Inleiding

Fotovoltaïsche zonnetechnologie is de afgelopen tien jaar snel geëvolueerd, waarbij verschillende concurrerende celarchitecturen de efficiëntie naar nieuwe hoogten hebben gestuwd. Dit artikel behandelt de fundamentele werkingsprincipes van zonnecellen, bespreekt vervolgens de drie belangrijkste volgende generatie technologieën die de industrie vandaag de dag vormgeven, en sluit af met een blik op kwaliteitscontrole bij celproductie.

Hoe zonne-PV-cellen werken

Een zonnecel zet licht om in elektriciteit, maar niet alle invallende fotonen dragen evenveel bij. Begrijpen waar energie verloren gaat, is de eerste stap naar het bouwen van betere cellen.

• Fotonen met energie onder de bandafstand worden niet geabsorbeerd en gaan gewoon door de cel heen.

• Fotonen met energie boven de bandafstand worden geabsorbeerd en genereren elektron-gatparen, maar de overtollige energie van hoogenergetische fotonen gaat gedeeltelijk verloren als warmte.

• Ladingscheiding en transport van de gegenereerde dragers leiden tot verliezen bij de pn-overgang.

• Recombinatieverliezen treden op tijdens dragertransport.

• Contactweerstand veroorzaakt een spanningsval, wat leidt tot contactspanningsverliezen.

Vermindering van elektrische verliezen

• Kies wafers met een goede kristalstructuur en het juiste type.

• Ontwikkel ideale technieken voor het vormen van pn-overgangen.

• Ontwikkel ideale passivatietechnieken.

• Pas redelijke metaalcontacttechnieken toe.

• Pas uitstekende front-surface en back-surface veldtechnologieën toe.

Vermindering van optische verliezen

Om optische verliezen te verminderen en de celrendement te verhogen, heeft de industrie een reeks lichtvangende benaderingen en technologieën ontwikkeld. Deze omvatten oppervlaktetexturering van de wafer om reflectie te verminderen, antireflectiecoatings aan de voorzijde, reflecterende coatings aan de achterzijde en het minimaliseren van het schaduwgebied van de rasterlijnen.

TOPCon

TOPCon, ook bekend als gepassiveerde contacttechnologie, wordt algemeen beschouwd als de volgende generatie zonneceltechnologie na PERC. Vergeleken met andere potentiële nieuwe technologieën zoals HJT en IBC, kan TOPCon direct worden geüpgraded van bestaande PERC- of PERT-lijnen. Als gevolg hiervan hebben fabrikanten die hun bestaande productielijnen willen upgraden een relatief lage kapitaalinvestering nodig, terwijl ze toch een solide rendementswinst van ongeveer 1% behalen.

De voorzijde van een TOPCon-cel is in wezen hetzelfde als een conventionele N-type of N-PERT-cel, bestaande uit een boor (p+) emitter, een passivatielaag en een antireflectielaag. De kerntechnologie ligt in het gepassiveerde contact aan de achterzijde: de achterkant van de wafer draagt een ultradunne oxidelaag (1–2 nm) plus een met fosfor gedoteerde micro/amorfe gemengde silicium dunne film. Voor bifaciale toepassingen wordt metallisatie uitgevoerd door zeefdruk van Ag- of Ag-Al-raster aan de voorzijde en Ag-raster aan de achterzijde.

Tunneloxide gepassiveerd contact

Tunneloxide gepassiveerd contact (TOPCon) heeft recentelijk veel aandacht getrokken omdat het een hoog conversierendement van 25,7% behaalt. De TOPCon-structuur bestaat uit een dun tunneloxide en een met fosfor (P) gedoteerde polysilicium contactlaag. De P-gedoteerde polysiliciumlaag kan worden vervaardigd door a-Si:H te kristalliseren of door polysilicium direct te deponeren met LPCVD. TOPCon onderscheidt zich als een veelbelovende kandidaat onder de hoogrenderende zonneceltechnologieën.

HJT Heterojunctie

Heterojunctietechnologie (HJT) is een productiemethode voor zonnepanelen die de afgelopen tien jaar in opkomst is. Het is momenteel een van de meest effectieve processen om rendement en vermogen naar hoge niveaus te tillen, zelfs beter dan de prestaties van de gangbare PERC-technologie in de industrie. HJT-cellen combineren twee verschillende technologieën in één: kristallijn silicium en amorfe dunne film. Het samen gebruiken van deze technologieën levert meer energie op dan het gebruik van elk afzonderlijk, met rendementen van 25% of hoger.

HJT Celstructuur

Met behulp van een monokristallijn wafer als substraat worden een intrinsieke a-Si:H-film van 5–10 nm en vervolgens een p-type a-Si:H-film achtereenvolgens afgezet op de gereinigde en getextureerde voorkant van de wafer, waardoor een p-n-heterojunctie ontstaat. Op de achterkant van de wafer worden een intrinsieke film van 5–10 nm en een n-type a-Si:H-film afgezet om een achteroppervlakveld te vormen. Vervolgens wordt een transparante geleidende oxidefilm afgezet, en ten slotte worden via zeefdruk metalen collector-elektroden op de bovenkant van beide zijden aangebracht, waardoor een symmetrische HJT-zonnecel wordt gebouwd.

Voordelen van HJT-cellen

• Flexibiliteit en aanpasbaarheid — Deze technologie is ontwikkeld voor uitstekende productiecapaciteit, zelfs onder extreme weersomstandigheden. HJT-panelen hebben een lagere temperatuurcoëfficiënt dan conventionele panelen, wat zorgt voor hoge prestaties bij hoge buitentemperaturen.

• Verwachte levensduur — Gemiddeld kunnen dunnefilm-PV-modules tot 25 jaar meegaan, terwijl HJT-cellen meer dan 30 jaar normaal kunnen blijven functioneren.

