لماذا يحد التعدين من سقف الكفاءة للخلايا الشمسية عالية الكفاءة؟
جدول المحتويات
لماذا يحد التعدين من سقف الكفاءة للخلايا الشمسية عالية الكفاءة؟
في القصة الأوسع لتكنولوجيا الخلايا الكهروضوئية، كل مكسب صغير في كفاءة التحويل يأتي عادة من دفع الحدود الفيزيائية الدقيقة بقوة أكبر. منذ أن تجاوزت الصناعة عصر PERC أحادي البلورة وبدأت في التحول نحو تقنيات N-type مثل TOPCon وHJT وBC، استمر سقف الكفاءة في الارتفاع.
مع اقتراب الخلايا الشمسية من حد شوكلي-كويزر، تصبح واحدة من أكثر المشاكل الأساسية والصعبة في فيزياء أشباه الموصلات ذات أهمية متزايدة: التلامس الكهربائي بين المعدن وأشباه الموصلات. أصبحت هذه الواجهة حاجزًا تقنيًا أساسيًا يؤثر على إنتاجية الإنتاج الضخم وكفاءة الخلية النهائية.
بالنسبة لغير المتخصص، قد تبدو الخلية الشمسية كرقاقة شبه موصلة رقيقة تولد الكهرباء ببساطة تحت ضوء الشمس. من وجهة نظر صناعية وأكاديمية، ومع ذلك، فهي جهاز تحويل طاقة كمومي ميكانيكي عالي الدقة. يجب أن تفصل أزواج الإلكترون-ثقب الناتجة عن الفوتونات الممتصة وتوجهها إلى دائرة خارجية بأقل خسارة ممكنة.
خلال هذه العملية، تعمل الأقطاب المعدنية مثل محطات تحصيل الرسوم حيث تغادر حاملات الشحنة عالم أشباه الموصلات المجهري. إذا كان هناك حاجز كبير في المحطة، تصبح الحاملات مزدحمة، وتعيد الاتحاد، وتفقد الطاقة. على مستوى الجهاز، يظهر هذا كزيادة حادة في مقاومة التلامس، وانخفاض حاد في عامل الملء، وفي النهاية انخفاض في طاقة خرج الخلية الشمسية.
لذا أصبحت القدرة على تشكيل تلامس أومي منخفض المقاومة على سطح يجب أن يحافظ أيضًا على إعادة اتحاد منخفضة للغاية خطًا فاصلًا حاسمًا للخلايا الشمسية الحديثة عالية الكفاءة.
التماس الأومي: جسر الفجوة الفيزيائية بين المعدن وأشباه الموصلات
لفهم مشكلة التمعدن، نحتاج أولاً إلى العودة إلى نظرية نطاق أشباه الموصلات. يتضمن ذلك المجال الكهربائي الداخلي داخل أشباه الموصلات وانتقال الشحنة المجهري الذي يحدث عندما يلتقي المعدن بأشباه الموصلات.
الأساس الفيزيائي للتحويل الكهروضوئي هو الوصلة PN. عندما تتلامس أشباه الموصلات من النوع P والنوع N بتركيزات مختلفة من الشوائب، تكون مستويات فيرمي مختلفة. للوصول إلى التوازن الديناميكي الحراري، يحدث انتقال شحنة مجهري.
مستوى فيرمي لأشباه الموصلات من النوع N أعلى من مستوى فيرمي لأشباه الموصلات من النوع P. لذلك تتحرك الإلكترونات تلقائياً من منطقة النوع N نحو منطقة النوع P، بينما تتحرك الفجوات في الاتجاه المعاكس. مع تحرك هذه الناقلات، تبقى أيونات مشحونة ثابتة بالقرب من واجهة الوصلة PN. وهذا يخلق منطقة شحنة فضائية، تسمى أيضاً منطقة الاستنزاف، مع مجال كهربائي داخلي.
