ทำไม Metallization จึงกำหนดเพดานประสิทธิภาพสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ประสิทธิภาพสูง

ในเรื่องราวที่กว้างขึ้นของเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์ ทุกการเพิ่มประสิทธิภาพการแปลงพลังงานเพียงเล็กน้อยมักมาจากการผลักดันขีดจำกัดทางกายภาพระดับจุลภาคให้ยากขึ้นอีกนิด ตั้งแต่อุตสาหกรรมก้าวข้ามยุค PERC ผลึกเดี่ยวและเริ่มเปลี่ยนไปสู่เทคโนโลยี N-type เช่น TOPCon, HJT และ BC เพดานประสิทธิภาพก็เพิ่มสูงขึ้นอย่างต่อเนื่อง

เมื่อเซลล์แสงอาทิตย์เข้าใกล้ขีดจำกัด Shockley–Queisser มากขึ้น ปัญหาพื้นฐานที่สุดแต่ยากที่สุดปัญหาหนึ่งในฟิสิกส์สารกึ่งตัวนำก็มีความสำคัญเพิ่มขึ้น นั่นคือการสัมผัสทางไฟฟ้าระหว่างโลหะกับสารกึ่งตัวนำ ส่วนเชื่อมต่อนี้กลายเป็นอุปสรรคทางเทคนิคหลักที่ส่งผลต่อผลผลิตในการผลิตจำนวนมากและประสิทธิภาพสุดท้ายของเซลล์

สำหรับผู้ที่ไม่ใช่ผู้เชี่ยวชาญ เซลล์แสงอาทิตย์อาจดูเหมือนแผ่นเวเฟอร์สารกึ่งตัวนำบางๆ ที่ผลิตไฟฟ้าได้ภายใต้แสงแดด อย่างไรก็ตาม จากมุมมองทางอุตสาหกรรมและวิชาการ มันเป็นอุปกรณ์แปลงพลังงานเชิงกลศาสตร์ควอนตัมที่มีความแม่นยำสูง มันต้องแยกคู่อิเล็กตรอน-โฮลที่เกิดจากโฟตอนที่ถูกดูดซับและนำพวกมันไปยังวงจรภายนอกโดยสูญเสียน้อยที่สุด

ในระหว่างกระบวนการนี้ อิเล็กโทรดโลหะทำหน้าที่เหมือนสถานีเก็บค่าผ่านทางที่พาหะประจุออกจากโลกสารกึ่งตัวนำระดับจุลภาค หากมีสิ่งกีดขวางขนาดใหญ่ที่สถานี พาหะจะแออัด รวมตัวกันใหม่ และสูญเสียพลังงาน ในระดับอุปกรณ์ สิ่งนี้ปรากฏเป็นความต้านทานการสัมผัสที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว แฟกเตอร์เติมเต็มที่ลดลงอย่างมาก และท้ายที่สุดคือกำลังไฟฟ้าขาออกของเซลล์แสงอาทิตย์ที่ลดลง

ความสามารถในการสร้างการสัมผัสแบบโอห์มิกที่มีความต้านทานต่ำบนพื้นผิวที่ต้องรักษาการรวมตัวกันใหม่ที่ต่ำมากจึงกลายเป็นเส้นแบ่งที่สำคัญสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ประสิทธิภาพสูงสมัยใหม่

หน้าสัมผัสโอห์มิก: การเชื่อมช่องว่างทางกายภาพระหว่างโลหะและสารกึ่งตัวนำ

เพื่อทำความเข้าใจปัญหาการทำให้เป็นโลหะ ก่อนอื่นเราต้องกลับไปที่ทฤษฎีแถบพลังงานของสารกึ่งตัวนำ ซึ่งรวมถึงสนามไฟฟ้าในตัวภายในสารกึ่งตัวนำและการถ่ายเทประจุในระดับจุลภาคที่เกิดขึ้นเมื่อโลหะสัมผัสกับสารกึ่งตัวนำ

พื้นฐานทางกายภาพของการแปลงโฟโตวอลตาอิกคือรอยต่อพีเอ็น เมื่อสารกึ่งตัวนำชนิดพีและชนิดเอ็นที่มีความเข้มข้นของสารเจือต่างกันสัมผัสกัน ระดับเฟอร์มีของพวกมันจะแตกต่างกัน เพื่อให้ถึงสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ จะเกิดการถ่ายเทประจุในระดับจุลภาค

ระดับเฟอร์มีของสารกึ่งตัวนำชนิดเอ็นสูงกว่าชนิดพี ดังนั้นอิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่จากบริเวณชนิดเอ็นไปยังบริเวณชนิดพีโดยธรรมชาติ ในขณะที่โฮลเคลื่อนที่ในทิศทางตรงกันข้าม เมื่อพาหะเหล่านี้เคลื่อนที่ ไอออนประจุคงที่จะถูกทิ้งไว้ใกล้รอยต่อพีเอ็น ทำให้เกิดบริเวณประจุอวกาศ หรือที่เรียกว่าบริเวณพร่อง พร้อมกับสนามไฟฟ้าในตัว

สนามไฟฟ้าในตัวทำให้แถบพลังงานของสารกึ่งตัวนำโค้งงอและเกิดแรงดริฟต์ที่ตรงข้ามกับทิศทางการแพร่ของพาหะ เมื่อการแพร่และการดริฟต์ถึงสมดุลพลวัต ระดับเฟอร์มีทั้งสองด้านจะเรียงตัวกันและกระแสสุทธิเป็นศูนย์ ภายใต้แสงสว่าง คู่อิเล็กตรอน-โฮลที่เกิดจากแสงจะถูกแยกออกจากกันโดยสนามไฟฟ้าในตัวนี้ ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าจากแสงและกระแสเอาต์พุต

