ทำความเข้าใจเทคโนโลยีเซลล์ PV หลักสามประเภท: TOPCon, HJT และเพอรอฟสไกต์

บทนำ

เทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์ได้พัฒนาอย่างรวดเร็วในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา โดยมีสถาปัตยกรรมเซลล์หลายแบบที่แข่งขันกันเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพให้สูงขึ้น บทความนี้อธิบายหลักการทำงานพื้นฐานของเซลล์แสงอาทิตย์ จากนั้นเจาะลึกเทคโนโลยีรุ่นใหม่สามประเภทหลักที่กำลังกำหนดทิศทางอุตสาหกรรมในปัจจุบัน และปิดท้ายด้วยการดูการควบคุมคุณภาพในการผลิตเซลล์

เซลล์แสงอาทิตย์ทำงานอย่างไร

เซลล์แสงอาทิตย์แปลงแสงเป็นไฟฟ้า แต่ไม่ใช่โฟตอนทั้งหมดที่เข้ามาจะมีส่วนเท่าเทียมกัน การทำความเข้าใจว่าพลังงานสูญเสียไปที่ใดเป็นขั้นตอนแรกในการสร้างเซลล์ที่ดีขึ้น

• โฟตอนที่มีพลังงานต่ำกว่าแถบช่องว่างจะไม่ถูกดูดซับและผ่านเซลล์ไป

• โฟตอนที่มีพลังงานสูงกว่าแถบช่องว่างจะถูกดูดซับและสร้างคู่อิเล็กตรอน-โฮล แต่พลังงานส่วนเกินของโฟตอนพลังงานสูงจะสูญเสียไปบางส่วนเป็นความร้อน

• การแยกประจุและการขนส่งพาหะที่สร้างขึ้นทำให้เกิดการสูญเสียที่รอยต่อ pn

• การสูญเสียจากการรวมตัวกันใหม่เกิดขึ้นระหว่างการขนส่งพาหะ

• ความต้านทานสัมผัสทำให้เกิดแรงดันตกคร่อม ส่งผลให้เกิดการสูญเสียแรงดันไฟฟ้าที่สัมผัส

การลดการสูญเสียทางไฟฟ้า

• เลือกเวเฟอร์ที่มีโครงสร้างผลึกดีและชนิดที่ถูกต้อง

• พัฒนาเทคนิคการสร้างรอยต่อ pn ที่เหมาะสม

• พัฒนาเทคนิคการพาสซีฟที่เหมาะสม

• ใช้เทคนิคการสัมผัสโลหะที่เหมาะสม

• ใช้เทคโนโลยีสนามด้านหน้าและด้านหลังที่ยอดเยี่ยม

การลดการสูญเสียทางแสง

เพื่อลดการสูญเสียทางแสงและเพิ่มประสิทธิภาพของเซลล์ อุตสาหกรรมได้พัฒนาแนวทางและเทคโนโลยีการดักจับแสงที่หลากหลาย ซึ่งรวมถึงการทำให้พื้นผิวของเวเฟอร์มีพื้นผิวขรุขระเพื่อลดการสะท้อน การเคลือบป้องกันการสะท้อนที่พื้นผิวด้านหน้า การเคลือบสะท้อนแสงที่พื้นผิวด้านหลัง และการลดพื้นที่บังเงาของเส้นกริด

TOPCon

TOPCon หรือที่รู้จักกันในชื่อเทคโนโลยีหน้าสัมผัสแบบพาสซีฟ (passivated contact) ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางว่าเป็นเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์รุ่นถัดไปหลังจาก PERC เมื่อเปรียบเทียบกับเทคโนโลยีใหม่ที่มีศักยภาพอื่นๆ เช่น HJT และ IBC แล้ว TOPCon สามารถอัปเกรดได้โดยตรงจากสายการผลิต PERC หรือ PERT ที่มีอยู่ ดังนั้น ผู้ผลิตที่ต้องการอัปเกรดสายการผลิตที่มีอยู่จึงต้องการเงินลงทุนที่ค่อนข้างต่ำ ในขณะที่ยังคงได้รับประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นอย่างมั่นคงประมาณ 1%

