Průmyslové křemíkové solární články

4.1 Textura monokrystalických křemíkových destiček

Jak je uvedeno v oddíle 2, vývoj solárních článků začal primárně monokrystalickými destičkami, a proto využíval osvědčené metody z oblasti mikroelektroniky. Alkalické anizotropní leptání na bázi KOH / NaOH se používá pro pyramidové tvarování monokrystalických destiček. As-cut monokrystalická destička má vážený průměr odrazu &> 30% (na vlnové délce 300–1 200 nm), což se po procesu texturování snižuje na 11–12%. Typická morfologie alkalického texturovaného povrchu je uvedena na obrázku 5. Anizotropní leptací roztok leptá (100) povrch destiček, aby byly vystaveny (111) plochy, které mají vyšší hustotu atomů křemíku, a tudíž pomalejší rychlost leptání ve srovnání s ( 100) tváře. To má za následek vytvoření náhodných pyramidových struktur, které svírá s povrchem destičky úhel 54,7 °.

Typické parametry procesu alkalického texturování jsou uvedeny v tabulce 1. Je třeba poznamenat, že hodnoty různých parametrů jsou pouze orientační a nelze je brát tak absolutně, protože na trhu existuje řada výrobců aditiv. Isopropylalkohol (IPA) byl původně použit jako přísada do texturovacího roztoku, který se nepodílí na leptání, ale působí jako smáčedlo pro zlepšení homogenity procesu texturování tím, že brání ulpívání bublin H2 (generovaných během reakce) na křemíkový povrch [12]. Do roku 2010 však byl IPA postupně nahrazen alternativními přísadami kvůli nevýhodám, jako je nestabilní koncentrace, protože teplota lázně se blíží bodu varu IPA (82,4 ° C), vysoké náklady, vysoká spotřeba, zdravotní rizika a výbušnost [12]. Mnoho skupin zveřejnilo vývojové práce na nahrazení IPA alternativními přísadami, aby se překonaly nevýhody IPA, zvýšilo se okno procesu a snížila se odrazivost povrchu [12,13,14,15,16]. Aditiva také zkracují dobu zpracování na&<; 10="" minut="" a="" prodlužují="" životnost="" lázně="" na="" &="">; 100 běhů.

Proces strukturování monokrystalických destiček se obvykle provádí v „dávce“, což znamená, že destičky jsou vloženy do nosiče se štěrbinami pro držení destiček (100 štěrbin v nosiči) a potom je dávka zpracovávána postupně v lázních pro kroky texturování, čištění, ošetření k odstranění organických zbytků a kontaminace kovů a sušení zpracovaných destiček. Nosiče jsou obvykle potaženy PVDF, který má velmi dobrou odolnost vůči různým chemikáliím, oděru a mechanickému opotřebení. Typický nosič pro manipulaci s monokrystalickými destičkami je uveden na obrázku 6. Nástroj pro tvarování dávky má pro každý krok vyhrazené lázně s dávkovacími nádržemi na chemikálie používané ve lázni. Nástroj zpracovává mnoho nosičů současně a může dosáhnout propustnosti> 6 000 destiček / h se zpracováním čtyř nosičů současně.

4.2 Texturování multikrystalických křemíkových destiček

Multikrystalické oplatky nabízejí ve srovnání s monokrystalickými oplatkami nákladovou výhodu, a proto byly široce používány. Alkalická chemie používaná pro texturování monokrystalických destiček však u multikrystalických destiček nefunguje dobře kvůli přítomnosti různých orientací zrn. Byla vyvinuta alternativní kyselá chemie založená na HF a HNO3, která odstraňuje poškození pily a texturu multikrystalických destiček současně [17,18]. Texturování na bázi kyselého roztoku pracuje při teplotách nižších než pokojová teplota, a proto vede ke snížení emisí reakčního plynu, malé tvorbě tepla, vyšší stabilitě leptacího roztoku a lepší kontrole rychlosti leptání [18]. Porovnání procesu alkalického texturování a kyselého procesu texturování u multikrystalických destiček je uvedeno na obrázku 7.

