Giriş

Güneş fotovoltaik teknolojisi son on yılda hızla gelişti ve birkaç rekabetçi hücre mimarisi verimliliği yeni zirvelere taşıdı. Bu makale, güneş hücrelerinin temel çalışma prensiplerini adım adım açıklıyor, ardından sektörü bugün şekillendiren üç büyük yeni nesil teknolojiyi inceliyor ve hücre üretiminde kalite kontrolüne bir bakışla sona eriyor.

Güneş PV Hücreleri Nasıl Çalışır

Bir güneş hücresi ışığı elektriğe dönüştürür, ancak gelen tüm fotonlar eşit katkıda bulunmaz. Enerjinin nerede kaybolduğunu anlamak, daha iyi hücreler inşa etmenin ilk adımıdır.

• Bant aralığının altındaki enerjiye sahip fotonlar emilmez ve hücreden geçip gider.

• Bant aralığının üzerindeki enerjiye sahip fotonlar emilir ve elektron-boşluk çiftleri oluşturur, ancak yüksek enerjili fotonların fazla enerjisi kısmen ısı olarak kaybolur.

• Oluşturulan taşıyıcıların yük ayrımı ve taşınması, pn ekleminde kayıplara neden olur.

• Taşıyıcı taşınması sırasında rekombinasyon kayıpları meydana gelir.

• Kontak direnci bir voltaj düşüşüne neden olarak kontak voltaj kayıplarına yol açar.

Elektriksel Kayıpları Azaltma

• İyi kristal yapıya ve doğru tipe sahip gofretler seçin.

• İdeal pn eklemi oluşturma teknikleri geliştirin.

• İdeal pasivasyon teknikleri geliştirin.

• Makul metal kontak teknikleri benimseyin.

• Mükemmel ön yüzey ve arka yüzey alan teknolojileri uygulayın.

Optik Kayıpları Azaltma

Optik kayıpları azaltmak ve hücre verimliliğini artırmak için endüstri, çeşitli ışık hapsetme yaklaşımları ve teknolojileri geliştirmiştir. Bunlar arasında yansımayı azaltmak için gofretin yüzey dokulandırması, ön yüzey yansıma önleyici kaplamalar, arka yüzey yansıtıcı kaplamalar ve ızgara çizgisi gölgeleme alanının en aza indirilmesi yer alır.

TOPCon

TOPCon, aynı zamanda pasifleştirilmiş kontak teknolojisi olarak da bilinir, PERC'den sonraki nesil güneş hücresi teknolojisi olarak yaygın şekilde kabul görmektedir. HJT ve IBC gibi diğer potansiyel yeni teknolojilerle karşılaştırıldığında, TOPCon mevcut PERC veya PERT hatlarından doğrudan yükseltilebilir. Sonuç olarak, mevcut üretim hatlarını yükseltmek isteyen üreticiler nispeten düşük bir sermaye yatırımına ihtiyaç duyarken, yine de yaklaşık %1'lik sağlam bir verimlilik artışı elde ederler.

Bir TOPCon hücresinin ön tarafı, geleneksel bir N-tipi veya N-PERT hücresiyle temelde aynıdır; bir bor (p+) yayıcı, bir pasifleştirme katmanı ve bir yansıma önleyici katmandan oluşur. Temel teknoloji, arka pasifleştirilmiş kontaktadır: gofretin arkası, ultra ince bir oksit katmanı (1–2 nm) artı fosfor katkılı mikro/amorf karışık silikon ince film taşır. Çift yüzlü uygulamalar için metalizasyon, ön tarafta Ag veya Ag-Al ızgaralarının ve arkada Ag ızgaralarının serigrafi baskısı ile yapılır.

Tünel Oksit Pasifleştirilmiş Kontak

Tünel Oksit Pasifleştirilmiş Kontak (TOPCon), %25,7 gibi yüksek bir dönüşüm verimliliği elde ettiği için son zamanlarda önemli ölçüde dikkat çekmiştir. TOPCon yapısı, ince bir tünel oksit ve fosfor (P) katkılı polisilikon kontak katmanından oluşur. P-katkılı polisilikon katmanı, a-Si:H'nin kristalleştirilmesi veya LPCVD kullanılarak doğrudan polisilikon biriktirilmesiyle üretilebilir. TOPCon, yüksek verimli güneş hücresi teknolojileri arasında umut verici bir aday olarak öne çıkmaktadır.

