لماذا تحدد المعالجة المعدنية سقف الكفاءة
جدول المحتويات
إجابة سريعة: يعتبر التمعدن سقف الكفاءة للخلايا الشمسية عالية الكفاءة، لأنه يجب عليه القيام بمهمتين متناقضتين في آن واحد. يجب أن تكون الأصابع الفضية عريضة بما يكفي لتحمل التيار بمقاومة منخفضة، وضيقة بما يكفي لتحجب أقل قدر ممكن من الضوء. كل تحسين في كفاءة الخلية يجعل هذا التوتر أكثر إحكامًا، لأن الخلية ذات التيار الأعلى تفقد بشكل تناسبي أكثر بسبب المقاومة التسلسلية في نفس هندسة الأصابع. الجانب المتعلق بالعملية مقيد بنفس القدر: يتضمن تكوين التلامس خطوة حرق في نطاق 800 درجة مئوية، وكيمياء المعجون التي تصنع تلامسًا أوميًا جيدًا عند تلك الدرجة تتفاعل أيضًا مع الباعث تحته. معجون الفضة هو أكبر تكلفة غير سيليكونية في الخلية، ولهذا تستمر الصناعة في دفع عرض الأصابع للأسفل ولهذا استمر البحث عن مادة تلامس أرخص لسنوات.
تصنيع وحدات PV · بقلم جيري، Ooitech
لماذا تحدد المعدنة سقف الكفاءة للخلايا الشمسية عالية الكفاءة
في القصة الأوسع لتقنية الطاقة الكهروضوئية، عادةً ما يأتي كل مكسب صغير في كفاءة التحويل من دفع الحدود الفيزيائية المجهرية بقوة أكبر قليلاً. منذ أن تجاوزت الصناعة عصر PERC أحادي البلورة وبدأت التحول نحو تقنيات النوع N مثل TOPCon، وHJT، وBC، استمر سقف الكفاءة في الارتفاع.
مع اقتراب الخلايا الشمسية من حد شوكلي-كويزر، تصبح واحدة من أكثر المشكلات الأساسية ولكن الصعبة في فيزياء أشباه الموصلات ذات أهمية متزايدة: التلامس الكهربائي بين المعدن وأشباه الموصلات. أصبحت هذه الواجهة حاجزًا تقنيًا أساسيًا يؤثر على إنتاجية التصنيع والكفاءة النهائية للخلية.
بالنسبة لغير المتخصص، قد تبدو الخلية الشمسية كرقاقة أشباه موصلات رقيقة تولد الكهرباء ببساطة تحت ضوء الشمس. من وجهة نظر صناعية وأكاديمية، ومع ذلك، فهي جهاز تحويل طاقة ميكانيكي كمي عالي الدقة. يجب أن تفصل أزواج الإلكترون-الثقب الناتجة عن الفوتونات الممتصة وتوجهها إلى دائرة خارجية بأقل خسارة ممكنة.
خلال هذه العملية، تعمل الأقطاب المعدنية مثل محطات الرسوم حيث تغادر حاملات الشحنة العالم المجهري لأشباه الموصلات. إذا كان هناك حاجز كبير في المحطة، يصبح الحاملون مزدحمين، ويعيدون الاتحاد، ويفقدون الطاقة. على مستوى الجهاز، يظهر هذا كزيادة حادة في مقاومة التلامس، وانخفاض حاد في عامل التعبئة، 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.
التلامس الأومي: جسر الفجوة الفيزيائية بين المعدن وأشباه الموصلات
لفهم مشكلة التمعدن، نحتاج أولاً إلى العودة إلى نظرية نطاقات أشباه الموصلات. يتضمن ذلك المجال الكهربائي المدمج داخل أشباه الموصلات ونقل الشحنة المجهري الذي يحدث عندما يلتقي المعدن بأشباه الموصلات.
