Bagaimana untuk Memotong Sel Solar Berbilang Keping dengan Lebih Baik?

Jawapan pantas: Memotong sel penuh kepada separuh, satu pertiga atau kepingan yang lebih kecil meningkatkan kuasa modul dengan mengurangkan arus yang dibawa oleh setiap jalur, yang mengurangkan kehilangan rintangan dalam riben. Faedahnya berkurang apabila jalur menjadi lebih kecil, dan kos mekanikal meningkat. Tiga pendekatan mendominasi. Pengukiran laser diikuti dengan pemecahan mekanikal adalah yang terpantas dan memperkenalkan beban terma paling sedikit, tetapi kualiti tepi pecahan bergantung pada kedalaman ukiran. Pemotongan penuh laser memisahkan sel dengan pancaran sahaja dan memberikan tepi yang lebih bersih pada kelajuan yang lebih rendah. Pemisahan laser terma menggabungkan laser dengan langkah penyejukan supaya retakan merebak sepanjang laluan yang terkawal. Dimensi yang berkaitan merangkumi daripada panjang gelombang laser 532 nm melalui saiz ciri hampir 1 µm dan 20 µm hingga 100 µm, dan voltan jalur adalah rendah — sekitar 0.55 V — jadi keuntungan datang daripada rintangan, bukan daripada voltan.

Pembuatan Modul PV · oleh Jerry, Ooitech

Pengenalan

TOPCon, SHJ dan BC" title="Bagaimana untuk Memotong Sel Solar Berbilang Keping dengan Lebih Baik? Kebenaran Berlawanan Intuisi Tentang Kehilangan Tepi dalam sel n-type TOPCon, SHJ dan BC"/>

Mengejar kuasa modul yang lebih tinggi, jurutera sering memotong satu sel besar menjadi 1/2, 1/3 atau lebih "sel kecil", kemudian menyambung semula secara bersiri dan selari di dalam modul. Tujuannya adalah untuk mengurangkan arus dan mengecilkan kehilangan kuasa rintangan. Tetapi setiap potongan meninggalkan "luka" yang tidak dipasifkan di sepanjang tepi sel. Luka-luka itu menjadi perangkap pembawa, dan ia mengurangkan voltan litar terbuka (Voc) dan faktor isian (FF). Semakin kecil sub-sel, semakin teruk kehilangan penggabungan semula tepi ini.

Kaedah industri yang paling biasa hari ini, "goresan laser + pemecahan mekanikal" (L&C), meninggalkan kerosakan terma yang serius di sepanjang potongan. Dan selama bertahun-tahun bidang ini bersetuju dengan satu perkara: menggores pada sisi simpang p-n menyebabkan kerosakan paling teruk, jadi "sisi simpang p-n adalah punca utama kehilangan tepi". Kepercayaan itu melahirkan helah standard "menggores dari sisi n-n+ untuk melindungi simpang p-n".

Tetapi adakah "akal sehat" yang diterima umum itu benar-benar mencerminkan tingkah laku elektrik intrinsik simpang p-n? Atau adakah ia hanya artifak haba laser?

Penemuan Teras: Tingkah Laku Elektrik Intrinsik yang Memecahkan Konsensus

Pasukan penyelidik di institut FUNSOM Universiti Soochow menerbitkan kerja dalam Nano Energy menggunakan kaedah pemotongan kerosakan rendah baharu yang mereka panggil "pemecahan putaran 45°". Ia bijak mengelakkan kerosakan terma laser dan menyiasat tingkah laku elektrik intrinsik sebenar tepi simpang p-n. Kesimpulannya mengejutkan industri:

Di bawah pemotongan kerosakan rendah, kecekapan pengumpulan pembawa tepi pada sisi simpang p-n sebenarnya lebih tinggi daripada sisi n-n+. Dalam istilah mudah: menggores dari sisi simpang p-n adalah strategi industri yang lebih baik. Ini membalikkan amalan yang diterima selama dua puluh tahun.

