Come tagliare meglio le celle solari multi-pezzo?

Risposta rapida: Tagliare una cella intera in metà, terzi o pezzi più piccoli aumenta la potenza del modulo riducendo la corrente che ogni striscia trasporta, il che riduce la perdita resistiva nella ribbon. Il beneficio diminuisce man mano che la striscia diventa più piccola, e il costo meccanico aumenta. Tre approcci dominano. La scribatura laser seguita da rottura meccanica è la più veloce e introduce il minor carico termico, ma la qualità del bordo di rottura dipende dalla profondità della scriba. Il taglio completo laser separa la cella con il solo raggio e offre un bordo più pulito a velocità inferiore. La separazione laser termica combina un laser con una fase di raffreddamento in modo che la cricca si propaghi lungo un percorso controllato. Le dimensioni rilevanti vanno da una lunghezza d'onda laser di 532 nm attraverso dimensioni delle feature vicine a 1 µm e 20 µm fino a 100 µm, e la tensione della striscia è bassa — circa 0,55 V — quindi i guadagni derivano dalla resistenza, non dalla tensione.

Produzione di moduli fotovoltaici · di Jerry, Ooitech

Introduzione

TOPCon, SHJ e BC" title="Come tagliare meglio le celle solari multi-pezzo? La verità controintuitiva sulla perdita ai bordi nelle celle n-type TOPCon, SHJ e BC"/>

Alla ricerca di una maggiore potenza del modulo, gli ingegneri spesso tagliano una grande cella in 1/2, 1/3 o anche più "celle piccole", per poi ricollegarle in serie e in parallelo all'interno di un modulo. Il punto è ridurre la corrente e ridurre la perdita di potenza resistiva. Ma ogni singolo taglio lascia una "ferita" non passivata lungo il bordo della cella. Queste ferite diventano trappole per i portatori e riducono la tensione a circuito aperto (Voc) e il fattore di riempimento (FF). Più piccola è la sotto-cella, più questa perdita per ricombinazione ai bordi incide.

Il metodo industriale più comune oggi, "incisione laser + rottura meccanica" (L&C), lascia gravi danni termici lungo il taglio. E per anni il settore ha concordato su una cosa: incidere sul lato della giunzione p-n provoca il danno maggiore, quindi "il lato della giunzione p-n è il principale collo di bottiglia per la perdita ai bordi". Questa convinzione ha dato origine al trucco standard di "incidere dal lato n-n+ per proteggere la giunzione p-n".

Ma questo "senso comune" ampiamente accettato riflette davvero il comportamento elettrico intrinseco della giunzione p-n? O è solo un artefatto del calore laser?

Risultato chiave: un comportamento elettrico intrinseco che rompe il consenso

Un team di ricerca dell'istituto FUNSOM dell'Università di Soochow ha pubblicato un lavoro su Nano Energy utilizzando un nuovo metodo di taglio a basso danno che chiamano "rottura rotazionale a 45°". Questo metodo evita abilmente il danno termico del laser e sonda il vero comportamento elettrico intrinseco del bordo della giunzione p-n. La conclusione ha sorpreso il settore:

Con il taglio a basso danno, l'efficienza di raccolta dei portatori sul lato della giunzione p-n è in realtà superiore a quella del lato n-n+. In parole povere: incidere dal lato della giunzione p-n è la strategia industriale migliore. Questo capovolge vent'anni di pratica consolidata.

Come aprire il bordo della cella senza danneggiarlo

Per studiare il "comportamento elettrico intrinseco della giunzione p-n", bisogna prima risolvere un problema spinoso. Il tradizionale taglio laser lascia uno strato rifuso e risolidificato, oltre a microcricche e una serie di danni termici lungo il bordo, e tutto ciò confonde qualsiasi osservazione della giunzione p-n e del comportamento di ricombinazione superficiale. Il team ha seguito una strada diversa, sfruttando la natura di clivaggio anisotropo dei cristalli di silicio per proporre un metodo di "clivaggio con rotazione di 45°":

Passo uno: ruotare il wafer di 45° nel piano.

Passo due: pre-incidere una linea poco profonda sul piano (100) con una punta di diamante.

Passo tre: clivare lungo la famiglia di piani {110} per ottenere una sezione trasversale atomicamente piatta e termicamente non danneggiata.

