ทำไม Fill Factor จึงเผยให้เห็นข้อบกพร่องในการผลิตจำนวนมากของเซลล์แสงอาทิตย์ก่อน?
สารบัญ
ทำไม Fill Factor จึงเผยให้เห็นข้อบกพร่องในการผลิตจำนวนมากของเซลล์แสงอาทิตย์ก่อน?
บทนำ: ฟิลล์แฟกเตอร์ไม่ใช่พารามิเตอร์ที่แยกเดี่ยว มันบีบอัดความต้านทานสัมผัส การรั่วไหล สูตรของสารนำไฟฟ้า การพิมพ์สกรีน การเผา และหน้าต่างกระบวนการ LECO ให้เป็นเส้นโค้ง I-V เส้นเดียว
ประสิทธิภาพแสดงผลลัพธ์ ในขณะที่ FF เผยให้เห็นสิ่งที่เกิดขึ้นบนสายการผลิต
อุตสาหกรรมพลังงานแสงอาทิตย์ขยายตัวอย่างรวดเร็วภายใต้การเปลี่ยนผ่านพลังงานทั่วโลก กำลังการผลิตโมดูล PV ทั่วโลกเกิน 200 GW แล้ว โดยมีผลผลิตต่อปียังคงสูงกว่า 150 GW ในเวลาเดียวกัน เทคโนโลยี PERC ได้เข้าสู่ช่วงท้ายของวงจรชีวิต ประสิทธิภาพการแปลงในการผลิตจำนวนมากเพิ่มขึ้นเป็น 23.5% และกำลังเคลื่อนไปสู่เพดานทางทฤษฎีที่ประมาณ 24% อย่างยากลำบาก การเพิ่มขึ้นเพิ่มเติมนั้นยากขึ้นมาก
จากมุมมองต้นทุนการผลิต ต้นทุนที่ไม่ใช่ซิลิกอนของเซลล์ PERC ถูกบีบอัดเหลือประมาณ 0.2 หยวนต่อวัตต์ เหลือพื้นที่สำหรับการลดเพิ่มเติมจำกัด อุตสาหกรรมจึงเปลี่ยนไปสู่เทคโนโลยี N-type ประสิทธิภาพสูง เช่น TOPCon เทคโนโลยีเฮเทอโรจังก์ชันหรือ HJT และเซลล์แบบ back-contact เป้าหมายคือการเปิดพื้นที่กำไรใหม่ผ่านประสิทธิภาพที่สูงขึ้นและความสามารถในการจัดหาเงินทุนของโครงการที่แข็งแกร่งขึ้น
ประสิทธิภาพการแปลงมีความสำคัญอย่างชัดเจนเมื่อประเมินเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์รุ่นหนึ่ง อย่างไรก็ตาม บนสายการผลิตจริง แรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดหรือ Voc และกระแสไฟฟ้าลัดวงจรหรือ Isc มักจะคงที่ในช่วงที่ค่อนข้างแคบ ณ จุดนั้น ฟิลล์แฟกเตอร์กลายเป็นตัวบ่งชี้ที่ชี้ขาดของผลผลิตสุดท้ายและสัญญาณที่ไวต่อความผันผวนของกระบวนการเล็กน้อย
ในทางเรขาคณิต ฟิลแฟกเตอร์วัดความสี่เหลี่ยมของเส้นโค้งคุณลักษณะ I-V ของเซลล์แสงอาทิตย์ เป็นอัตราส่วนระหว่างสี่เหลี่ยมผืนผ้ากำลังสูงสุดจริงกับสี่เหลี่ยมผืนผ้าทางทฤษฎีที่เกิดจาก Voc และ Isc ค่าจะต่ำกว่า 1 เสมอ ภายใต้สภาวะที่เหมาะสม FF สูงสุดของเซลล์แสงอาทิตย์แกลเลียมอาร์เซไนด์อาจเข้าใกล้ 0.89 ขีดจำกัดทางทฤษฎีสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ซิลิคอนผลึกเชิงพาณิชย์ทั่วไปอยู่ที่ประมาณ 0.83 ถึง 0.85
สายการผลิตไม่ใช่แบบจำลองในอุดมคติ การสัมผัสโลหะที่ไม่ดี การรั่วไหลที่เกี่ยวข้องกับการกัด สูตรพาสต์ที่ไม่สมดุล หรือหน้าต่างการเผาที่เลื่อนไป ล้วนรบกวนส่วนต่อประสานการสัมผัสระดับจุลภาค ข้อบกพร่องเหล่านี้ไวต่อการสะสมความร้อนสูง ในที่สุดจะปรากฏเป็นการเปลี่ยนแปลงที่รุนแรงในความต้านทานปรสิต และมักถูกเปิดเผยก่อนผ่านการลดลงของ FF