Cara Membuka Tepi Sel Tanpa Mencederakannya

Untuk mengkaji "kelakuan elektrik intrinsik bagi persimpangan p-n", anda perlu terlebih dahulu menyelesaikan masalah yang sukar. Tradisional pemotongan laser meninggalkan lapisan yang dilebur semula dan pejal semula, serta keretakan mikro dan longgokan kerosakan terma di sepanjang tepi, dan semua itu mengaburkan sebarang pemerhatian terhadap persimpangan p-n dan kelakuan penggabungan semula permukaan. Pasukan itu mengambil jalan berbeza, menggunakan sifat pembelahan anisotropik kristal silikon untuk mencadangkan kaedah "pembelahan putaran 45°":

Langkah satu: putar wafer 45° dalam satah.

Langkah dua: pra-cakar garis cetek pada satah (100) dengan penanda berlian.

Langkah tiga: belah sepanjang keluarga satah {110} untuk mendapatkan keratan rentas yang rata pada tahap atom dan bebas daripada kerosakan haba.

Keratan rentas tepi yang diperoleh dengan cara ini mengekalkan integriti struktur dan elektriknya. Digabungkan dengan teknik pengimejan fotovoltan resolusi mikrometer, anda boleh mengimbas kelakuan elektrik berhampiran tepi titik demi titik, tanpa merosakkan simpang p-n.

Eksperimen menggunakan laser 532 nm (kedalaman penembusan kira-kira 1.3 µm), mencapai resolusi spatial kira-kira 1 µm di bawah objektif 50×, cukup jelas untuk menangkap kelakuan pereputan fotovoltan dalam lingkungan puluhan mikrometer dari tepi.

Penemuan Eksperimen

Rajah 1. Kesan pemotongan terhadap integriti simpang p-n (a, b), skema kaedah belahan putaran 45° (c, d), dan skema tiga struktur sel kecekapan tinggi (e-g).

Rajah 1a menunjukkan proses L&C tradisional yang menulis pada sisi simpang p-n: pertama laser mengukir alur pada permukaan sel (tanda Laser), kemudian daya mekanikal memecahkan sel. Rajah 1b ialah keratan rentas SEM tepi selepas pemotongan L&C. Anda dapat melihat dengan jelas bahagian itu terbahagi kepada dua zon. Bahagian atas ialah "kawasan ablasi laser", menunjukkan morfologi lebur semula dan padat semula yang jelas. Bahagian bawah ialah "kawasan pemisahan tegasan", yang terkoyak oleh daya mekanikal, meninggalkan banyak retakan mikro tidak teratur dan kolam lebur. Kerosakan haba ini adalah punca lonjakan arus bocor dan penurunan prestasi sel.

Perlu diperhatikan: apabila laser menulis pada sisi simpang p-n, simpang p-n itu sendiri musnah sepenuhnya oleh haba. Jadi "fenomena" yang selalu dilihat oleh industri, bahawa "sisi simpang p-n adalah kesesakan kehilangan tepi", sebenarnya adalah artifak kerosakan haba.

Rajah 1c menunjukkan kaedah belahan putaran 45° yang dicadangkan di sini: putar wafer 45° di sekeliling paksi dalam satah, calar satah (100) dengan penanda berlian, kemudian koyakkan sepanjang satah belahan {110}. Rajah 1d ialah imej SEM bagi tepi yang dibelah, bar skala 20 µm. Keratan rentasnya sangat rata dan bersih, langsung tiada kesan lebur, memelihara sepenuhnya struktur dan integriti elektrik simpang p-n. Itulah kunci untuk mengkaji "kelakuan intrinsik".

Kerja ini melihat tiga teknologi sel kecekapan tinggi jenis-n arus perdana: TOPCon, SHJ dan TBC. Mereka berkongsi ciri yang sama. Pada substrat c-Si jenis-n, mereka membawa kedua-dua simpang p-n (homo- atau heterosimpang) dan simpang tinggi-rendah n-n+. Jadi mengkaji kelakuan tepi mereka memberi panduan langsung untuk pengeluaran industri sebenar.