La sezione trasversale del bordo ottenuta in questo modo mantiene la sua integrità strutturale ed elettrica. Combinata con una tecnica di imaging fotovoltaico a risoluzione micrometrica, puoi scansionare il comportamento elettrico vicino al bordo punto per punto, senza danneggiare la giunzione p-n.

L'esperimento ha utilizzato un laser a 532 nm (profondità di penetrazione circa 1,3 µm), raggiungendo una risoluzione spaziale di circa 1 µm con un obiettivo 50×, abbastanza chiara da catturare il comportamento di decadimento del fotovoltaggio entro decine di micrometri dal bordo.

Risultati Sperimentali

Figura 1. Effetto del taglio sull'integrità della giunzione p-n (a, b), schema del metodo di clivaggio rotazionale a 45° (c, d) e schemi delle tre strutture di celle ad alta efficienza (e-g).

La Figura 1a mostra il processo tradizionale L&C che incide sul lato della giunzione p-n: prima un laser abla un solco sulla superficie della cella (il segno laser), poi una forza meccanica spezza la cella. La Figura 1b è la sezione trasversale SEM del bordo dopo il taglio L&C. Puoi vedere chiaramente che la sezione si divide in due zone. La parte superiore è la "regione di ablazione laser", che mostra una morfologia evidente di rifusione e risolidificazione. La parte inferiore è la "regione separata per stress", strappata da forza meccanica, lasciando molte microcricche irregolari e pozze di fusione. Questo danno termico è esattamente ciò che provoca il picco di corrente di dispersione e il calo delle prestazioni della cella.

Vale la pena notare: quando il laser incide sul lato della giunzione p-n, la giunzione p-n stessa viene completamente distrutta dal calore. Quindi il "fenomeno" che l'industria ha sempre visto, cioè che "il lato della giunzione p-n è il collo di bottiglia della perdita di bordo", è in realtà un artefatto del danno termico.

La Figura 1c mostra il metodo di taglio rotazionale a 45° proposto qui: ruotare il wafer di 45° attorno all'asse nel piano, graffiare il piano (100) con un tagliatore a diamante, quindi strappare lungo il piano di clivaggio {110}. La Figura 1d è l'immagine SEM del bordo tagliato, barra di scala 20 µm. La sezione trasversale è estremamente piatta e pulita, senza tracce di fusione, preservando perfettamente la struttura e l'integrità elettrica della giunzione p-n. Questa è la chiave per studiare il "comportamento intrinseco".

Questo lavoro esamina tre tecnologie di celle ad alta efficienza di tipo n: TOPCon, SHJ e TBC. Hanno una caratteristica comune. Su un substrato c-Si di tipo n portano sia una giunzione p-n (omo o eterogiunzione) sia una giunzione n-n+ ad alto-basso. Quindi studiare il loro comportamento al bordo fornisce una guida diretta per la produzione industriale reale.

Figura 2. Analisi della fototensione al bordo lato anteriore di celle TOPCon, SHJ e TBC.

La Figura 2a mostra la scansione laser a 532 nm dal bordo della superficie anteriore della cella verso l'interno, lavorando con un tavolo di precisione XY e un amplificatore elettrico per registrare il segnale di fototensione in tempo reale, costruendo infine una mappa di fototensione 2D. La Figura 2b è l'immagine di fototensione lato anteriore di TOPCon, SHJ e TBC (da sinistra a destra). Colore più brillante significa fototensione più alta. Tutte e tre le celle mostrano una evidente "banda a gradiente" entro ~100 µm dal bordo, con fototensione più bassa vicino al bordo. Questa è la prova diretta della perdita per ricombinazione al bordo.

Confrontando le tre: TOPCon ha la fototensione più alta (0.40–0.55 V) e satura più velocemente. TBC ha la più bassa (0.36–0.49 V) e decade più lentamente, il che significa che la sua ricombinazione al bordo è la peggiore. Questo risultato va contro il senso comune che "la giunzione p-n è il collo di bottiglia", perché il lato anteriore (il lato esposto alla luce) è di solito esattamente dove si trova la giunzione p-n.

La Figura 2c normalizza il profilo di fototensione estratto lungo la linea tratteggiata nera nella Figura 2b. Tutte e tre le curve mostrano "basso al bordo, alto sul plateau", ma la velocità di saturazione (che riflette la lunghezza di ricombinazione al bordo) differisce chiaramente:

• TOPCon: regione di decadimento più corta, quasi satura entro circa 100 µm, perdita al bordo minima.