สูตร: ความสัมพันธ์ระหว่างประสิทธิภาพการแปลงและ FF
η = Pmax / Pin = (Voc × Isc × FF) / Pin
ความหมาย: เมื่อ Voc และ Isc ค่อนข้างคงที่ ความผันผวนเล็กน้อยของ FF จะส่งผ่านโดยตรงไปยังประสิทธิภาพการแปลงสุดท้าย
สูตร: นิยามของฟิลแฟกเตอร์
FF = Pmax / (Voc × Isc) = (Vmp × Imp) / (Voc × Isc)
ความหมาย: FF วัดความสี่เหลี่ยมของเส้นโค้ง I-V ในทางปฏิบัติ มันแสดงให้เห็นว่าเซลล์แปลงกำลังไฟฟ้าทางทฤษฎีเป็นกำลังสูงสุดจริงได้อย่างมีประสิทธิภาพเพียงใด
แกนหลักทางกายภาพของ FF: การดึงระหว่าง Rs และ Rsh
เพื่อทำความเข้าใจว่าเหตุใด FF จึงไวต่อสภาวะการผลิตมาก จำเป็นต้องกลับไปที่แบบจำลองวงจรสมมูลของเซลล์แสงอาทิตย์ พาหะที่สร้างจากแสงจะเคลื่อนที่และแพร่ผ่านเนื้อซิลิคอนก่อนที่จะถูกรวบรวมโดยวงจรภายนอก การสูญเสียพลังงานเป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ในระหว่างกระบวนการนี้
ในระดับไฟฟ้ามหภาค การสูญเสียเหล่านี้แสดงด้วยความต้านทานปรสิต องค์ประกอบหลักสองประการคือความต้านทานอนุกรม Rs และความต้านทานขนาน Rsh
ความต้านทานอนุกรมแสดงถึงความต้านทานทางกายภาพไปข้างหน้าทั้งหมดที่กระแสไฟฟ้าพบเมื่อไหลไปยังโหลดภายนอก เป็นผลรวมของความต้านทานเนื้อเวเฟอร์ซิลิคอน ความต้านทานสัมผัสระหว่างอิเล็กโทรดด้านหน้าและด้านหลังกับซิลิคอน ความต้านทานการขนส่งอิมิตเตอร์ด้านข้าง ความต้านทานฟิงเกอร์และบัสบาร์ และในระดับโมดูล ความต้านทานของริบบอนเชื่อมต่อ
ในบรรดาปัจจัยเหล่านี้ ความต้านทานการสัมผัสระหว่างโลหะและสารกึ่งตัวนำ การเปลี่ยนแปลงของความเข้มข้นของการโดปที่อิมิตเตอร์ และความลึกของรอยต่อ เป็นตัวแปรที่ไม่เสถียรที่สุดบางส่วนในการผลิตจำนวนมาก นอกจากนี้ยังเป็นสาเหตุที่พบบ่อยที่สุดของการเพิ่มขึ้นของ Rs อย่างรวดเร็ว ความต้านทานอนุกรมมีความสัมพันธ์เชิงลบอย่างมากกับฟิลแฟกเตอร์ของเซลล์
บนเส้นโค้ง I-V เมื่อ Rs เพิ่มขึ้น ความชันของบริเวณไบอัสตรงใกล้ Voc จะลดลง และเส้นโค้งจะแบนขึ้น ในระดับมหภาค ความต้านทานอนุกรมที่สูงขึ้นจะลดกำลังขับสูงสุดและลด FF
ความต้านทาน shunt สะท้อนถึงระดับการรั่วไหลทางไฟฟ้าภายใน ตามทฤษฎีแล้ว Rsh ควรเข้าใกล้อนันต์ โดยไม่มีเส้นทางบายพาสสำหรับพาหะที่เกิดจากแสง ในการผลิตจริง การรั่วไหลที่ขอบ ผลึกเคลื่อน และสารละลายโลหะที่ทะลุผ่านรอยต่อ PN สามารถสร้างเส้นทางกระแสที่ไม่พึงประสงค์ได้
Rsh ที่ต่ำกว่าหมายถึงกระแสรั่วไหลภายในมากขึ้น ผลการ shunt นี้จะลดกระแสที่ผ่านรอยต่อ PN ที่ทำงานและลดแรงดันไฟฟ้าที่ใช้งาน ปัญหาจะเห็นได้ชัดเจนขึ้นภายใต้ความเข้มแสงต่ำ เนื่องจากกระแสที่เกิดจากแสงอ่อนอยู่แล้ว ทำให้การรั่วไหลเป็นส่วนใหญ่ของกระแสรวม
