenteen. Lisäksi etupinnan "käänteinen pyramidi" valoa vangitseva rakenne yhdessä piinitridikalvon kanssa pyrkii minimoimaan pintaheijastuksen.
Ennen PERC-kennojen tuloa alumiiniset takapinnan kennot (Al-BSF) olivat ensimmäinen kiteinen piikennorakenne, joka saavutti kaupallistamisen, ehdotettiin ensimmäisen kerran vuonna 1973 ja ylitti 90 prosentin markkinaosuuden vuoteen 2016 mennessä. Vaikka BSF-kennoilla on yksinkertaisen rakenteen edut. Prosessin, alhaisten kustannusten ja kypsän teknologian ansiosta koko alueen kosketus alumiinin takapinnan ja piisubstraatin välillä johtaa merkittäviin pinnan rekombinaatiohäviöihin, mikä estää solujen tehokkuutta ylittämästä 20 %:n kynnystä.
PERC, jota ehdotti vuonna 1989 Martin Greenin johtama tutkimusryhmä New South Walesin yliopistosta Australiassa, käytti aluksi piioksidia passivointikalvona ja heijastuksenestokerroksena, mikä teki tekniikasta monimutkaisen ja kalliin. Vasta noin vuonna 2010, jolloin alumiinioksidi (Al2O3) otettiin käyttöön passivointirajapintakerroksena, PERC-solut aloittivat matkansa kohti teollistumista. Verrattuna BSF-kennoihin PERC:n parannukset keskittyvät pääasiassa kahteen näkökohtaan: taka-alumiinioksidikerroksen lisäämiseen passivointia varten ja siirtymiseen pintakontaktista linjakosketukseen alumiinin takapinnan kanssa.
Passivointimekanismiin kuuluu sekä kenttävaikutteinen passivointi että kemiallinen passivointi. Edellinen muodostaa rajapinnalle sähkökentän, joka hylkii samalla tavalla varattuja kantajia, mikä vähentää rekombinaatiota, kun taas jälkimmäinen kyllästää roikkuvat sidokset piin kidevaurioissa vapaalla vedyllä, mikä tehostaa kemiallista passivointia.
Alumiinioksidi toimii optimaalisena passivointimateriaalina P-tyypin piipinnoille. Siinä on negatiivinen varaus, mikä mahdollistaa tehokkaat kentän passivointivaikutukset alumiinioksidin ja piikidepinnan välisellä rajapinnalla. Lisäksi alumiinioksidin saostusprosessi tarjoaa riittävästi vetyatomeja tyydyttämään piipinnan riippuvat sidokset, mikä tehostaa tehokkaasti kemiallista passivointia. Alumiinioksidikalvon käyttöönoton jälkeen passivointikerroksena PERC-kennojen tehokkuus ylitti BSF-kennojen tehokkuuden yli 1 %:lla.
Kosketusmetodologian suhteen metallielektrodin ja piisubstraatin välinen kosketus johtaa huomattavaan vähemmistökantajan rekombinaatioon kosketinrajapinnassa, mikä vaikuttaa haitallisesti muunnostehokkuuteen. PERC-solut siirtyivät koko alueen kosketuksesta alumiinisen takapinnan kanssa linjakosketukseen, mikä minimoi kosketuspinnan ja pienensi rekombinaatiohäviöitä.
Lisäksi PERC-solut ottivat käyttöön selektiivisen emitterin (SE) -tekniikan etupinnalla vastuksen ja rekombinaatiohäviöiden vähentämiseksi. Tämä tekniikka käsittää korkean pitoisuuden fosforin seostusalueen luomisen metallielektrodin ja PN-liitoksen N-tyypin alueen kosketuspisteisiin, jolloin muodostetaan epäpuhtauspitoisuuksien gradientti kantoaineen keräämisen tehostamiseksi ja vastuksen vähentämiseksi. Kuitenkin korkean pitoisuuden doping voi myös lisätä pinnan rekombinaatiohäviöitä; siksi valikoivaa korkeapitoisuutta sisältävää dopingia toteutetaan paikallisesti resistenssin ja rekombinaatiohäviöiden tasapainottamiseksi tehokkaasti. Ala otettiin asteittain käyttöön SE-teknologian vuoden 2017 tienoilla, mikä nosti PERC-kennojen muunnostehokkuuden noin 23.5 prosenttiin.