• SHJ: regione di decadimento media, quasi satura a ~200 µm.

• TBC: recupero più lento, si estende fino a ~500 µm prima della saturazione completa, la peggiore perdita al bordo.

La Figura 2d spiega la fisica dietro le differenze. Una lacuna fotogenerata finisce per fare una di due cose: essere raccolta da un elettrodo, o derivare verso il bordo e ricombinarsi.

TOPCon: emettitore sul lato anteriore, percorso di raccolta delle lacune ultra-corto

La superficie frontale è un emettitore p+. Le lacune devono solo attraversare l'emettitore molto sottile per essere raccolte dall'elettrodo frontale, quindi la maggior parte delle lacune "non ha mai la possibilità" di raggiungere il bordo. Allo stesso tempo, il forte campo formato da p+ emitter / SiOx / n-poly-Si rimane efficace anche al bordo, separando rapidamente i portatori. Questa è la ragione principale per cui TOPCon ha la minima perdita al bordo.

SHJ: il frontale raccoglie elettroni, le lacune fanno la strada lunga

La superficie frontale SHJ è n-a-Si:H, che raccoglie elettroni. Le lacune devono diffondersi fino al p-a-Si:H posteriore prima di poter essere raccolte, un percorso molto lungo. Aggiungi lo strato TCO altamente conduttivo che agisce come una "autostrada", trasportando molte lacune lateralmente verso il bordo, e la ricombinazione al bordo aumenta notevolmente.

TBC: tutti gli elettrodi sul retro, spazzata totale

Nel TBC ogni elettrodo si trova sul retro. I portatori generati sulla superficie frontale devono viaggiare lateralmente attraverso l'intera cella per essere raccolti. Peggio ancora, lo strato di passivazione frontale Al2O3 porta una grande quantità di carica negativa fissa, inducendo uno strato di accumulo di lacune sulla superficie del Si e formando un "canale conduttore di lacune" che spinge le lacune ancora più forte verso il bordo.

Nota rapida: il comportamento della fototensione frontale è principalmente determinato da due cose, la "distanza di raccolta dei portatori" e "se esiste un canale di trasporto laterale", e non ha nulla a che fare con la direzione della giunzione p-n stessa.

Figura 3. Analisi della fototensione al bordo posteriore di celle TOPCon, SHJ e TBC.

La Figura 3a mostra la scansione laser dal bordo posteriore. La Figura 3b è la corrispondente mappa di fototensione 2D. Rispetto alla Figura 2b, tutte e tre le celle mostrano una fototensione posteriore inferiore rispetto al fronte (perché la superficie frontale di solito ha un design antiriflesso migliore e un utilizzo della luce più elevato). La Figura 3c rivela qualcosa di interessante: il "vincitore" del bordo posteriore diventa TBC. Anche se SHJ ha anche una giunzione p-n sul retro, la sua fototensione al bordo è in realtà inferiore a TOPCon, il che dimostra ulteriormente che la "posizione della giunzione p-n" non è l'unico fattore che determina la perdita al bordo. La Figura 3d illustra il meccanismo di trasporto dei portatori minoritari sul retro. Il retro è speciale: il n-poly-Si posteriore contiene un'alta concentrazione di elettroni, formando un ambiente a campo forte che sopprime le lacune ma promuove la raccolta degli elettroni.

Retro TOPCon: la "corsia veloce" per le lacune è soppressa

L'elevata concentrazione di elettroni nel n-poli-Si posteriore sopprime il trasporto delle lacune. Le lacune devono attraversare l'intero substrato di c-Si di tipo n per raggiungere l'emettitore p+ anteriore prima di essere raccolte. Questo "trasporto a lunga distanza" rende la fototensione sul lato posteriore generalmente più bassa, ma riduce anche il numero di lacune che raggiungono il bordo.

Lato posteriore SHJ: l'eterogiunzione è forte, ma il TCO è un'arma a doppio taglio

L'eterogiunzione n-type c-Si / p-a-Si:H dell'SHJ offre davvero una separazione dei portatori più forte rispetto al TOPCon, ma il suo TCO ha una bassa resistenza laterale e "cortocircuita" comunque una buona parte delle lacune verso il bordo. Il risultato: una forte capacità di separazione non equivale a una piccola perdita al bordo.