الأساس الفيزيائي للتحويل الكهروضوئي هو تقاطع PN. عندما تتلامس أشباه الموصلات من النوع P والنوع N بتركيزات تطعيم مختلفة، تكون مستويات فيرمي مختلفة. لتحقيق 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 تلقائيًا من منطقة النوع N نحو منطقة النوع P، بينما تتحرك الثقوب في الاتجاه المعاكس. أثناء حركة هذه الحاملات، تترك أيونات مشحونة ثابتة بالقرب من واجهة تقاطع PN. وهذا ينشئ منطقة شحنة فضائية، تسمى أيضًا منطقة الاستنزاف، مع مجال كهربائي داخلي.
يعمل المجال الداخلي على انحناء نطاقات الطاقة لأشباه الموصلات وينتج قوة انجراف معاكسة لاتجاه انتشار الحاملات. عندما يصل الانتشار والانجراف إلى توازن ديناميكي، تتم محاذاة مستويات فيرمي على الجانبين ويصبح صافي التيار صفرًا. تحت الإضاءة، يتم فصل أزواج الإلكترون-الثقب المولدة ضوئيًا بواسطة هذا المجال الداخلي، مما ينتج جهدًا ضوئيًا وتيارًا ناتجًا.
لا تعمل هذه العملية الفيزيائية الدقيقة بكفاءة إلا إذا تمكنت الحاملات من مغادرة أشباه الموصلات ودخول الأقطاب المعدنية دون مواجهة عقبة رئيسية أخرى.
حواجز شوتكي: جدار عالٍ في مسار التيار
عندما يتلامس قطب معدني يجمع التيار فيزيائيًا مع أشباه موصلات، تؤدي الاختلافات في دالة الشغل إلى انتقال الشحنة وانحناء النطاقات عند الواجهة.
لنفترض معدنًا ملامسًا لأشباه 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 بها عدد أقل من حاملات الأغلبية بالقرب من سطح أشباه الموصلات. تنحني نطاقات الطاقة إلى الأعلى، مما ينشئ حاجز طاقة واجهي يُعرف بحاجز شوتكي.
لحاجز شوتكي تأثير تصحيح واضح، مشابه للتوصيل أحادي الاتجاه للدايود. لعبوره، تحتاج الحاملات في أشباه الموصلات إلى طاقة حرارية كافية لتجاوز الحاجز من خلال الانبعاث الحراري.
إذا تشكل تلامس شوتكي نموذجي بين القطب الكهربائي ورقاقة السيليكون لخلية شمسية عاملة، تواجه الحاملات المولدة ضوئيًا مقاومة قوية أثناء تحركها نحو المعدن. لا يحد الحاجز من تدفق التيار فحسب، بل يتسبب أيضًا في تراكم الحاملات وإعادة اتحادها عند الواجهة، مما يقلل مباشرة من كفاءة التحويل.
التماس الأومي هو العكس تمامًا. وهو تماس كهربائي غير مصحح بين معدن وأشباه الموصلات، مع مقاومة تماس منخفضة جدًا. في الحالة المثالية، يمر التيار عبر الواجهة بشكل خطي في كلا الاتجاهين، مع انخفاض جهد وفقدان طاقة ضئيلين.
نظريًا، اختيار معدن ذي دالة شغل منخفضة جدًا لأشباه الموصلات من النوع N، أو دالة شغل عالية جدًا لأشباه الموصلات من النوع P، يمكن أن يساعد في تجنب حاجز شوتكي. أسطح السيليكون الحقيقية أكثر تعقيدًا. الروابط المعلقة الناتجة عن إنهاء الشبكة البلورية وكثافة الحالات السطحية العالية يمكن أن تنتج تثبيتًا قويًا لمستوى فيرمي. لذلك، تغيير دالة شغل المعدن وحده نادرًا ما يكون كافيًا لإنشاء تماس أومي مثالي.