สูตร: สมการเซลล์แสงอาทิตย์รวมความต้านทานปรสิต
I = IL - I0 × { exp[q(V + I×Rs)/(n k T)] - 1 } - (V + I×Rs) / Rsh
ความหมาย: Rs ขัดขวางกระแสเอาต์พุต ในขณะที่ Rsh สร้างเส้นทางรั่วไหล ทั้งสองลด FF
สูตร: เงื่อนไขจุดกำลังสูงสุด
d(I×V) / dV = 0
ความหมาย: จุดที่กำลังถึงค่าสูงสุดบนเส้นโค้ง I-V คือที่มาของค่า Pmax ที่ใช้ในการทดสอบการผลิต
สูตร: ความต้านทาน shunt ปกติ
RCH = Voc / Isc; rsh = Rsh / RCH
ความหมาย: การทำให้เป็นมาตรฐานด้วยความต้านทานลักษณะเฉพาะ RCH ช่วยให้เซลล์ที่มีขนาดและระดับกระแสต่างกันสามารถเปรียบเทียบกันได้ในสเกลเดียวกัน
สูตร: ผลโดยประมาณของความต้านทาน shunt ต่อ FF
FFsh ≈ FF0 × (1 - 1 / rsh)
ความหมาย: ยิ่ง Rsh ต่ำ การรั่วไหลยิ่งรุนแรง และการสูญเสีย FF ที่เกิดขึ้นยิ่งมากขึ้น
ปัญหาการผลิตใดที่สอดคล้องกับ Rs และ Rsh?
จากมุมมองทางวิศวกรรม FF มีค่าไม่เพียงเพราะมันบอกว่าประสิทธิภาพลดลง แต่ช่วยให้วิศวกรระบุได้ว่าทำไมประสิทธิภาพจึงลดลง ความต้านทานอนุกรมและความต้านทาน shunt ส่งผลต่อบริเวณต่างๆ ของเส้นโค้ง I-V ดังนั้นจึงสามารถชี้ไปที่ข้อบกพร่องในการผลิตที่แตกต่างกัน
สูตร: การสูญเสียความร้อนที่เกิดจากความต้านทานอนุกรม
Ploss ≈ I² × Rs
ความหมาย: ภายใต้สภาวะกระแสสูงหรือความเข้มแสงสูง การสูญเสียกำลังไฟฟ้าที่เกิดจาก Rs จะเพิ่มขึ้นตามกำลังสองของกระแส
| สภาวะความต้านทานปรสิต | การเปลี่ยนแปลงของเส้นโค้ง I-V | ผลกระทบในระดับมหภาค | สาเหตุที่อาจเกิดขึ้นในสายการผลิต |
|---|---|---|---|
| ความต้านทานอนุกรม Rs เพิ่มขึ้น | ความชันในบริเวณไบอัสไปข้างหน้าใกล้ Voc ลดลง | FF ลดลง การสูญเสียความร้อนมากขึ้นภายใต้ความเข้มแสงสูง และ Isc อาจลดลงเล็กน้อย | การสัมผัสอิเล็กโทรดด้านหน้าหรือด้านหลังไม่ดี ความต้านทานเชิงปริมาตรของสารนำสูง เส้นตัวนำแตก หรือการเผาไม่เพียงพอ |
| ความต้านทานชันต์ Rsh ลดลง | ความชันใกล้ Isc และในบริเวณไบอัสกลับเพิ่มขึ้น | FF ลดลง การรั่วไหลทำให้ Voc ลดลง และประสิทธิภาพในที่แสงน้อยลดลงอย่างรวดเร็ว | การแยกขอบไม่สมบูรณ์ การทะลุของรอยต่อ PN เนื่องจากการเผามากเกินไป ข้อบกพร่องของผลึก หรือรูเข็มในฟิล์มเคลือบ |
การสัมผัสไม่ดี: จุดอ่อนของกระบวนการเมทัลไลเซชัน
ในกระบวนการผลิตจากเวเฟอร์ซิลิคอนไปจนถึงเซลล์สำเร็จ การพิมพ์สกรีนและการเผาเมทัลไลเซชันเป็นขั้นตอนสำคัญที่กำหนดประสิทธิภาพทางไฟฟ้า การพิมพ์สกรีนเป็นกระบวนการที่成熟และคุ้มค่า แต่กลไกการสัมผัสทางกายภาพอาจทำให้เกิดปัญหาทั้งความต้านทานอนุกรมและความต้านทานชันต์