المجال الداخلي يحني نطاقات الطاقة لأشباه الموصلات وينتج قوة انجراف معاكسة لاتجاه انتشار الناقلات. عندما يصل الانتشار والانجراف إلى توازن ديناميكي، تتم محاذاة مستويات فيرمي على كلا الجانبين ويصبح التيار الصافي صفراً. تحت الإضاءة، يتم فصل أزواج الإلكترون-فجوة المولدة ضوئياً بواسطة هذا المجال الداخلي، مما ينتج جهداً ضوئياً وتياراً خراجياً.
تعمل هذه العملية الفيزيائية الدقيقة بكفاءة فقط إذا تمكنت الناقلات من مغادرة أشباه الموصلات ودخول الأقطاب المعدنية دون مواجهة عائق رئيسي آخر.
حواجز شوتكي: جدار عالٍ في مسار التيار
عندما يتلامس قطب معدني يجمع التيار فيزيائياً مع أشباه الموصلات، تؤدي الاختلافات في دالة الشغل إلى انتقال الشحنة وانحناء النطاق عند الواجهة.
ضع في اعتبارك معدناً يتلامس مع أشباه موصلات من النوع N. إذا كانت دالة شغل المعدن أكبر من دالة شغل أشباه الموصلات، تتحرك الإلكترونات على سطح أشباه الموصلات نحو المعدن. تتشكل طبقة استنزاف ذات عدد أقل من ناقلات الأغلبية بالقرب من سطح أشباه الموصلات. تنحني نطاقات الطاقة إلى الأعلى، مما يخلق حاجز طاقة واجهي يعرف بحاجز شوتكي.
حاجز شوتكي له تأثير تقويمي واضح، مشابه للتوصيل أحادي الاتجاه للدايود. لعبوره، تحتاج الناقلات في أشباه الموصلات إلى طاقة حرارية كافية لتجاوز الحاجز من خلال الانبعاث الحراري.
إذا تشكل تماس شوتكي نموذجي بين القطب الكهربائي وطبقة السيليكون لخلية شمسية عاملة، فإن حاملات الشحنة المولدة ضوئيًا تواجه مقاومة قوية أثناء تحركها نحو المعدن. لا يقتصر الحاجز على تقييد تدفق التيار فحسب، بل يتسبب أيضًا في تراكم الحاملات وإعادة اتحادها عند الواجهة، مما يقلل مباشرة من كفاءة التحويل.
التماس الأومي هو العكس. وهو تماس كهربائي غير مصحح بين معدن وشبه موصل، ذو مقاومة تماس منخفضة جدًا. في الحالة المثالية، يمر التيار عبر الواجهة بشكل خطي في كلا الاتجاهين، مع انخفاض ضئيل في الجهد وفقدان طاقة.
نظريًا، يمكن أن يساعد اختيار معدن ذي دالة شغل منخفضة جدًا لشبه موصل من النوع N، أو دالة شغل عالية جدًا لشبه موصل من النوع P، في تجنب حاجز شوتكي. أسطح السيليكون الحقيقية أكثر تعقيدًا. يمكن أن تؤدي الروابط المعلقة الناتجة عن إنهاء الشبكة وكثافة عالية من حالات الواجهة إلى تثبيت قوي لمستوى فيرمي. لذلك، نادرًا ما يكون تغيير دالة شغل المعدن وحده كافيًا لإنشاء تماس أومي مثالي.
الحل الصناعي السائد هو التشويب الثقيل المقترن بالنفق الكمي. يتم تشكيل طبقة عالية التشويب من النوع N++ أو P++ محليًا حيث يتلامس شبه الموصل مع المعدن. يؤدي هذا إلى تضييق منطقة الاستنزاف عند السطح بشكل حاد. بمجرد أن يصبح الحاجز رقيقًا بدرجة كافية، لم يعد على الحاملات تجاوزه. يمكنها النفق مباشرة عبره باحتمالية عالية. هذا هو تأثير النفق الكمي.
عندما ترتفع مقاومة التماس، ينخفض عامل الملء
بمجرد توضيح الأساس الفيزيائي للتماس الأومي، يصبح السؤال التالي هو لماذا تكون صناعة الطاقة الشمسية حساسة جدًا لعيوب التماس المجهرية. تتضمن الإجابة ثلاث معاملات كهربائية رئيسية: مقاومة التماس، والمقاومة المتسلسلة، وعامل الملء.