กระบวนการทางกายภาพที่ละเอียดอ่อนนี้จะทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพก็ต่อเมื่อพาหะสามารถออกจากสารกึ่งตัวนำและเข้าสู่อิเล็กโทรดโลหะโดยไม่พบอุปสรรคสำคัญอื่น

สิ่งกีดขวางชอตต์กี: กำแพงสูงในเส้นทางกระแส

เมื่ออิเล็กโทรดโลหะที่เก็บกระแสสัมผัสทางกายภาพกับสารกึ่งตัวนำ ความแตกต่างของฟังก์ชันงานทำให้เกิดการถ่ายเทประจุและการโค้งงอของแถบพลังงานที่รอยต่อ

พิจารณาโลหะที่สัมผัสกับสารกึ่งตัวนำชนิดเอ็น หากฟังก์ชันงานของโลหะมากกว่าฟังก์ชันงานของสารกึ่งตัวนำ อิเล็กตรอนที่พื้นผิวของสารกึ่งตัวนำจะเคลื่อนที่ไปยังโลหะ ชั้นพร่องที่มีพาหะส่วนใหญ่ลดลงจะก่อตัวขึ้นใกล้พื้นผิวของสารกึ่งตัวนำ แถบพลังงานโค้งงอขึ้น ทำให้เกิดสิ่งกีดขวางพลังงานที่รอยต่อที่เรียกว่าสิ่งกีดขวางชอตต์กี

สิ่งกีดขวางชอตต์กีมีผลการเรียงกระแสที่เด่นชัด คล้ายกับการนำทางเดียวของไดโอด เพื่อข้ามสิ่งกีดขวางนี้ พาหะในสารกึ่งตัวนำต้องมีพลังงานความร้อนเพียงพอที่จะผ่านสิ่งกีดขวางโดยการปล่อยเทอร์มิโอนิก

หากเกิดหน้าสัมผัสแบบ Schottky ทั่วไประหว่างอิเล็กโทรดกับซับสเตรตซิลิคอนของเซลล์แสงอาทิตย์ที่ทำงานอยู่ พาหะที่ถูกสร้างจากแสงจะเผชิญกับความต้านทานสูงเมื่อเคลื่อนที่ไปยังโลหะ สิ่งกีดขวางนี้ไม่เพียงแต่จำกัดการไหลของกระแส แต่ยังทำให้พาหะสะสมและรวมตัวกันใหม่ที่รอยต่อ ซึ่งลดประสิทธิภาพการแปลงพลังงานโดยตรง

หน้าสัมผัสแบบโอห์มิกเป็นสิ่งที่ตรงกันข้าม เป็นหน้าสัมผัสทางไฟฟ้าที่ไม่เรียงกระแสระหว่างโลหะและสารกึ่งตัวนำ โดยมีความต้านทานหน้าสัมผัสต่ำมาก ในกรณีที่เหมาะสม กระแสจะผ่านรอยต่อได้เป็นเส้นตรงทั้งสองทิศทาง โดยมีการลดลงของแรงดันและการสูญเสียพลังงานน้อยที่สุด

ในทางทฤษฎี การเลือกโลหะที่มีฟังก์ชันงานต่ำมากสำหรับสารกึ่งตัวนำชนิด N หรือฟังก์ชันงานสูงมากสำหรับสารกึ่งตัวนำชนิด P สามารถช่วยหลีกเลี่ยงสิ่งกีดขวาง Schottky ได้ พื้นผิวซิลิคอนจริงมีความซับซ้อนกว่า พันธะห้อยที่เกิดจากการสิ้นสุดของโครงตาข่ายและความหนาแน่นของสถานะรอยต่อสูงสามารถทำให้เกิดการยึดระดับเฟอร์มีที่แข็งแรง การเปลี่ยนฟังก์ชันงานของโลหะเพียงอย่างเดียวจึงไม่เพียงพอที่จะสร้างหน้าสัมผัสแบบโอห์มิกที่สมบูรณ์แบบ

วิธีแก้ปัญหาทางอุตสาหกรรมหลักคือการโดปหนักร่วมกับการขุดอุโมงค์ควอนตัม ชั้น N++ หรือ P++ ที่โดปหนักจะถูกสร้างขึ้นเฉพาะที่บริเวณที่สารกึ่งตัวนำสัมผัสกับโลหะ ซึ่งทำให้บริเวณพร่องที่พื้นผิวแคบลงอย่างมาก เมื่อสิ่งกีดขวางบางพอ พาหะไม่จำเป็นต้องข้ามผ่านอีกต่อไป แต่สามารถขุดอุโมงค์ผ่านได้โดยตรงด้วยความน่าจะเป็นสูง นี่คือผลการขุดอุโมงค์ควอนตัม

เมื่อความต้านทานหน้าสัมผัสเพิ่มขึ้น ฟิลแฟกเตอร์จะลดลง

เมื่อเข้าใจพื้นฐานทางกายภาพของหน้าสัมผัสแบบโอห์มิกแล้ว คำถามต่อไปคือทำไมอุตสาหกรรมพลังงานแสงอาทิตย์จึงไวต่อข้อบกพร่องของหน้าสัมผัสระดับจุลภาค คำตอบเกี่ยวข้องกับพารามิเตอร์ทางไฟฟ้าสามตัว ได้แก่ ความต้านทานหน้าสัมผัส ความต้านทานอนุกรม และฟิลแฟกเตอร์