Lato posteriore TBC: l'HSC delle lacune è proprio lì sul retro, un vantaggio casalingo

L'HSC sul lato posteriore del TBC affronta direttamente le lacune fotogenerate. I portatori vengono raccolti proprio sul retro, quindi molti meno fluiscono verso il bordo, e la fototensione sul lato posteriore satura più rapidamente.

Nota rapida: il comportamento della fototensione sul lato posteriore mostra una tendenza "inversa" rispetto al fronte. Il TBC è il peggiore sul fronte ma il migliore sul retro, dimostrando che "quale lato è esposto alla luce" conta più di "quale lato è la giunzione p-n".

Figura 4. Modello di distribuzione della fototensione in sezione trasversale delle celle TOPCon e SHJ.

Se le Figure 2 e 3 guardano al bordo "di lato", la Figura 4 lo taglia "trasversalmente". Il laser scansiona direttamente sulla sezione trasversale, quindi si vede l'intero comportamento elettrico dalla giunzione p-n alla n-n+ in un colpo solo. Questa è la parte più originale dello studio. La Figura 4a è la mappa di fototensione trasversale del TOPCon, da sinistra a destra il lato frontale (emettitore p+ / giunzione p-n) e il lato posteriore (n-poli-Si / giunzione n-n+). Si può vedere che il lato sinistro (giunzione p-n) è complessivamente più luminoso, e il lato destro (n-n+) è più scuro. La curva estratta nella Figura 4b è molto chiara: dal lato della giunzione p-n al lato n-n+, la fototensione diminuisce in modo monotono, con l'intera regione di decadimento intorno ai 100 µm. Questo risultato respinge nettamente la visione tradizionale secondo cui "la giunzione p-n è il collo di bottiglia della perdita al bordo", perché in condizioni di basso danno il lato della giunzione p-n è invece la zona ad alta fototensione. La Figura 4c fornisce la ragione fisica: sul lato della giunzione p-n (emettitore p+) i portatori minoritari (lacune) percorrono solo una breve distanza per essere raccolti, mentre sul lato n-n+ (regione n-poli-Si) le lacune devono attraversare tutto il c-Si di tipo n per raggiungere l'emettitore p+, un percorso lungo con alta probabilità di ricombinazione, quindi la perdita è maggiore. Le Figure 4d–f mostrano esattamente la stessa tendenza nelle celle SHJ: dalla giunzione p-n posteriore (p-a-Si:H / n-c-Si) alla giunzione n-n+ frontale (i/n-a-Si:H / n-c-Si), la fototensione diminuisce ancora in modo monotono. Questa regolarità che si mantiene in diverse strutture di cella è uno degli argomenti centrali dello studio.

Per descrivere questo quantitativamente, il team ha derivato un modello di diffusione dei portatori minoritari unidimensionale. La Figura 4g è lo schema del modello, che mostra la curva (arancione) che decade in modo monotono dal lato della giunzione p-n (contatto selettivo per lacune, HSC) verso il lato ESC (contatto selettivo per elettroni, ESC). La Figura 4h confronta ulteriormente il comportamento dei portatori sui lati HSC e ESC:

• Lato HSC: i portatori minoritari (lacune) vengono raccolti su una breve distanza, bassa probabilità di ricombinazione.

• Lato ESC: i portatori minoritari devono diffondere su una lunga distanza per raggiungere l'HSC, ricombinandosi pesantemente lungo il percorso.

• Il meccanismo di separazione dei portatori della giunzione p-n ha il doppio beneficio del contatto fortemente drogato più il contatto passivato, più efficiente di una semplice giunzione alto-basso (n-n+).

Nota rapida: il modello di fototensione trasversale conferma quantitativamente che "le prestazioni elettriche del lato della giunzione p-n superano quelle del lato n-n+", e propone la "lunghezza di diffusione dei portatori minoritari L" come nuova metrica per valutare la perdita al bordo.

Figura 5. Analisi della fototensione trasversale di una cella TOPCon realizzata con il metodo industriale di separazione termica laser (TLS).