Rajah 2. Analisis fotovoltan tepi sisi hadapan sel TOPCon, SHJ dan TBC.

Rajah 2a menunjukkan laser 532 nm mengimbas dari tepi permukaan hadapan sel ke dalam, berfungsi dengan pentas ketepatan XY dan penguat elektrik untuk merekod isyarat fotovoltan dalam masa nyata, akhirnya membina peta fotovoltan 2D. Rajah 2b ialah imej fotovoltan sisi hadapan TOPCon, SHJ dan TBC (kiri ke kanan). Warna lebih cerah bermakna fotovoltan lebih tinggi. Ketiga-tiga sel menunjukkan "jalur kecerunan" yang jelas dalam ~100 µm dari tepi, fotovoltan lebih rendah semakin dekat dengan tepi. Itulah bukti langsung kehilangan penggabungan semula tepi.

Membandingkan ketiga-tiga: TOPCon mempunyai fotovoltan tertinggi (0.40–0.55 V) dan tepu paling cepat. TBC mempunyai yang terendah (0.36–0.49 V) dan mereput paling perlahan, bermakna penggabungan semula tepinya paling teruk. Keputusan ini bercanggah dengan tanggapan umum "simpang p-n ialah penghalang", kerana sisi hadapan (sisi menghadap cahaya) biasanya betul-betul tempat simpang p-n berada.

Rajah 2c menormalkan profil fotovoltan yang diekstrak sepanjang garis putus-putus hitam dalam Rajah 2b. Ketiga-tiga lengkung menunjukkan "rendah di tepi, tinggi di dataran tinggi", tetapi kelajuan tepu (yang mencerminkan panjang penggabungan semula tepi) berbeza dengan jelas:

• TOPCon: kawasan mereput paling pendek, hampir tepu dalam kira-kira 100 µm, kehilangan tepi paling kecil.

• SHJ: kawasan mereput sederhana, hampir tepu pada ~200 µm.

• TBC: pemulihan paling perlahan, menjangkau sehingga ~500 µm sebelum tepu sepenuhnya, kehilangan tepi paling teruk.

Rajah 2d menerangkan fizik di sebalik perbezaan tersebut. Lubang yang dijana foto akhirnya melakukan salah satu daripada dua perkara: dikumpul oleh elektrod, atau hanyut ke tepi dan bergabung semula.

TOPCon: pemancar di hadapan, laluan pengumpulan lubang ultra-pendek

Permukaan hadapan ialah pemancar p+. Lubang hanya perlu merentasi pemancar yang sangat nipis untuk dikumpul oleh elektrod hadapan, jadi kebanyakan lubang "tidak pernah berpeluang" untuk sampai ke tepi. Pada masa yang sama, medan kuat yang dibentuk oleh p+ emitter / SiOx / n-poly-Si kekal berkesan di tepi juga, dengan cepat memisahkan pembawa. Itulah sebab utama TOPCon mempunyai kehilangan tepi yang paling kecil.

SHJ: hadapan mengumpul elektron, lubang mengambil jalan panjang

Permukaan hadapan SHJ ialah n-a-Si:H, yang mengumpul elektron. Lubang perlu meresap sepanjang jalan ke p-a-Si:H belakang sebelum dapat dikumpul, laluan yang sangat panjang. Tambah lapisan TCO yang sangat konduktif bertindak seperti "lebuh raya", membawa banyak lubang secara sisi ke arah tepi, dan penggabungan semula tepi meningkat dengan ketara.

TBC: semua elektrod di belakang, pemusnahan total

Dalam TBC setiap elektrod terletak di belakang. Pembawa yang dijana di permukaan hadapan mesti bergerak secara sisi merentasi seluruh wafer untuk dikumpul. Lebih teruk lagi, lapisan pasif Al2O3 hadapan membawa banyak cas negatif tetap, mendorong lapisan pengumpulan lubang di permukaan Si dan membentuk "saluran pengalir lubang" yang menolak lubang lebih kuat ke arah tepi.