เซลล์แสงอาทิตย์ไม่ใช่แหล่งกระแสในอุดมคติ มันมีกลไกการสูญเสียความต้านทานหลายอย่างที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ ซึ่งรวมกันแสดงเป็นความต้านทานอนุกรม ความต้านทานอนุกรมประกอบด้วยความต้านทานของซับสเตรตซิลิคอน ความต้านทานแผ่นของอิมิตเตอร์ ความต้านทานหน้าสัมผัสที่รอยต่อโลหะ-สารกึ่งตัวนำ ความต้านทานโอห์มิกของฟิงเกอร์และบัสบาร์ และความต้านทานทางกายภาพของริบบอนและวัสดุเชื่อมต่ออื่นๆ

เมื่อการเติบโตของซิลิคอนผลึกเดี่ยวมีความสมบูรณ์มากขึ้น สารนำไฟฟ้าซิลเวอร์เพสต์ได้รับการปรับปรุง และตะแกรงพิมพ์สกรีนมีความละเอียดขึ้น ความต้านทานของเวเฟอร์และความต้านทานของกริดโลหะก็ลดลงอยู่ในระดับที่ค่อนข้างต่ำแล้ว ในเซลล์ประสิทธิภาพสูงชนิด N ในปัจจุบัน หนึ่งในคอขวดระดับจุลภาคที่ยากที่สุดคือความต้านทานหน้าสัมผัสระหว่างอิเล็กโทรดโลหะและโครงสร้างหน้าสัมผัสที่ใช้ซิลิคอน

หากไม่มีการสร้างหน้าสัมผัสโอห์มมิกที่ถูกครอบงำด้วยการขุดอุโมงค์ควอนตัม ความต้านทานสัมผัสสามารถเพิ่มขึ้นแบบเอกซ์โพเนนเชียลและกลายเป็นแหล่งหลักของการสูญเสียความต้านทานอนุกรม

ฟิลแฟกเตอร์เป็นหนึ่งในพารามิเตอร์ที่สำคัญที่สุดที่ใช้ในการประเมินกำลังไฟฟ้าขาออกและการสูญเสียพลังงานภายในของเซลล์แสงอาทิตย์ เป็นอัตราส่วนของกำลังไฟฟ้าขาออกสูงสุดต่อผลคูณของแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดและกระแสไฟฟ้าลัดวงจร บนกราฟ I-V มันสะท้อนให้เห็นว่ากราฟมีความเป็นสี่เหลี่ยมหรือเต็มเพียงใด

เมื่อการสัมผัสที่ไม่ดีทำให้หน้าสัมผัสโอห์มมิกล้มเหลว การเพิ่มขึ้นของความต้านทานสัมผัสจะผลักดันให้ความต้านทานอนุกรมรวมเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว กราฟ I-V จะเอียงและยุบตัวรอบจุดกำลังสูงสุด เซลล์อาจยังคงแสดงแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดและกระแสไฟฟ้าลัดวงจรที่ค่อนข้างปกติ แต่กำลังสูงสุดที่พร้อมใช้งานสำหรับวงจรภายนอกอาจลดลงอย่างมาก

ห่วงโซ่ทางเทคนิคนั้นตรงไปตรงมา:

• ส่วนต่อประสานโลหะ-สารกึ่งตัวนำที่ไม่ดีป้องกันการสร้างหน้าสัมผัสโอห์มมิกที่เหมาะสม

• หน้าสัมผัสที่ล้มเหลวทำให้ความต้านทานสัมผัสที่ส่วนต่อประสานเพิ่มขึ้น

• ความต้านทานสัมผัสผลักดันให้ความต้านทานอนุกรมรวมของเซลล์เพิ่มขึ้น

• ความต้านทานอนุกรมสูงลดฟิลแฟกเตอร์

• ฟิลแฟกเตอร์ที่ต่ำกว่าดึงประสิทธิภาพการแปลงให้ต่ำกว่าเกณฑ์การยอมรับการผลิตจำนวนมาก

การพาสซิเวชันและการสัมผัส: ความขัดแย้งภายในของเซลล์แสงอาทิตย์สมัยใหม่

การออกแบบเซลล์ประสิทธิภาพสูงสมัยใหม่เผชิญกับความขัดแย้งทางกายภาพระหว่างการพาสซิเวชันและการสัมผัสทางไฟฟ้า เพื่อให้ได้แรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดสูง วิศวกรจำเป็นต้องใช้ฟิล์มไดอิเล็กทริกที่พาสซิเวตพื้นผิวซิลิคอนอย่างสมบูรณ์ที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้

การพาสซิเวชันทำงานในสองวิธี การพาสซิเวชันทางเคมีใช้องค์ประกอบเช่นไฮโดรเจนเพื่อทำให้พันธะห้อยที่ตำแหน่งบกพร่องของโครงตาข่ายในซิลิคอนผลึกเดี่ยวอิ่มตัว ลดการรวมตัวใหม่ที่เกิดจากข้อบกพร่อง การพาสซิเวชันด้วยสนามไฟฟ้าสร้างสนามไฟฟ้าที่แข็งแกร่งที่ส่วนต่อประสาน การผลักไฟฟ้าสถิตทำให้พาหะส่วนน้อยที่มีประจุคล้ายกันอยู่ห่างจากพื้นผิว ตัดเส้นทางการรวมตัวใหม่ที่พื้นผิวที่สำคัญ

ตัวอย่างเช่น บนพื้นผิวด้านหลังชนิด P ของเซลล์ PERC ฟิล์มอะลูมิเนียมออกไซด์ที่มีความหนาแน่นสูงของประจุลบสามารถสร้างการโค้งงอของแถบพลังงานที่แข็งแกร่งและให้การพาสซิเวชันทั้งทางเคมีและด้วยสนามไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม ฟิล์มไดอิเล็กทริกฉนวนที่มีประสิทธิภาพสูงนี้ยังกลายเป็นอุปสรรคต่อการดึงกระแสไฟฟ้า