الخلية الشمسية ليست مصدر تيار مثالي. تحتوي على عدة آليات لفقدان المقاومة لا يمكن تجنبها، ممثلة مجتمعة بالمقاومة المتسلسلة. تشمل المقاومة المتسلسلة مقاومة الجسم لرقاقة السيليكون، ومقاومة الطبقة الباعثة، ومقاومة التماس عند واجهات المعدن-شبه الموصل، والمقاومة الأومية للأصابع والقضبان، والمقاومة الفيزيائية للشرائط ومواد التوصيل الأخرى.
مع نضوج نمو السيليكون أحادي البلورة، وتحسن معاجين الفضة الموصلة، وتزايد دقة شبكات الطباعة بالشاشة الحريرية، تم تقليل مقاومة الرقاقة ومقاومة الشبكة المعدنية إلى مستويات منخفضة نسبيًا. في الخلايا عالية الكفاءة من النوع N الحالية، أحد أكثر الاختناقات المجهرية صعوبة هو مقاومة التماس بين القطب المعدني وهيكل التماس القائم على السيليكون.
إذا لم يتم إنشاء اتصال أومي يهيمن عليه النفق الكمي، يمكن أن ترتفع مقاومة التلامس بشكل أسي وتصبح المصدر المهيمن لفقدان المقاومة التسلسلية.
عامل الملء هو أحد أهم المعلمات المستخدمة لتقييم خرج الخلية الشمسية وفقدان الطاقة الداخلي. وهو نسبة القدرة القصوى المخرجة إلى حاصل ضرب جهد الدائرة المفتوحة وتيار الدائرة القصيرة. على منحنى I-V، يعكس مدى تربيع أو امتلاء المنحنى.
عندما يتسبب التلامس الضعيف في فشل التلامس الأومي، تؤدي زيادة مقاومة التلامس إلى دفع المقاومة التسلسلية الكلية إلى الارتفاع الحاد. ثم يميل منحنى I-V وينهار حول نقطة القدرة القصوى. قد تظهر الخلية جهد دائرة مفتوحة وتيار دائرة قصيرة طبيعيين نسبيًا، لكن القدرة القصوى المتاحة للدائرة الخارجية يمكن أن تنخفض بشكل كبير.
السلسلة التقنية واضحة:
واجهة معدن-شبه موصل ضعيفة تمنع تكوين تلامس أومي مناسب.
يؤدي التلامس الفاشل إلى ارتفاع مقاومة التلامس البينية.
مقاومة التلامس ترفع المقاومة التسلسلية الكلية للخلية.
المقاومة التسلسلية العالية تقلل عامل الملء.
انخفاض عامل الملء يسحب كفاءة التحويل إلى ما دون عتبة قبول الإنتاج الضخم.
التخميل والتلامس: التناقض المتأصل في الخلايا الشمسية الحديثة
يواجه تصميم الخلايا عالية الكفاءة الحديثة تناقضًا فيزيائيًا بين التخميل والتلامس الكهربائي. للحصول على جهد دائرة مفتوحة عالٍ، يحتاج المهندسون إلى أغشية عازلة تخمل سطح السيليكون بأكبر قدر ممكن من الكمال.
يعمل التخميل بطريقتين. يستخدم التخميل الكيميائي عناصر مثل الهيدروجين لإشباع الروابط المعلقة في عيوب الشبكة البلورية للسيليكون، مما يقلل من إعادة التركيب بمساعدة العيوب. يخلق التخميل بتأثير المجال مجالًا كهربائيًا قويًا عند الواجهة. يبعد التنافر الكهروستاتيكي حاملات الأقلية ذات الشحنة المماثلة عن السطح، مما يقطع مسارًا مهمًا لإعادة التركيب السطحي.
على السطح الخلفي من النوع P لخلية PERC، على سبيل المثال، يمكن لفيلم أكسيد الألومنيوم الذي يحتوي على كثافة عالية من الشحنات السالبة أن يخلق انحناءًا قويًا للنطاق ويوفر تخميلًا كيميائيًا وتأثير مجالي. ومع ذلك، يصبح هذا الفيلم العازل العازل الفعال للغاية عقبة أمام استخراج التيار.