الحل الصناعي السائد هو المنشطات الثقيلة مع النفق الكمي. يتم تشكيل طبقة عالية المنشطات من النوع N++ أو P++ محليًا حيث يتلامس أشباه الموصلات مع المعدن. هذا يضيق بشكل حاد منطقة الاستنزاف على السطح. بمجرد أن يصبح الحاجز رقيقًا بدرجة كافية، لم يعد الناقلات بحاجة إلى المرور فوقه. يمكنها النفق مباشرة من خلاله باحتمالية عالية. هذا هو تأثير النفق الكمي.
عندما ترتفع مقاومة التماس، ينخفض عامل التعبئة
بمجرد أن يصبح الأساس الفيزيائي للتماس الأومي واضحًا، فإن السؤال التالي هو لماذا تكون صناعة الطاقة الشمسية حساسة جدًا للعيوب المجهرية في التماس. الجواب يتضمن ثلاثة معايير كهربائية رئيسية: مقاومة التماس، المقاومة التسلسلية، وعامل التعبئة.
الخلية الشمسية ليست مصدر تيار مثالي. تحتوي على عدة آليات حتمية لفقدان المقاومة، ممثلة مجتمعة بالمقاومة التسلسلية. تشمل المقاومة التسلسلية مقاومة الجسم لرقاقة السيليكون، ومقاومة الطبقة الباعثة، ومقاومة التماس عند واجهات المعدن-أشباه الموصلات، والمقاومة الأومية للأصابع والقضبان الناقلة، والمقاومة الفيزيائية للأشرطة ومواد التوصيل الأخرى.
مع نضوج نمو السيليكون أحادي البلورة، وتحسن معاجين الفضة الموصلة، وأصبحت شبكات الطباعة الحريرية أدق، تم بالفعل تقليل مقاومة الرقاقة ومقاومة الشبكة المعدنية إلى مستويات منخفضة نسبيًا. في الخلايا الحالية عالية الكفاءة من النوع N، أحد أكثر الاختناقات المجهرية صعوبة هو مقاومة التماس بين القطب المعدني وهيكل التماس القائم على السيليكون.
إذا لم يتم إنشاء تماس أومي يهيمن عليه النفق الكمي، يمكن أن ترتفع مقاومة التماس بشكل كبير وتصبح المصدر المهيمن لفقدان المقاومة التسلسلية.
يُعد عامل الملء أحد أهم المعلمات المستخدمة لتقييم خرج الخلية الشمسية وفقدان الطاقة الداخلي. وهو نسبة القدرة القصوى الناتجة إلى حاصل ضرب جهد الدائرة المفتوحة وتيار الدائرة القصيرة. على I-V curve، فإنه يعكس مدى تربيع أو امتلاء المنحنى.
عندما يتسبب التلامس الضعيف في فشل التلامس الأومي، فإن الزيادة في مقاومة التلامس ترفع المقاومة التسلسلية الكلية بشكل حاد. 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 ومباشرة:
واجهة معدن-شبه موصل ضعيفة تمنع تكوين تلامس أومي صحيح.
التلامس الفاشل يسبب ارتفاع مقاومة التلامس البينية.
مقاومة التلامس ترفع المقاومة التسلسلية الكلية للخلية.
المقاومة التسلسلية العالية تقلل عامل التعبئة.
انخفاض عامل التعبئة يسحب كفاءة التحويل إلى ما دون حد القبول للإنتاج الضخم.
الخمول والتلامس: التناقض المتأصل في الخلايا الشمسية الحديثة
يواجه تصميم الخلايا عالية الكفاءة الحديثة تناقضًا فيزيائيًا بين الخمول والتلامس الكهربائي. للحصول على جهد دائرة مفتوحة عالٍ، يحتاج المهندسون إلى أغشية عازلة تخمل سطح السيليكون بأكبر قدر ممكن من الاكتمال.