PERC-kennoteknologian kypsyessä ja tuotantoprosessien edistyessä PERC-kennojen markkinaosuus on kasvanut noin 20 prosentin vuosivauhtia vuodesta 2017 lähtien, ohittaen BSF-solut vuonna 2019 saavuttaen noin 91 prosentin markkinaosuuden vuoteen 2021 mennessä.
Samaan aikaan aurinkokennoissa käytiin myös kilpailua yksikiteisten ja monikiteisten piikiekkojen materiaalien välillä. Yksikiteisillä piikiekoilla on erinomainen hilajärjestely, jossa on vähemmän sisäisiä vikoja ja epäpuhtauksia, mikä johtaa parempaan sähköiseen suorituskykyyn ja muunnostehokkuuteen verrattuna monikiteisiin kiekkoihin. Sen jälkeen, kun ala on ratkaissut ongelmat, kuten solujen termisen epäsuhtaisuuden (CTM) ja valon aiheuttaman hajoamisen (LID) monokiteisille komponenteille vuoden 2015 jälkipuoliskolla, monokiteisten kennojen markkinaosuus alkoi nousta tasaisesti. Vuoteen 2019 mennessä yksikiteisten moduulien markkinaosuus ylitti 50 % ja nousi 60 prosenttiin vuonna 2020 ja nousi edelleen 86.9 prosenttiin, ja siitä tuli käytännössä markkinoiden valtavirta, kun taas monikiteiset komponentit alkoivat poistua markkinoilta kokonaan vuoteen 2021 mennessä.
P-tyypin piikiekoista N-tyypin piikiekoihin
Piikiekkojen dopingepäpuhtaudet voivat tuottaa joko P- tai N-tyypin kiekkoja, ja ensisijainen ero on käytetyn seostusaineen tyyppi. P-tyypin kiekot on pääasiassa seostettu boorilla tai galliumilla, jolloin elektronit ovat vähemmistökantajat; N-tyypin kiekot on seostettu fosforilla, ja reiät ovat vähemmistön kantajia. N-tyypin kiekoilla on lukuisia etuja P-tyypin kiekkoihin verrattuna, mukaan lukien pidempi vähemmistökantajan käyttöikä, suurempi epäpuhtauksien sietokyky, valon aiheuttaman hajoamisen puute ja alhaisemmat lämpötilakertoimet.
Suorituskykyerot P-tyypin ja N-tyypin kiekkojen välillä johtuvat ensisijaisesti metalliepäpuhtauksien, kuten Fe, Cu ja Ni, voimakkaammasta positiivisesta varauksesta, joilla on suurempi taipumus siepata elektroneja. Näin ollen N-tyypin kiekoilla, joissa on reiät vähemmistökantajana, on yleensä paljon pidempi vähemmistökantajan käyttöikä verrattuna P-tyypin kiekkoihin samoissa metalliepäpuhtausolosuhteissa (tutkimukset osoittavat, että N-tyypin kiekot, joilla on sama resistiivisyys, voivat saavuttaa vähemmistökantajan käyttöiän 1 -2 suuruusluokkaa pidempi kuin P-tyypin vastaavat). Suurempi vähemmistökantoaaltojen käyttöikä korreloi parannetun aurinkosähkömuunnostehokkuuden kanssa, mikä tekee N-tyypin kiekoista tehokkaampia.
