مواجهة الأداء في الإضاءة المنخفضة: TOPCon وBC وHJT مدعومة ببيانات حقيقية
مقدمة
الطاقة الاسمية هي قيمة مقدرة؛ استجابة الإضاءة المنخفضة هي الأداء في العالم الحقيقي. في معظم مناطق العالم، يبقى الإشعاع أقل من 1000 واط/م² لأكثر من 90% من الوقت. فقط ساعتان أو ثلاث ساعات حول منتصف النهار الشمسي تقترب من ظروف STC. شروق الشمس، غروب الشمس، السماء الملبدة بالغيوم، المطر—تقضي الخلايا معظم وقت عملها تحت إضاءة منخفضة. الكفاءة المقدرة العالية لا تضمن إنتاجًا عاليًا في العالم الحقيقي. اليوم نحلل استجابة الإضاءة المنخفضة: من يفوز في الفيزياء، ومن يثبت قوته في الميدان، وكيف نحكم على جودة الخلية في الإضاءة المنخفضة مباشرة على خط الإنتاج.
فيزياء استجابة الإضاءة المنخفضة: من يتسرب ويعيد التركيب بشكل أقل
من الدائرة المكافئة للدايود، السبب الجذري لانخفاض الكفاءة تحت الإضاءة المنخفضة بسيط: يتقلص التيار المولد ضوئيًا، لكن التسرب وإعادة التركيب لا يتقلصان بنفس النسبة، لذا تزداد حصتهما النسبية.
العامل الأكثر أهمية: مقاومة التحويل Rsh
تحت الإضاءة المنخفضة، ينخفض التيار المولد ضوئيًا بشكل حاد، لكن تيار التسرب يظل ثابتًا تقريبًا (يعتمد على الجهد وRsh). حصة أكبر من تيار التسرب تسحب Voc لأسفل، مما يسحب FF لأسفل، مما يقلل الكفاءة.
كلما زادت Rsh (قل التسرب)، كانت استجابة الإضاءة المنخفضة أفضل. هذا هو العامل الفيزيائي الأساسي.
| نوع الخلية | خصائص Rsh | أداء الإضاءة المنخفضة |
|---|---|---|
| HJT | طبقة تخميل i-a-Si:H بعزل ممتاز، إعادة تركيب واجهة منخفضة للغاية | الأفضل |
| TOPCon | أقطاب موجبة وسالبة مقسمة عبر الأمام والخلف، مناطق عزل حافة قليلة، مسارات تسرب قابلة للتحكم | جيد |
| BC | هيكل متشابك خلفي، العديد من خنادق العزل P⁺/N⁺، زيادة خطر التسرب الحدي | أضعف |
عامل ثانوي: عامل المثالية n
يعكس عامل المثالية آلية إعادة التركيب: n=1 لتيار الانتشار المثالي، n=2 عندما تسود إعادة التركيب في منطقة النضوب. كلما زاد n، زادت خسارة إعادة التركيب تحت الإضاءة المنخفضة. يعطي هيكل التلامس الممرور لـ TOPCon n≈1.1-1.2، بينما تحتوي الوصلة PN المتشابكة الخلفية لـ BC على قنوات إعادة تركيب واجهة أكثر عند n≈1.2-1.4، ويتميز تلبيد السيليكون غير المتبلور لـ HJT عند n≈1.0-1.1.
المقاومة التسلسلية Rs أقل أهمية هنا. فقدان الطاقة عبر Rs هو I²R؛ تحت الإضاءة المنخفضة يكون التيار صغيرًا، لذا يضعف تأثيره النسبي.