Kyselý texturovací proces multikrystalické destičky lze provést ve výrazně zkráceném čase ve srovnání s alkalickým texturovacím procesem, a lze jej tedy implementovat v „inline“ konfiguraci, kde jsou destičky vedeny válci ponořenými do leptací lázně. Reprezentativní obrázek inline procesu spolu s typickým kyselým procesem texturování je uveden na obrázku 8. U konfigurace s pěti pruhy může mít inline nástroj propustnost až 4 000 oplatek / h. Je důležité si uvědomit, že povrch destičky směřující dolů v řešení leptání má lepší texturu než horní strana a je „slunnou stranou“ pro další zpracování. Kyselý proces strukturování vede k tvorbě porézního křemíku na strukturovaném povrchu, který absorbuje světlo a také zvyšuje rekombinaci povrchu [18]. Proto se porézní křemík odstraní pomocí zředěného alkalického roztoku. Následně se provede kyselé čištění (HF + HCl), aby se odstranily oxidy a kovová kontaminace z povrchů destiček.

Je důležité si uvědomit, že výše popsaný kyselý proces texturování je vhodný pro multikrystalické oplatky řezané kaší (SWS). V posledních několika letech nahradil proces řezání diamantovým drátem (DWS) řezání na bázi kaše z důvodu procesních a ekonomických výhod [19]. Poškození pily u multikrystalických destiček SWS je větší než u destiček DWS, které mají hluboké rovné drážky a mnohem hladší povrch než plátky řezané kaší z drátu [19]. Poškození pily u destiček SWS hraje důležitou roli při zahájení procesu texturování, ke kterému u destiček DWS nedochází.

Byly navrženy různé způsoby textury DWS multikrystalických destiček a jsou shrnuty v tabulce 2 [20]. Vyladěním různých metod lze získat odrazivost téměř 0%, a proto byl pro proces texturování DWS multikrystalických destiček použit termín „černý křemík“. RIE byla první metodou výroby černého křemíku a k pasivaci a omezení reakce používá hexaflourid síry (SF6) k reakci s Si a plyny jako Cl2 a O2 [20]. Nedávno byly u procesu texturování založeného na RIE prokázány komerční solární články PERC s průměrnou účinností 21,3% [21]. Jelikož je však RIE proces založený na vakuu, je propustnost ve srovnání s typickým inline procesem nízká a je také nutné další předběžné zpracování a následné zpracování, aby se odstranilo poškození pily a poškození v důsledku iontového bombardování. Varianta metody RIE, která nevyžaduje vakuum ani plazmu, byla implementována do komerčního nástroje [22].

Jedním z přístupů pro strukturování multikrystalických destiček DWS je modernizace stávající kyselé chemie založené na strukturování pomocí přísad [23,24,25]. Takový přístup může mít potenciálně nižší CoO ve srovnání s přístupem založeným na MACE [23]. Bylo prokázáno, že reflexe takového přístupu založeného na aditivách je podobná konvenčnímu isotexturačnímu řešení s účinností solárních článků 18,7% u struktury založené na Al-BSF [24].

Texturování na bázi MACE je podobné konvenční metodě kyselého leptání s dalším krokem katalytického nanášení kovu. Tok procesu sestává z SDR, depozice kovového katalyzátoru, chemického leptání a následné úpravy. Účinnosti 19,2% bylo dosaženo u komerčních buněk multi Al-BSF pomocí dávkového texturovacího procesu MACE [26]. Komerční nástroj založený na MACE typu Inline byl prokázán s možností vyladit odrazivost v rozmezí 12–23% a získat průměrnou účinnost pro strukturu Al-BSF a PERC 18,8, respektive 20,2% [27]. Reprezentativní obrázky texturovaného povrchu na základě procesu MACE jsou uvedeny na obrázku 9. Náklady na vlastnictví (CoO) inline procesu MACE jsou potenciálně nižší ve srovnání s dávkovým procesem MACE s možností dalšího snížení recyklací Ag z texturovací lázně [27].

4.3 Izolace hran na bázi mokré chemie

Emitorová oblast v solárním článku je vyrobena procesem difúze při vysoké teplotě (bude diskutováno v následujících částech). Během procesu difúze se na destičku nanáší fosforečnan křemičité sklo (PSG), které by se mělo před nanášením vrstvy ARC odstranit. Jak je znázorněno na obrázku 10, po kroku difúze je oblast typu n také přítomna na okrajích a zadní straně plátku. Vrstva typu n na okrajích a na zadní straně zkratuje emitor se základním substrátem, a proto je důležité tyto oblasti leptat a izolovat emitor na FS od základního substrátu, jak je znázorněno na obrázku 10 (c).