ในการเก็บรวบรวมพาหะที่เกิดจากแสง ยังคงต้องใช้อิเล็กโทรดโลหะเป็นเส้นทางไฟฟ้าไปยังซับสเตรตซิลิคอน กระบวนการ PERC แบบดั้งเดิมใช้เลเซอร์เพื่อเจาะช่องเปิดขนาดเล็กในชั้นพาสซิเวชันด้านหลัง เพื่อให้อลูมิเนียมหรือซิลเวอร์เพสต์สามารถสัมผัสกับซิลิคอนได้ อย่างไรก็ตาม การสัมผัสโดยตรงระหว่างโลหะและซิลิคอนทำให้เกิดการรวมตัวกันใหม่ที่รุนแรงบริเวณรอยต่อ จุดสัมผัสเหล่านี้สามารถทำหน้าที่เป็นแหล่งรวมการรวมตัวกันใหม่ได้

ในยุคของเซลล์ชนิด N ซึ่งการพัฒนาเซลล์เข้าใกล้ขีดจำกัดประสิทธิภาพเชิงทฤษฎีที่ 29.43% สำหรับซิลิคอนผลึกเดี่ยว การสูญเสียจากการรวมตัวกันใหม่ที่จุดสัมผัสเฉพาะที่กลายเป็นสิ่งที่ยอมรับได้ยากขึ้น เทคโนโลยี TOPCon, HJT และ BC จึงต้องแก้ปัญหาเดียวกันคือ: จะทำอย่างไรให้เกิดการขนส่งพาหะแบบพื้นที่ขนาดใหญ่ที่มีความต้านทานต่ำ โดยไม่ทำลายพาสซิเวชันพื้นผิว

TOPCon: ออกไซด์อุโมงค์และการผ่าตัดระดับจุลภาคของ LECO

ความต้องการพลังงานแสงอาทิตย์ที่แข็งแกร่งได้เร่งการแทนที่เทคโนโลยี P-type PERC ด้วยเทคโนโลยี N-type ตามข้อมูลอุตสาหกรรมที่อ้างถึงที่นี่ TOPCon ชนิด N มีส่วนแบ่งตลาดเซลล์เพียงประมาณ 23% ในปี 2023 ส่วนแบ่งเพิ่มขึ้นเป็นมากกว่า 60% ในปี 2024 ในขณะที่ข้อมูลความครอบคลุมของอุปกรณ์จากผู้ผลิตชั้นนำบางรายระบุว่าส่วนแบ่งของชนิด N สูงถึง 71.1%

TOPCon ยังคงมีความเข้ากันได้สูงกับสายการผลิต PERC ที่มีอยู่ การอัปเกรดโดยทั่วไปต้องใช้กระบวนการหลักเพิ่มเติมสี่ขั้นตอน การลงทุนด้านอุปกรณ์ที่อ้างถึงอยู่ที่ประมาณ 50–70 ล้านหยวนต่อ GW เมื่อเทียบกับประมาณ 350–400 ล้านหยวนต่อ GW สำหรับสายการผลิต HJT ใหม่ TOPCon ยังให้ประสิทธิภาพที่เหนือกว่า PERC อย่างชัดเจน ขีดจำกัดประสิทธิภาพเชิงทฤษฎีรายงานว่าอยู่ที่ประมาณ 28.7% ในขณะที่ประสิทธิภาพการผลิตจำนวนมากในปัจจุบันมักเกิน 26.5% และประสิทธิภาพในห้องปฏิบัติการเกิน 27.5%

กุญแจสำคัญของประสิทธิภาพ TOPCon คือโครงสร้างหน้าสัมผัสพาสซิเวชันด้านหลัง ชั้นซิลิคอนออกไซด์บางพิเศษถูกปลูกบนซับสเตรตซิลิคอนชนิด N โดยควบคุมความหนาอย่างแม่นยำที่ประมาณ 1–2 นาโนเมตร จากนั้นจึง deposite ชั้นโพลีซิลิคอนแท้หนาประมาณ 60–100 นาโนเมตร และเจือฟอสฟอรัสอย่างหนักผ่านกระบวนการอุณหภูมิสูง

จากมุมมองของฟิสิกส์แถบพลังงาน ชั้นซิลิคอนออกไซด์บางพิเศษจะทำให้พันธะห้อยที่พื้นผิวเวเฟอร์อิ่มตัวทางเคมี โพลีซิลิคอนที่เจืออย่างหนักทำให้เกิดการโค้งงอของแถบพลังงานอย่างรุนแรงใกล้รอยต่อ โครงสร้างนี้สร้างสิ่งกีดขวางสูงสำหรับพาหะส่วนน้อย ซึ่งในที่นี้คือโฮล และสิ่งกีดขวางที่มีประสิทธิภาพต่ำกว่ามากสำหรับพาหะส่วนใหญ่ ซึ่งคืออิเล็กตรอน เนื่องจากออกไซด์บางมาก อิเล็กตรอนสามารถอุโมงค์ผ่านเข้าไปในชั้นโพลีซิลิคอนได้ ในขณะที่โฮลถูกปิดกั้น ผลลัพธ์คือการขนส่งแบบเลือกพาหะ