يعمل الخمول بطريقتين. الخمول الكيميائي يستخدم عناصر مثل الهيدروجين لإشباع الروابط المعلقة عند عيوب الشبكة في السيليكون البلوري، مما يقلل إعادة التركيب بمساعدة العيوب. الخمول بالتأثير الميداني يخلق مجالًا كهربائيًا قويًا عند الواجهة. التنافر الكهروستاتيكي يبقي حاملات الأقلية ذات الشحنة المماثلة بعيدًا 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 للنطاقات ويوفر كلا من الخمول الكيميائي والتأثير الميداني. ومع ذلك، فإن هذا الفيلم العازل الفعال للغاية يصبح أيضًا عقبة أمام استخراج التيار.
لجمع حاملات الشحنة المولدة ضوئيًا، لا تزال الأقطاب المعدنية بحاجة إلى مسار كهربائي إلى ركيزة السيليكون. تستخدم معالجة PERC التقليدية الليزر لإحداث فتحات صغيرة في طبقة الخمول الخلفية بحيث يمكن لمعجون الألومنيوم أو الفضة أن يتلامس مع السيليكون. ومع ذلك، فإن التلامس المباشر بين المعدن والسيليكون يخلق إعادة تركيب بينية مكثفة. يمكن أن تتصرف نقاط التلامس هذه كمصارف لإعادة التركيب.
في عصر الخلايا من النوع N، حيث يقترب تطوير الخلايا من حد الكفاءة النظرية البالغ 29.43% المذكور للسيليكون البلوري، يصبح قبول خسائر إعادة التركيب الناتجة عن فتحات التلامس الموضعية أصعب بكثير. لذلك، يجب على تقنيات TOPCon وHJT وBC حل نفس المشكلة المركزية: كيفية تحقيق نقل حاملات الشحنة بمساحة كبيرة ومقاومة منخفضة 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 تقنية TOPCon من النوع N على حوالي 23% فقط من سوق الخلايا في عام 2023. وارتفعت حصتها إلى أكثر من 60% في عام 2024، بينما أشارت بعض بيانات تغطية المعدات من الشركات المصنعة الرائدة إلى حصة من النوع 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. كما تقدم TOPCon 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 بنية التلامس المُخمِّل الخلفي. يتم نمو طبقة أكسيد السيليكون فائقة الرقة على ركيزة السيليكون من النوع N، مع التحكم في السماكة بدقة عند حوالي 1-2 نانومتر. ثم يتم ترسيب طبقة بولي سيليكون جوهرية بسمك حوالي 60-100 نانومتر وتطعيمها بتركيز عالٍ من الفوسفور من خلال عملية درجة حرارة عالية.
من منظور فيزياء النطاقات، تعمل طبقة أكسيد السيليكون فائقة الرقة على تشبع الروابط المعلقة كيميائيًا على سطح الرقاقة. ينتج البولي سيليكون عالي التطعيم انحناء نطاق قويًا بالقرب من الواجهة. يخلق هذا الهيكل حاجزًا عاليًا لحاملات الشحنة الأقلية، وهي الثقوب في هذه الحالة، وحاجزًا فعالًا أصغر بكثير لحاملات الشحنة الأغلبية، وهي الإلكترونات. نظرًا لأن الأكسيد رقيق للغاية، يمكن للإلكترونات أن تخترقه بالنفق إلى طبقة البولي سيليكون، بينما يتم حجب الثقوب. والنتيجة هي نقل انتقائي لحاملات الشحنة.
تشمل المناقشات الأكاديمية حول النقل عبر الأكسيد كلاً من النفق الكمي المباشر ونموذج الثقب الدقيق. عندما يتجاوز سمك أكسيد النفق حوالي 2 نانومتر، تنخفض احتمالية النفق بشكل كبير. قد يعتمد نقل حاملات الشحنة بعد ذلك بشكل أكبر على العيوب المجهرية أو الثقوب الدقيقة الناتجة عن التلدين بدرجة حرارة عالية. عدد قليل جدًا من الثقوب الدقيقة يمكن أن يرفع مقاومة التلامس. الكثير منها يمكن أن يشير إلى تلف واسع النطاق في الفيلم ويضعف التخميل الكيميائي.
