Üç Ana PV Hücre Teknolojisini Anlamak: TOPCon, HJT ve Perovskit

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 ele alıyor, 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.

• Yük ayrımı ve oluşturulan taşıyıcıların taşınması, pn ekleminde kayıplara neden olur.

• Taşıyıcı taşınması sırasında rekombinasyon kayıpları meydana gelir.

• Temas direnci bir voltaj düşüşüne neden olarak temas voltaj kayıplarına yol açar.

Elektriksel Kayıpları Azaltma

• İyi kristal yapıya ve doğru tipe sahip gofretler seçin.

• İdeal pn eklem oluşturma teknikleri geliştirin.

• İdeal pasivasyon teknikleri geliştirin.

• Makul metal temas teknikleri benimseyin.

• Mükemmel ön yüzey ve arka yüzey alan teknolojileri uygulayın.

Optik Kayıpları Azaltma

Optik kayıpları azaltmak ve hücre verimliliğini artırmak için endüstri, bir dizi ışık hapsi yaklaşımı ve teknolojisi geliştirmiştir. Bunlar arasında yansımayı azaltmak için gofretin yüzey dokulandırması, ön yüzey yansıma önleyici kaplamalar, arka yüzey yansıtıcı kaplamalar ve ızgara hattı gölgeleme alanının en aza indirilmesi yer alır.

TOPCon

TOPCon, aynı zamanda pasifize 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. Bu nedenle, mevcut üretim hatlarını yükseltmek isteyen üreticiler, yaklaşık %1'lik sağlam bir verimlilik artışı elde ederken nispeten düşük bir sermaye yatırımına ihtiyaç duyar.

Bir TOPCon hücresinin ön yüzü, esasen geleneksel bir N-tipi veya N-PERT hücresiyle aynıdır; bir bor (p+) emitör, bir pasivasyon katmanı ve bir yansıma önleyici katmandan oluşur. Temel teknoloji, arka pasifize kontakta yatar: gofretin arkası, ultra ince bir oksit katmanı (1–2 nm) ve fosfor katkılı mikro/amorf karışık silikon ince film taşır. Çift yüzlü uygulamalar için metalizasyon, ön yüzde Ag veya Ag-Al ızgaraların ve arka yüzde Ag ızgaraların serigrafi baskısı ile yapılır.

Tunnel Oxide Passivated Contact

Tünel Oksit Pasifize Kontak (TOPCon), %25,7'lik yüksek dönüşüm verimliliği elde etmesi nedeniyle son zamanlarda önemli ilgi görmüştür. 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 geride bırakmaktadır. 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 gofret alt tabaka olarak kullanılarak, gofretin temizlenmiş ve dokulandırılmış ön yüzüne sırasıyla 5–10 nm'lik bir 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'lik bir 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, her iki tarafın üstünde metal toplayıcı elektrotlar oluşturarak simetrik bir HJT güneş hücresi inşa eder.

HJT Hücrelerinin Avantajları

• Esneklik ve uyum sağlama — Bu teknoloji, aşırı hava koşullarında bile mükemmel üretim kapasitesi için geliştirilmiştir. HJT paneller, geleneksel panellere göre daha düşük sıcaklık katsayısına sahiptir ve yüksek dış ortam sıcaklıklarında yüksek performans sağlar.

• Beklenen kullanım ömrü — Ortalama olarak, ince film PV modüller 25 yıla kadar dayanabilirken, HJT hücreler 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 panellerde 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, perovskit malzemeler ilk kez %4 fotovoltaik verimlilik elde etmek için kullanıldı. 2021 yılına gelindiğinde, tek eklemli perovskit güneş hücreleri (PSC) %25,5 verimliliğe ulaştı. Perovskit hücrelerin hızlı gelişimi, onları PV alanında yükselen bir yıldız haline getirdi ve akademide büyük ilgi uyandırdı. Çalışma yöntemleri hala nispeten yeni olduğundan, perovskitin altında yatan fizik ve kimyayı daha fazla incelemek için bolca fırsat vardır.

Perovskit Hücre Yapısı

En gelişmiş perovskit güneş hücresi yapıları beş bileşene dayanır: şeffaf iletken oksit, elektron taşıma katmanı (ETL), perovskit, delik taşıma katmanı (HTL) ve 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 malzemeler, düşük taşıyıcı rekombinasyon olasılığı ve yüksek taşıyıcı hareketliliğine sahip olma eğilimindedir, bu da onları güneş hücreleri için ideal malzemeler yapar.

Perovskit Film Oluşturma Yöntemleri

Perovskit güneş hücrelerinin 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 hücreleri üretmek için kullanılır.

Perovskitin Geleceği

Perovskit üzerine gelecekteki araştırmaların, pasivasyon ve kusur azaltma gibi stratejilerle rekombinasyonu azaltmaya ve iki boyutlu perovskitler ile daha optimize edilmiş arayüz malzemeleri ekleyerek verimliliği artırmaya odaklanması muhtemeldir. Yük taşıma katmanları, verimlilik ve kararlılığı iyileştirmek 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 pazar satışlarının %90'ından fazlasını oluşturur.

Laboratuvarda, kristal silikon hücrelerin enerji dönüşüm verimliliği tek kristalli hücreler için %25'i, çok kristalli hücreler için ise %20 veya üzerini aşmaktadır. Ancak endüstriyel olarak üretilen güneş modülleri, standart test koşullarında şu anda 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. Dokulandırılmış yüzeyin yansıtıcılığının ölçülmesi, dokulandırma sürecini izlemenin önemli bir yoludur.

Difüzyon Bağlantı Oluşumu ve Kenar İzolasyonu

Termal difüzyon ve benzer yöntemler, gofret üzerinde farklı iletkenlik tipinde bir difüzyon katmanı 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 katmanı biriktirir. Bu süreç esas olarak azınlık taşıyıcı ömrü, gofret kalınlığı ve kırılma indisini izler.

Yansıma Önleyici Kaplama Biriktirme

Işığın emilimini daha da iyileştirmek için, gofret yüzeyine yansıma önleyici bir film uygulanır. Günümüzde endüstri, gofret üzerine aynı zamanda pasivasyon katmanı 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, arka yüzüne ise arka yüzey alanı ve arka elektrot serigrafi ile basılır, ardından kurutma ve sinterleme yapılır. Bu işlem sırasında sıcaklık kontrolü, hizalama hassasiyeti ve ızgara hatlarının yükseklik-genişlik oranı vazgeçilmez izleme göstergeleridir.

Ooitech'in Görüşü

ooitech şuna inanıyor: TOPCon, HJT ve perovskit, güneş hücresi verimliliğini kendi yöntemleriyle ileriye taşıyor ve sıkı üretim kalite kontrolü, bu teknolojileri nihayetinde güvenilir, yüksek performanslı modüllere dönüştüren şeydir.