فهم التقنيات الرئيسية الثلاث لخلايا الطاقة الشمسية: TOPCon وHJT والبيروفسكايت

مقدمة

تطورت تكنولوجيا الطاقة الشمسية الكهروضوئية بسرعة خلال العقد الماضي، حيث دفعت عدة بنى متنافسة للخلايا الكفاءة إلى آفاق جديدة. يستعرض هذا المقال المبادئ الأساسية لعمل الخلايا الشمسية، ثم يحلل التقنيات الثلاث الرئيسية من الجيل التالي التي تشكل الصناعة اليوم، ويختتم بنظرة على مراقبة الجودة في إنتاج الخلايا.

كيف تعمل الخلايا الشمسية الكهروضوئية

تحول الخلية الشمسية الضوء إلى كهرباء، ولكن لا تساهم جميع الفوتونات الواردة بالتساوي. فهم أين تُفقد الطاقة هو الخطوة الأولى نحو بناء خلايا أفضل.

• الفوتونات ذات الطاقة الأقل من فجوة النطاق لا يتم امتصاصها وتمر ببساطة عبر الخلية.

• الفوتونات ذات الطاقة الأعلى من فجوة النطاق يتم امتصاصها وتولد أزواج إلكترون-ثقب، لكن الطاقة الزائدة للفوتونات عالية الطاقة تُفقد جزئياً كحرارة.

• فصل الشحنات ونقل الحاملات المولدة يتسببان في خسائر عند تقاطع pn.

• تحدث خسائر إعادة التركيب أثناء نقل الحاملات.

• تسبب مقاومة التلامس انخفاضاً في الجهد، مما يؤدي إلى خسائر جهد التلامس.

تقليل الخسائر الكهربائية

• اختر رقائق ذات بنية بلورية جيدة والنوع المناسب.

• تطوير تقنيات مثالية لتشكيل تقاطع pn.

• تطوير تقنيات تخميل مثالية.

• اعتماد تقنيات تلامس معدني معقولة.

• تطبيق تقنيات ممتازة للمجال الأمامي والخلفي للسطح.

تقليل الخسائر البصرية

لتقليل الخسائر البصرية ورفع كفاءة الخلايا، طورت الصناعة مجموعة من الأساليب والتقنيات لحبس الضوء. تشمل هذه الأساليب تنميق سطح الرقاقة لتقليل الانعكاس، وطلاءات مضادة للانعكاس على السطح الأمامي، وطلاءات عاكسة على السطح الخلفي، وتقليل منطقة تظليل خطوط الشبكة.

TOPCon

تُعتبر تقنية TOPCon، المعروفة أيضًا بتقنية التلامس السلبي المُخمّل، على نطاق واسع تقنية الخلايا الشمسية من الجيل التالي بعد PERC. بالمقارنة مع التقنيات الجديدة المحتملة الأخرى مثل HJT وIBC، يمكن ترقية TOPCon مباشرة من خطوط PERC أو PERT الحالية. ونتيجة لذلك، يحتاج المصنعون الراغبون في ترقية خطوط الإنتاج الحالية إلى استثمار رأسمالي منخفض نسبيًا، مع تحقيق زيادة كفاءة صلبة تبلغ حوالي 1%.

الجانب الأمامي لخلية TOPCon هو في الأساس نفس الخلية التقليدية من النوع N أو N-PERT، ويتكون من باعث البورون (p+) وطبقة تخميل وطبقة مضادة للانعكاس. تكمن التقنية الأساسية في التلامس السلبي المُخمّل الخلفي: يحمل الجزء الخلفي من الرقاقة طبقة أكسيد فائقة الرقة (1-2 نانومتر) بالإضافة إلى فيلم سيليكون رقيق مختلط ميكرو/غير متبلور مُشوّب بالفوسفور. للتطبيقات ثنائية الوجه، يتم المعدنة عن طريق طباعة شبكات Ag أو Ag-Al على الجبهة وشبكات Ag على الظهر.

ملامس مخمّل بأكسيد النفق

اجتذبت تقنية التلامس السلبي المُخمّل بأكسيد النفق (TOPCon) اهتمامًا كبيرًا مؤخرًا لأنها تحقق كفاءة تحويل عالية تبلغ 25.7%. تتكون بنية TOPCon من أكسيد نفق رقيق وطبقة تلامس من البولي سيليكون المُشوّب بالفوسفور (P). يمكن تصنيع طبقة البولي سيليكون المُشوّبة بالفوسفور عن طريق تبلور a-Si:H أو عن طريق الترسيب المباشر للبولي سيليكون باستخدام LPCVD. تبرز TOPCon كمرشح واعد بين تقنيات الخلايا الشمسية عالية الكفاءة.