เซลล์ประสิทธิภาพสูงสมัยใหม่มักใช้การเคลือบอิเล็กทริกด้านหลังและการสัมผัสโลหะเฉพาะจุดเพื่อลดอัตราการรวมตัวของพาหะที่ด้านหลัง เนื่องจากมีชั้นอิเล็กทริกฉนวนระหว่างโลหะและเนื้อซิลิคอน การสัมผัสเฉพาะจุดต้องทำผ่านการเปิดด้วยเลเซอร์หรือการกัดด้วยสารนำ หากคุณภาพการเปิดไม่ดีหรือการผสมไม่เพียงพอ โลหะและสารกึ่งตัวนำจะไม่สามารถสร้างการสัมผัสโอห์มมิกที่เชื่อถือได้
การศึกษาของเซลล์ที่มีการสัมผัสอิเล็กโทรดด้านหลังเฉพาะจุดด้วยการพิมพ์สกรีนพบว่าการสัมผัสไม่ดีทำให้ความต้านทานอนุกรมเพิ่มขึ้นเป็น 21.34 mΩ ประสิทธิภาพการแปลงถึงเพียง 8.95% ซึ่งต่ำกว่าระดับ 17.44% ของเซลล์แบบสนามไฟฟ้าด้านหลังอะลูมิเนียมทั่วไป
นักวิจัยพยายามกู้คืน FF โดยการปรับระดับการเจือของอะลูมิเนียมด้านหลัง เมื่อปริมาณอะลูมิเนียมเพิ่มขึ้น ความลึกของการผสมโลหะดีขึ้นและความต้านทานอนุกรมลดลง เมื่อปริมาณอะลูมิเนียมถึงระดับวิกฤตที่ 60% Rs ลดลง 11 mΩ เมื่อเทียบกับสภาวะที่ไม่มีการเจือ ซึ่งทำให้ประสิทธิภาพการแปลงเพิ่มขึ้น 2.59 จุดเปอร์เซ็นต์สัมบูรณ์
อย่างไรก็ตาม เมื่อปริมาณอะลูมิเนียมสูงเกินไป อะลูมิเนียมส่วนเกินจะรบกวนเครือข่ายการนำไฟฟ้าในบริเวณสัมผัส ความต้านทานอนุกรมจึงเริ่มเพิ่มขึ้นอีกครั้ง
QFLS: การแยกข้อบกพร่องของวัสดุออกจากข้อบกพร่องในการผลิต
เมื่อสายการผลิตแสดงการลดลงของ FF อย่างกว้างขวาง หนึ่งในคำถามที่ยากที่สุดคือการสูญเสียนั้นเกิดจากการรวมตัวแบบไม่แผ่รังสีที่มากเกินไปภายในวัสดุ หรือจากความต้านทานปรสิตที่เกิดขึ้นระหว่างการพิมพ์สกรีนและการเผา
การแยกระดับกึ่งเฟอร์มิ (Quasi-Fermi level splitting) หรือ QFLS เป็นเครื่องมือวินิจฉัยที่สำคัญในสถานการณ์นี้ ในทางกายภาพ QFLS กำหนดขีดจำกัดแรงดันไฟฟ้าทางทฤษฎีของอุปกรณ์เซลล์แสงอาทิตย์เมื่อไม่มีการดึงประจุภายนอก ความแตกต่างระหว่าง QFLS และขีดจำกัดการแผ่รังสีเผยให้เห็นการสูญเสียการรวมตัวแบบไม่แผ่รังสีที่เกิดจากข้อบกพร่องของวัสดุหรือสิ่งเจือปน
โดยการวัด QFLS ด้วยแสงและรวมกับการวิเคราะห์ pseudo J-V แบบไม่สัมผัส นักวิจัยสามารถกำจัดอิทธิพลของความต้านทานอนุกรมออกจากการวัดทางไฟฟ้าภายนอก
หาก FF ที่วัดได้ต่ำกว่า pseudo fill factor ที่ได้จาก QFLS มาก การสูญเสียมักจะเกี่ยวข้องกับการสัมผัสโลหะที่ไม่ดีหรือนิ้วที่ขาด หาก pseudo fill factor ต่ำอยู่แล้ว การรวมตัวแบบไม่แผ่รังสีอาจอยู่นอกเหนือการควบคุม ซึ่งชี้ไปที่ปัญหาภายในของคุณภาพเวเฟอร์หรือการพาสซีฟของอินเทอร์เฟซ
HJT Low-Temperature Silver Paste: การสร้างเครือข่ายการนำไฟฟ้าต่ำกว่า 200°C
เมื่อเทคโนโลยี N-type ขยายตัว เซลล์ HJT และ BC กำหนดข้อกำหนดที่เข้มงวดมากขึ้นเกี่ยวกับคุณภาพของการทำให้เป็นโลหะ ดังนั้น FF จึงกลายเป็นตัวบ่งชี้สำคัญสำหรับการประเมินสารนำไฟฟ้าที่เป็นนวัตกรรมใหม่