حتى مع وجود تماس خلفي مُخمّل (passivating) وباعث انتقائي في الأمام، تواجه تقنية TOPCon تناقضًا خطيرًا أثناء عملية الحرق (firing) للمعادن. تحتاج الخلية إلى حرق بدرجة حرارة عالية حتى تتمكن عجينة الفضة من تكوين تماس منخفض المقاومة مع البولي سيليكون. إذا كان الحرق عدوانيًا جدًا، فقد تخترق بلورات الفضة الدقيقة أكسيد النفق الذي يبلغ سمكه 1-2 نانومتر وتصل إلى ركيزة السيليكون البلورية. عندها يمكن أن ينهار هيكل التخميل، ويزداد التيار المظلم، وينخفض جهد الدائرة المفتوحة بشكل حاد. إذا كانت درجة حرارة الحرق منخفضة جدًا، فقد تفشل عجينة الفضة في الاتصال بشكل صحيح مع البولي سيليكون. عندها تصبح مقاومة التماس مفرطة ويمكن أن ينهار عامل التعبئة (fill factor).
تم تقديم تحسين التماس المعزز بالليزر، أو LECO، لمعالجة نافذة الحرق هذه. تستخدم العملية أولاً عجينة فضة أقل تآكلًا ومصاغة خصيصًا. يسمح الحرق التقليدي للقطب باختراق طبقة نيتريد السيليكون دون إتلاف خطير لأكسيد النفق فائق الرقة الموجود أسفله. بعد الحرق، يتم تعريض سطح الخلية لليزر عالي الكثافة بطول موجي محدد بينما يتم تطبيق جهد انحياز عبر الأقطاب.
من خلال التأثير الكهروضوئي، يولد المجال الكهربائي المحلي تيارًا مجهريًا قصيرًا وعالي الكثافة عند واجهة المعدن وأشباه الموصلات. تشبه هذه النبضة إلى حد ما برقًا مجهريًا. إنها تكسر محليًا الحواجز المتبقية عند الواجهة وتخلق انصهارًا كهروحراريًا ومناطق موصلة عالية التوطين. يتم تشكيل العديد من مسارات التيار الصغيرة.
بعد معالجة LECO، يمكن أن تنخفض مقاومة التماس العيانية بمراتب من الحجم (orders of magnitude) ويتم إنشاء تماس أومي أكثر فعالية. الانهيار قصير ومحلي. إنه يحسن نقل التيار مع الحفاظ على معظم هيكل تخميل أكسيد النفق.
HJT: تماس لطيف بين عجينة الفضة منخفضة الحرارة وTCO
إذا كانت TOPCon تسير على حبل مشدود عند درجات الحرارة العالية، فإن تقنية الوصلة غير المتجانسة (heterojunction) تعمل تحت حد صارم لدرجات الحرارة المنخفضة. تم اقتراح HJT لأول مرة من قبل شركة سانيو اليابانية في أواخر الثمانينيات. تستخدم أغشية سيليكون غير متبلور مهدرج داخلية فائقة الرقة على سطحي رقاقة سيليكون بلورية من النوع N لتخميل مزدوج الوجه. ثم يتم ترسيب طبقات سيليكون غير متبلور مخدرة من النوع P والنوع N لتشكيل الوصلات غير المتجانسة. يُقدَّر حد كفاءتها النظرية عمومًا بحوالي 28.5%، مما يجعلها واحدة من الهياكل الخلوية الرائدة على المدى الطويل.
تتمثل قوة التخميل في خلايا HJT في أفلام السيليكون غير المتبلور الجوهرية. يحتوي السيليكون غير المتبلور على العديد من روابط Si-H المرتبطة بالهيدروجين. يمكن للهيدروجين تشبع الروابط المعلقة على سطح السيليكون البلوري وتوفير تخميل كيميائي قوي. هذه الروابط هشة أيضًا. بمجرد أن تتجاوز درجات حرارة المعالجة اللاحقة حوالي 200-250 درجة مئوية، يمكن للهيدروجين الهروب من فيلم السيليكون غير المتبلور. يؤدي هذا النزع الهيدروجيني إلى إتلاف تأثير التخميل 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 منخفض الحرارة.