การอภิปรายทางวิชาการเกี่ยวกับการขนส่งผ่านออกไซด์รวมถึงการขุดอุโมงค์ควอนตัมโดยตรงและแบบจำลองรูเข็ม เมื่อความหนาของออกไซด์อุโมงค์เกินประมาณ 2 นาโนเมตร ความน่าจะเป็นในการขุดอุโมงค์จะลดลงแบบเอกซ์โพเนนเชียล การขนส่งพาหะอาจขึ้นอยู่กับข้อบกพร่องระดับจุลภาคหรือรูเข็มที่เกิดขึ้นระหว่างการอบอุณหภูมิสูงมากขึ้น รูเข็มน้อยเกินไปอาจเพิ่มความต้านทานสัมผัส มากเกินไปอาจบ่งบอกถึงความเสียหายของฟิล์มอย่างกว้างขวางและทำให้การพาสซีฟเคมีอ่อนแอลง

แม้จะมีหน้าสัมผัสด้านหลังแบบพาสซีฟและอิมิตเตอร์แบบเลือกที่ด้านหน้า TOPCon ยังคงเผชิญกับความขัดแย้งที่ร้ายแรงระหว่างการเผาโลหะ เซลล์ต้องการการเผาที่อุณหภูมิสูงเพื่อให้ซิลเวอร์เพสต์สร้างหน้าสัมผัสความต้านทานต่ำกับโพลีซิลิคอน หากการเผารุนแรงเกินไป ผลึกซิลเวอร์อาจทะลุผ่านออกไซด์อุโมงค์หนา 1–2 นาโนเมตรและไปถึงซับสเตรตซิลิคอนผลึก โครงสร้างพาสซีฟอาจพังทลาย กระแสมืดเพิ่มขึ้น และแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดลดลงอย่างรวดเร็ว หากอุณหภูมิการเผาต่ำเกินไป ซิลเวอร์เพสต์อาจไม่เชื่อมต่อกับโพลีซิลิคอนอย่างเหมาะสม ความต้านทานสัมผัสจะมากเกินไปและฟิลแฟกเตอร์อาจพังทลาย

Laser Enhanced Contact Optimization หรือ LECO ถูกนำมาใช้เพื่อแก้ไขหน้าต่างการเผานี้ กระบวนการนี้ใช้ซิลเวอร์เพสต์สูตรพิเศษที่มีฤทธิ์กัดกร่อนน้อยกว่า การเผาแบบทั่วไปช่วยให้อิเล็กโทรดทะลุชั้นซิลิคอนไนไตรด์โดยไม่ทำลายออกไซด์อุโมงค์บางพิเศษด้านล่างอย่างรุนแรง หลังจากการเผา พื้นผิวเซลล์ถูกฉายแสงเลเซอร์ความเข้มสูงที่ความยาวคลื่นที่เลือกในขณะที่ใช้แรงดันไบอัสข้ามอิเล็กโทรด

ผ่านเอฟเฟกต์โฟโตคอนดักทีฟ สนามไฟฟ้าเฉพาะที่สร้างกระแสจุลภาคความเข้มสูงสั้นๆ ที่อินเทอร์เฟซโลหะ-เซมิคอนดักเตอร์ พัลส์นี้มีพฤติกรรมคล้ายฟ้าผ่าระดับจุลภาค มันทะลุผ่านสิ่งกีดขวางอินเทอร์เฟซที่เหลืออยู่เฉพาะที่และสร้างการหลอมด้วยไฟฟ้าความร้อนและบริเวณนำไฟฟ้าที่มีการแปลสูง เส้นทางกระแสขนาดเล็กจำนวนมากถูกสร้างขึ้น

หลังการบำบัด LECO ความต้านทานสัมผัสระดับมหภาคสามารถลดลงได้หลายลำดับความสำคัญและสร้างหน้าสัมผัสโอห์มมิกที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น การพังทลายนั้นสั้นและเฉพาะที่ มันปรับปรุงการขนส่งกระแสในขณะที่รักษาโครงสร้างพาสซีฟของออกไซด์อุโมงค์ส่วนใหญ่ไว้

HJT: หน้าสัมผัสที่อ่อนโยนระหว่างซิลเวอร์เพสต์อุณหภูมิต่ำและ TCO

หาก TOPCon เดินบนเส้นเชือกที่อุณหภูมิสูง เทคโนโลยีเฮเทอโรจังก์ชันจะทำงานภายใต้ขีดจำกัดอุณหภูมิต่ำที่เข้มงวด HJT ถูกเสนอครั้งแรกโดย Sanyo ของญี่ปุ่นในช่วงปลายทศวรรษ 1980 โดยใช้ฟิล์มซิลิคอนอสัณฐานไฮโดรจิเนตชนิดแท้บางพิเศษบนพื้นผิวทั้งสองของเวเฟอร์ซิลิคอนผลึกชนิด N เพื่อการพาสซิเวชันสองด้าน จากนั้นจึงสะสมชั้นซิลิคอนอสัณฐานชนิด P และ N ที่เจือปนเพื่อสร้างเฮเทอโรจังก์ชัน ขีดจำกัดประสิทธิภาพทางทฤษฎีโดยทั่วไปประมาณ 28.5% ทำให้เป็นหนึ่งในโครงสร้างเซลล์ชั้นนำในระยะยาว

การพาสซิเวชันที่แข็งแกร่งของ HJT มาจากฟิล์มซิลิคอนอสัณฐานแท้ ซิลิคอนอสัณฐานมีพันธะ Si-H ที่เกี่ยวข้องกับไฮโดรเจนจำนวนมาก ไฮโดรเจนสามารถทำให้พันธะห้อยบนพื้นผิวซิลิคอนผลึกอิ่มตัวและให้การพาสซิเวชันทางเคมีที่แข็งแกร่ง พันธะเหล่านี้ยังเปราะบาง เมื่ออุณหภูมิในกระบวนการหลังเกินประมาณ 200–250°C ไฮโดรเจนสามารถหลุดออกจากฟิล์มซิลิคอนอสัณฐาน การดีไฮโดรจิเนชันนี้ทำลายผลการพาสซิเวชันทางเคมี

