مقدمة

تطورت تكنولوجيا الطاقة الشمسية الكهروضوئية بسرعة خلال العقد الماضي، حيث تتنافس عدة بنى خلوية لدفع الكفاءة إلى آفاق جديدة. يشرح 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، لكن ليست كل الفوتونات الواردة تساهم 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 جزئيًا كحرارة.

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

• خسائر إعادة التركيب تحدث أثناء نقل الحاملات.

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

تقليل الخسائر الكهربائية

• اختيار رقائق ذات بنية بلورية جيدة والنوع المناسب.

• تطوير تقنيات تشكيل تقاطع pn مثالية.

• تطوير تقنيات تخميل مثالية.

• اعتماد تقنيات تلامس معدني معقولة.

• تطبيق تقنيات مجال أمامي وخلفي ممتازة.

تقليل الخسائر البصرية

لتقليل فقدان البصريات وزيادة كفاءة الخلية، طورت الصناعة مجموعة من الأساليب والتقنيات لحبس الضوء. وتشمل هذه تنميط سطح الرقاقة لتقليل الانعكاس، وطلاءات مضادة للانعكاس على السطح الأمامي، وطلاءات عاكسة على السطح الخلفي، وتقليل مساحة تظليل خطوط الشبكة.

TOPCon

تعتبر تقنية TOPCon، المعروفة أيضًا بتقنية التلامس الممرر، على نطاق واسع تقنية الخلايا الشمسية من الجيل التالي بعد PERC. مقارنة بالتقنيات الجديدة المحتملة الأخرى مثل HJT و IBC، يمكن ترقية TOPCon مباشرة من خطوط PERC أو PERT الحالية. نتيجة لذلك، يحتاج المصنعون الراغبون في ترقية خطوط الإنتاج الحالية إلى استثمار رأسمالي منخفض نسبيًا، مع تحقيق زيادة صلبة في الكفاءة تبلغ حوالي 1%.

الجانب الأمامي لخلية TOPCon هو نفسه بشكل أساسي خلية N-type أو N-PERT التقليدية، ويتكون من باعث البورون (p+) وطبقة تخميل وطبقة مضادة للانعكاس. تكمن التقنية الأساسية في التلامس الممرر الخلفي: الجزء الخلفي من الرقاقة يحمل طبقة أكسيد فائقة الرقة (1-2 نانومتر) بالإضافة إلى فيلم سيليكون رقيق مختلط من السيليكون الدقيق/غير المتبلور المطعم بالفوسفور. للتطبيقات ثنائية الوجه، يتم إجراء التعدين عن طريق طباعة الشاشة لشبكات Ag أو Ag-Al على الأمام وشبكات Ag على الخلف.

تلامس ممرر بأكسيد النفق

جذبت تقنية التلامس الممرر بأكسيد النفق (TOPCon) اهتمامًا كبيرًا مؤخرًا لأنها تحقق كفاءة تحويل عالية تبلغ 25.7%. يتكون هيكل TOPCon من أكسيد نفق رقيق وطبقة تلامس من البولي سيليكون المطعم بالفوسفور (P). يمكن تصنيع طبقة البولي سيليكون المطعم بالفوسفور عن طريق تبلور a-Si:H أو عن طريق ترسيب البولي سيليكون مباشرة باستخدام LPCVD. تبرز TOPCon كمرشح واعد بين تقنيات الخلايا الشمسية عالية الكفاءة.

HJT غير المتجانسة

تقنية الوصلة غير المتجانسة (HJT) هي طريقة تصنيع ألواح شمسية كانت في ازدياد 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 هاتين التقنيتين معًا يحصد طاقة أكثر من استخدام أي منهما بمفرده، حيث تصل الكفاءات إلى 25% أو أعلى.

هيكل خلية HJT

باستخدام رقاقة أحادية البلورية كركيزة، يتم ترسيب طبقة رقيقة من a-Si:H غير المطعمة بسمك 5-10 نانومتر ثم طبقة من a-Si:H من النوع p على الوجه الأمامي المنظف والمُحفَّر للرقاقة، لتشكيل تقاطع غير متجانس p-n. على الوجه الخلفي للرقاقة، يتم ترسيب طبقة غير مطعمة بسمك 5-10 نانومتر وطبقة من a-Si:H من النوع n لتشكيل حقل سطحي خلفي. ثم يتم ترسيب طبقة أكسيد موصل شفاف، وأخيرًا يتم إنشاء أقطاب معدنية مجمعة بواسطة الطباعة بالشاشة الحريرية على أعلى كلا الجانبين، مما يبني خلية شمسية HJT متناظرة.