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 لفترة معالجة منخفضة الحرارة طويلة نسبيًا.
حل مشكلة درجة الحرارة يخلق مشكلة أخرى: التوصيل الكهربائي. يوفر السيليكون غير المتبلور تخميلًا ممتازًا، لكن توصيله الجانبي ضعيف. 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 فيلم أكسيد موصل شفاف فوق السيليكون غير المتبلور المشوب، عادةً عن طريق الرش المغنطروني. ITO هو خيار شائع. ينقل فيلم TCO الضوء، ويوفر مقاومة تلامس منخفضة نسبيًا، ويوصل حاملات الشحنة جانبيًا نحو خطوط الشبكة.
في تكديس HJT، يتم تشكيل التلامس المعدني النهائي بين معجون الفضة منخفض الحرارة المعالج وفيلم TCO. يقدم هذا تحديين لمقاومة السلسلة.
أولاً، يعتمد المعجون منخفض الحرارة على انكماش راتنج البوليمر أثناء المعالجة. يضغط الانكماش جزيئات الفضة معًا وعلى سطح TCO. هذا التلامس الفيزيائي بين الجزيئات له مقاومة أعلى بكثير من الترابط المعدني الناتج عن الحرق عالي الحرارة.
ثانيًا، يجب أن يكون دالة الشغل لـ TCO متوافقة مع كل من السيليكون غير المتبلور المشوب تحته والقطب المعدني فوقه. يمكن أن يؤدي الأكسدة الطفيفة أو تثبيت مستوى فيرمي إلى إنشاء حاجز شوتكي صغير عند واجهة TCO-الفضة. يزيد هذا الحاجز من مقاومة السلسلة ويخفض عامل التعبئة.
تستجيب موردو اللصاقات من خلال تحسين شكل جزيئات الفضة، وتوزيع حجم الجزيئات، وأنظمة الراتنج العضوي. كما تستكشف صناعة HJT استخدام الطلاء الكهربائي بالنحاس الخالي من الفضة لتجاوز قيود التكلفة والتلامس الفيزيائي للصاقة الفضة منخفضة الحرارة. يمكن للطلاء الكهربائي أن ينمي خطوط شبكة نحاسية نقية كثيفة مباشرة على TCO أو على طبقة بذور مخصصة، مما يخلق تلامسًا معدنيًا منخفض المقاومة أقرب بكثير إلى الحالة المثالية.
BC: رقصة على مقياس الميكرومتر للأقطاب الخلفية
ضمن نطاق هياكل الخلايا الشمسية، تعتبر تقنية التلامس الخلفي جذابة للغاية ولكنها صعبة التصنيع. BC ليست مادة ركيزة محددة. إنها مفهوم معماري، حيث تكون الخلية ذات التلامس الخلفي المتشابك، أو IBC، هي شكلها الأساسي.
سواء كانت تستخدم رقاقة من النوع P، أو بنية تلامس قائمة على TOPCon، أو بنية HJT، فإن المبدأ الأساسي هو نفسه: يتم نقل الباعث، والحقل الخلفي السطحي، وجميع خطوط الشبكة المعدنية الموجبة والسالبة إلى الجزء الخلفي من الخلية.
إزالة جميع الأقطاب من السطح المضيء يخلق فائدة بصرية واضحة: صفر تظليل معدني على الجانب الأمامي. بدون أصابع أو قضبان توصيل تحجب الضوء الوارد، يمكن لمزيد من الفوتونات دخول الخلية. مقارنة بالخلايا ثنائية الوجه التقليدية، يمكن أن تزيد كثافة التيار القصير للخلية BC بنسبة حوالي 7%.