Nota ringkas: tingkah laku fotovoltan sisi hadapan terutamanya ditetapkan oleh dua perkara, "jarak pengumpulan pembawa" dan "sama ada saluran pengangkutan sisi wujud", dan ia tiada kaitan dengan arah simpang p-n itu sendiri.

Rajah 3. Analisis fotovoltan tepi sisi belakang sel TOPCon, SHJ dan TBC.

Rajah 3a melakar pengimbasan laser dari tepi sisi belakang. Rajah 3b ialah peta fotovoltan 2D yang sepadan. Berbanding dengan Rajah 2b, ketiga-tiga sel menunjukkan fotovoltan sisi belakang yang lebih rendah daripada sisi hadapan (kerana permukaan hadapan biasanya mempunyai reka bentuk anti-pantulan yang lebih baik dan penggunaan cahaya yang lebih tinggi). Rajah 3c mendedahkan sesuatu yang menarik: "pemenang" tepi sisi belakang menjadi TBC. Walaupun SHJ juga mempunyai simpang p-n di belakang, fotovoltan tepinya sebenarnya lebih rendah daripada TOPCon, yang seterusnya menunjukkan "kedudukan simpang p-n" bukan satu-satunya faktor yang menentukan kehilangan tepi. Rajah 3d melakar mekanisme pengangkutan pembawa minoriti sisi belakang. Bahagian belakang adalah istimewa: n-poly-Si belakang memegang kepekatan elektron yang tinggi, membentuk persekitaran medan kuat yang menekan lubang tetapi menggalakkan pengumpulan elektron.

Sisi belakang TOPCon: "laluan pantas" lubang ditindas

Kepekatan elektron yang tinggi dalam n-poli-Si belakang menyekat pengangkutan lubang. Lubang mesti merentasi keseluruhan substrat c-Si jenis-n untuk sampai ke pemancar p+ hadapan sebelum dikumpul. 'Pengangkutan jarak jauh' ini menjadikan fotovoltan sisi belakang secara amnya lebih rendah, tetapi ia juga mengurangkan bilangan lubang yang sampai ke tepi.

Sisi belakang SHJ: heterojunction adalah kuat, tetapi TCO ialah pedang bermata dua

Heterojunction n-type c-Si / p-a-Si:H SHJ sememangnya menawarkan pemisahan pembawa yang lebih kuat daripada TOPCon, tetapi TCOnya mempunyai rintangan sisi yang rendah dan masih 'litar pintas' sebahagian besar lubang ke tepi. Hasilnya: keupayaan pemisahan yang kuat tidak sama dengan kehilangan tepi yang kecil.

Sisi belakang TBC: HSC lubang berada betul-betul di belakang, kelebihan gelanggang sendiri

HSC sisi belakang TBC menghadap terus lubang fotogenerasi. Pembawa dikumpul terus di belakang, jadi lebih sedikit yang mengalir ke tepi, dan fotovoltan sisi belakang tepu paling cepat.

Nota ringkas: tingkah laku fotovoltan sisi belakang menunjukkan trend 'terbalik' berbanding hadapan. TBC paling teruk di hadapan tetapi paling baik di belakang, menunjukkan bahawa 'sisi mana yang menghadap cahaya' lebih penting daripada 'sisi mana yang merupakan simpang p-n'.

Rajah 4. Model taburan fotovoltan keratan rentas sel TOPCon dan SHJ.