لتجميع الناقلات المولدة ضوئيًا، لا تزال الأقطاب المعدنية تحتاج إلى مسار كهربائي إلى ركيزة السيليكون. تستخدم معالجة PERC التقليدية الليزر لحفر فتحات صغيرة في طبقة التخميل الخلفية بحيث يمكن لعجينة الألومنيوم أو الفضة الاتصال بالسيليكون. ومع ذلك، فإن الاتصال المباشر بين المعدن والسيليكون يخلق إعادة تركيب مكثفة عند الواجهة. يمكن أن تعمل نقاط الاتصال هذه كمصارف لإعادة التركيب.
في عصر النوع N، حيث يقترب تطوير الخلايا من حد الكفاءة النظرية البالغ 29.43% المذكور للسيليكون البلوري، يصبح من الصعب قبول خسائر إعادة التركيب الناتجة عن فتحات الاتصال المحلية. لذلك، يجب على تقنيات TOPCon وHJT وBC حل نفس المشكلة المركزية: كيفية تحقيق نقل ناقلات منخفض المقاومة وواسع المساحة دون تدمير التخميل السطحي.
TOPCon: أكسيد النفق والجراحة المجهرية لـ LECO
أدى الطلب القوي على الطاقة الكهروضوئية إلى تسريع استبدال تقنية PERC من النوع P بتقنيات النوع N. وفقًا للأرقام الصناعية المذكورة هنا، استحوذت TOPCon من النوع N على حوالي 23% فقط من سوق الخلايا في عام 2023. ارتفعت حصتها إلى أكثر من 60% في عام 2024، بينما أشارت بعض بيانات تغطية المعدات من الشركات المصنعة الرائدة إلى حصة للنوع N تصل إلى 71.1%.
تحتفظ TOPCon بمستوى عالٍ من التوافق مع خطوط إنتاج PERC الحالية. يتطلب الترقية عمومًا أربع عمليات أساسية إضافية. يبلغ الاستثمار في المعدات المذكور حوالي 50-70 مليون يوان صيني لكل جيجاواط، مقارنة بحوالي 350-400 مليون يوان صيني لكل جيجاواط لخط HJT جديد. تقدم TOPCon أيضًا مكاسب أداء واضحة مقارنة بـ PERC. يُذكر أن حد كفاءتها النظرية يبلغ حوالي 28.7%، بينما تجاوزت كفاءات الإنتاج الضخم الحالية بشكل شائع 26.5% وتجاوزت كفاءات المختبر 27.5%.
مفتاح أداء TOPCon هو هيكل الاتصال المخمل الخلفي. يتم نمو طبقة أكسيد سيليكون فائقة الرقة على ركيزة السيليكون من النوع N، مع التحكم في السمك بدقة عند حوالي 1-2 نانومتر. ثم يتم ترسيب طبقة بولي سيليكون جوهرية بسمك حوالي 60-100 نانومتر ويتم تشويبها بكميات كبيرة بالفوسفور من خلال عملية درجة حرارة عالية.
من منظور فيزياء النطاق، تعمل طبقة أكسيد السيليكون فائقة الرقة على تشبع الروابط المعلقة كيميائيًا على سطح الرقاقة. ينتج البولي سيليكون المشوب بكميات كبيرة انحناءًا قويًا للنطاق بالقرب من الواجهة. يخلق هذا الهيكل حاجزًا عاليًا لحاملات الأقلية، وهي الثقوب في هذه الحالة، وحاجزًا فعالًا أصغر بكثير لحاملات الأغلبية، وهي الإلكترونات. نظرًا لأن الأكسيد رقيق للغاية، يمكن للإلكترونات أن تنفق عبره إلى طبقة البولي سيليكون، بينما يتم حظر الثقوب. والنتيجة هي نقل انتقائي للحاملات.