HJT غير المتجانسة

تقنية الخلايا غير المتجانسة (HJT) هي طريقة تصنيع الألواح الشمسية التي شهدت ارتفاعًا خلال العقد الماضي. وهي حاليًا واحدة من أكثر العمليات فعالية لدفع الكفاءة وإنتاج الطاقة إلى مستويات عالية، حتى أنها تتجاوز أداء تقنية PERC السائدة في الصناعة. تجمع خلايا HJT بين تقنيتين مختلفتين في واحدة: السيليكون البلوري والفيلم الرقيق غير المتبلور. استخدام هذه التقنيات معًا يحصد طاقة أكثر من استخدام أي منهما بمفرده، حيث تصل الكفاءة إلى 25% أو أعلى.

بنية خلية HJT

باستخدام رقاقة أحادية البلورة كركيزة، يتم ترسيب فيلم a-Si:H جوهري بسمك 5-10 نانومتر ثم فيلم a-Si:H من النوع p بالتتابع على الجزء الأمامي المنظف والمُحفور للرقاقة، مما يشكل تقاطعًا غير متجانس p-n. على الجزء الخلفي من الرقاقة، يتم ترسيب فيلم جوهري بسمك 5-10 نانومتر وفيلم a-Si:H من النوع n لتشكيل حقل سطح خلفي. ثم يتم ترسيب فيلم أكسيد موصل شفاف، وأخيرًا تقوم الطباعة بالشاشة الحريرية بإنشاء أقطاب معدنية مجمعة على قمة كلا الجانبين، مما يبني خلية شمسية HJT متناظرة.

مزايا خلايا HJT

• المرونة والقدرة على التكيف — تم تطوير هذه التقنية لقدرة إنتاج ممتازة حتى في ظل الظروف الجوية القاسية. تتميز ألواح HJT بمعامل درجة حرارة أقل من الألواح التقليدية، مما يضمن أداءً عاليًا في درجات الحرارة الخارجية المرتفعة.

• العمر المتوقع — في المتوسط، يمكن أن تدوم وحدات الأغشية الرقيقة الكهروضوئية حتى 25 عامًا، بينما يمكن لخلايا HJT الاستمرار في العمل بشكل طبيعي لأكثر من 30 عامًا.

• كفاءة أعلى — معظم ألواح الترابط غير المتجانس في السوق اليوم تتراوح كفاءتها بين 19.9% و21.7%، وهو تحسن كبير مقارنة بالخلايا أحادية البلورة التقليدية الأخرى.

• توفير التكاليف — السيليكون غير المتبلور المستخدم في ألواح HJT هو تقنية كهروضوئية فعالة من حيث التكلفة. مقارنة بالتقنيات الأخرى، يتطلب هذا النهج الشمسي ذو الأغشية الرقيقة وقت تصنيع أقصر. بفضل عمليته المبسطة، فإن HJT أكثر تكلفة من الحلول البديلة.

بيروفسكايت

في عام 2009، استخدمت مواد البيروفسكايت لأول مرة لتحقيق كفاءة كهروضوئية تبلغ 4%. بحلول عام 2021، وصلت خلايا البيروفسكايت الشمسية أحادية الوصلة (PSC) إلى كفاءة 25.5%. جعل التحسن السريع لخلايا البيروفسكايت منها نجمًا صاعدًا في مجال الكهروضوئية وأثار اهتمامًا كبيرًا في الأوساط الأكاديمية. نظرًا لأن طرق تشغيلها لا تزال جديدة نسبيًا، فهناك الكثير من الفرص لدراسة الفيزياء والكيمياء الأساسية للبيروفسكايت بشكل أكبر.

بنية خلية البيروفسكايت

تعتمد معظم هياكل خلايا البيروفسكايت الشمسية المتقدمة على خمسة مكونات: أكسيد موصل شفاف، طبقة نقل الإلكترون (ETL)، البيروفسكايت، طبقة نقل الثقوب (HTL)، وقطب معدني. فهم وتحسين مستويات الطاقة والتفاعلات بين المواد المختلفة عند هذه الواجهات هو مجال بحث مثير للغاية لا يزال قيد النقاش النشط.