ด้านหน้าของเซลล์ TOPCon โดยพื้นฐานแล้วเหมือนกับเซลล์ N-type หรือ N-PERT ทั่วไป ประกอบด้วยอิมิตเตอร์โบรอน (p+) ชั้นพาสซีฟ และชั้นป้องกันการสะท้อน เทคโนโลยีหลักอยู่ที่หน้าสัมผัสแบบพาสซีฟด้านหลัง: ด้านหลังของเวเฟอร์มีชั้นออกไซด์บางพิเศษ (1–2 นาโนเมตร) และฟิล์มบางซิลิคอนผสมระหว่างไมโคร/อสัณฐานที่เจือด้วยฟอสฟอรัส สำหรับการใช้งานแบบสองหน้า การทำโลหะจะทำโดยการพิมพ์สกรีนกริด Ag หรือ Ag-Al ที่ด้านหน้าและกริด Ag ที่ด้านหลัง

Tunnel Oxide Passivated Contact

หน้าสัมผัสแบบพาสซีฟด้วยออกไซด์อุโมงค์ (TOPCon) ได้รับความสนใจอย่างมากเมื่อเร็วๆ นี้ เนื่องจากมีประสิทธิภาพการแปลงสูงถึง 25.7% โครงสร้าง TOPCon ประกอบด้วยออกไซด์อุโมงค์บางและชั้นหน้าสัมผัสโพลีซิลิคอนที่เจือด้วยฟอสฟอรัส (P) ชั้นโพลีซิลิคอนที่เจือด้วย P สามารถผลิตได้โดยการตกผลึก a-Si:H หรือโดยการสะสมโพลีซิลิคอนโดยตรงโดยใช้ LPCVD TOPCon โดดเด่นในฐานะตัวเลือกที่มีแนวโน้มดีในบรรดาเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์ประสิทธิภาพสูง

HJT เฮเทอโรจังก์ชัน

เทคโนโลยีเฮเทอโรจังก์ชัน (HJT) เป็นวิธีการผลิตแผงโซลาร์เซลล์ที่ได้รับความนิยมเพิ่มขึ้นในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา ปัจจุบันเป็นหนึ่งในกระบวนการที่มีประสิทธิภาพสูงสุดในการเพิ่มประสิทธิภาพและกำลังไฟฟ้าให้ถึงระดับสูง แม้กระทั่งเหนือกว่าประสิทธิภาพของเทคโนโลยี PERC กระแสหลักของอุตสาหกรรม เซลล์ HJT ผสมผสานเทคโนโลยีสองชนิดที่แตกต่างกันเข้าด้วยกัน: ซิลิคอนผลึกและฟิล์มบางอสัณฐาน การใช้เทคโนโลยีเหล่านี้ร่วมกันจะเก็บเกี่ยวพลังงานได้มากกว่าการใช้เพียงอย่างเดียว โดยมีประสิทธิภาพถึง 25% หรือสูงกว่า

โครงสร้างเซลล์ HJT

ใช้เวเฟอร์โมโนคริสตัลไลน์เป็นซับสเตรต จากนั้นฟิล์ม a-Si:H ชนิดอินทรินซิกหนา 5–10 นาโนเมตร และฟิล์ม a-Si:H ชนิด p-type จะถูกสะสมตามลำดับบนด้านหน้าที่ทำความสะอาดและทำให้มีพื้นผิวขรุขระของเวเฟอร์ เกิดเป็นรอยต่อพีเอ็นแบบเฮเทอโรจังก์ชัน ที่ด้านหลังของเวเฟอร์ ฟิล์มอินทรินซิกหนา 5–10 นาโนเมตรและฟิล์ม a-Si:H ชนิด n-type จะถูกสะสมเพื่อสร้างสนามพื้นผิวด้านหลัง จากนั้นสะสมฟิล์มออกไซด์นำไฟฟ้าโปร่งใส และสุดท้ายการพิมพ์สกรีนจะสร้างอิเล็กโทรดเก็บประจุโลหะที่ด้านบนของทั้งสองด้าน สร้างเซลล์แสงอาทิตย์ HJT แบบสมมาตร

ข้อดีของเซลล์ HJT

• ความยืดหยุ่นและความสามารถในการปรับตัว — เทคโนโลยีนี้ได้รับการพัฒนาเพื่อให้มีประสิทธิภาพการผลิตที่ยอดเยี่ยมแม้ในสภาพอากาศที่รุนแรง แผง HJT มีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิต่ำกว่าแผงทั่วไป ทำให้มีประสิทธิภาพสูงที่อุณหภูมิภายนอกสูง