Lisäksi P-tyypin kiekoissa oleva boori voi muodostaa boori-happikomplekseja valolle altistuessa tai virtaruiskutuksessa, jotka vangitsevat kantoaineita ja lyhentävät vähemmistökantajan elinikää, mikä johtaa valon aiheuttamaan hajoamiseen (LID). Nykyinen teollisuuden lähestymistapa valon aiheuttaman hajoamisen lieventämiseksi P-tyyppisissä kiekoissa sisältää boori- tai happipitoisuuden alentamisen, tyypillisesti erittäin puhtaiden upokkaiden avulla monokiteisen kasvun aikaansaamiseksi tai yhdessä galliumin kanssa booripitoisuuksien vähentämiseksi. Ensimmäinen voi kuitenkin nostaa kustannuksia, kun taas jälkimmäinen voi heikentää solujen tehokkuutta. Sitä vastoin N-tyypin kiekot, joissa on minimaalinen booripitoisuus, vähentävät luonnollisesti valon aiheuttamaa hajoamista.
Aiemmin N-tyypin kiekot kohtasivat rajoituksia kehittymättömän käsittelytekniikan ja korkeiden kustannusten vuoksi. N-tyypin kiekkojen, kuten TOPConin ja HJT:n, jatkuvan kehityksen ja kiekkojen käsittelytekniikoiden jatkuvan kehityksen myötä N-tyypin kiekkojen odotetaan kuitenkin kasvattavan markkinaosuuttaan ja korvaavan vähitellen P-tyypin kiekot.
N-Type Cell Technologies: TOPCon ja HJT
(1) TOPCon-solut
TOPCon, lyhenne sanoista Tunnel Oxide Passiveed Contact, ehdotti ensimmäisen kerran Fraunhofer-instituutti 28. eurooppalaisessa PVSEC-konferenssissa vuonna 2013. He saavuttivat laboratorion tehokkuusennätyksen 25.8 % 4 cm²:n soluissa vuoteen 2017 mennessä. Jan Schmidtin ja muiden laatimien teoreettisten mallien mukaan vuonna 2018 TOPCon-kennojen teoreettisen hyötysuhderajan arvioidaan olevan 28.7 %.
TOPCon-kennojen erottuva piirre on tunnelointioksidikerroksen käyttö yhdessä seostetun monikiteisen piin kanssa passivoituun kosketusteknologiaan. Tämä tarkoittaa, että ohut dielektrinen kalvo eristää metallielektrodin puolijohteesta, mikä mahdollistaa kantoaallon tunneloinnin samalla kun piipinta passivoi, mikä vähentää tehokkaasti rekombinaatiohäviöitä, jotka aiheutuvat suorasta metallikontaktista. TOPCon-kennorakenteessa piioksidikerroksella (SiO2) on kaksoisrooli passivoinnissa ja tunneloinnissa. Seostettu monikiteinen piikerros ei ainoastaan muodosta korkean ja matalan liitosrakenteen N-tyypin piisubstraatin kanssa minimoiden rekombinaatiohäviöt piirajapinnassa, vaan tarjoaa myös erinomaiset kantoaineen johtamisominaisuudet.
Näiden ominaisuuksien lisäksi TOPCon eroaa PERC-soluista useilla tavoilla: (1) TOPCon-solut käyttävät N-tyypin piisubstraatteja, mikä johtaa erilaiseen seostusrakenteeseen PN-liitokselle verrattuna PERC-soluihin, jotka käyttävät fosforidopingia; (2) Booriseostuksen alhaisesta pitoisuudesta johtuen etupinnan emitterialue kokee suuremman vastuksen, mikä edellyttää hopea-alumiinipastan käyttöä metallisten hienojen verkkojen luomiseksi, jotka mahdollistavat alumiiniatomien pääsyn emitterialueelle sintrauksen aikana P+-alueen muodostamiseksi. , mikä vähentää vastusta; (3) koska takapuolella on passivoitunut kontaktirakenne, metallielektrodien ei enää tarvitse olla kosketuksessa piisubstraatin kanssa, mikä mahdollistaa alumiinin takapinnan valmistuksen ja laserurituksen poistamisen; (4) TOPCon-kennoissa on säilytetty PERC-kennojen passivointi- ja heijastuksenestorakenteet (alumiinioksidi ja piinitridi), mutta ne on siirretty etupintaan.