Jika Rajah 2 dan 3 melihat tepi "dari sisi", maka Rajah 4 menghirisnya "secara melintang". Laser mengimbas terus pada keratan rentas, jadi anda melihat keseluruhan tingkah laku elektrik dari simpang p-n ke n-n+ dalam satu tangkapan. Ini adalah bahagian paling asli dalam kajian ini. Rajah 4a ialah peta voltan foto keratan rentas TOPCon, dari kiri ke kanan bahagian hadapan (pengeluar p+ / simpang p-n) dan bahagian belakang (n-poli-Si / simpang n-n+). Anda boleh lihat bahagian kiri (simpang p-n) lebih cerah secara keseluruhan, dan bahagian kanan (n-n+) lebih gelap. Lengkung yang diekstrak dalam Rajah 4b sangat jelas: dari sisi simpang p-n ke sisi n-n+, voltan foto menurun secara monoton, dengan keseluruhan kawasan pereputan sekitar 100 µm. Hasil ini secara tegas menolak pandangan tradisional bahawa "simpang p-n adalah hambatan kehilangan tepi", kerana dalam keadaan kerosakan rendah, sisi simpang p-n sebaliknya adalah zon voltan foto tinggi. Rajah 4c memberikan sebab fizikal: pada sisi simpang p-n (pengeluar p+) pembawa minoriti (lubang) hanya bergerak jarak pendek untuk dikumpul, manakala pada sisi n-n+ (kawasan n-poli-Si) lubang mesti merentasi keseluruhan c-Si jenis-n untuk mencapai pengeluar p+, laluan panjang dengan kebarangkalian penggabungan semula tinggi, jadi kehilangan lebih besar. Rajah 4d–f menunjukkan trend yang sama pada sel SHJ: dari simpang p-n belakang (p-a-Si:H / n-c-Si) ke simpang n-n+ hadapan (i/n-a-Si:H / n-c-Si), voltan foto sekali lagi menurun secara monoton. Keteraturan ini yang berlaku merentasi struktur sel yang berbeza adalah salah satu hujah teras kajian ini.

Untuk menerangkan ini secara kuantitatif, pasukan memperoleh model resapan pembawa minoriti satu dimensi. Rajah 4g ialah skema model, menunjukkan lengkung (oren) mereput secara monoton dari sisi simpang p-n (sentuhan pemilih lubang, HSC) ke arah sisi ESC (sentuhan pemilih elektron, ESC). Rajah 4h seterusnya membandingkan tingkah laku pembawa pada sisi HSC dan ESC:

• Sisi HSC: pembawa minoriti (lubang) dikumpul dalam jarak pendek, kebarangkalian penggabungan semula rendah.

• Sisi ESC: pembawa minoriti mesti meresap jarak jauh untuk mencapai HSC, bergabung semula dengan banyak sepanjang perjalanan.

• Mekanisme pemisahan pembawa simpang p-n mempunyai faedah berganda sentuhan terdop berat ditambah sentuhan pasif, lebih cekap daripada simpang tinggi-rendah biasa (n-n+).

Nota ringkas: model voltan foto keratan rentas mengesahkan secara kuantitatif bahawa "prestasi elektrik sisi simpang p-n mengatasi sisi n-n+", dan mencadangkan "panjang resapan pembawa minoriti L" sebagai metrik baharu untuk menilai kehilangan tepi.

Rajah 5. Analisis voltan foto keratan rentas sel TOPCon yang dibuat oleh kaedah pemisahan laser terma industri (TLS).

Untuk memeriksa sama ada kesimpulan daripada kaedah belahan 45° terpakai untuk pemotongan industri, pasukan menggunakan kaedah "pemisahan laser terma" (TLS) (Rajah 5a) — pertama laser merawat awal sisi simpang p-n (Pra-alur dalam rajah), kemudian air penyejuk membantu pemisahan. TLS adalah salah satu teknik pemotongan kerosakan rendah yang diiktiraf hari ini. Rajah 5b ialah imej fotovoltan keratan rentas TOPCon selepas pemotongan TLS: sisi kiri (simpang p-n) jelas lebih cerah daripada sisi kanan (n-n+). Lengkung kuantitatif dalam Rajah 5c menunjukkan bahawa dari simpang p-n ke sisi belakang, fotovoltan masih menurun secara monoton, sepenuhnya konsisten dengan hasil belahan 45°.