لماذا BC أضعف تحت الإضاءة المنخفضة: سبب هيكلي
تضع BC كلا القطبين الموجب والسالب على الظهر، مما يتطلب العديد من خنادق العزل بين منطقتي P⁺ و N⁺ لتحقيق الفصل الكهربائي. تجلب هذه الخنادق مشكلتين:
خطر التسرب الحدي: يمكن أن يؤدي حفر الخندق إلى إتلاف ركيزة السيليكون وتشكيل مسارات تسرب. يحتوي سطح BC الخلفي الواحد على مئات من خنادق العزل، كل منها طريق تسرب محتمل.
إعادة التركيب الواجهي: تنمو مساحة الواجهة P⁺/N⁺ للهيكل المتشابك الخلفي أكبر، مما يضيف مراكز إعادة تركيب ويدفع عامل المثالية n إلى الأعلى.
هذا تحدٍ هيكلي متأصل، وليس مسألة "من فعلها بشكل سيئ". يمكن أن يساعد تحسين العملية (التحكم في مورفولوجيا الخندق، تحسين طبقات التخميل)، لكن الهيكل يضع BC في وضع غير مؤات طبيعي في هذه النقطة.
سبب أداء HJT الأفضل تحت الإضاءة المنخفضة هو العكس: طبقة تخميل السيليكون غير المتبلور الجوهري i-a-Si:H توفر تخميلًا سطحيًا ممتازًا، كثافة حالة واجهة منخفضة، أعلى Rsh، وأصغر عامل مثالية.
دليل ميداني: TOPCon يتفوق على BC في الناتج لكل واط تحت الإضاءة المنخفضة
تشير البيانات الميدانية من عدة معاهد اختبار إلى اتجاه ثابت:
| معهد الاختبار | الموقع | السيناريو | كسب الإضاءة المنخفضة لـ TOPCon مقابل BC |
|---|---|---|---|
| CPVT | ينتشوان، نينغشيا | فترات الإضاءة المنخفضة صباحًا/مساءً | غائم جزئيًا +3.89%، مشمس +2.33% |
| CPVT | ينتشوان، نينغشيا | إشعاع منخفض للغاية (0-100 واط/م²) | +4.38% |
| TÜV Nord | كاغوشيما، اليابان | <400 واط/م² | +10.79% |
| TÜV Rheinland | تشنغدو | 90% أيام غائمة/ممطرة | +2.37%، ذروة الصباح/المساء +7.18% |
| CGC | هاينان | 127 يومًا بما في ذلك 76 يومًا ممطرًا | +7.83% |
| State Grid | تشانغباي | 200 واط/م² | +2.6% |
في ظروف الإضاءة المنخفضة، يتجاوز إنتاج الواط من TOPCon نظيره من BC، وكلما انخفض الإشعاع، اتسعت الفجوة.
لكن التباين داخل نفس المسار التكنولوجي كبير أيضًا. يُظهر اختبار المقارنة متعدد الموردين من مختبر تقييم الكربون أن منتجات BC تخسر 2.78% إلى 6.57% عند إشعاع منخفض 200 واط/م²، بينما يتراوح TOPCon من 2.14% إلى 4.72%. الفجوة بين "أفضل المنتجات" للتقنيات الثلاث أصغر من الفجوة بين "المنتجات الجيدة مقابل المنتجات الرديئة" داخل نفس المسار.
الاستنتاج العملي: عند الاختيار، فإن مستوى عملية التصنيع للشركة المصنعة لا يقل أهمية عن اختيار المسار التكنولوجي.
لا تخلط بين معامل درجة الحرارة واستجابة الإضاءة المنخفضة
معامل درجة الحرارة واستجابة الإضاءة المنخفضة هما معلمتان مستقلتان، لكن من السهل الخلط بينهما.