เซลล์ HJT ใช้โครงสร้างรอยต่อเฮเทอโรของซิลิคอนอสัณฐานและซิลิคอนผลึก ซึ่งให้การพาสซีฟที่แข็งแกร่ง แต่โครงสร้างมีความไวต่ออุณหภูมิสูง เพื่อป้องกันการตกผลึกและการเสื่อมสภาพของฟิล์มซิลิคอนอสัณฐาน เซลล์ HJT ไม่สามารถทนต่ออุณหภูมิการเผาทั่วไปที่สูงกว่า 800°C ได้ พวกเขาต้องการสารนำไฟฟ้าสีเงินอุณหภูมิต่ำที่มีอุณหภูมิการบ่มควบคุมอย่างเคร่งครัดต่ำกว่า 200°C
ซิลเวอร์เพสต์อุณหภูมิต่ำทำงานแตกต่างจากซิลเวอร์เพสต์อุณหภูมิสูงแบบดั้งเดิม ซิลเวอร์เพสต์อุณหภูมิสูงอาศัยการหลอมละลายของแก้วฟริตที่อุณหภูมิสูง แก้วฟริตจะกัดผ่านฟิล์มป้องกันแสงสะท้อนและส่งเสริมการเติบโตของผลึกซิลเวอร์เข้าไปในซิลิคอน ทำให้เกิดหน้าสัมผัสโอห์มิกที่มีความต้านทานต่ำ
ซิลเวอร์เพสต์อุณหภูมิต่ำอาศัยอนุภาคซิลเวอร์ที่แขวนลอยอยู่ในระบบเรซินพอลิเมอร์เป็นหลัก หลังจากตัวทำละลายระเหยที่อุณหภูมิต่ำ อนุภาคจะถูกกดเข้าด้วยกันเพื่อสร้างหน้าสัมผัสทางไฟฟ้าเชิงกายภาพ
กลไกนี้โดยทั่วไปทำให้ซิลเวอร์เพสต์อุณหภูมิต่ำมีความต้านทานเชิงปริมาตรสูงกว่าซิลเวอร์เพสต์อุณหภูมิสูง ซึ่งสามารถเพิ่มความต้านทานอนุกรมรวมของเซลล์และลด FF ผู้ผลิตเพสต์กำลังแก้ไขปัญหานี้ผ่านวิศวกรรมผงระดับนาโน มาตรการทั่วไปรวมถึงการลดปริมาณซิลเวอร์และปรับปรุงความละเอียดและสมบัติการไหลของเพสต์เพื่อให้สามารถสร้างเครือข่ายนำไฟฟ้าที่หนาแน่นด้วยการใช้ซิลเวอร์ที่น้อยลง
| ประเภทเพสต์ | ปริมาณซิลเวอร์ | สภาวะการบ่ม | ความต้านทานเชิงปริมาตร | ลักษณะกระบวนการ |
|---|---|---|---|---|
| ซิลเวอร์เพสต์อุณหภูมิต่ำแบบดั้งเดิม | 35%-55% หรือต่ำถึง 20%-35% | การตั้งค่าแบบดั้งเดิม | ประมาณ 4-8 μΩ·cm | ความละเอียดประมาณ 6-8 μm และความหนืดประมาณ 155-165 Pa·s |
| ซีรีส์ AP-01 มีตัวทำละลาย | 33%-41% | อย่างน้อย 120°C เป็นเวลา 6-20 นาที | 4.57-7.62 μΩ·cm | รองรับการพิมพ์ที่มีอัตราส่วนความสูงสูงและความกว้างเส้นที่ละเอียดมาก |
| ซีรีส์ AP-02 ไม่มีตัวทำละลาย | 33%-41% | อย่างน้อย 110°C เป็นเวลา 5-15 นาที | 4.31-8.53 μΩ·cm | เหมาะสำหรับช่องเปิดตะแกรงที่มากกว่า 15 μm และความเร็วการพิมพ์ที่มากกว่า 400 mm/s |
BC Cells: FF เป็นสัญญาณเตือนสำหรับความล้มเหลวของการแยกด้านหลัง
หากความท้าทายสำหรับ HJT อยู่ที่การนำไฟฟ้าที่อุณหภูมิต่ำ ความท้าทายสำหรับเซลล์แบบ back-contact อยู่ที่ขีดจำกัดระดับจุลภาคของการจัดวางอิเล็กโทรด
เซลล์ BC กำจัดการบังแสงจากกริดโลหะด้านหน้า จึงสามารถเพิ่ม Isc ได้สูงขึ้น ข้อแลกเปลี่ยนคืออิเล็กโทรดบวกและลบทั้งหมดต้องถูกจัดเรียงสลับกันในระยะห่างที่น้อยมากบนพื้นผิวด้านหลัง