Proces izolace hrany lze provést inline způsobem podobným procesu texturování popsaného v předchozí části. Výjimkou v tomto případě je, že chemická látka by měla leptat pouze zadní stranu a hrany bez interakce s FS. Reprezentativní obrázek procesu izolace hran je zobrazen na obrázku 11. Je důležité si uvědomit, že válečky jsou přítomny pouze na spodní straně, aby se zabránilo jakémukoli kontaktu leptacího roztoku s přední stranou. Následující kroky po leptání RS jsou podobné těm v inline texturovacím stroji.

5.1 Difúze emitoru

Difúze emitoru je jedním z klíčových tepelných kroků při výrobě průmyslových solárních článků. Emitor typu N krystalických křemíkových solárních článků typu p je tvořen difúzí fosforu (P). V procesu difúze jsou Si destičky zasílány do pece a vystaveny při 800–900 ° C fosforylchloridu (POCl3) a O2, což vede k depozici PSG na povrchy Si destičky. Tento krok se nazývá předběžná depozice, kde PSG [28] působí jako zdroj dopantů fosforu (P) k difúzi do Si destičky. Dalším krokem je nájezd, kde se odpojí přívod dopantových plynů a P z vrstvy PSG difunduje dále do plátku Si. Hannes a kol. [29] ilustruje pro optimální proveditelnost procesu pro fotovoltaické aplikace, je třeba vzít v úvahu tři různé efekty. Za prvé, difúze P z PSG a jeho přítomnost v elektricky aktivních a neaktivních stavech v destičce Si, což zvyšuje rekombinaci Shockley-Read-Hall (SRH). Zadruhé, pronikání nečistot do vrstvy Si směrem k vrstvě PSG. Nakonec formování kovového kontaktu s emitorem Si dopovaným P odčerpá generovanou energii.

Difúzní proces je kvantifikován pomocí plošného odporu, který závisí na hloubce spojení pn a profilu koncentrace P. Odpor archu má jednotky Ω / cm (běžně se měří jako Ω / □) a měří se pomocí čtyřbodového systému sondy. Definice odporu plechu je uvedena v rovnici. (1).

R=ρlA=ρlW∗D=ρD=ρprostěradloE1

kde R=odpor obdélníkového průřezu (Ω); ρ=odpor (Ω cm); l=délka obdélníkového průřezu (cm); A=plocha obdélníkového průřezu (cm2); W=šířka obdélníkového průřezu (cm ); D=hloubka obdélníkového průřezu (cm) andρsheet=odpor pro danou hloubku (D), když l=W (Ω / □).

Dřívější hodnoty odporu listu emitoru byly 30–60 Ω / □ s hloubkami spojení pn &> 400 nm a vysokou povrchovou koncentrací P. S vylepšením pasty pro kontakt se stříbrem (Ag) na přední straně je odpor emitorového listu nyní v rozmezí 90–110Ω / □ s hloubkou spojení kolem 300 nm a nižší povrchovou koncentrací P. Přechod na větší odpor listu umožňuje zachytit více světla v UV a modrém spektru a zároveň snížit rekombinaci povrchu, aby se zlepšilo Voc. Je třeba poznamenat, že proces difúze probíhá na FS (přímo vystavený plynům) a také na okrajích a RS. Pokud proces izolace hrany neproběhne (jak je popsáno v části 4.3), bude emitor zkratován se substrátem.

Obrázek 12 ukazuje proces difúze POCI3 v uzavřeném systému z křemenné trubice. POCl3 je zdroj kapaliny dodávaný do procesní trubice jejím probubláváním nosným plynem N2. MíchánímO2s POCl3 dojde k epitaxnímu růstu PSG vrstvy, jak je uvedeno v Rov. (2) [30].

4POCl3+3O2→2P2O5PSG+6Cl2E2

Na povrchu Si2P2O5je redukován na elementární fosfor během kroku nájezdu, jak je ukázáno v Rov. (3) [30].