Per verificare se la conclusione del metodo di clivaggio a 45° vale per il taglio industriale, il team ha utilizzato il metodo "separazione termica laser" (TLS) (Figura 5a) — prima un laser pretratta il lato della giunzione p-n (il Pre-grooving nella figura), poi l'acqua di raffreddamento assiste la separazione. TLS è una delle tecniche di taglio a basso danno riconosciute oggi. La Figura 5b è l'immagine di fototensione in sezione trasversale della cella TOPCon dopo il taglio TLS: il lato sinistro (giunzione p-n) è chiaramente più luminoso del lato destro (n-n+). La curva quantitativa nella Figura 5c mostra che dalla giunzione p-n al lato posteriore, la fototensione diminuisce ancora in modo monotono, pienamente coerente con il risultato del clivaggio a 45°.

Verifica chiave: anche con il metodo TLS industriale (taglio diretto dal lato della giunzione p-n), la fototensione mostra ancora la tendenza "giunzione p-n alta, n-n+ bassa". Questo indica che in condizioni di taglio a basso danno, la "giunzione p-n" non è affatto un collo di bottiglia, ma piuttosto il punto di vantaggio. L'esperienza industriale precedente secondo cui "il lato della giunzione p-n ha prestazioni migliori" nel taglio TLS viene finalmente confermata sia sperimentalmente che teoricamente.

Figura 6. Analisi della fototensione in sezione trasversale delle celle TBC e THBC, più uno schema della strategia di taglio a basso danno della giunzione p-n.

Le Figure 6a e 6b sono le immagini di fototensione in sezione trasversale delle celle TBC e THBC. TBC ha la fototensione più alta, 0,39 V, e THBC è leggermente più bassa (0,21 V), ma entrambe mostrano la chiara distribuzione spaziale "giunzione p-n luminosa, n-n+ scura". Le curve estratte nelle Figure 6c e 6d seguono lo stesso schema della Figura 4: declino monotono dalla giunzione p-n verso n-n+. Degna di nota speciale è la piccola inserzione nella Figura 6c: la "distribuzione direzionale" della fototensione per ogni struttura di cella mostra un pattern "denso in alto a sinistra, sparso in basso a destra", il che significa che il vantaggio elettrico del lato della giunzione p-n è universale tra strutture e processi. La Figura 6e spiega cosa rende speciali le celle a contatto posteriore: l'HSC raccoglie le lacune "vicino" sul retro, e l'ESC raccoglie gli elettroni "vicino" sul retro. I portatori minoritari (lacune) generati nella regione della giunzione p-n devono solo percorrere una breve distanza per raggiungere l'HSC, quindi la perdita è piccola; i portatori minoritari nella regione n-n+ devono fare un lungo viaggio, quindi la perdita è maggiore. Questo schema corrisponde esattamente a TOPCon e SHJ. Sulla base di tutte queste evidenze, il team ha proposto una strategia di taglio completamente nuova nella Figura 6f:

Raccomandazione industriale

Con il taglio a basso danneggiamento (come TLS), si dovrebbe tagliare dal lato della giunzione p-n. Motivo: il lato della giunzione p-n ha una maggiore efficienza di separazione dei portatori e un percorso di trasporto dei portatori minoritari più breve. Anche in presenza di qualche disturbo di processo, mantiene prestazioni elettriche decenti. Questa raccomandazione ribalta vent'anni di pratica industriale di "evitare di toccare la giunzione p-n".

Il Punto di Vista di Ooitech

Onestamente, questa è una di quelle scoperte che riscrive silenziosamente un'abitudine a livello di linea piuttosto che una specifica di primo piano. Il messaggio per chi gestisce una linea di tipo n: abbina la tua ricetta di taglio laser alla fisica dei portatori della cella stessa, e non posizionare ciecamente la incisione sul lato n-n+ solo perché era la vecchia regola. La separazione a basso danneggiamento (stile TLS) è il vero abilitatore qui, e regolare quel processo su una macchina per il taglio laser di celle solari è esattamente dove i produttori di moduli guadagnano o perdono Voc e FF reali. Costruiamo le nostre stazioni di taglio e stringatura per mantenere basso il danno ai bordi su formati TOPCon, SHJ e BC, quindi questo tipo di ricerca si mappa direttamente sulla produzione. Se vuoi vedere come appaiono questi passaggi su una linea in funzione, il canale YouTube di Ooitech all'indirizzo www.youtube.com/ooitech vale la pena di essere seguito.