في مرحلة تصنيع الوحدة والتغليف، يمكن لخلايا BC استبدال مسار التوصيل التقليدي على شكل Z من الأمام إلى الخلف بمسار توصيل مسطح على الجانب الخلفي. هذا يقلل من الإجهاد الميكانيكي بين السطحين الأمامي والخلفي ويمكن أن يحسن المقاومة للشقوق الدقيقة. على سبيل المثال، تم الإبلاغ عن أن إجهاد الحواف لخلايا LONGi HPBC أقل بنسبة 48% من الخلايا غير BC التقليدية، مما يدعم موثوقية محسنة على المدى الطويل.
يجب دفع ثمن الكسب البصري على الجانب الأمامي من خلال تصميم كهربائي أكثر تعقيدًا على الجانب الخلفي. على السطح الخلفي المحدود، يتم ترتيب مناطق الباعث من النوع P ومناطق الحقل الخلفي السطحي من النوع N في أصابع متناوبة كثيفة. يجب تشكيل أقطاب منفصلة بدقة عالية. يجب أن يخلق المعدن الموجب تلامسًا أوميًا مع المنطقة من النوع P المشوبة بشدة، بينما يجب أن يتلامس المعدن السالب مع المنطقة من النوع N المشوبة بشدة.
تبرز ثلاث مشاكل هندسية.
أولاً، نظرًا لأن السطح الأمامي لم يعد يجمع التيار، يجب أن تتحرك جميع ناقلات الشحنة المولدة ضوئيًا عبر سماكة الرقاقة ثم تنتقل جانبيًا في ثلاثة أبعاد نحو جهة الاتصال الخلفية المناسبة. إذا كانت المسافة بين الأقطاب الموجبة والسالبة الخلفية واسعة جدًا، تصبح مسارات نقل الناقلات أطول. يزداد احتمال إعادة التركيب وتزداد المقاومة الحجمية الجانبية.
ثانيًا، يتطلب تقصير مسافة النقل الجانبي أقطابًا موجبة وسالبة متقاربة جدًا. يجب محاذاة الفتح بالليزر مع الطباعة بالشاشة الحريرية، أو القناع العازل والتعدين الضوئي، بدقة على مستوى الميكرومتر. يمكن أن يؤدي تسرب طفيف للمعجون أو انحراف في الفتح بالليزر بمقدار بضعة ميكرومترات فقط إلى توصيل معادن الجانب P والجانب N مباشرة، مما يسبب تسربًا شديدًا.
ثالثًا، تتركز جميع نقاط الاتصال الموجبة والسالبة في مناطق محلية على السطح الخلفي. قد تكون المساحة الإجمالية الفعالة للتلامس بين المعدن وأشباه الموصلات أصغر من تلك الموجودة في الخلية التقليدية التي تستخدم نقاط اتصال على كلا الجانبين. عندما يتقارب التيار المولد ضوئيًا في نقاط الاتصال المحلية هذه، تصبح كثافة التيار عالية جدًا. حتى العيب الصغير في التلامس يمكن تضخيمه إلى خسارة كبيرة في المقاومة والحرارة.
المرحلة النهائية: من الالتقاط البصري إلى إدارة الناقلات
يعكس تركيز الصناعة على التلامس الأومي ومقاومة التلامس تحولًا أعمق في تطوير الخلايا الكهروضوئية. الأولوية تنتقل من الالتقاط الضوئي العياني نحو التحكم الدقيق في ديناميكيات الناقلات المجهرية.
خلال العقد الذي هيمنت فيه تقنية PERC، تركز الكثير من جهود البحث على زيادة الانعكاسية الضوئية الخلفية وتحسين التخميل بمواد مثل أكسيد الألومنيوم. في عصر النوع N، دفعت التطورات في علوم المواد التخميل الكيميائي السطحي إلى الاقتراب من حده العملي. انتقلت الحلقة الأضعف. الآن، يلعب الاستخراج الانتقائي للناقلات والنقل البيني دورًا أكبر في تحديد الأداء النهائي.