ในพื้นที่การเดินสายไฟที่มีความหนาแน่นสูงนี้ การเบี่ยงเบนเล็กน้อยของการพิมพ์สกรีน การแพร่กระจายของสารละลาย หรือข้อบกพร่องเล็กน้อยของชั้นฉนวนอาจทำให้เกิดการเชื่อมต่อทางกายภาพระหว่างขั้วบวกและขั้วลบ เมื่อเกิดเหตุการณ์เช่นนี้ Rsh อาจลดลงเกือบเป็นศูนย์
การลัดวงจรขนาดเล็กทำให้เกิดกระแส shunt ขนาดใหญ่ที่ดึงแรงดันไฟฟ้าที่ใช้งาน Voc ลดลงและ FF อาจลดลงเป็นศูนย์ พาหะที่สร้างขึ้นใกล้พื้นผิวด้านหน้าต้องเดินทางในระยะทางด้านข้างที่ยาวขึ้นก่อนที่จะถึงขั้วเก็บรวบรวมโลหะด้านหลัง ซึ่งเพิ่มความเสี่ยงของความต้านทานอนุกรมแบบ bulk และ lateral ที่สะสม
ด้วยเหตุนี้ การตรวจสอบความผันผวนของ FF จึงเป็นหนึ่งในมาตรการป้องกันผลผลิตที่สำคัญที่สุดในสายการผลิตเซลล์ BC เซลล์แต่ละเซลล์ที่ไม่ผ่านเกณฑ์ FF อาจบ่งบอกถึงความล้มเหลวในการแยกโลหะหรือการออกแบบการขนส่งพาหะ
หน้าต่างการเผา: ทั้งการเผาน้อยเกินไปและการเผามากเกินไปจะถูกลงโทษโดย FF
สำหรับเซลล์ TOPCon และ PERC การเผาที่อุณหภูมิสูงเป็นหนึ่งในกระบวนการสำคัญขั้นสุดท้าย เวเฟอร์ซิลิคอนที่มีขั้วโลหะพิมพ์จะผ่านเตาแบบสายพานที่มีอุณหภูมิสูงสุดประมาณ 800°C แก้วฟริตในสารละลายโลหะจะละลายผ่านชั้น passivation พื้นผิวและสร้างการสัมผัสแบบ alloyed หรือโดยตรงกับซิลิคอนหรือสนามด้านหลัง ซึ่งสร้างหน้าสัมผัสโอห์มมิกและลดความต้านทานอนุกรม
กระบวนการนี้เป็นการทรงตัวที่แม่นยำ อุณหภูมิต่ำเกินไปหรือความเร็วสายพานสูงเกินไปทำให้เกิดการเผาน้อยเกินไป แก้วฟริตไม่สามารถละลายได้เพียงพอและอาจไม่สามารถกัดผ่านชั้นซิลิคอนไนไตรด์หรือ tunnel oxide ผลึกเงินตกตะกอนน้อยเกินไปและเจาะเข้าไปในซิลิคอน ชั้นฉนวนยังคงอยู่ระหว่างโลหะและสารกึ่งตัวนำ ทำให้ความต้านทานการสัมผัสเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ด้าน forward-bias ของเส้นโค้ง I-V แบนลง และ FF ต่ำผิดปกติ
อุณหภูมิที่มากเกินไปทำให้เกิดการเผามากเกินไป สารละลายโลหะมีความรุนแรงเกินไป และผลึกเงินสามารถเจาะทะลุรอยต่อ PN ตื้นเหมือนหนามแหลม ทำให้เกิดการลัดวงจรและศูนย์กลางการรวมตัวใหม่ Passivation เสียหาย Rsh ลดลง และการรั่วไหลกลายเป็นปัญหาร้ายแรง
ในการตรวจสอบ EL ความเสียหายของโครงตาข่ายและความล้มเหลวของ passivation ที่เกิดจากการเผามากเกินไปมักปรากฏเป็นลายเมฆ ลายน้ำ หรือรอยสายพานเตา
เพื่อขยายหน้าต่างกระบวนการ ผู้ผลิตอุปกรณ์ได้พัฒนาระบบการเผาและการฉีดแสง ระบบเหล่านี้รวมเตาเผากับห้องฉีดแสง หลังจากการอบอ่อนที่อุณหภูมิสูงและการ alloying เวเฟอร์จะถูกสัมผัสกับแสงความเข้มสูงโดยตรงที่อุณหภูมิประมาณ 150-350°C