تشمل المناقشات الأكاديمية حول النقل عبر الأكسيد كلاً من النفق الكمي المباشر ونموذج الثقب. عندما يتجاوز سمك أكسيد النفق حوالي 2 نانومتر، ينخفض احتمال النفق بشكل أسي. قد يعتمد نقل الحامل بعد ذلك بشكل أكبر على العيوب المجهرية أو الثقوب الناتجة أثناء التلدين بدرجة حرارة عالية. عدد قليل جدًا من الثقوب يمكن أن يزيد من مقاومة التلامس. عدد كبير جدًا يمكن أن يشير إلى تلف واسع في الفيلم وإضعاف التخميل الكيميائي.
حتى مع وجود تلامس خلفي مخمل و باعث انتقائي في الأمام، تواجه TOPCon تناقضًا خطيرًا أثناء حرق المعدنة. تحتاج الخلية إلى حرق بدرجة حرارة عالية حتى يتمكن معجون الفضة من تكوين تلامس منخفض المقاومة مع البولي سيليكون. إذا كان الحرق عدوانيًا جدًا، فقد تخترق بلورات الفضة النانوية أكسيد النفق الذي يبلغ سمكه 1-2 نانومتر وتصل إلى ركيزة السيليكون البلورية. يمكن أن ينهار هيكل التخميل بعد ذلك، ويزداد التيار المظلم، وينخفض جهد الدائرة المفتوحة بشكل حاد. إذا كانت درجة حرارة الحرق منخفضة جدًا، فقد يفشل معجون الفضة في الاتصال بشكل صحيح مع البولي سيليكون. تصبح مقاومة التلامس بعد ذلك مفرطة ويمكن أن ينهار عامل الملء.
تم تقديم تحسين التلامس المعزز بالليزر، أو LECO، لمعالجة نافذة الحرق هذه. تستخدم العملية أولاً معجون فضة مصمم خصيصًا وأقل تآكلًا. يسمح الحرق التقليدي للقطب الكهربائي باختراق طبقة نيتريد السيليكون دون إتلاف خطير لأكسيد النفق فائق الرقة تحته. بعد الحرق، يتعرض سطح الخلية لليزر عالي الكثافة بطول موجي محدد بينما يتم تطبيق جهد انحياز عبر الأقطاب الكهربائية.
من خلال التأثير الكهروضوئي، يولد المجال الكهربائي المحلي تيارًا مجهريًا قصيرًا وعالي الكثافة عند واجهة المعدن وأشباه الموصلات. يتصرف هذا النبض إلى حد ما مثل البرق المجهري. يخترق محليًا الحواجز البينية المتبقية ويخلق ذوبانًا كهروحراريًا ومناطق موصلة عالية التوطين. تتشكل مسارات تيار صغيرة عديدة.
بعد معالجة LECO، يمكن أن تنخفض مقاومة التلامس العيانية بعدة مراتب من حيث الحجم ويتم إنشاء تلامس أومي أكثر فعالية. الانهيار قصير ومحلي. يحسن نقل التيار مع الحفاظ على معظم هيكل تخميل أكسيد النفق.
HJT: تلامس لطيف بين معجون الفضة منخفض الحرارة و TCO
إذا كانت تقنية TOPCon تسير على حبل مشدود في درجات الحرارة العالية، فإن تقنية الوصلات غير المتجانسة تعمل تحت حد صارم لدرجات الحرارة المنخفضة. تم اقتراح تقنية HJT لأول مرة من قبل شركة سانيو اليابانية في أواخر الثمانينيات. تستخدم أغشية سيليكون غير متبلور مهدرجة داخلية فائقة الرقة على سطحي رقاقة سيليكون بلورية من النوع N للتعمية على الوجهين. ثم يتم ترسيب طبقات سيليكون غير متبلور من النوع P والنوع N المخدرة لتشكيل الوصلات غير المتجانسة. يُقدر حد كفاءتها النظرية عمومًا بحوالي 28.5%، مما يجعلها واحدة من الهياكل الخلوية الرائدة طويلة المدى.
