Introduzione

La tecnologia fotovoltaica solare si è evoluta rapidamente nell'ultimo decennio, con diverse architetture di celle concorrenti che spingono l'efficienza a nuovi livelli. Questo articolo illustra i principi fondamentali di funzionamento delle celle solari, poi analizza le tre principali tecnologie di prossima generazione che stanno plasmando il settore oggi, e conclude con uno sguardo al controllo qualità nella produzione di celle.

Come funzionano le celle solari fotovoltaiche

Una cella solare converte la luce in elettricità, ma non tutti i fotoni incidenti contribuiscono allo stesso modo. Comprendere dove si perde energia è il primo passo per costruire celle migliori.

• I fotoni con energia inferiore al bandgap non vengono assorbiti e attraversano semplicemente la cella.

• I fotoni con energia superiore al bandgap vengono assorbiti e generano coppie elettrone-lacuna, ma l'energia in eccesso dei fotoni ad alta energia viene in parte persa come calore.

• La separazione delle cariche e il trasporto dei portatori generati comportano perdite alla giunzione pn.

• Le perdite per ricombinazione si verificano durante il trasporto dei portatori.

• La resistenza di contatto introduce una caduta di tensione, causando perdite di tensione di contatto.

Ridurre le perdite elettriche

• Scegliere wafer con buona struttura cristallina e del tipo giusto.

• Sviluppare tecniche ideali di formazione della giunzione pn.

• Sviluppare tecniche ideali di passivazione.

• Adottare tecniche ragionevoli di contatto metallico.

• Applicare eccellenti tecnologie di campo frontale e posteriore.

Ridurre le perdite ottiche

Per ridurre le perdite ottiche e aumentare l'efficienza delle celle, l'industria ha sviluppato una serie di approcci e tecnologie per intrappolare la luce. Questi includono la testurizzazione superficiale del wafer per ridurre la riflessione, rivestimenti antiriflesso sulla superficie anteriore, rivestimenti riflettenti sulla superficie posteriore e la minimizzazione dell'area di ombreggiatura delle linee di griglia.

TOPCon

TOPCon, nota anche come tecnologia a contatto passivato, è ampiamente considerata la tecnologia di celle solari di prossima generazione dopo PERC. Rispetto ad altre potenziali nuove tecnologie come HJT e IBC, TOPCon può essere aggiornata direttamente dalle linee PERC o PERT esistenti. Di conseguenza, i produttori che desiderano aggiornare le loro linee di produzione esistenti necessitano di un investimento di capitale relativamente basso, ottenendo comunque un solido guadagno di efficienza di circa l'1%.

Il lato anteriore di una cella TOPCon è essenzialmente uguale a una cella convenzionale di tipo N o N-PERT, costituito da un emettitore di boro (p+), uno strato di passivazione e uno strato antiriflesso. La tecnologia principale risiede nel contatto passivato posteriore: il retro del wafer presenta uno strato di ossido ultra-sottile (1–2 nm) più un film sottile di silicio micro/amorfo misto drogato con fosforo. Per applicazioni bifacciali, la metallizzazione viene effettuata stampando a schermo griglie di Ag o Ag-Al sul fronte e griglie di Ag sul retro.

Contatto passivato ad ossido tunnel

Il contatto passivato a ossido tunnel (TOPCon) ha attirato recentemente molta attenzione perché raggiunge un'elevata efficienza di conversione del 25,7%. La struttura TOPCon è composta da un sottile ossido tunnel e da uno strato di contatto in polisilicio drogato con fosforo (P). Lo strato di polisilicio drogato P può essere fabbricato cristallizzando a-Si:H o depositando direttamente polisilicio tramite LPCVD. TOPCon si distingue come un candidato promettente tra le tecnologie di celle solari ad alta efficienza.

HJT Eterogiunzione

La tecnologia a eterogiunzione (HJT) è un metodo di produzione di pannelli solari che è cresciuto nell'ultimo decennio. Attualmente è uno dei processi più efficaci per spingere l'efficienza e la potenza erogata a livelli elevati, superando persino le prestazioni della tecnologia PERC mainstream del settore. Le celle HJT combinano due diverse tecnologie in una: silicio cristallino e film sottile amorfo. L'uso combinato di queste tecnologie raccoglie più energia rispetto all'uso di una sola, raggiungendo efficienze del 25% o superiori.

Struttura della cella HJT

Utilizzando un wafer monocristallino come substrato, un film intrinseco di a-Si:H di 5–10 nm e quindi un film di a-Si:H di tipo p vengono depositati in sequenza sulla parte anteriore pulita e testurizzata del wafer, formando una eterogiunzione p-n. Sul retro del wafer, vengono depositati un film intrinseco di 5–10 nm e un film di a-Si:H di tipo n per formare un campo superficiale posteriore. Viene quindi depositato un film di ossido conduttivo trasparente e infine la serigrafia crea elettrodi collettori metallici sulla parte superiore di entrambi i lati, costruendo una cella solare HJT simmetrica.

Vantaggi delle celle HJT

• Flessibilità e adattabilità — Questa tecnologia è stata sviluppata per un'ottima capacità produttiva anche in condizioni meteorologiche estreme. I pannelli HJT hanno un coefficiente di temperatura inferiore rispetto ai pannelli convenzionali, garantendo prestazioni elevate a temperature esterne elevate.

• Durata prevista — In media, i moduli fotovoltaici a film sottile possono durare fino a 25 anni, mentre le celle HJT possono continuare a funzionare normalmente per più di 30 anni.