โฟตอนความเข้มสูงกระตุ้นพาหะและเปลี่ยนสถานะประจุของอะตอมไฮโดรเจนภายในเวเฟอร์และใกล้พื้นผิวของมัน ซึ่งสามารถทำให้ข้อบกพร่องทางความร้อนระดับจุลภาคและพันธะห้อยที่เกิดขึ้นระหว่างการเผาเป็นพาสซีฟได้ ผลการทดสอบแสดงว่าการรักษานี้สามารถลดรอยน้ำ EL และรอยสายพานเตาเผา พร้อมทั้งปรับปรุงทั้ง Voc และ FF
LECO: เส้นทางที่ไม่สมดุลผ่านความขัดแย้งของการทำเมทัลไลเซชัน TOPCon
ในช่วงการขยายตัวแรกของ TOPCon การทำเมทัลไลเซชันด้านหน้ากลายเป็นคอขวดหลักของผลผลิต เพื่อลดการรวมตัวที่พื้นผิว ด้านหน้าของเซลล์ TOPCon มักใช้อิมิตเตอร์ที่ตื้นกว่าที่มีความเข้มข้นของการโดปต่ำกว่า
รอยต่อที่ตื้นและการโดปต่ำสร้างความขัดแย้งสำหรับซิลเวอร์เพสต์อุณหภูมิสูงแบบดั้งเดิมที่มีแก้วฟริต หากเพสต์ถูกเผาไม่เพียงพอ ความต้านทานสัมผัสจะสูงมาก หากถูกเผารุนแรงเกินไป รอยต่อที่ตื้นอาจถูกทะลุ ทำให้เกิดการรั่วไหลและทำให้ FF ลดลงจนเกือบเป็นศูนย์
การเพิ่มประสิทธิภาพการสัมผัสด้วยเลเซอร์ หรือ LECO ได้รับการพัฒนาเพื่อแก้ไขความขัดแย้งนี้ LECO ใช้กลไกโฟโตอิเล็กทริกที่ไม่สมดุลทางความร้อน แทนที่จะใช้ความร้อนสูงทั่วโลกที่ทำลายล้าง มันกระตุ้นพาหะประจุด้วยเลเซอร์ความเข้มสูงในขณะที่ใช้ไบอัสกลับประมาณ 10 V หรือสูงกว่า
ภายใต้ผลรวมของไบอัสแรงและพาหะที่เกิดจากแสง จุดอ่อนที่เป็นฉนวนซึ่งไม่ได้เชื่อมต่อเนื่องจากการเผาไม่เพียงพอจะเกิดการพังทลายแบบหิมะถล่มเฉพาะที่ พาหะอิสระถูกขับผ่านหน้าสัมผัสโลหะ-สารกึ่งตัวนำโดยสนามไฟฟ้า ทำให้เกิดกระแสเฉพาะที่หลายแอมแปร์
กระแสแรงเหล่านี้สร้างความร้อนจูลเฉพาะที่ที่จุดสัมผัสระดับจุลภาค ซึ่งทำให้เกิดการเผาขนาดเล็กในระดับเวลานาโนวินาทีถึงไมโครวินาที
LECO เปลี่ยนกลยุทธ์การเผา TOPCon จากความร้อนทั่วโลกที่รุนแรงเป็นการซ่อมแซมเฉพาะที่แบบกำหนดเป้าหมาย ผู้ผลิตเพสต์สามารถออกแบบระบบแก้วฟริตที่เข้ากันได้กับ LECO โดยเฉพาะ กระบวนการเผาแบบสายพานแบบดั้งเดิมสามารถคงสภาพการเผาไม่เพียงพอเล็กน้อยเพื่อปกป้องอิมิตเตอร์ที่ตื้น ในขณะที่ LECO สร้างการพังทลายทางไฟฟ้าเฉพาะที่ที่ปลายด้านหลังและลดความต้านทานสัมผัส
ผลการตรวจสอบแสดงว่าเซลล์ที่ไม่มี LECO อาจทำงานใกล้จุดล้มเหลวเนื่องจากความต้านทานสัมผัสที่มากเกินไป หลังการรักษาด้วย LECO ความต้านทานสัมผัสลดลงในขณะที่การพาสซีฟยังคงอยู่ FF เพิ่มขึ้น นำไปสู่การเพิ่มประสิทธิภาพการแปลงสัมบูรณ์มากกว่า 0.2 จุดเปอร์เซ็นต์
LECO ยังคงมีขอบเขตกระบวนการ หากความเข้มแสงต่ำเกินไป การซ่อมแซมสัมผัสจะไม่สมบูรณ์ หากสูงเกินไป อาจเกิดการขจัดเนื้อเยื่อและการทำลายโครงสร้าง
เมื่อความเข้มของเลเซอร์ถึงค่าทำลายที่ 375 MW/cm² FF สามารถลดลงจาก 0.84 เป็น 0.65 ซึ่งลดลงประมาณ 24% Voc อาจลดลงจาก 0.745 V เป็น 0.695 V ในขณะที่ Jsc ลดลงจาก 41.8 mA/cm² เป็น 40.8 mA/cm²