2P2O5+5Si→4P+5SiO2E3

Chlor, který je vedlejším produktem během předběžné depozice, čistí destičky a křemennou trubici vytvářením komplexů s kovy. PSG se používá jako zdroj pro vhánění atomů P na povrch Si. Během procesu nájezdu se POCl3 vypnul a přidal se pouze O2, aby se vytvořila tenká vrstva oxidu pod PSG, aby se zvýšila difúze atomů P na povrch Si.

Uvnitř difuzní trubice je pět topných zón, jak je znázorněno na obrázku 13. Zóny jsou:

• Nakládací zóna (LZ) - oblast, odkud jsou destičky vkládány do trubice.

• Středová nakládací zóna (CLZ) - oblast mezi nakládací zónou a středovou zónou.

• Středová zóna (CZ) - oblast středu trubice.

• Střední plynová zóna (CGZ) - oblast mezi střední zónou a plynovou zónou.

• Plynová zóna (GZ) - oblast, odkud plyny vystupují výfukem.

Obvykle jsou teploty každé topné zóny nastaveny tak, aby se získal stejný odpor emitorové desky pro všechny oplatky přes loď.

Prostředí pro difúzní proces by mělo být velmi čisté, a proto se pro trubky používá křemenný materiál. Čistota trubek a údržba ložné plochy také ovlivňují výsledky procesu. Protože při difúzi v plynné fázi v trubici nejsou žádné zbytky, vede to k čistšímu procesu. Při polovičním zatížení hřiště za podmínek nízkého tlaku (LP) [31] lze zvýšit výkon. Běžně je 1 000 destiček vloženo do jedné trubice a s pěti difuzními trubkami v dávkovém difuzním systému lze dosáhnout výkonu až 3 800 destiček / h pro výrobu solárních článků.

V komerční výrobě byl také použit systém inline difúze, kdy jsou destičky transportovány na pásu s kyselinou fosforečnou jako zdrojem dopantů P [32]. Ve srovnání s vloženým procesem je však dávkový proces čistší, efektivnější a efektivnější. U solárních článků typu n nebo pokročilých konceptů solárních článků, jako je PERT, je dávková difúze typu p založena na dopantových zdrojích boru (B), jako je bromid boritý (BBr3) [33,34].

5.2 Antireflexní vrstva (ARC)

Holý povrch Si odráží &> 30% dopadajícího světla. Jak je popsáno v části 4, proces texturování zlepšuje zachycení světla. Je žádoucí dále snížit odrazivost, která se získá nanášením vrstvy ARC. TiOx byl jedním z prvních materiálů, které se používaly jako vrstva ARC pro solární články, ale protože nemohl zajistit dostatečnou povrchovou pasivaci, byl nakonec nahrazen SiNx: H [37]. Tepelně pěstovaný oxid křemičitý (SiO2) byl také použit jako pasivační materiál v rekordně pasivovaném vysílači zadní lokálně rozptýlené (PERL) buňky [37]. Díky vysokému tepelnému rozpočtu a dlouhé době procesu byla pasivace na bázi SiO2 nevhodná pro masovou výrobu solárních článků [37]. Komplexní přehled různých ARC a pasivačních materiálů pro aplikace solárních článků je popsán v [37].

Proces plazmové chemické depozice v parní fázi (PECVD) je vhodný pro nanášení ARC vrstvy SiNx: H, která nejenže snižuje odraz, ale také pasivuje přední emitor typu n a objem, čímž zlepšuje účinnost solárních článků [36, 37]. Schéma dávkového systému PECVD je uvedeno na obrázku 14. Oplatky jsou naloženy do grafitového člunu s předními stranami obrácenými k sobě. Vysokofrekvenční plazma na bázi procesních plynů amoniaku (NH3) a silanu (SiH4) pracujících při teplotě 400–450 ° C ukládá hydrogenovanou vrstvu SiNx: H podle perEq. (4) [35]. Vodík zabudovaný do filmu SiNx: H difunduje do hmoty během kroku vypalování (popsáno v následující části) a pasivuje visící vazby ke zlepšení výkonu solárních článků [36,37].