ข้อจำกัดด้านอุณหภูมิมีผลกระทบอย่างเด็ดขาดต่อการทำเมทัลไลเซชันของ HJT ไม่สามารถใช้ซิลเวอร์เพสต์อุณหภูมิสูงแบบดั้งเดิมที่ใช้สำหรับ PERC และ TOPCon ซึ่งปกติต้องเผาที่อุณหภูมิสูงกว่า 800°C HJT ต้องการระบบซิลเวอร์เพสต์อุณหภูมิต่ำโดยเฉพาะ

แทนที่จะพึ่งพาปฏิกิริยาแก้วฟริตที่อุณหภูมิสูง เพสต์อุณหภูมิต่ำใช้เรซินพอลิเมอร์อินทรีย์เป็นสารยึดเกาะสำหรับอนุภาคเงินนำไฟฟ้า หลังจากการพิมพ์สกรีน เซลล์จะเข้าสู่เตาอบที่อุณหภูมิต่ำกว่าประมาณ 200°C และคงอยู่ที่นั่นเป็นเวลานานในรอบการบ่มที่อุณหภูมิต่ำ

การแก้ปัญหาอุณหภูมิทำให้เกิดปัญหาอื่น: การนำไฟฟ้า ซิลิคอนอสัณฐานให้การพาสซิเวชันที่ยอดเยี่ยม แต่การนำไฟฟ้าด้านข้างต่ำ หลังจากพาหะผ่านเฮเทอโรจังก์ชันแล้ว พวกมันไม่สามารถเดินทางได้อย่างมีประสิทธิภาพในระยะทางไกลข้ามพื้นผิวซิลิคอนอสัณฐานเพื่อไปถึงนิ้วโลหะ

ดังนั้นจึงมีการสะสมฟิล์มออกไซด์นำไฟฟ้าโปร่งใสบนชั้นซิลิคอนอสัณฐานที่เจือปน โดยปกติโดยการสปัตเตอริงด้วยแม่เหล็ก ITO เป็นตัวเลือกทั่วไป ฟิล์ม TCO ส่งผ่านแสง ให้ความต้านทานสัมผัสค่อนข้างต่ำ และนำพาหะไปด้านข้างสู่เส้นกริด

ในโครงสร้าง HJT การสัมผัสเมทัลไลเซชันสุดท้ายเกิดขึ้นระหว่างซิลเวอร์เพสต์อุณหภูมิต่ำที่บ่มแล้วกับฟิล์ม TCO ซึ่งทำให้เกิดความท้าทายด้านความต้านทานอนุกรมสองประการ

ประการแรก การพาสต์ที่อุณหภูมิต่ำขึ้นอยู่กับการหดตัวของเรซินโพลิเมอร์ในระหว่างการบ่ม การหดตัวจะกดอนุภาคเงินเข้าหากันและกับพื้นผิว TCO การสัมผัสทางกายภาพระหว่างอนุภาคนี้มีความต้านทานสูงกว่าการเชื่อมต่อทางโลหะวิทยาที่เกิดจากการเผาที่อุณหภูมิสูงอย่างมีนัยสำคัญ

ประการที่สอง ฟังก์ชันงานของ TCO ต้องเข้ากันได้กับทั้งซิลิคอนอสัณฐานที่เจือปนอยู่ด้านล่างและขั้วไฟฟ้าโลหะที่อยู่ด้านบน การเกิดออกซิเดชันเล็กน้อยหรือการตรึงระดับเฟอร์มิสามารถสร้างสิ่งกีดขวางชอตต์กีขนาดเล็กที่รอยต่อ TCO-เงิน สิ่งกีดขวางนั้นจะเพิ่มความต้านทานอนุกรมและลดฟิลล์แฟกเตอร์

ผู้ผลิตพาสต์กำลังตอบสนองโดยการปรับรูปร่างของอนุภาคเงิน การกระจายขนาดอนุภาค และระบบเรซินอินทรีย์ อุตสาหกรรม HJT ยังกำลังสำรวจการชุบด้วยไฟฟ้าด้วยทองแดงที่ไม่มีเงินเพื่อก้าวข้ามข้อจำกัดด้านต้นทุนและการสัมผัสทางกายภาพของพาสต์เงินอุณหภูมิต่ำ การชุบด้วยไฟฟ้าสามารถสร้างเส้นกริดทองแดงบริสุทธิ์ที่หนาแน่นบน TCO หรือบนชั้นเมล็ดเฉพาะ ทำให้เกิดการสัมผัสทางโลหะวิทยาที่มีความต้านทานต่ำซึ่งใกล้เคียงกับสภาวะในอุดมคติมาก

BC: การเต้นรำระดับไมโครเมตรของขั้วไฟฟ้าด้านหลัง

ในช่วงของสถาปัตยกรรมเซลล์แสงอาทิตย์ เทคโนโลยีแบ็คคอนแทคมีความน่าสนใจมากแต่ยากต่อการผลิต BC ไม่ใช่วัสดุซับสเตรตเฉพาะชนิดเดียว แต่เป็นแนวคิดทางสถาปัตยกรรม โดยมีเซลล์แบ็คคอนแทคแบบสลับฟันปลา (IBC) เป็นรูปแบบพื้นฐาน