• Maggiore efficienza — La maggior parte dei pannelli a eterogiunzione oggi sul mercato hanno efficienze tra il 19,9% e il 21,7%, un enorme miglioramento rispetto ad altre celle monocristalline convenzionali.

• Risparmio sui costi — Il silicio amorfo utilizzato nei pannelli HJT è una tecnologia fotovoltaica economicamente vantaggiosa. Rispetto ad altre tecnologie, questo approccio solare a film sottile richiede tempi di produzione più brevi. Grazie al suo processo semplificato, l'HJT è più conveniente rispetto a soluzioni alternative.

Perovskite

Nel 2009, i materiali perovskite sono stati utilizzati per la prima volta per raggiungere un'efficienza fotovoltaica del 4%. Entro il 2021, le celle solari a perovskite a giunzione singola (PSC) hanno raggiunto un'efficienza del 25,5%. Il rapido miglioramento delle celle perovskite le ha rese una stella nascente nel campo fotovoltaico e ha suscitato grande interesse nel mondo accademico. Poiché i loro metodi operativi sono ancora relativamente nuovi, ci sono molte opportunità per studiare ulteriormente la fisica e la chimica sottostanti della perovskite.

Struttura della cella perovskite

La maggior parte delle strutture avanzate delle celle solari perovskite si basa su cinque componenti: un ossido conduttivo trasparente, uno strato di trasporto degli elettroni (ETL), la perovskite, uno strato di trasporto delle lacune (HTL) e un elettrodo metallico. Comprendere e ottimizzare i livelli energetici e le interazioni dei diversi materiali a queste interfacce è un'area di ricerca molto entusiasmante ancora in discussione attiva.

CaTiO3

La perovskite è il nome di un minerale, scoperto nel 1839 da Rose nei minerali rocciosi dei Monti Urali e chiamato così in onore del geologo russo Perovski. I materiali perovskite tendono ad avere una bassa probabilità di ricombinazione dei portatori e un'elevata mobilità dei portatori, rendendoli materiali ideali per le celle solari.

Metodi di formazione del film di perovskite

La chiave per migliorare l'efficienza di conversione di potenza delle celle solari perovskite risiede nell'ottimizzazione della morfologia del film. I metodi di formazione del film comunemente usati in laboratorio sono la deposizione in un unico passaggio o in due passaggi. Per soddisfare la domanda di film di perovskite a basso costo e su larga area, vengono utilizzate anche apparecchiature di lavorazione come rivestimento a fessura, stampa e spruzzatura per fabbricare celle solari perovskite.

Il futuro della perovskite

La ricerca futura sulla perovskite si concentrerà probabilmente sulla riduzione della ricombinazione attraverso strategie come la passivazione e la riduzione dei difetti, nonché sul miglioramento dell'efficienza incorporando perovskiti bidimensionali e materiali di interfaccia più ottimizzati. Gli strati di estrazione della carica potrebbero passare da materiali organici a inorganici per migliorare efficienza e stabilità. Migliorare la stabilità e ridurre l'impatto ambientale rimangono aree importanti.

Controllo qualità nella produzione di celle solari fotovoltaiche

Le celle fotovoltaiche in silicio cristallino sono le celle più comuni nei pannelli solari commerciali, rappresentando oltre il 90% delle vendite globali di celle fotovoltaiche.

In laboratorio, l'efficienza di conversione energetica delle celle in silicio cristallino supera il 25% per le celle monocristalline e raggiunge il 20% o più per le celle policristalline. Tuttavia, i moduli solari prodotti industrialmente raggiungono attualmente solo un'efficienza del 18%–22% in condizioni di test standard.

Pulizia e testurizzazione

L'incisione rimuove lo strato di danno superficiale e testurizza la superficie per formare una struttura testurizzata che intrappola la luce e riduce le perdite per riflessione. Misurare la riflettanza della superficie testurizzata è un mezzo importante per monitorare il processo di testurizzazione.

Formazione della giunzione per diffusione e isolamento dei bordi

La diffusione termica e metodi simili formano uno strato di diffusione di un diverso tipo di conducibilità sul wafer, creando la giunzione pn. Diversi tipi di celle depositano uno strato di passivazione di un certo spessore tra la giunzione pn e il wafer per ottenere una cella solare a film sottile più efficiente. Questo processo monitora principalmente il tempo di vita dei portatori minoritari, lo spessore del wafer e l'indice di rifrazione.

Deposizione del rivestimento antiriflesso

Per migliorare ulteriormente l'assorbimento della luce, viene applicata una pellicola antiriflesso sulla superficie del wafer. Attualmente, l'industria utilizza la deposizione chimica da vapore potenziata da plasma (PECVD) per depositare una pellicola sottile sul wafer, che funge contemporaneamente da strato di passivazione. In questa fase, le misurazioni principali sono la trasmittanza della pellicola antiriflesso e l'uniformità della resistenza di strato.

Fabbricazione degli elettrodi

Gli elettrodi a linee di griglia vengono stampati a schermo sul fronte della cella, mentre il campo posteriore e l'elettrodo posteriore vengono stampati sul retro, seguiti da essiccazione e sinterizzazione. Durante questo processo, il controllo della temperatura, la precisione dell'allineamento e il rapporto altezza/larghezza delle linee di griglia sono indicatori di monitoraggio indispensabili.

Il punto di vista di Ooitech

ooitech ritiene: TOPCon, HJT e perovskite spingono ciascuno l'efficienza delle celle solari a modo loro, e un rigoroso controllo di qualità della produzione è ciò che alla fine trasforma queste tecnologie in moduli affidabili e ad alte prestazioni.