HJT Heteroeklem

Heteroeklem teknolojisi (HJT), son on yılda yükselişte olan bir güneş paneli üretim yöntemidir. Şu anda verimliliği ve güç çıkışını yüksek seviyelere çıkarmak için en etkili süreçlerden biridir ve hatta endüstrinin ana akım PERC teknolojisinin performansını bile aşmaktadır. HJT hücreleri, iki farklı teknolojiyi bir araya getirir: kristal silikon ve amorf ince film. Bu teknolojilerin birlikte kullanılması, her birinin tek başına kullanılmasından daha fazla enerji toplar ve %25 veya daha yüksek verimliliklere ulaşır.

HJT Hücre Yapısı

Monokristal bir gofret altlık olarak kullanılarak, temizlenmiş ve dokulandırılmış gofret ön yüzüne sırasıyla 5–10 nm kalınlığında intrinsik a-Si:H filmi ve ardından p-tipi a-Si:H filmi biriktirilerek bir p-n heteroeklemi oluşturulur. Gofretin arka yüzüne 5–10 nm intrinsik film ve n-tipi a-Si:H filmi biriktirilerek bir arka yüzey alanı oluşturulur. Daha sonra şeffaf iletken oksit filmi biriktirilir ve son olarak serigrafi baskı ile her iki tarafın üstünde metal toplayıcı elektrotlar oluşturularak simetrik bir HJT güneş hücresi yapılır.

HJT Hücrelerinin Avantajları

• Esneklik ve uyarlanabilirlik — Bu teknoloji, aşırı hava koşullarında bile mükemmel üretim kabiliyeti için geliştirilmiştir. HJT panelleri, geleneksel panellere göre daha düşük bir sıcaklık katsayısına sahiptir ve yüksek dış ortam sıcaklıklarında yüksek performans sağlar.

• Beklenen kullanım ömrü — Ortalama olarak, ince film PV modülleri 25 yıla kadar dayanabilirken, HJT hücreleri 30 yıldan fazla normal şekilde çalışmaya devam edebilir.

• Daha yüksek verimlilik — Bugün piyasadaki çoğu heteroeklem panelin verimliliği %19,9 ile %21,7 arasındadır ve bu, diğer geleneksel monokristal hücrelere göre büyük bir gelişmedir.

• Maliyet tasarrufu — HJT panellerinde kullanılan amorf silikon, uygun maliyetli bir PV teknolojisidir. Diğer teknolojilerle karşılaştırıldığında, bu ince film güneş yaklaşımı daha kısa üretim süresi gerektirir. Basitleştirilmiş süreci sayesinde HJT, alternatif çözümlerden daha uygun fiyatlıdır.

Perovskit

2009 yılında, perovskite malzemeler ilk kez %4 fotovoltaik verimlilik elde etmek için kullanıldı. 2021 yılına gelindiğinde, tek eklemli perovskite güneş hücreleri (PSC) %25,5 verimliliğe ulaştı. Perovskit hücrelerinin hızlı gelişimi, onları PV alanında yükselen bir yıldız haline getirdi ve akademide büyük ilgi uyandırdı. Çalışma yöntemleri hala nispeten yeni olduğundan, perovskite'in altında yatan fizik ve kimyayı daha fazla incelemek için bol miktarda fırsat vardır.

Perovskit Hücre Yapısı

En gelişmiş perovskite güneş hücresi yapıları beş bileşene dayanır: şeffaf iletken oksit, bir elektron taşıma katmanı (ETL), perovskite, bir delik taşıma katmanı (HTL) ve bir metal elektrot. Bu arayüzlerdeki farklı malzemelerin enerji seviyelerini ve etkileşimlerini anlamak ve optimize etmek, hala aktif olarak tartışılan çok heyecan verici bir araştırma alanıdır.