• Hogere efficiëntie — De meeste heterojunctiepanelen op de markt hebben tegenwoordig een efficiëntie tussen 19,9% en 21,7%, een enorme verbetering ten opzichte van andere conventionele monokristallijne cellen.

• Kostenbesparing — Het amorfe silicium dat in HJT-panelen wordt gebruikt, is een kosteneffectieve PV-technologie. Vergeleken met andere technologieën vereist deze dunnefilm-zonnebenadering een kortere productietijd. Dankzij het vereenvoudigde proces is HJT betaalbaarder dan alternatieve oplossingen.

Perovskiet

In 2009 werden perovskietmaterialen voor het eerst gebruikt om een fotovoltaïsch rendement van 4% te bereiken. In 2021 bereikten enkelvoudige perovskietzonnecellen (PSC) een rendement van 25,5%. De snelle verbetering van perovskietcellen heeft ze tot een rijzende ster in het PV-veld gemaakt en heeft grote belangstelling gewekt in de academische wereld. Omdat hun werkingsmethoden nog relatief nieuw zijn, is er volop gelegenheid om de onderliggende fysica en chemie van perovskiet verder te bestuderen.

Perovskietcelstructuur

De meest geavanceerde perovskietzonnecelstructuren zijn gebaseerd op vijf componenten: een transparant geleidend oxide, een elektronentransportlaag (ETL), het perovskiet, een gaten transportlaag (HTL) en een metaalelektrode. Het begrijpen en optimaliseren van de energieniveaus en interacties van verschillende materialen op deze grensvlakken is een zeer opwindend onderzoeksgebied dat nog steeds actief wordt besproken.

CaTiO3

Perovskiet is de naam van een mineraal, ontdekt in 1839 door Rose in de gesteentemineralen van het Oeralgebergte en vernoemd naar de Russische geoloog Perovski. Perovskietmaterialen hebben doorgaans een lage recombinatiekans van ladingsdragers en een hoge ladingsdragermobiliteit, waardoor ze ideale materialen zijn voor zonnecellen.

Methoden voor de vorming van perovskietfilms

De sleutel tot het verbeteren van de energieconversie-efficiëntie van perovskietzonnecellen ligt in het optimaliseren van de filmmorfologie. De in het laboratorium veelgebruikte filmvormingsmethoden zijn een- of tweestapsprocesdepositie. Om te voldoen aan de vraag naar grootschalige, goedkope perovskietfilms worden ook verwerkingsapparatuur zoals slot-die coating, printen en spuiten gebruikt om perovskietzonnecellen te fabriceren.

De toekomst van perovskiet

Toekomstig onderzoek naar perovskiet zal zich waarschijnlijk richten op het verminderen van recombinatie door strategieën zoals passivering en defectreductie, evenals het verbeteren van de efficiëntie door het opnemen van tweedimensionale perovskieten en meer geoptimaliseerde interfacematerialen. Ladingsafvoerlagen kunnen verschuiven van organische naar anorganische materialen om de efficiëntie en stabiliteit te verbeteren. Het verbeteren van de stabiliteit en het verminderen van de milieu-impact blijven belangrijke aandachtspunten.

Kwaliteitscontrole bij de productie van zonne-PV-cellen

Kristallijne silicium PV-cellen zijn de meest voorkomende cellen in commerciële zonnepanelen en zijn goed voor meer dan 90% van de wereldwijde verkoop van PV-cellen.

In het laboratorium overschrijdt de energieconversie-efficiëntie van kristallijne siliciumcellen 25% voor monokristallijne cellen en bereikt 20% of meer voor polykristallijne cellen. Industrieel geproduceerde zonnepanelen halen echter momenteel slechts 18%–22% efficiëntie onder standaard testomstandigheden.

Reinigen en textureren

Etsen verwijdert de oppervlaktebeschadigingslaag en textureert het oppervlak om een getextureerde structuur te vormen die licht opvangt en reflectieverliezen vermindert. Het meten van de reflectie van het getextureerde oppervlak is een belangrijk middel om het textureringsproces te bewaken.

Diffusieverbindingvorming en randisolatie

Thermische diffusie en soortgelijke methoden vormen een diffusielaag van een ander geleidingstype op de wafer, waardoor de pn-overgang ontstaat. Verschillende celtypen deponeren een passivatielaag van een bepaalde dikte tussen de pn-overgang en de wafer om een efficiëntere dunnefilmzonnecel te verkrijgen. Dit proces bewaakt voornamelijk de levensduur van minderheidsladingsdragers, de waferdikte en de brekingsindex.

Depositie van antireflectiecoating

Om de lichtabsorptie verder te verbeteren, wordt een antireflectiefilm over het waferoppervlak aangebracht. Momenteel gebruikt de industrie plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) om een dunne film op de wafer te deponeren, die tegelijkertijd als passivatielaag fungeert. In dit stadium worden voornamelijk de transmissie van de antireflectiefilm en de uniformiteit van de plaatweerstand gemeten.

Elektrodevervaardiging

Roosterlijnelektroden worden op de voorkant van de cel zeefgedrukt, terwijl het achteroppervlakveld en de achterelektrode op de achterkant worden gedrukt, gevolgd door drogen en sinteren. Tijdens dit proces zijn temperatuurregeling, uitlijnnauwkeurigheid en de hoogte-breedteverhouding van de roosterlijnen onmisbare bewakingsindicatoren.

Ooitech's Visie

ooitech gelooft: TOPCon, HJT en perovskiet verhogen elk op hun eigen manier de efficiëntie van zonnecellen, en strenge kwaliteitscontrole tijdens de productie is wat deze technologieën uiteindelijk omzet in betrouwbare, hoogwaardige modules.