الشركات ومنصات التكنولوجيا التي تحل مشكلة مقاومة التلامس عند واجهة المعدن بشكل أكثر فعالية يمكنها بناء ميزة كفاءة وتكلفة ذات معنى من خلال مقاومة تسلسلية أقل وعامل تعبئة أعلى.
لم يكن التوسع السريع لتقنية TOPCon في السوق خلال عام 2024 مدفوعًا فقط بالتوافق مع خطوط PERC الحالية. كما قام مصنعو المعدات وموردو المعجون بتحسين عمليات التلامس بمساعدة الليزر مثل LECO، باستخدام التأثيرات الكهربائية والحرارية الموضعية لموازنة تخميل الأكسيد النفقي مع تكوين تلامس سبيكي منخفض المقاومة.
بالنظر إلى المستقبل، فإن التكاليف المرتفعة المستمرة للفضة وقيود المقاومة الفيزيائية لعجينة الفضة منخفضة الحرارة تدفعان نحو تقليل استخدام الفضة والطلاء بالنحاس. يمكن أن يؤدي النمو الكهروكيميائي للنحاس الكثيف على فيلم موصل أو طبقة بذرة إلى إنشاء اتصال أومي شبه معدني مع تقليل المقاومة الكهربائية للشبكة نفسها أيضًا.
المعركة الأخيرة عند الواجهة على مقياس الميكرومتر
الخلايا الشمسية حساسة جدًا لضعف التلامس لأن واجهة القطب هي الخطوة الأخيرة والأكثر صعوبة في حلقة تحويل الطاقة الكهروضوئية.
توازن TOPCon بين ظروف الحرق وسلامة أكسيد النفق الذي يبلغ سمكه 1-2 نانومتر فقط، مع عمل LECO كعملية تحسين تلامس عالية التوطين. يجب أن يشكل HJT اتصالًا موثوقًا بين العجينة الموصلة منخفضة الحرارة وأكسيد الموصل الشفاف مع البقاء تحت الحد الحراري الصارم لفئة 200 درجة مئوية. تضع خلايا BC كلا القطبين على السطح الخلفي وتتطلب نمطًا على مقياس الميكرومتر يبقى على بُعد خطأ محاذاة صغير فقط من التوصيل الكهربائي الضار.
تشير هذه الجهود الصناعية واسعة النطاق إلى نفس الهدف شبه الموصل: قمع حاجز شوتكي، وإنشاء اتصال أومي فعال، وتقليل مقاومة التلامس إلى أقرب ما يمكن من الصفر عمليًا.
بينما تواصل تقنية خلايا السيليكون البلورية نهجها الطويل نحو الحد النظري البالغ 29.43%، تبقى قاعدة واحدة يصعب تجاهلها: تحكم في واجهة التلامس، وسوف تتحكم في سقف الكفاءة.
رؤية Ooitech
التحدي الحقيقي في الإنتاج ليس ببساطة طباعة خطوط شبكة أضيق أو إضافة طبقة تخميل أخرى. يجب تحسين المعدنة كجزء من عملية الخلية والوحدة الكاملة، لأن التغيير الصغير في مقاومة التلامس يمكن أن يؤثر على عامل التعبئة، والسلوك الحراري، واتساق اللحام، وقدرة الوحدة النهائية. مع تطور تصاميم TOPCon وHJT وBC، ستكون مراقبة عملية التلامس والفحص الكهربائي الموثوق بنفس أهمية كفاءة الخلية المعلنة.
ذات صلة: كفاءة الوحدة مقابل الطاقة: لماذا يمكن أن تُصنَّف 740 W أدنى من 675 W ينظر إلى السقف نفسه من جانب العملية: ما يمكن أن تحمله المعالجة المعدنية.
قراءة إضافية وبيانات خلفية
مواد مرجعية عامة حول هذا الموضوع، منشورة من قبل المنظمات التي تحافظ على خارطة الطريق التقنية وبيانات السوق في الصناعة:
