Die drei großen PV-Zelltechnologien verstehen:

Kurze Antwort: Die drei wichtigsten PV-Zelltechnologien in der Produktion sind heute PERC, TOPCon und Heterojunction (HJT), wobei Back-Contact-Architekturen eine vierte Familie bilden, die auf ihnen aufbaut. Sie unterscheiden sich durch das, was an der Zelloberfläche geschieht, und nicht durch den Siliziumwafer, der in jedem Fall weitgehend dasselbe N-Typ- oder P-Typ-Material ist. PERC fügt einer p-Typ-Zelle eine Passivierungsschicht und lokale Rückseitenkontakte hinzu. TOPCon ersetzt die Rückseite durch ein ultradünnes Tunneloxid – etwa 2 nm – unter einer dotierten Polysiliziumschicht von etwa 10 nm Dicke, die die Oberfläche passiviert und Ladungsträger tunneln lässt. HJT bringt dünne amorphe Siliziumschichten auf beiden Seiten auf und benötigt niedrigere Prozesstemperaturen. Die Unterschiede zeigen sich in Effizienz, Temperaturkoeffizient, Linienkompatibilität und Kosten, und jeder einzelne beeinflusst die Wahl der Ausrüstung eines Herstellers.

PV-Modulfertigung · von Jerry, Ooitech

Einführung

Die Solartechnologie hat sich im letzten Jahrzehnt rasant entwickelt, wobei mehrere konkurrierende Zellarchitekturen die Effizienz auf neue Höhen treiben. Dieser Artikel erläutert die grundlegenden Funktionsprinzipien von Solarzellen, analysiert dann die drei großen Technologien der nächsten Generation, die die Branche heute prägen, und schließt mit einem Blick auf die Qualitätskontrolle in der Zellproduktion.

Wie Solar-PV-Zellen funktionieren

Eine Solarzelle wandelt Licht in Elektrizität um, aber nicht alle einfallenden Photonen tragen gleichermaßen bei. Das Verständnis, wo Energie verloren geht, ist der erste Schritt zum Bau besserer Zellen.

• Photonen mit Energie unterhalb der Bandlücke werden nicht absorbiert und passieren die Zelle einfach.

• Photonen mit Energie oberhalb der Bandlücke werden absorbiert und erzeugen Elektron-Loch-Paare, aber die überschüssige Energie der hochenergetischen Photonen geht teilweise als Wärme verloren.

• Ladungstrennung und Transport der erzeugten Ladungsträger verursachen Verluste am pn-Übergang.

• Rekombinationsverluste treten während des Ladungsträgertransports auf.

• Kontaktwiderstand verursacht einen Spannungsabfall, was zu Kontaktspannungsverlusten führt.

TOPCon, HJT und Perovskit"/>

Reduzierung elektrischer Verluste

• Wählen Sie Wafer mit guter Kristallstruktur und dem richtigen Typ.

• Entwickeln Sie ideale Techniken zur Bildung von pn-Übergängen.

• Entwickeln Sie ideale Passivierungstechniken.

• Übernehmen Sie angemessene Metallkontakttechniken.

• Wenden Sie hervorragende Vorderseiten- und Rückseitenfeldtechnologien an.

Reduzierung optischer Verluste

Um optische Verluste zu reduzieren und die Zelleffizienz zu erhöhen, hat die Branche eine Reihe von Lichtfallenansätzen und -technologien entwickelt. Dazu gehören Oberflächentexturierung des Wafers zur Verringerung der Reflexion, Antireflexbeschichtungen auf der Vorderseite, reflektierende Beschichtungen auf der Rückseite und die Minimierung der Abschattungsfläche durch die Kontaktfinger.

TOPCon

TOPCon, auch bekannt als Passivated-Contact-Technologie, gilt weithin als die nächste Generation der Solarzellentechnologie nach PERC. Im Vergleich zu anderen potenziellen neuen Technologien wie HJT und IBC kann TOPCon direkt von bestehenden PERC- oder PERT-Linien aufgerüstet werden. Dadurch benötigen Hersteller, die ihre bestehenden Produktionslinien aufrüsten möchten, eine relativ geringe Kapitalinvestition, während sie dennoch einen soliden Effizienzgewinn von etwa 1 % erzielen.

Die Vorderseite einer TOPCon-Zelle ist im Wesentlichen dieselbe wie bei einer herkömmlichen N-Typ- oder N-PERT-Zelle, bestehend aus einem Bor (p+)-Emitter, einer Passivierungsschicht und einer Antireflexionsschicht. Die Kerntechnologie liegt im passivierten Kontakt auf der Rückseite: Die Rückseite des Wafers trägt eine ultradünne Oxidschicht (1–2 nm) plus einen phosphordotierten Mikro-/amorphen Mischsilizium-Dünnfilm. Für bifaziale Anwendungen erfolgt die Metallisierung durch Siebdruck von Ag- oder Ag-Al-Gittern auf der Vorderseite und Ag-Gittern auf der Rückseite.

Tunnel Oxide Passivated Contact

Tunneloxid-passivierter Kontakt (TOPCon) hat in letzter Zeit große Aufmerksamkeit erregt, da er einen hohen Wirkungsgrad von 25,7 % erreicht. Die TOPCon-Struktur besteht aus einem dünnen Tunneloxid und einer phosphor (P)-dotierten Polysilizium-Kontaktschicht. Die P-dotierte Polysiliziumschicht kann durch Kristallisieren von a-Si:H oder durch direktes Abscheiden von Polysilizium mittels LPCVD hergestellt werden. TOPCon zeichnet sich als vielversprechender Kandidat unter den hocheffizienten Solarzellentechnologien aus.

HJT-Heteroübergang

Die Heteroübergangstechnologie (HJT) ist ein Herstellungsverfahren für Solarmodule, das in den letzten zehn Jahren auf dem Vormarsch ist. Sie ist derzeit einer der effektivsten Prozesse, um Effizienz und Leistungsabgabe auf hohe Niveaus zu bringen und übertrifft sogar die Leistung der branchenüblichen PERC-Technologie. HJT-Zellen kombinieren zwei verschiedene Technologien in einer: kristallines Silizium und amorphe Dünnschicht. Die gemeinsame Verwendung dieser Technologien erntet mehr Energie als die alleinige Verwendung einer von beiden und erreicht Wirkungsgrade von 25 % oder mehr.

HJT-Zellstruktur

Unter Verwendung eines monokristallinen Wafers als Substrat werden auf der gereinigten und texturierten Vorderseite des Wafers nacheinander eine intrinsische a-Si:H-Schicht von 5–10 nm und dann eine p-Typ-a-Si:H-Schicht abgeschieden, wodurch ein p-n-Heteroübergang entsteht. Auf der Rückseite des Wafers werden eine intrinsische Schicht von 5–10 nm und eine n-Typ-a-Si:H-Schicht abgeschieden, um ein Rückseitenfeld zu bilden. Anschließend wird eine transparente leitfähige Oxidschicht abgeschieden, und schließlich erzeugt der Siebdruck metallische Sammelelektroden auf der Oberseite beider Seiten, wodurch eine symmetrische HJT-Solarzelle aufgebaut wird.

Vorteile von HJT-Zellen

• Flexibilität und Anpassungsfähigkeit — Diese Technologie wurde entwickelt, um auch unter extremen Wetterbedingungen eine hervorragende Produktionsfähigkeit zu gewährleisten. HJT-Module haben einen niedrigeren Temperaturkoeffizienten als herkömmliche Module und gewährleisten eine hohe Leistung auch bei erhöhten Außentemperaturen.

• Erwartete Lebensdauer — Im Durchschnitt können Dünnschicht-Photovoltaikmodule bis zu 25 Jahre halten, während HJT-Zellen mehr als 30 Jahre normal weiterbetrieben werden können.

• Höhere Effizienz — Die meisten Heteroübergangs-Module auf dem Markt haben heute Wirkungsgrade zwischen 19,9 % und 21,7 %, eine enorme Verbesserung gegenüber anderen herkömmlichen monokristallinen Zellen.

• Kosteneinsparungen — Das in HJT-Modulen verwendete amorphe Silizium ist eine kostengünstige Photovoltaik-Technologie. Im Vergleich zu anderen Technologien erfordert dieser Dünnschicht-Solaransatz eine kürzere Herstellungszeit. Dank seines vereinfachten Prozesses ist HJT erschwinglicher als alternative Lösungen.

Perowskit

Im Jahr 2009 wurden Perowskit-Materialien erstmals verwendet, um einen photovoltaischen Wirkungsgrad von 4 % zu erreichen. Bis 2021 erreichten Einfachübergangs-Perowskit-Solarzellen (PSC) einen Wirkungsgrad von 25,5 %. Die rasche Verbesserung von Perowskit-Zellen hat sie zu einem aufstrebenden Stern auf dem Gebiet der Photovoltaik gemacht und großes Interesse in der Wissenschaft geweckt. Da ihre Funktionsweisen noch relativ neu sind, gibt es reichlich Gelegenheit, die zugrunde liegende Physik und Chemie von Perowskit weiter zu untersuchen.

Perowskit-Zellstruktur

Die fortschrittlichsten Perowskit-Solarzellenstrukturen basieren auf fünf Komponenten: einem transparenten leitfähigen Oxid, einer Elektronentransportschicht (ETL), dem Perowskit, einer Lochtransportschicht (HTL) und einer Metallelektrode. Das Verständnis und die Optimierung der Energieniveaus und Wechselwirkungen verschiedener Materialien an diesen Grenzflächen ist ein sehr spannendes Forschungsgebiet, das noch aktiv diskutiert wird.

CaTiO3

Perowskit ist der Name eines Minerals, das 1839 von Rose in den Gesteinsmineralien des Uralgebirges entdeckt und nach dem russischen Geologen Perovski benannt wurde. Perowskit-Materialien neigen zu einer geringen Rekombinationswahrscheinlichkeit von Ladungsträgern und einer hohen Ladungsträgermobilität, was sie zu idealen Materialien für Solarzellen macht.

Methoden zur Bildung von Perowskit-Filmen

Der Schlüssel zur Verbesserung der Leistungsumwandlungseffizienz von Perowskit-Solarzellen liegt in der Optimierung der Filmmorphologie. Die im Labor üblicherweise verwendeten Filmbildungsmethoden sind die einstufige oder zweistufige Prozessabscheidung. Um der Nachfrage nach großflächigen, kostengünstigen Perowskit-Filmen gerecht zu werden, werden auch Verarbeitungsgeräte wie Schlitzdüsenbeschichtung, Drucken und Sprühen verwendet, um Perowskit-Solarzellen herzustellen.

Die Zukunft von Perowskit

Die zukünftige Forschung zu Perowskit wird sich wahrscheinlich auf die Reduzierung der Rekombination durch Strategien wie Passivierung und Defektreduzierung konzentrieren sowie auf die Verbesserung der Effizienz durch die Einbeziehung zweidimensionaler Perowskite und optimierter Grenzflächenmaterialien. Die Ladungsextraktionsschichten könnten sich von organischen zu anorganischen Materialien verlagern, um Effizienz und Stabilität zu verbessern. Die Verbesserung der Stabilität und die Verringerung der Umweltauswirkungen bleiben wichtige Bereiche.

Qualitätskontrolle in der Produktion von Solar-PV-Zellen

Kristalline Silizium-PV-Zellen sind die häufigsten Zellen in kommerziellen Solarmodulen und machen mehr als 90% des weltweiten PV-Zellenmarktumsatzes aus.

Im Labor übersteigt die Energieumwandlungseffizienz von kristallinen Siliziumzellen 25% für monokristalline Zellen und erreicht 20% oder mehr für polykristalline Zellen. Jedoch erreichen industriell hergestellte Solarmodule derzeit nur 18%–22% Effizienz unter Standardtestbedingungen.

Reinigung und Texturierung

Das Ätzen entfernt die Oberflächenschädigungsschicht und texturiert die Oberfläche, um eine texturierte Struktur zu bilden, die Licht einfängt und Reflexionsverluste reduziert. Die Messung des Reflexionsgrades der texturierten Oberfläche ist ein wichtiges Mittel zur Überwachung des Texturierungsprozesses.

Diffusions-PN-Übergangsbildung und Kantenisolation

Thermische Diffusion und ähnliche Verfahren bilden eine Diffusionsschicht mit unterschiedlichem Leitfähigkeitstyp auf dem Wafer, wodurch der pn-Übergang entsteht. Verschiedene Zelltypen lagern eine Passivierungsschicht bestimmter Dicke zwischen dem pn-Übergang und dem Wafer ab, um eine effizientere Dünnschicht-Solarzelle zu erhalten. Dieser Prozess überwacht hauptsächlich die Minoritätsträgerlebensdauer, die Wafdicke und den Brechungsindex.

Abscheidung der Antireflexbeschichtung

Um die Lichtabsorption weiter zu verbessern, wird eine Antireflexionsschicht auf die Waferoberfläche aufgebracht. Derzeit verwendet die Industrie die plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD), um eine dünne Schicht auf dem Wafer abzuscheiden, die gleichzeitig als Passivierungsschicht dient. In dieser Phase sind die Hauptmessungen die Transmission der Antireflexionsschicht und die Gleichmäßigkeit des Schichtwiderstands.

Elektrodenherstellung

Gitterlinien-Elektroden werden auf der Vorderseite der Zelle im Siebdruckverfahren aufgebracht, während das Rückseitenfeld und die Rückelektrode auf der Rückseite gedruckt werden, gefolgt von Trocknung und Sinterung. Während dieses Prozesses sind Temperaturkontrolle, Ausrichtungsgenauigkeit und das Höhen-Breiten-Verhältnis der Gitterlinien unverzichtbare Überwachungsindikatoren.

Ooitechs Ansicht

ooitech ist überzeugt: TOPCon, HJT und Perowskit treiben jeweils auf ihre eigene Weise die Effizienz von Solarzellen voran, und eine strenge Produktionsqualitätskontrolle ist es, die diese Technologien letztendlich in zuverlässige, leistungsstarke Module verwandelt.