Pengesahan utama: walaupun dengan kaedah TLS industri (menghiris terus dari sisi simpang p-n), fotovoltan masih menunjukkan trend "simpang p-n tinggi, n-n+ rendah". Ini menunjukkan bahawa di bawah pemotongan kerosakan rendah, "simpang p-n" bukanlah penghalang sama sekali, tetapi sebaliknya tempat kelebihannya. Pengalaman industri terdahulu bahawa "sisi simpang p-n berprestasi lebih baik" dalam pemotongan TLS akhirnya disahkan oleh kedua-dua eksperimen dan teori.

Rajah 6. Analisis fotovoltan keratan rentas sel TBC dan THBC, serta skema strategi pemotongan simpang p-n kerosakan rendah.

Rajah 6a dan 6b ialah imej fotovoltan keratan rentas sel TBC dan THBC. TBC mempunyai fotovoltan tertinggi, 0.39 V, dan THBC sedikit lebih rendah (0.21 V), tetapi kedua-duanya menunjukkan taburan spatial yang jelas "simpang p-n cerah, n-n+ gelap". Lengkung yang diekstrak dalam Rajah 6c dan 6d mengikut corak yang sama seperti Rajah 4: penurunan monoton dari simpang p-n ke arah n-n+. Perlu disebutkan secara khusus ialah inset kecil dalam Rajah 6c: "taburan arah" fotovoltan untuk setiap struktur sel menunjukkan corak "padat di kiri atas, jarang di kanan bawah", bermakna kelebihan elektrik sisi simpang p-n adalah universal merentas struktur dan proses. Rajah 6e menerangkan apa yang menjadikan sel belakang-sentuh istimewa: HSC mengumpul lubang "berdekatan" di belakang, dan ESC mengumpul elektron "berdekatan" di belakang. Pembawa minoriti (lubang) yang dijana dalam kawasan simpang p-n hanya perlu jarak pendek untuk mencapai HSC, jadi kehilangan adalah kecil; pembawa minoriti dalam kawasan n-n+ perlu menempuh perjalanan jauh, jadi kehilangan lebih besar. Corak ini sepadan dengan TOPCon dan SHJ dengan tepat. Berdasarkan semua bukti ini, pasukan mencadangkan strategi pemotongan baharu dalam Rajah 6f:

Cadangan industri

Di bawah pemotongan kerosakan rendah (seperti TLS), anda harus mengiris dari sisi simpang p-n. Sebab: sisi simpang p-n mempunyai kecekapan pemisahan pembawa yang lebih tinggi serta laluan pengangkutan pembawa minoriti yang lebih pendek. Walaupun di bawah beberapa gangguan proses, ia mengekalkan prestasi elektrik yang baik. Cadangan ini membalikkan amalan industri selama dua puluh tahun 'elakkan menyentuh simpang p-n'.

Pandangan Ooitech

Sejujurnya ini adalah salah satu penemuan yang secara senyap menulis semula tabiat peringkat baris dan bukannya spesifikasi utama. Pengambilan untuk sesiapa yang menjalankan baris jenis-n: padankan resipi pemotongan laser anda dengan fizik pembawa sel itu sendiri, dan jangan buta meletakkan penggores pada sisi n-n+ hanya kerana itu peraturan lama. Pemisahan kerosakan rendah (gaya TLS) adalah pemangkin sebenar di sini, dan menala proses itu pada mesin pemotongan laser sel solar adalah tepat di mana pengeluar modul memperoleh atau kehilangan Voc dan FF sebenar. Kami membina stesen pemotongan dan penyambungan kami untuk memastikan kerosakan tepi rendah merentas format TOPCon, SHJ dan BC, jadi penyelidikan seperti ini memetakan terus ke pengeluaran. Jika anda ingin melihat bagaimana langkah-langkah ini kelihatan pada baris yang berjalan, saluran YouTube Ooitech di www.youtube.com/ooitech patut diikuti.