Tähän mennessä massatuotetut TOPCon-kennot ovat omaksuneet vain passivoidun kontaktirakenteen takapinnassa, kun taas etupinnassa on edelleen käytetty PERC-kennon alumiinioksidi- ja piinitridipassivointirakennetta, mikä johtaa joihinkin tehokkuuden menetyksiin. Saavuttaakseen teoreettisen tehokkuusrajan 28.7 %, TOPCon-kennojen on saatava valmiiksi bifacial passivoiva kontaktirakenne; kuitenkin teoreettinen raja soluille, joissa on vain takapuolen kosketus, on noin 27.1 %. Kotimaisten TOPCon-kennojen laboratoriotehokkuuden korkeimmat ennätykset on saavuttanut Zhonglai Technology, joka saavutti 26.7 %:n muunnostehokkuuden M10-kokoisilla N-tyypin kennoilla huhtikuussa 2023, mikä ylitti JinkoSolarin 26.4-kennoissa aiemman ennätyksen 182 %. N-tyypin kennot joulukuussa 2022. Muita johtavia kotimaisia TOPCon-tutkimukseen osallistuneita yrityksiä ovat Trina Solar, Canadian Solar ja LONGi Green Energy.
(2) HJT-solut
Japanilainen Sanyo Electric ehdotti HJT:tä, eli Heterojunction with Intrinsic Thin Film, alun perin 1980-luvun lopulla ja patentoi HIT-tavaramerkillä vuonna 1991. Patentin umpeutumisen jälkeen vuonna 2011 sekä kotimaiset että kansainväliset valmistajat alkoivat laajentaa laboratoriotutkimustaan ja heterojunktiosolujen tuotanto. Vuonna 2021 LONGin Wei Long ja kollegat laskivat HJT-kennojen teoreettiseksi tehokkuusrajaksi 28.5 %, mikä antaa niille kilpailuedun yksipuolisiin TOPCon-kennoihin verrattuna.
PERC- ja TOPCon-solut luovat PN-liitoksensa suoraan piisubstraateille seostuksen avulla, mikä johtaa homoliitosrakenteisiin. Sitä vastoin HJT-solut koostuvat PN-liitoksesta, joka muodostuu N-tyypin piisubstraatista (c-Si) ja seostetuista amorfisista piiohutkalvoista (a-Si), joita kutsutaan näin ollen heteroliitossoluiksi.
Rakenteellisesti HJT-soluissa käytetään N-tyypin piisubstraattia ja kerrostetaan ensin sisäisiä hydrattuja amorfisia piitä (a-Si:H) ohuita kalvoja etu- ja takapinnoille passivointia varten. Tämän jälkeen etupinnalle kerrostetaan P-tyyppinen seostettu hydrattu amorfinen piikerros, joka yhdessä piisubstraatin kanssa muodostaa PN-liitoksen. Takapuolelle on kerrostettu N-tyyppinen seostettu hydrattu amorfinen piikerros korkean ja matalan liitoksen (N+/N) rakenteen muodostamiseksi. Koska hydratulla amorfisella piillä on suuri kosketusvastus, tarvitaan läpinäkyvä johtava oksidikerros (TCO) helpottamaan kantoaineen liikkumista ja vähentämään heijastuksia (ARC). Lopuksi hydratun amorfisen piin tiukkojen lämpötilavaatimusten (enintään 200 °C) vuoksi HJT-kennojen valmistus suoritetaan käyttämällä matalan lämpötilan prosesseja, jolloin metallielektrodipasta on säädetty matalan lämpötilan hopeapastaksi korkean lämpötilan hopean sijaan. PERC- ja TOPCon-soluihin käytetty tahna.
LONGi Green Energy saavutti nykyisen korkeimman HJT-kennojen laboratoriotehokkuuden ennätyksen marraskuussa 2022, ja sen mikrokiteisen teknologian HJT-kenno saavutti 26.81 %:n muunnostehokkuuden, joka ylitti Miawei Technologyn ja Sundriven syyskuussa 26.41 asettaman aiemman ennätyksen 2022 %. Lisäksi johtavat kotimaiset yritykset, kuten Tongwei, Canadian Solar, JinkoSolar ja Trina Solar, ovat kehittäneet HJT-teknologiaominaisuuksia, kun taas yritykset, kuten Risen Energy, Huasheng New Energy, Aikon Technologies ja Hanergy, ovat investoineet voimakkaasti HJT-solupolkuihin.