• อายุการใช้งานที่คาดหวัง — โดยเฉลี่ยแล้ว โมดูล PV แบบฟิล์มบางสามารถใช้งานได้นานถึง 25 ปี ในขณะที่เซลล์ HJT สามารถทำงานได้ตามปกติมากกว่า 30 ปี

• ประสิทธิภาพที่สูงขึ้น — แผงเฮเทอโรจังก์ชันส่วนใหญ่ในตลาดปัจจุบันมีประสิทธิภาพระหว่าง 19.9% ถึง 21.7% ซึ่งเป็นการปรับปรุงครั้งใหญ่เมื่อเทียบกับเซลล์โมโนคริสตัลไลน์ทั่วไปอื่นๆ

• การประหยัดต้นทุน — ซิลิคอนอสัณฐานที่ใช้ในแผง HJT เป็นเทคโนโลยี PV ที่คุ้มต้นทุน เมื่อเทียบกับเทคโนโลยีอื่นๆ วิธีการเซลล์แสงอาทิตย์แบบฟิล์มบางนี้ใช้เวลาในการผลิตสั้นกว่า ด้วยกระบวนการที่เรียบง่าย HJT จึงมีราคาถูกกว่าทางเลือกอื่น

เพอรอฟสไกต์

ในปี 2009 วัสดุเพอรอฟสไกต์ถูกใช้ครั้งแรกเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพโฟโตวอลตาอิก 4% ภายในปี 2021 เซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสไกต์แบบรอยต่อเดี่ยว (PSC) มีประสิทธิภาพถึง 25.5% การปรับปรุงอย่างรวดเร็วของเซลล์เพอรอฟสไกต์ทำให้พวกมันกลายเป็นดาวรุ่งในสาขา PV และกระตุ้นความสนใจอย่างมากในแวดวงวิชาการ เนื่องจากวิธีการทำงานของพวกมันยังค่อนข้างใหม่ จึงมีโอกาสมากมายในการศึกษาฟิสิกส์และเคมีพื้นฐานของเพอรอฟสไกต์เพิ่มเติม

โครงสร้างเซลล์เพอรอฟสไกต์

โครงสร้างเซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสไกต์ที่ทันสมัยส่วนใหญ่ประกอบด้วยห้าองค์ประกอบ: ออกไซด์นำไฟฟ้าโปร่งใส ชั้นขนส่งอิเล็กตรอน (ETL) เพอรอฟสไกต์ ชั้นขนส่งโฮล (HTL) และอิเล็กโทรดโลหะ การทำความเข้าใจและปรับระดับพลังงานและปฏิสัมพันธ์ของวัสดุต่างๆ ที่ส่วนต่อประสานเหล่านี้เป็นสาขาการวิจัยที่น่าตื่นเต้นมากซึ่งยังอยู่ระหว่างการอภิปรายอย่างแข็งขัน

CaTiO3

เพอรอฟสไกต์เป็นชื่อของแร่ธาตุที่ถูกค้นพบในปี 1839 โดย Rose ในหินแร่ของเทือกเขาอูราล และตั้งชื่อตามนักธรณีวิทยาชาวรัสเซีย Perovski วัสดุเพอรอฟสไกต์มักมีโอกาสการรวมตัวของพาหะต่ำและความคล่องตัวของพาหะสูง ทำให้เป็นวัสดุที่เหมาะสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์

วิธีการสร้างฟิล์มเพอรอฟสไกต์

กุญแจสำคัญในการปรับปรุงประสิทธิภาพการแปลงพลังงานของเซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสไกต์อยู่ที่การปรับปรุงสัณฐานวิทยาของฟิล์ม วิธีการสร้างฟิล์มที่ใช้ในห้องปฏิบัติการโดยทั่วไปคือการสะสมแบบขั้นตอนเดียวหรือสองขั้นตอน เพื่อตอบสนองความต้องการฟิล์มเพอรอฟสไกต์พื้นที่ขนาดใหญ่และต้นทุนต่ำ อุปกรณ์การประมวลผล เช่น slot-die coating, printing และ spraying ก็ถูกใช้ในการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสไกต์