3SiH4+2NH3+N2→Si3N4+9H2E4

Index lomu (RI) filmu SiNx: H je řízen poměrem SiH4 / NH3gas, zatímco tloušťka závisí na době nanášení. ARC na bázi SiNx: H může minimalizovat odraz pro jednu vlnovou délku a tloušťka vlnové délky je dána vztahem [38],

t=λ04n1E5

kde=tloušťka vrstvy SiNx: H ARC, λ0=vlnová délka přicházejícího světla andn1=index lomu vrstvy SiNx: H.

Na základě tohoto vztahu je ARC nazýván také jako „ARC čtvrtinové vlnové délky“. U solárních článků se RI a tloušťka volí tak, aby se minimalizoval odraz při vlnové délce 600 nm, protože jde o vrchol slunečního spektra. Tloušťka a RI ARC je vybrána jako geometrický průměr materiálů na obou stranách, tj. Sklo / vzduch a Si. Typická tloušťka SiNx: H ARC je 80–85 nm, RI 2,0–2,1 dává slunečnímu článku barvu od modré do fialově modré. Reprezentativní obrázek strukturovaného multikrystalického solárního článku naneseného na SiNx: H je uveden na obrázku 15 (a), zatímco variace barvy SiNx: H na základě jeho tloušťky je uvedena na obrázku 15 (b). Je důležité si uvědomit, že u daných parametrů depozice existuje závislost na struktuře povrchu a barvě ARC. Existuje celá řada solárních modulů, kde je barva solárních článků na rozdíl od typické modré barvy tmavší. Typický stupeň depozice ARC ve výrobní lince solárních článků sestává ze dvou systémů PECVD, každý se čtyřmi trubkami a výkonem až 3 500 oplatek / h.

SiNx: H není vhodný pro pasivaci Si typu p, a proto se dielektrika jako Al2O3 používá pro pasivaci RS pro architekturu článků, jako jsou články PERC [8], nebo pro zářiče typu p ve solárních článcích typu n. U solárních článků PERC je pasivační vrstva Al2O3 zakryta SiNx: H, aby byla chráněna před Al-pastou během procesu vypalování a také sloužila jako vnitřní reflektor pro světlo s dlouhou vlnovou délkou. Komerční systémy založené na PECVD a nanášení na atomovou vrstvu (ALD) jsou k dispozici pro nanášení Al2O3 s výkonem až 4 800 waferů / h [39].

6.1 Metalizace na základě sítotisku

Posledním zpracovatelským krokem pro výrobu solárních článků je metalizace FS a RS za účelem vyčerpání energie s minimálními odporovými ztrátami. Ag je dobrým kontaktním materiálem pro emitor typu n, zatímco Al vytváří velmi dobrý kontakt se substrátem typu p. Kombinace pasty Ag / Al se používá k tisku podložek na RS, aby se usnadnilo propojení solárních článků v modulu. Sítotisk je jednoduchý, rychlý a neustále se vyvíjející proces metalizace solárních článků.

Schematické znázornění procesu sítotisku je znázorněno na obrázku 16. Síta mají síť z nerezové oceli potažené emulzí s otvory podle požadovaného metalizačního vzoru, jak je znázorněno na obrázku 17 (a). Kovová pasta se šíří po obrazovce pomocí zaplavení a pohybu stírací lišty, která nanáší pastu na solární článek na základě vzoru obrazovky. Snap-off je vzdálenost obrazovky a solárního článku. Tlak stírací lišty a odtrhovací vzdálenost jsou kritické parametry, které určují uložení pasty a geometrii prstů Ag FS.

Typické složení pasty pro podložky Ag / Al RS, RS Al a FS Ag je 35–45 mg, 1,1–1,4 ga 100–120 mg pro 6palcový Al-BSF multikrystalický solární článek. Ilustrační metalizační vzor Ag FS je uveden na obrázku 17 (b). Otevírání prstu Ag se snížilo na méně než 30 μm, přičemž nyní se stále častěji používá aplikace 5 přípojnic. S takovým parametrem obrazovky a dobrým položením pasty by měl být získán konzistentní FF &>; 80% pro solární články Al-BSF se ztrátou optického stínění&<>