Alustatekniikat: XBC Cells
Schwartz ja Lammert ehdottivat ensimmäisen kerran IBC- eli Interdigitated Back Contact -soluja vuonna 1975. Niiden keskeinen piirre on metallielektrodien sijoittelu sormimaiseen kuvioon vain kennon takaosaan yhdessä vastaavan P-tyypin PN-liitoksen kanssa. ja korkea-matala N+-alueet myös järjestetty sormimaiseen kuvioon selässä. Tämä suunnittelu pyrkii eliminoimaan etumetallielektrodiristikkolinjojen aiheuttaman varjostuksen, mikä maksimoi tulevan valon käytön ja minimoi optiset häviöt. Samanaikaisesti, koska varjostusta ei tarvitse harkita, metalliristikkoviivoja voidaan tehdä leveämmiksi, mikä vähentää vastusta, kun taas seostuspitoisuudet PN-liitoksessa voidaan minimoida rekombinaatiohäviöiden vähentämiseksi. Sen varmistamiseksi, että valogeneroituja kantoaineita ei olennaisesti yhdistetä ennen kuin ne saavuttavat takaosan PN-liitoksen, IBC-solut vaativat tyypillisesti suuremman vähemmistökantajan käyttöiän, mikä saavutetaan käyttämällä korkeampaa elinikää P-tyypin piitä tai käyttämällä suoraan N-tyypin piitä korkeampien kantoaaltojen keräysnopeuksien varmistamiseksi.
Klassisissa IBC-kennoissa käytetään N-tyypin piikiekkoja substraatteina, jotka seostavat etupinnan fosforilla muodostaen N+/N-etupinnan kentän (FSF) pinnan rekombinaatiohäviöiden vähentämiseksi. Takapinta on seostettu fosforilla ja boorilla, jolloin muodostuu interdigitoituja P+-emitteri- ja N+-takapinnan kenttäalueita (BSF). P+-emitteri ja piisubstraatti muodostavat yhdessä PN-liitoksen, kun taas N+-takapinta muodostaa korkean ja matalan liitoksen substraatin kanssa. Pinottu piioksidin ja piinitridin passivointikerroksia hyödynnetään sekä etu- että takapinnalla. P+-emitterin ja N+-takapinnan leveys sekä niiden välinen etäisyys vaikuttavat merkittävästi solun suorituskykyyn. Yleensä N+-takapinnan leveydet ja välit tulee minimoida, mikä lisää valmistusprosessien vaikeutta.
IBC-solujen ainutlaatuisten tehokkuuden parantamisstrategioiden ansiosta ne eivät vain hyödynnä vahvuuksiaan, vaan tarjoavat myös yhteensopivuuden muiden soluteknologioiden kanssa, joita kutsutaan BC (Back Contact) -soluiksi tai XBC-soluiksi. Teoreettisesti BC-rakenne voi parantaa solukonversion tehokkuutta 0.6-0.7 %, mikä asettaa sen erittäin lupaavaksi alustateknologiaksi, josta tulee todennäköisesti seuraava valtavirran teknologinen reitti. Erityisesti:
(1) Yhdistäminen TOPCon-reittiin TBC-solujen muodostamiseksi: Käytettäessä N-tyypin piikiekkoja substraatteina etupinnalle tehdään fosforiseostus N+-etupinnan kentän luomiseksi, ja alumiinioksidi- ja piinitridikerroksilla kerrostetaan passivointia ja heijastuksenestoa. Takapuolelle levitetään tunnelointioksidikerros, rinnakkain toisiinsa sidottuja P-tyypin ja N-tyypin seostettuja monikiteisiä piikerroksia, jotka on viimeistelty piinitridipassivointikerroksella, ja aukot on tehty positiivisten ja negatiivisten elektrodien luomiseksi.