อนาคตของเพอรอฟสไกต์

การวิจัยในอนาคตเกี่ยวกับเพอรอฟสไกต์มีแนวโน้มที่จะมุ่งเน้นไปที่การลดการรวมตัวผ่านกลยุทธ์ต่างๆ เช่น การพาสซิเวชันและการลดข้อบกพร่อง รวมถึงการปรับปรุงประสิทธิภาพโดยการรวมเพอรอฟสไกต์สองมิติและวัสดุอินเทอร์เฟซที่เหมาะสมยิ่งขึ้น ชั้นสกัดประจุอาจเปลี่ยนจากวัสดุอินทรีย์เป็นอนินทรีย์เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพและความเสถียร การเพิ่มความเสถียรและลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมยังคงเป็นพื้นที่สำคัญ

การควบคุมคุณภาพในการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์ PV

เซลล์ PV ซิลิคอนผลึกเป็นเซลล์ที่พบมากที่สุดในแผงโซลาร์เชิงพาณิชย์ คิดเป็นมากกว่า 90% ของยอดขายเซลล์ PV ทั่วโลก

ในห้องปฏิบัติการ ประสิทธิภาพการแปลงพลังงานของเซลล์ซิลิคอนผลึกเกิน 25% สำหรับเซลล์โมโนคริสตัลไลน์ และสูงถึง 20% หรือมากกว่าสำหรับเซลล์โพลีคริสตัลไลน์ อย่างไรก็ตาม โมดูลโซลาร์ที่ผลิตในอุตสาหกรรมในปัจจุบันมีประสิทธิภาพเพียง 18%–22% ภายใต้เงื่อนไขการทดสอบมาตรฐาน

การทำความสะอาดและการสร้างพื้นผิว

การกัดกร่อนจะขจัดชั้นความเสียหายที่พื้นผิวและสร้างพื้นผิวให้เป็นโครงสร้างที่มีพื้นผิวเพื่อดักแสงและลดการสูญเสียจากการสะท้อน การวัดค่าการสะท้อนของพื้นผิวที่มีพื้นผิวเป็นวิธีการสำคัญในการตรวจสอบกระบวนการสร้างพื้นผิว

การสร้างรอยต่อแพร่และการแยกขอบ

การแพร่ทางความร้อนและวิธีการที่คล้ายกันจะสร้างชั้นการแพร่ที่มีสภาพนำไฟฟ้าต่างกันบนเวเฟอร์ ทำให้เกิดรอยต่อ pn เซลล์ประเภทต่างๆ จะสะสมชั้นพาสซิเวชันที่มีความหนาแน่นระหว่างรอยต่อ pn และเวเฟอร์เพื่อให้ได้เซลล์แสงอาทิตย์แบบฟิล์มบางที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น กระบวนการนี้จะตรวจสอบอายุของพาหะส่วนน้อย ความหนาของเวเฟอร์ และดัชนีหักเหเป็นหลัก

การสะสมชั้นเคลือบป้องกันแสงสะท้อน

เพื่อปรับปรุงการดูดซับแสงให้ดียิ่งขึ้น จะมีการเคลือบฟิล์มป้องกันแสงสะท้อนบนพื้นผิวเวเฟอร์ ปัจจุบันอุตสาหกรรมใช้การสะสมไอเคมีด้วยพลาสมาเสริม (PECVD) เพื่อสะสมฟิล์มบางบนเวเฟอร์ ซึ่งทำหน้าที่เป็นชั้นพาสซิเวชันไปพร้อมกัน ในขั้นตอนนี้ การวัดหลักคือค่าการส่งผ่านของฟิล์มป้องกันแสงสะท้อนและความสม่ำเสมอของความต้านทานแผ่น

การสร้างอิเล็กโทรด

อิเล็กโทรดแบบเส้นกริดจะถูกพิมพ์ด้วยสกรีนบนด้านหน้าของเซลล์ ในขณะที่สนามด้านหลังและอิเล็กโทรดด้านหลังจะถูกพิมพ์บนด้านหลัง ตามด้วยการอบแห้งและการเผา ในระหว่างกระบวนการนี้ การควบคุมอุณหภูมิ ความแม่นยำในการจัดตำแหน่ง และอัตราส่วนความสูงต่อความกว้างของเส้นกริดเป็นตัวชี้วัดที่ขาดไม่ได้

มุมมองของ Ooitech

ooitech เชื่อว่า: TOPCon, HJT และ perovskite ต่างก็ผลักดันประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ไปข้างหน้าในแบบของตนเอง และการควบคุมคุณภาพการผลิตที่เข้มงวดคือสิ่งที่เปลี่ยนเทคโนโลยีเหล่านี้ให้เป็นโมดูลที่เชื่อถือได้และมีประสิทธิภาพสูง