ไม่ว่าจะใช้เวเฟอร์ชนิด P โครงสร้างคอนแทคแบบ TOPCon หรือโครงสร้าง HJT หลักการสำคัญเหมือนกัน: อิมิตเตอร์ สนามด้านหลัง และเส้นกริดโลหะบวกและลบทั้งหมดจะถูกย้ายไปที่ด้านหลังของเซลล์

การนำขั้วไฟฟ้าทั้งหมดออกจากพื้นผิวที่ได้รับแสงทำให้เกิดประโยชน์ทางแสงที่ชัดเจน: ไม่มีการบังแสงจากโลหะด้านหน้า โดยไม่มีฟิงเกอร์หรือบัสบาร์บังแสงที่เข้ามา โฟตอนสามารถเข้าสู่เซลล์ได้มากขึ้น เมื่อเปรียบเทียบกับเซลล์สองหน้าทั่วไป ความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าลัดวงจรของเซลล์ BC สามารถเพิ่มขึ้นได้ประมาณ 7%

ในขั้นตอนการผลิตโมดูลและการ encapsulate เซลล์ BC สามารถแทนที่เส้นทางการเชื่อมต่อด้านหน้าไปด้านหลังแบบ Z แบบดั้งเดิมด้วยการเชื่อมต่อด้านหลังแบบแบน ซึ่งช่วยลดความเครียดเชิงกลระหว่างพื้นผิวด้านหน้าและด้านหลัง และสามารถปรับปรุงความต้านทานต่อรอยแตกขนาดเล็ก ตัวอย่างเช่น มีรายงานว่าความเครียดที่ขอบของเซลล์ LONGi HPBC ต่ำกว่าเซลล์ที่ไม่ใช่ BC ทั่วไป 48% ซึ่งสนับสนุนความน่าเชื่อถือในระยะยาวที่ดีขึ้น

การเพิ่มประสิทธิภาพทางแสงด้านหน้าต้องแลกมาด้วยการออกแบบทางไฟฟ้าด้านหลังที่ซับซ้อนมากขึ้น บนพื้นที่ด้านหลังที่จำกัด บริเวณอีมิตเตอร์ชนิด P และบริเวณสนามพื้นผิวด้านหลังชนิด N ถูกจัดเรียงเป็นนิ้วสลับกันอย่างหนาแน่น ต้องสร้างอิเล็กโทรดแยกกันด้วยความแม่นยำสูง โลหะบวกต้องสร้างหน้าสัมผัสโอห์มิกกับบริเวณชนิด P ที่โดปหนัก ในขณะที่โลหะลบต้องสัมผัสกับบริเวณชนิด N ที่โดปหนัก

ปัญหาทางวิศวกรรมสามประการที่โดดเด่น

ประการแรก เนื่องจากพื้นผิวด้านหน้าไม่เก็บกระแสอีกต่อไป พาหะที่สร้างจากแสงทั้งหมดต้องเคลื่อนที่ผ่านความหนาของเวเฟอร์ จากนั้นเดินทางในแนวข้างในสามมิติไปยังหน้าสัมผัสด้านหลังที่เหมาะสม หากระยะห่างระหว่างอิเล็กโทรดบวกและลบด้านหลังกว้างเกินไป เส้นทางการขนส่งพาหะจะยาวขึ้น ความน่าจะเป็นในการรวมตัวกันใหม่เพิ่มขึ้น และความต้านทานเชิงปริมาตรด้านข้างเพิ่มขึ้น

ประการที่สอง การลดระยะทางการขนส่งด้านข้างต้องใช้อิเล็กโทรดบวกและลบที่มีระยะห่างกันอย่างใกล้ชิด การเปิดด้วยเลเซอร์ร่วมกับการพิมพ์สกรีน หรือการใช้หน้ากากฉนวนและการทำโลหะด้วยโฟโตลิโทกราฟี ต้องจัดตำแหน่งด้วยความแม่นยำระดับไมโครเมตร การล้นของเพสต์เล็กน้อยหรือการเบี่ยงเบนของการเปิดเลเซอร์เพียงไม่กี่ไมโครเมตรสามารถเชื่อมต่อโลหะด้าน P และด้าน N โดยตรง ทำให้เกิดการลัดวงจรอย่างรุนแรง

ประการที่สาม หน้าสัมผัสบวกและลบทั้งหมดกระจุกตัวอยู่ในบริเวณเฉพาะบนพื้นผิวด้านหลัง พื้นที่สัมผัสโลหะ-สารกึ่งตัวนำทั้งหมดอาจเล็กกว่าเซลล์ทั่วไปที่ใช้หน้าสัมผัสทั้งสองด้าน เมื่อกระแสที่สร้างจากแสงมารวมกันที่จุดสัมผัสเฉพาะเหล่านี้ ความหนาแน่นกระแสจะสูงมาก แม้แต่ข้อบกพร่องเล็กน้อยในการสัมผัสก็สามารถขยายเป็นการสูญเสียความต้านทานและความร้อนอย่างมีนัยสำคัญ

จุดจบ: จากการจับแสงสู่การจัดการพาหะ

การมุ่งเน้นของอุตสาหกรรมที่หน้าสัมผัสโอห์มิกและความต้านทานการสัมผัสสะท้อนถึงการเปลี่ยนแปลงที่ลึกซึ้งในการพัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์ ลำดับความสำคัญกำลังเปลี่ยนจากการจับโฟตอนในระดับมหภาคไปสู่การควบคุมพลวัตของพาหะในระดับจุลภาคอย่างแม่นยำ