| المعلمة | السيناريو ذو الصلة | HJT | TOPCon | BC |
|---|---|---|---|---|
| معامل درجة الحرارة | سيناريوهات درجات الحرارة المرتفعة (الوحدة >50°م) | -0.24%/℃ | -0.29%/℃ | -0.26%/℃ |
| استجابة الإضاءة المنخفضة | سيناريوهات الإشعاع المنخفض (<400 واط/م²) | الأفضل | جيد | أضعف |
في يوم صيفي حار غائم، تتراكم درجات الحرارة المرتفعة والإضاءة المنخفضة معًا، وتتفوق HJT في كليهما، مما يضاعف ميزتها. في يوم شتوي بارد غائم، تقلل درجة الحرارة المنخفضة من تأثير معامل درجة الحرارة، وتأخذ استجابة الإضاءة المنخفضة زمام المبادرة. لا تستخدم معامل درجة الحرارة لشرح أداء الإضاءة المنخفضة، ولا تستنتج معامل درجة الحرارة من أداء الإضاءة المنخفضة—فهما كميتان فيزيائيتان متميزتان.
تحسين الإضاءة المنخفضة ومقاومة UVID ليسا متنافيين فيزيائياً بطبيعتهما. الإضاءة المنخفضة تعتمد على آليات الفقد الكهربائي (Rsh، n)، بينما تعتمد UVID على استقرار المواد (الروابط الكيميائية لطبقة التخميل، فيلم التغليف). يمكن تحسين كل منهما بشكل منفصل من خلال التحسين المستقل.
كيفية تقييم جودة الخلية في الإضاءة المنخفضة على خط الإنتاج
المؤشر الأكثر مباشرة: مقاومة التحويلة Rsh.
في اختبار I-V، كلما زادت Rsh للخلية، زادت احتمالية أدائها الجيد تحت الإضاءة المنخفضة. إذا أظهرت دفعة توزيعاً واسعاً لـ Rsh مع نسبة عالية من الخلايا ذات Rsh المنخفض، فإن الإنتاج في الإضاءة المنخفضة سيتأثر بالتأكيد.
ملاحظة خاصة لخطوط BC: الخلايا التي تظهر بقعاً ساطعة غير طبيعية في مناطق الخندق العازل في صور EL من المحتمل أن تكون ذات Rsh منخفض. هذا يتوافق مع "تسرب حافة الخندق" المذكور سابقاً - وهي مشكلة معرض لها الهيكل بشكل طبيعي.
خطوط TOPCon: Rsh فوق 1000 Ω·cm² طبيعي بشكل عام؛ أقل من 500 يستدعي التحقيق في عزل الحواف أو الثقوب في طبقة التخميل. الخلايا ذات الأداء الممتاز في الإضاءة المنخفضة تظهر عادة Rsh فوق 3000.
خطوط HJT: Rsh عالية طبيعياً، وفوق 5000 شائع. لكن انخفاض Rsh في خلية HJT يعني عادة حدوث خطأ في واجهة TCO و a-Si:H.
ملخص
سجل الفيزياء للاستجابة في الإضاءة المنخفضة: HJT الأفضل، TOPCon جيد، BC يواجه تحديات هيكلية. سجل الميدان: تحت الإضاءة المنخفضة، إنتاج TOPCon لكل واط يتجاوز حقاً BC، وكلما انخفض الإشعاع، اتسعت الفجوة. لكن لا تحكم بناءً على المسار التكنولوجي فقط - الفجوة بين المنتجات الجيدة والرديئة على نفس المسار أكبر حتى من الفجوة بين المسارات.
مصادر البيانات: اختبار ميداني CPVT ينتشوان (2025)، اختبار ميداني TÜV Nord كاغوشيما، اختبار ميداني TÜV Rheinland تشنغدو، اختبار ميداني CGC هاينان، اختبار ميداني State Grid تشانغباي، اختبار مقارن متعدد الموردين من مختبر تقييم الكربون (2025).
رأي Ooitech: الإنتاج الحقيقي في الإضاءة المنخفضة، وليس كفاءة اللوحة الاسمية، هو المقياس الحقيقي للخلية الشمسية، ومقاومة التحويلة هي العامل الوحيد الذي يقرر ذلك أكثر من غيره.