تعود قوة التعمية في HJT إلى أغشية السيليكون غير المتبلور الداخلية. يحتوي السيليكون غير المتبلور على العديد من روابط Si-H المرتبطة بالهيدروجين. يمكن للهيدروجين تشبع الروابط المعلقة على سطح السيليكون البلوري وتوفير تعمية كيميائية قوية. هذه الروابط هشة أيضًا. بمجرد أن تتجاوز درجات حرارة المعالجة اللاحقة حوالي 200-250 درجة مئوية، يمكن للهيدروجين الهروب من غشاء السيليكون غير المتبلور. يؤدي هذا النزع للهيدروجين إلى إتلاف تأثير التعمية الكيميائي.
للقيد الحراري تأثير حاسم على معدنة HJT. لا يمكن استخدام معجون الفضة التقليدي عالي الحرارة المستخدم في PERC وTOPCon، والذي يتطلب عادةً حرقًا فوق 800 درجة مئوية. تتطلب HJT نظام معجون فضة مخصصًا لدرجات الحرارة المنخفضة.
بدلاً من الاعتماد على تفاعل فتات الزجاج عالي الحرارة، يستخدم المعجون منخفض الحرارة راتنج بوليمر عضوي كمواد رابطة لجزيئات الفضة الموصلة. بعد الطباعة بالشاشة الحريرية، تدخل الخلية إلى فرن معالجة يعمل تحت حوالي 200 درجة مئوية وتبقى هناك لدورة معالجة طويلة نسبيًا عند درجة حرارة منخفضة.
حل مشكلة درجة الحرارة يخلق مشكلة أخرى: التوصيل الكهربائي. يوفر السيليكون غير المتبلور تعمية ممتازة، لكن موصليته الجانبية ضعيفة. بعد مرور حاملات الشحنة عبر الوصلة غير المتجانسة، لا يمكنها الانتقال بكفاءة عبر مسافات طويلة على سطح السيليكون غير المتبلور للوصول إلى الأصابع المعدنية.
لذلك يتم ترسيب طبقة أكسيد موصل شفاف فوق السيليكون غير المتبلور المخدر، عادةً عن طريق الرش المغناطيسي. يعتبر ITO خيارًا شائعًا. ينقل فيلم TCO الضوء، ويوفر مقاومة تلامس منخفضة نسبيًا، ويوصل حاملات الشحنة جانبيًا نحو خطوط الشبكة.
في كومة HJT، يتم تشكيل التلامس المعدني النهائي بين معجون الفضة منخفض الحرارة المعالج وفيلم TCO. يقدم هذا تحديين لمقاومة السلسلة.
أولاً، يعتمد اللصق ذو درجة الحرارة المنخفضة على انكماش راتنج البوليمر أثناء المعالجة. يؤدي الانكماش إلى ضغط جزيئات الفضة معًا وعلى سطح TCO. هذا الاتصال الفيزيائي بين الجزيئات له مقاومة أعلى بكثير من الترابط المعدني الناتج عن الحرق بدرجة حرارة عالية.
ثانيًا، يجب أن يكون دالة عمل TCO متوافقة مع كل من السيليكون غير المتبلور المخدر تحتها والقطب المعدني فوقها. يمكن أن يؤدي الأكسدة الطفيفة أو تثبيت مستوى فيرمي إلى إنشاء حاجز شوتكي صغير عند واجهة TCO-الفضة. يزيد هذا الحاجز من المقاومة المتسلسلة ويقلل من عامل الملء.
يستجيب موردو اللصق بتحسين شكل جزيئات الفضة وتوزيع حجم الجزيئات وأنظمة الراتنج العضوي. تستكشف صناعة HJT أيضًا الطلاء الكهربائي بالنحاس الخالي من الفضة لتجاوز قيود التكلفة والاتصال الفيزيائي للصق الفضة ذو درجة الحرارة المنخفضة. يمكن للطلاء الكهربائي أن ينمو خطوط شبكة نحاسية كثيفة ونقية مباشرة على TCO أو على طبقة بذور مخصصة، مما يخلق اتصالًا معدنيًا منخفض المقاومة أقرب بكثير إلى الحالة المثالية.
BC: رقصة على مقياس ميكرومتر للأقطاب الخلفية
ضمن نطاق هياكل الخلايا الشمسية، تعتبر تقنية التلامس الخلفي جذابة للغاية ولكنها صعبة التصنيع. BC ليست مادة ركيزة محددة واحدة. إنها مفهوم معماري، مع خلية التلامس الخلفي المتداخلة (IBC) كشكلها الأساسي.