6.2 Sušení a rychlé vypalování metalizačních past

Metalizační pasty sestávají z kovového prášku, rozpouštědel a organických pojiv. V případě pasty FS Ag obsahuje pasta také skleněnou fritu, zatímco leptá vrstvu SiNx: H a kontaktuje emitor typu n [41]. Kovové pasty se po tisku suší a nakonec se posílají rychle vypalovací pecí pro slinování a tvoří kontakt RS Al-BSF a FS Ag. Příklad takové rychle spalující pece s teplotním profilem je uveden na obrázku 18. Proces slinování prstů FS Ag je znázorněn na obrázku 19. Když solární článek prochází rychle spalující pecí, organická pojiva se spálí a následně se roztaví skleněné frity a nakonec tvorba Ag krystalitů kontaktujících emitor typu n. Profil vypalování je třeba vyladit na základě konkrétních typů metalizačních past a profilu difúze emitoru. Jako příklad by mohla být špičková teplota výpalu nízká, aby nevytvořila dobrý ohmický kontakt na FS, zatímco příliš vysoká teplota může vést k difúzi Ag přes spojení a posunutí pn spojení. Obrázek úplného multikrystalického solárního článku Al-BSF je uveden na obrázku 20.

6.3 Pokovování přední strany pokovování

Náklady na různé faktory při zpracování solárních článků se v průběhu let snížily, zatímco příspěvek front Ag je stále nejvýznamnější [42]. Bylo vynaloženo značné úsilí na nahrazení Ag alternativním kovem, jako je měď (Cu), který má hodnotu vodivosti velmi blízkou hodnotě vodivosti Ag a také nabízí potenciální významnou nákladovou výhodu [43,44]. Cu má vysokou difuzivitu a rozpustnost v Si, a proto se před pokovováním Cu nanáší na Si bariéra jako nikl (Ni) [42]. Světlo indukované pokovování (LIP), které je odvozeno od konvenčního pokovování, využívá fotovoltaický účinek světla k pokovování požadovaného kovu a má mnoho výhod ve srovnání s konvenčním pokovováním [43,44].

Přední pokovování na bázi Ni-Cu vyžaduje na rozdíl od pokovování na bázi pasty Ag další krok vzorování ARC na přední straně a ve většině případů také další krok spékání Ni ke snížení odporu kontaktu a dobré přilnavosti kovové vrstvy [42 ]. Komerční DWS řezané solární články mc-Si založené na pokovené vrstvě Ni-Cu-Ag byly demonstrovány se šířkou prstu 22 μm, poměrem stran téměř 0,5 a podobnou účinností jako u referenčních sítotiskových solárních článků na bázi Ag [45 ].

Neustálé zlepšování past Ag Ag spolu s jednoduchostí, spolehlivostí a vysokou výkonností procesu sítotisku znesnadňovalo metalizaci na bázi Ni-Cu konkurenci metalizaci FS na bázi Ag. Avšak koncepty s vysokou účinností solárních článků, jako jsou bifaciální heterojunkční solární články, kde lze Cu přímo pokovovat na transparentní vodivý oxid, je proces pokovování zjednodušený a vyžaduje pouze jediný nástroj [39]. Podobně mohou koncepty s vysokou účinností, které vyžadují snížené množství kovu, dosáhnout toho samého použitím pokovování na bázi pokovování [42,46].

6.4 IV testování a charakterizace solárních článků

Posledním krokem je IV testování kompletních solárních článků podle standardních testovacích podmínek (STC), tj. AM 1,5 G, 1000 W / m2 se solárním simulátorem třídy AAA. Příklad sondování FS solárního článku je uveden na obrázku 21. Typické parametry získané z testeru IV jsou uvedeny v tabulce 3. Testery IV mají mnoho charakteristických parametrů, které mohou být užitečné pro diagnostiku defektů solárních článků. Reprezentativní elektroluminiscence (EL) a tepelný IR obraz solárního článku s některými defekty jsou zobrazeny na obrázcích 22 (a) - (c). Obrázek EL dobrého solárního článku s rovnoměrnou intenzitou je zobrazen na obrázku 22 (a), zatímco u solárního článku, ve kterém nejsou prsty FS vytištěny rovnoměrně, je na obrázku 22 (b) vidět tmavší kontrast. ) ukazuje tepelný IR obraz solárního článku s lokalizovaným bočníkem, který byl vytvořen během jednoho z kroků zpracování. Nakonec jsou solární články tříděny do různých košů účinnosti na základě vybrané klasifikace.