(2) Yhdistäminen HJT-reitin kanssa HBC-solujen muodostamiseksi: Käyttämällä N-tyypin piikiekkoja, etupinta on kerrostettu hydratuilla amorfisilla piiohutkalvoilla passivointia varten, jolloin läpinäkyvä johtava kalvo korvataan piinitridi-heijastuksenestokerroksella. Takana hydratut amorfiset piiohutkalvot on kerrostettu passivointikerroksina, rinnakkain lomitettuja P-tyypin ja N-tyypin seostettuja ohuita kalvoja, jotka päättyvät läpinäkyvällä johtavalla kalvolla ja aukoilla, jotka on tehty positiivisille ja negatiivisille elektrodeille.
Amerikkalainen Sunpower on IBC-kennojen edelläkävijä ja edelläkävijä, ja vuonna 2015 lanseerattujen kolmannen sukupolven IBC-kennojen tuotantotehokkuus on 25 %. Sunpowerin spin-offin, Maxeonin, odotetaan julkaisevan seitsemännen sukupolven tuotteen, jossa yhdistyvät TOPCon-kennojen passivoidut kontaktirakenteet, ja odotettu tuotantotehokkuus ylittää 26 %. Tämä merkitsee 2-3 % etua nykyaikaisiin valtavirran PERC-kennoihin verrattuna ja noin 1 % parempi kuin N-tyypin kennoteknologiat, kuten TOPCon ja HJT. BC-solujen korkein laboratoriotehoennätys on 26.7 %, jonka japanilainen Kaneka saavutti vuonna 2017 HBC-reitillä. Kotimarkkinoilla LONGi Green Energy ja Aiko Technology ovat myös saavuttaneet massatuotannon, jossa LONGin HPBC-tuotteet ovat saavuttaneet 25.3 %:n tuotantotehokkuuden, kun taas Aikon ABC-tuotteiden tuotantotehokkuus on 26.5 % (tarkkoja reittitietoja ei vielä julkisteta).
Tehokkuusetujen lisäksi BC-kennot ovat esteettisesti miellyttäviä, koska etupuolella ei ole ristikkovarjostusta, ja jos kennorunkoa muutetaan myös mustiksi materiaaleiksi, voidaan valmistaa täysin musta moduulituote. Takaverkon rakenne kuitenkin vaarantaa hieman BC-solujen bifacialiteettia rajoittaen niiden kykyä siepata maasta heijastuvaa valoa ja lisätä energiantuotantoa.
Yhteenveto
Aurinkosähköteollisuuden kehittyessä on selvää, että kehittyneiden aurinkokennotekniikoiden kehittäminen on kriittistä paremman tehokkuuden ja alhaisempien kustannusten saavuttamiseksi. TOPCon-, HJT- ja XBC-kennojen kaltaisten innovatiivisten polkujen myötä aurinkoenergian tulevaisuus näyttää lupaavalta. Keskittymällä rakenteiden, materiaalien ja prosessien optimointiin voimme avata mahdollisuudet vieläkin suurempiin edistysaskeliin aurinkosähkön tuotannossa.
Yrityksenä, jolla on 15 vuoden kokemus aurinkoenergiateollisuudesta, Ooitech on sitoutunut tarjoamaan huippuluokan valmistuslaitteita aurinkopaneeleille ja -moduuleille, mukaan lukien G1, M6, M10, M12, ja erilaiset edistyneet teknologiat. Tarjoamme kattavan koulutuksen ja tuen tuotantolinjan asennukseen varmistaaksemme, että asiakkaamme saavuttavat korkeimman tehokkuuden ja tuotannon. Jos haluat lisätietoja, tilaa meidän YouTube-kanava saadaksesi päivityksiä aurinkoenergiatehtaan innovaatioista ja katso meidän MBB Full Automatic aurinkopaneelien tuotantolinja video. Lataa meidän luettelo ja oppia lisää yrityksestämme Yrityksen profiili. Jos sinulla on kysyttävää, ota rohkeasti yhteyttä sähköpostitse osoitteeseen [sähköposti suojattu] tai ota meihin yhteyttä WhatsAppissa numeroon +8615961592660.