سواء كانت تستخدم رقاقة من النوع P، أو هيكل تلامس قائم على TOPCon، أو هيكل HJT، فإن المبدأ الأساسي هو نفسه: يتم نقل الباعث، والحقل الخلفي، وجميع خطوط الشبكة المعدنية الموجبة والسالبة إلى الجزء الخلفي من الخلية.
إزالة جميع الأقطاب من السطح المضاء يخلق فائدة بصرية واضحة: عدم وجود تظليل معدني على الجانب الأمامي. بدون أصابع أو قضبان توصيل تحجب الضوء الوارد، يمكن لدخول المزيد من الفوتونات إلى الخلية. مقارنة بالخلايا ثنائية الوجه التقليدية، يمكن أن تزيد كثافة تيار الدائرة القصيرة لخلية BC بنسبة 7% تقريبًا.
في مرحلة تصنيع الوحدات والتغليف، يمكن لخلايا BC استبدال مسار التوصيل الأمامي-الخلفي التقليدي على شكل Z بوصلة خلفية مسطحة. يقلل هذا من الإجهاد الميكانيكي بين السطحين الأمامي والخلفي ويمكن أن يحسن مقاومة التشققات الدقيقة. على سبيل المثال، تم الإبلاغ عن أن إجهاد الحواف لخلايا LONGi HPBC أقل بنسبة 48% من خلايا غير BC التقليدية، مما يدعم تحسين الموثوقية على المدى الطويل.
يجب دفع ثمن الكسب البصري للوجه الأمامي من خلال تصميم كهربائي أكثر تعقيدًا للوجه الخلفي. على السطح الخلفي المحدود، يتم ترتيب مناطق الباعث من النوع P ومناطق مجال السطح الخلفي من النوع N في أصابع متناوبة كثيفة. يجب تشكيل أقطاب كهربائية منفصلة بدقة عالية. يجب أن يُنشئ المعدن الموجب تلامسًا أوميًا مع المنطقة عالية التطعيم من النوع P، بينما يجب أن يتلامس المعدن السالب مع المنطقة عالية التطعيم من النوع N.
تبرز ثلاث مشاكل هندسية.
أولاً، نظرًا لأن السطح الأمامي لم يعد يجمع التيار، يجب أن تتحرك جميع حاملات الشحنة المولدة ضوئيًا عبر سمك الرقاقة ثم تنتقل جانبيًا في ثلاثة أبعاد نحو التلامس الخلفي المناسب. إذا كانت المسافة بين الأقطاب الخلفية الموجبة والسالبة واسعة جدًا، تصبح مسارات نقل الحاملات أطول. يزداد احتمال إعادة التركيب وتزداد المقاومة الكتلية الجانبية.
ثانيًا، يتطلب تقصير مسافة النقل الجانبية أقطابًا موجبة وسالبة متقاربة جدًا. يجب محاذاة الفتح بالليزر مع الطباعة بالشاشة الحريرية، أو القناع العازل والتمعدن الضوئي، بدقة على مستوى الميكرومتر. يمكن أن يؤدي فائض بسيط من المعجون أو انحراف في الفتح بالليزر بمقدار بضعة ميكرومترات فقط إلى توصيل معادن الجانب P والجانب N مباشرة، مما يسبب تسربًا شديدًا.
ثالثًا، تتركز جميع التلامسات الموجبة والسالبة في مناطق محلية على السطح الخلفي. قد تكون مساحة التلامس الكلية بين المعدن وأشباه الموصلات أصغر من تلك الموجودة في الخلية التقليدية التي تستخدم تلامسات على كلا الجانبين. مع تقارب التيار المولد ضوئيًا في نقاط التلامس المحلية هذه، تصبح كثافة التيار عالية جدًا. حتى العيب الصغير في التلامس يمكن أن يتضخم إلى خسارة مقاومة وحرارية كبيرة.