CaTiO3

البيروفسكايت هو اسم معدن، اكتشف عام 1839 بواسطة روز في الصخور المعدنية لجبال الأورال وسمي على اسم الجيولوجي الروسي بيروفسكي. تميل مواد البيروفسكايت إلى انخفاض احتمالية إعادة تركيب الناقلات وحركة ناقلات عالية، مما يجعلها مواد مثالية للخلايا الشمسية.

طرق تشكيل أغشية البيروفسكايت

يكمن مفتاح تحسين كفاءة تحويل الطاقة لخلايا البيروفسكايت الشمسية في تحسين مورفولوجيا الفيلم. طرق تشكيل الفيلم الشائعة الاستخدام في المختبر هي الترسيب بخطوة واحدة أو خطوتين. لتلبية الطلب على أفلام البيروفسكايت كبيرة المساحة ومنخفضة التكلفة، تُستخدم أيضًا معدات معالجة مثل طلاء الشقوق والطباعة والرش لتصنيع خلايا البيروفسكايت الشمسية.

مستقبل البيروفسكايت

من المرجح أن يركز البحث المستقبلي حول البيروفسكايت على تقليل إعادة التركيب من خلال استراتيجيات مثل التخميل وتقليل العيوب، بالإضافة إلى تحسين الكفاءة من خلال دمج البيروفسكايت ثنائي الأبعاد ومواد واجهة أكثر تحسينًا. قد تتحول طبقات استخراج الشحنة من العضوية إلى غير العضوية لتحسين الكفاءة والاستقرار. يظل تعزيز الاستقرار وتقليل التأثير البيئي مجالات مهمة.

مراقبة الجودة في إنتاج خلايا الطاقة الشمسية الكهروضوئية

خلايا السيليكون البلورية الشمسية هي الخلايا الأكثر شيوعًا في الألواح الشمسية التجارية، حيث تمثل أكثر من 90% من مبيعات سوق الخلايا الكهروضوئية العالمية.

في المختبر، تتجاوز كفاءة تحويل الطاقة لخلايا السيليكون البلورية 25% للخلايا أحادية البلورة وتصل إلى 20% أو أكثر للخلايا متعددة البلورات. ومع ذلك، فإن الألواح الشمسية المنتجة صناعيًا تحقق حاليًا كفاءة تتراوح بين 18% و22% فقط في ظل ظروف الاختبار القياسية.

التنظيف والتنقير

يزيل الحفر طبقة التلف السطحي وينقر السطح لتشكيل بنية محفورة تحبس الضوء وتقلل من خسائر الانعكاس. قياس انعكاسية السطح المنقور هو وسيلة مهمة لمراقبة عملية التنقير.

تشكيل وصلة الانتشار وعزل الحواف

يشكل الانتشار الحراري وطرق مماثلة طبقة انتشار من نوع توصيل مختلف على الرقاقة، مما ينشئ وصلة pn. تودع أنواع مختلفة من الخلايا طبقة تخميل بسماكة معينة بين وصلة pn والرقاقة للحصول على خلية شمسية ذات فيلم رقيق أكثر كفاءة. تراقب هذه العملية بشكل أساسي عمر حاملات الأقلية وسماكة الرقاقة ومعامل الانكسار.

ترسيب طبقة مضادة للانعكاس

لتحسين امتصاص الضوء بشكل أكبر، يتم تطبيق طبقة مضادة للانعكاس على سطح الرقاقة. حالياً، تستخدم الصناعة تقنية الترسيب الكيميائي للبخار المعزز بالبلازما (PECVD) لترسيب طبقة رقيقة على الرقاقة، والتي تعمل في نفس الوقت كطبقة تخميل. في هذه المرحلة، القياسات الرئيسية هي نفاذية الطبقة المضادة للانعكاس وتجانس مقاومة الصفائح.

تصنيع الأقطاب الكهربائية

تُطبع الأقطاب الكهربائية الشبكية على الجزء الأمامي من الخلية باستخدام تقنية الطباعة بالشاشة الحريرية، بينما يُطبع حقل السطح الخلفي والقطب الخلفي على الجزء الخلفي، يلي ذلك التجفيف والتلبيد. خلال هذه العملية، يعد التحكم في درجة الحرارة، ودقة المحاذاة، ونسبة الارتفاع إلى العرض للخطوط الشبكية من مؤشرات المراقبة الأساسية.

رؤية Ooitech

تعتقد ooitech أن TOPCon وHJT والبيروفسكايت كل منها يدفع كفاءة الخلايا الشمسية إلى الأمام بطريقته الخاصة، والتحكم الصارم في جودة الإنتاج هو ما يحول هذه التقنيات في النهاية إلى وحدات موثوقة وعالية الأداء.