เครือข่ายการสัมผัสระดับจุลภาคที่สร้างโดย LECO ยังมีความเปราะบางทางความร้อนที่ไม่สมดุล การวิเคราะห์ EL แสดงให้เห็นว่าเมื่อเซลล์ที่ผ่านการบำบัดด้วย LECO ผ่านกระบวนการเผาที่อุณหภูมิสูงเป็นครั้งที่สอง การเพิ่มอุณหภูมิการเผาครั้งที่สองจาก 280°C เป็น 680°C สามารถรบกวนเส้นทางนำไฟฟ้าระดับจุลภาคที่สร้างขึ้นได้
ความต้านทานการสัมผัสจะเสื่อมลงอีกครั้ง FF หดตัวอย่างมีนัยสำคัญ และประสิทธิภาพเริ่มต้นของเซลล์ที่ 26.35% เริ่มลดลง
FF ไม่ใช่แค่เปอร์เซ็นต์ มันคือชีพจรของผลผลิตการผลิต
การมองเข้าไปในกล่องดำของการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์ทำให้เห็นจุดหนึ่งชัดเจน: fill factor เป็นมากกว่าเปอร์เซ็นต์นามธรรมที่แสดงบนเครื่องทดสอบในห้องปฏิบัติการ
ในระดับจุลภาค FF คือการแสดงออกสุดท้ายของการดึงระหว่างความต้านทานอนุกรมและความต้านทานขนานตามเส้นทางการขนส่งพาหะ บนสายการผลิต มันบันทึกขีดจำกัดการนำไฟฟ้าของสารนำไฟฟ้า ความแม่นยำเชิงกลของการพิมพ์สกรีน และการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในโปรไฟล์อุณหภูมิของเตาเผาแบบสายพาน
ในวัฏจักร PV ใหม่ที่ต้นทุนที่ไม่ใช่ซิลิกอนใกล้ถึงจุดต่ำสุดและการขยายทุนมีความต้องการมากขึ้น ทุกเทคโนโลยีประสิทธิภาพสูงหลักต้องเผชิญกับปัญหาพื้นฐานเดียวกัน
HJT ต้องรักษาเครือข่ายนำไฟฟ้าที่เชื่อถือได้ภายในขีดจำกัดการบ่มที่อุณหภูมิต่ำ เซลล์ BC ต้องควบคุมการรั่วไหลระหว่างขั้วบวกและขั้วลบที่แยกจากกันด้วยระยะทางระดับจุลภาคเท่านั้น TOPCon อาศัยการเผา การฉีดแสง และ LECO เพื่อซ่อมแซมการสัมผัสในขณะที่ปกป้องพาสซีเวชัน
เป้าหมายเหมือนเดิมเสมอ: ลดความต้านทานการสัมผัสที่อินเทอร์เฟซโดยไม่เจาะรอยต่อ PN และสร้างการรั่วไหล
สำหรับผู้ผลิต การไล่ตามค่าประสิทธิภาพสัมบูรณ์เพียงอย่างเดียวนั้นไม่เพียงพออีกต่อไป ระบบการผลิตที่ชาญฉลาดควรตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยของ FF แบบเรียลไทม์และรวมเข้ากับวิธีการวินิจฉัยแบบไม่ทำลาย เช่น QFLS และการวิเคราะห์ pseudo J-V นั่นคือเส้นทางที่ใช้งานได้จริงสู่การผลิตเซลล์แสงอาทิตย์ประสิทธิภาพสูงรุ่นต่อไปที่เสถียรยิ่งขึ้น
มุมมองของ Ooitech
คุณค่าที่แท้จริงของ FF คือความเร็วในการเป็นสัญญาณเตือนการผลิต สายการผลิตที่เสถียรควรติดตาม FF ร่วมกับรูปแบบของ Rs, Rsh, EL, pseudo-FF, อุณหภูมิการเผา และข้อมูลเมทัลไลเซชัน แทนที่จะพิจารณาผลลัพธ์แต่ละรายการแยกกัน สำหรับเทคโนโลยี TOPCon, HJT และ BC ชุดข้อมูลที่รวมกันนี้สามารถเผยให้เห็นหน้าต่างกระบวนการที่เลื่อนออกไปก่อนที่การกระจายประสิทธิภาพสุดท้ายจะแสดงการสูญเสียผลผลิตอย่างรุนแรง