ในช่วงทศวรรษที่ PERC ครอบงำ ความพยายามในการวิจัยส่วนใหญ่มุ่งเน้นไปที่การเพิ่มการสะท้อนแสงด้านหลังและการปรับปรุงพาสซีเวชันด้วยวัสดุเช่นอะลูมิเนียมออกไซด์ ในยุคชนิด N ความก้าวหน้าทางวัสดุศาสตร์ได้ผลักดันพาสซีเวชันทางเคมีพื้นผิวเข้าใกล้ขีดจำกัดในทางปฏิบัติมากขึ้น จุดอ่อนที่สุดได้เปลี่ยนไป การสกัดพาหะแบบเลือกสรรและการขนส่งที่ส่วนต่อประสานมีบทบาทมากขึ้นในการกำหนดประสิทธิภาพสุดท้าย

บริษัทและแพลตฟอร์มเทคโนโลยีที่แก้ปัญหาความต้านทานการสัมผัสที่อินเทอร์เฟซโลหะได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น สามารถสร้างความได้เปรียบด้านประสิทธิภาพและต้นทุนที่มีนัยสำคัญผ่านความต้านทานอนุกรมที่ต่ำลงและฟิลล์แฟกเตอร์ที่สูงขึ้น

การขยายตลาดอย่างรวดเร็วของ TOPCon ในปี 2024 ไม่ได้ขับเคลื่อนโดยความเข้ากันได้กับสายการผลิต PERC ที่มีอยู่เท่านั้น ผู้ผลิตอุปกรณ์และผู้ผลิตสารพาสต์ยังปรับปรุงกระบวนการสัมผัสด้วยเลเซอร์ เช่น LECO โดยใช้ผลกระทบทางไฟฟ้าและความร้อนเฉพาะที่เพื่อสร้างสมดุลระหว่างการพาสซิเวชันของออกไซด์อุโมงค์กับการสร้างหน้าสัมผัสโลหะผสมที่มีความต้านทานต่ำ

เมื่อมองไปข้างหน้า ต้นทุนเงินที่สูงอย่างต่อเนื่องและข้อจำกัดด้านความต้านทานทางกายภาพของสารพาสต์เงินอุณหภูมิต่ำกำลังผลักดันให้การลดการใช้เงินและการชุบทองแดงเป็นจุดสนใจ การเติบโตทางเคมีไฟฟ้าของทองแดงหนาแน่นบนฟิล์มนำไฟฟ้าหรือชั้นเมล็ดสามารถสร้างหน้าสัมผัสโอห์มิกที่ใกล้เคียงกับโลหะวิทยา ในขณะเดียวกันก็ลดความต้านทานไฟฟ้าของกริดเอง

การต่อสู้ครั้งสุดท้ายที่อินเทอร์เฟซระดับไมโครเมตร

เซลล์แสงอาทิตย์มีความไวต่อการสัมผัสที่ไม่ดีเนื่องจากอินเทอร์เฟซอิเล็กโทรดเป็นขั้นตอนสุดท้ายและยากที่สุดในวงจรการแปลงพลังงานแสงอาทิตย์

TOPCon สร้างสมดุลระหว่างสภาวะการเผากับความสมบูรณ์ของออกไซด์อุโมงค์ที่มีความหนาเพียง 1–2 นาโนเมตร โดย LECO ทำหน้าที่เป็นกระบวนการปรับแต่งหน้าสัมผัสเฉพาะที่สูง HJT ต้องสร้างการเชื่อมต่อที่เชื่อถือได้ระหว่างสารพาสต์นำไฟฟ้าอุณหภูมิต่ำและออกไซด์นำไฟฟ้าโปร่งใส ในขณะที่ต้องอยู่ภายใต้ขีดจำกัดความร้อนระดับ 200°C ที่เข้มงวด เซลล์ BC วางขั้วทั้งสองไว้ที่พื้นผิวด้านหลังและต้องการการสร้างลวดลายระดับไมโครเมตรที่ห่างจากความผิดพลาดในการจัดตำแหน่งเพียงเล็กน้อยเท่านั้นที่จะทำให้เกิดการลัดวงจร

ความพยายามในระดับอุตสาหกรรมขนาดใหญ่เหล่านี้ชี้ไปที่เป้าหมายทางเซมิคอนดักเตอร์เดียวกัน: ระงับสิ่งกีดขวางชอตต์กี สร้างหน้าสัมผัสโอห์มิกที่มีประสิทธิภาพ และลดความต้านทานการสัมผัสให้ใกล้ศูนย์มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้

ในขณะที่เทคโนโลยีเซลล์ซิลิคอนผลึกเดียวยังคงเข้าใกล้ขีดจำกัดทางทฤษฎีที่ 29.43% กฎข้อหนึ่งยังคงยากที่จะละเลย: ควบคุมอินเทอร์เฟซการสัมผัส แล้วคุณจะควบคุมเพดานประสิทธิภาพ

มุมมองของ Ooitech

ความท้าทายในการผลิตจริงไม่ใช่แค่การพิมพ์เส้นกริดที่แคบลงหรือเพิ่มชั้นพาสซิเวชันอีกชั้นหนึ่ง การทำให้เป็นโลหะต้องได้รับการปรับให้เหมาะสมเป็นส่วนหนึ่งของกระบวนการเซลล์และโมดูลที่สมบูรณ์ เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในความต้านทานการสัมผัสอาจส่งผลต่อฟิลล์แฟกเตอร์ พฤติกรรมทางความร้อน ความสม่ำเสมอในการบัดกรี และกำลังไฟฟ้าสุดท้ายของโมดูล ในขณะที่การออกแบบ TOPCon, HJT และ BC พัฒนาขึ้น การควบคุมกระบวนการสัมผัสและการตรวจสอบทางไฟฟ้าที่เชื่อถือได้จะมีความสำคัญพอๆ กับประสิทธิภาพเซลล์ที่เป็นหัวข้อหลัก