CaTiO3

Perovskit, 1839 yılında Rose tarafından Ural Dağları'nın kaya minerallerinde keşfedilen ve Rus jeolog Perovski'nin adını taşıyan bir mineralin adıdır. Perovskit malzemeleri düşük taşıyıcı rekombinasyon olasılığına ve yüksek taşıyıcı hareketliliğine sahip olma eğilimindedir, bu da onları güneş pilleri için ideal malzemeler yapar.

Perovskit Film Oluşturma Yöntemleri

Perovskit güneş pillerinin güç dönüşüm verimliliğini artırmanın anahtarı, film morfolojisini optimize etmektir. Laboratuvarda yaygın olarak kullanılan film oluşturma yöntemleri tek aşamalı veya iki aşamalı işlem biriktirmedir. Geniş alanlı, düşük maliyetli perovskit film talebini karşılamak için slot-die kaplama, baskı ve püskürtme gibi işleme ekipmanları da perovskit güneş pilleri üretmek için kullanılır.

Perovskitin Geleceği

Perovskit üzerine gelecekteki araştırmaların, pasivasyon ve kusur azaltma gibi stratejilerle rekombinasyonu azaltmaya ve iki boyutlu perovskitler ve daha optimize edilmiş arayüz malzemeleri ekleyerek verimliliği artırmaya odaklanması muhtemeldir. Yük taşıma katmanları, verimliliği ve kararlılığı artırmak için organikten inorganik malzemelere geçebilir. Kararlılığı artırmak ve çevresel etkiyi azaltmak önemli alanlar olmaya devam etmektedir.

Güneş PV Hücre Üretiminde Kalite Kontrol

Kristal silikon PV hücreler, ticari güneş panellerinde en yaygın hücrelerdir ve küresel PV hücre pazarı satışlarının %90'ından fazlasını oluşturur.

Laboratuvarda, kristal silikon hücrelerin enerji dönüşüm verimliliği monokristal hücreler için %25'i aşar ve polikristal hücreler için %20 veya üzerine ulaşır. Ancak, endüstriyel olarak üretilen güneş modülleri şu anda standart test koşullarında yalnızca %18–22 verimlilik elde etmektedir.

Temizleme ve Dokulandırma

Dağlama, yüzey hasar katmanını giderir ve yüzeyi dokulandırarak ışığı hapseden ve yansıma kayıplarını azaltan bir doku yapısı oluşturur. Dokulu yüzeyin yansıtıcılığını ölçmek, dokulandırma sürecini izlemenin önemli bir yoludur.

Difüzyon Bağlantı Oluşumu ve Kenar İzolasyonu

Termal difüzyon ve benzer yöntemler, gofret üzerinde farklı iletkenlik tipinde bir difüzyon tabakası oluşturarak pn bağlantısını meydana getirir. Farklı hücre tipleri, daha verimli bir ince film güneş hücresi elde etmek için pn bağlantısı ile gofret arasında belirli kalınlıkta bir pasivasyon tabakası biriktirir. Bu süreçte esas olarak azınlık taşıyıcı ömrü, gofret kalınlığı ve kırılma indisi izlenir.

Yansıma Önleyici Kaplama Biriktirme

Işık emilimini daha da iyileştirmek için gofret yüzeyine yansıma önleyici bir film uygulanır. Günümüzde endüstri, gofret üzerine aynı anda pasivasyon tabakası görevi gören ince bir film biriktirmek için plazma destekli kimyasal buhar biriktirme (PECVD) kullanmaktadır. Bu aşamada ana ölçümler, yansıma önleyici filmin geçirgenliği ve tabaka direncinin homojenliğidir.

Elektrot Üretimi

Hücrenin ön yüzüne ızgara hatlı elektrotlar serigrafi ile basılırken, arka yüzey alanı ve arka elektrot arka tarafa basılır, ardından kurutma ve sinterleme yapılır. Bu işlem sırasında sıcaklık kontrolü, hizalama doğruluğu ve ızgara hatlarının yükseklik-genişlik oranı vazgeçilmez izleme göstergeleridir.

Ooitech'in Görüşü

ooitech inanıyor: TOPCon, HJT ve perovskit, her biri kendi yöntemiyle güneş hücresi verimliliğini ileriye taşır ve titiz üretim kalite kontrolü, bu teknolojileri nihayetinde güvenilir, yüksek performanslı modüllere dönüştüren şeydir.