نهاية اللعبة: من الالتقاط البصري إلى إدارة الحاملات
يعكس تركيز الصناعة على التلامس الأومي ومقاومة التلامس تحولًا أعمق في تطوير الخلايا الكهروضوئية. تنتقل الأولوية من الالتقاط البصري العياني نحو التحكم الدقيق في ديناميكيات الحاملات المجهرية.
خلال العقد الذي هيمنت فيه تقنية PERC، تركز الكثير من جهود البحث على زيادة الانعكاسية البصرية للوجه الخلفي وتحسين التخميد باستخدام مواد مثل أكسيد الألومنيوم. في عصر النوع N، دفعت التطورات في علم المواد التخميد الكيميائي السطحي أقرب إلى حده العملي. انتقلت الحلقة الأضعف. الآن، يلعب الاستخلاص الانتقائي للحاملات والنقل البيني دورًا أكبر في تحديد الأداء النهائي.
يمكن للشركات ومنصات التكنولوجيا التي تحل مشكلة مقاومة التلامس في الواجهة المعدنية بشكل أكثر فعالية بناء ميزة كفاءة وتكلفة كبيرة من خلال مقاومة سلسلة أقل وعامل تعبئة أعلى.
لم يكن التوسع السريع لـ TOPCon في السوق في عام 2024 مدفوعًا فقط بالتوافق مع خطوط PERC الحالية. كما قام مصنعو المعدات وموردو المعاجين بتحسين عمليات التلامس بمساعدة الليزر مثل LECO، باستخدام التأثيرات الكهربائية والحرارية الموضعية لموازنة تخميل أكسيد النفق مقابل تشكيل تلامس سبائكي منخفض المقاومة.
بالنظر إلى المستقبل، فإن التكاليف المرتفعة المستمرة للفضة والقيود الفيزيائية لمقاومة معجون الفضة منخفض الحرارة تدفعان نحو تقليل الفضة والطلاء النحاسي. يمكن للنمو الكهروكيميائي للنحاس الكثيف على فيلم موصل أو طبقة بذور إنشاء تلامس أومي شبه معدني مع تقليل المقاومة الكهربائية للشبكة نفسها.
المعركة النهائية عند الواجهة على مقياس الميكرومتر
الخلايا الشمسية حساسة جدًا لضعف التلامس لأن واجهة القطب هي الخطوة الأخيرة والأصعب في حلقة تحويل الطاقة الكهروضوئية.
يوازن TOPCon بين ظروف الحرق وسلامة أكسيد نفق بسمك 1-2 نانومتر فقط، مع عمل LECO كعملية تحسين تلامس عالية التوطين. يجب أن يشكل HJT اتصالًا موثوقًا بين معجون موصل منخفض الحرارة وأكسيد موصل شفاف مع البقاء تحت حد حراري صارم من فئة 200 درجة مئوية. تضع خلايا BC كلا القطبين على السطح الخلفي وتتطلب نمذجة على مقياس ميكرومتر تبعد فقط خطأ محاذاة صغير عن التوصيل القصير.
تشير هذه الجهود الصناعية واسعة النطاق إلى نفس الهدف شبه الموصل: قمع حاجز شوتكي، وإنشاء تلامس أومي فعال، وتقليل مقاومة التلامس إلى أقرب ما يمكن من الصفر عمليًا.
مع استمرار تكنولوجيا خلايا السيليكون البلورية في الاقتراب الطويل من الحد النظري البالغ 29.43%، تبقى قاعدة واحدة يصعب تجاهلها: تحكم في واجهة التلامس، وسوف تتحكم في سقف الكفاءة.
رأي Ooitech
التحدي الحقيقي في الإنتاج ليس مجرد طباعة خطوط شبكية أضيق أو إضافة طبقة تخميل أخرى. يجب تحسين المعدنة كجزء من عملية الخلية والوحدة الكاملة، لأن تغييرًا صغيرًا في مقاومة التلامس يمكن أن يؤثر على عامل التعبئة، والسلوك الحراري، واتساق اللحام، وقدرة الوحدة النهائية. مع تطور تصاميم TOPCon و HJT و BC، ستكون مراقبة عملية التلامس والفحص الكهربائي الموثوق به بنفس أهمية كفاءة الخلية الرئيسية.