مزايا خلايا HJT

• المرونة والقابلية للتكيف — تم تطوير هذه التكنولوجيا 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 لوحدات الطاقة الشمسية الرقيقة أن تدوم حتى 25 عامًا، بينما يمكن لخلايا HJT الاستمرار في العمل بشكل طبيعي لأكثر من 30 عامًا.

• كفاءة أعلى — معظم ألواح التقاطع غير المتجانس في السوق اليوم تتراوح كفاءتها بين 19.9% و 21.7%، وهو تحسن كبير مقارنة بالخلايا أحادية البلورية 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 الرقيق وقت تصنيع أقصر. بفضل عمليته المبسطة، فإن HJT أكثر تكلفة من الحلول البديلة.

البيروفسكايت

في عام 2009، تم استخدام 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 الطاقة الكهروضوئية وأثار اهتمامًا كبيرًا في الأوساط الأكاديمية. نظرًا لأن طرق تشغيلها لا تزال جديدة نسبيًا، فهناك فرصة كبيرة 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 الإلكترونات (ETL)، البيروفسكايت، طبقة نقل الثقوب (HTL)، وقطب معدني. فهم وتحسين مستويات الطاقة والتفاعلات بين المواد المختلفة عند هذه الواجهات هو مجال بحثي مثير للغاية لا يزال قيد المناقشة النشطة.

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 التركيب الحامل وارتفاع حركية الحامل، مما يجعلها مواد مثالية للخلايا الشمسية.

طرق تشكيل فيلم البيروفسكايت

يكمن مفتاح تحسين كفاءة تحويل الطاقة لخلايا البيروفسكايت الشمسية في تحسين مورفولوجيا الفيلم. طرق تشكيل الفيلم المستخدمة بشكل شائع في المختبر هي الترسيب بخطوة واحدة أو خطوتين. لتلبية الطلب على أفلام البيروفسكايت ذات المساحة الكبيرة والتكلفة المنخفضة، يتم أيضًا استخدام معدات المعالجة مثل طلاء القالب، والطباعة، والرش لتصنيع خلايا البيروفسكايت الشمسية.

مستقبل البيروفسكايت

من المرجح أن يركز البحث المستقبلي على البيروفسكايت على تقليل إعادة التركيب من خلال استراتيجيات مثل التخميد وتقليل العيوب، بالإضافة إلى تحسين الكفاءة من خلال دمج البيروفسكايت ثنائي الأبعاد ومواد واجهة أكثر تحسينًا. قد تتحول طبقات استخراج الشحنة من المواد 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 الكهروضوئية 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 الوحدات الشمسية المنتجة صناعيًا تحقق حاليًا كفاءة تتراوح بين 18% و22% فقط تحت ظروف الاختبار القياسية.

التنظيف والتنميط

يزيل الحفر طبقة التلف السطحي وينمط السطح لتشكيل هيكل محكم يحبس الضوء ويقلل من خسائر الانعكاس. قياس انعكاس السطح المحكم هو وسيلة مهمة لمراقبة عملية التنميط.

تشكيل الوصلة الانتشارية وعزل الحواف

يشكل الانتشار الحراري والطرق المماثلة طبقة انتشار من نوع موصلية مختلف على الرقاقة، مما ينشئ الوصلة pn. تقوم أنواع الخلايا المختلفة بترسيب طبقة تخميل بسماكة معينة بين الوصلة pn والرقاقة للحصول على خلية شمسية رقيقة 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. حاليًا، تستخدم الصناعة الترسيب الكيميائي البخاري 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 الصفيحة.

تصنيع الأقطاب الكهربائية

تُطبع أقطاب الخطوط الشبكية على واجهة الخلية باستخدام الطباعة بالشاشة الحريرية، بينما يُطبع حقل السطح الخلفي والقطب الخلفي على الظهر، يلي ذلك التجفيف والتلبيد. خلال هذه العملية، يعتبر التحكم في درجة الحرارة، ودقة المحاذاة، ونسبة الارتفاع إلى العرض للخطوط الشبكية مؤشرات مراقبة لا غنى عنها.

رؤية Ooitech

تعتقد ooitech: TOPCon و HJT و perovskite 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.