Hiểu rõ ba công nghệ pin quang điện chính:

Câu trả lời nhanh: Ba công nghệ pin quang điện chính đang được sản xuất hiện nay là PERC, TOPCon và dị thể (HJT), với các kiến trúc tiếp xúc mặt sau tạo thành một họ thứ tư được xây dựng dựa trên chúng. Chúng được phân biệt bởi những gì xảy ra ở bề mặt pin thay vì bởi tấm silicon, vốn nhìn chung là cùng một loại vật liệu loại N hoặc loại P trong mỗi trường hợp. PERC bổ sung một lớp thụ động hóa và các tiếp xúc mặt sau cục bộ vào một pin loại p. TOPCon thay thế mặt sau bằng một lớp oxit đường hầm siêu mỏng — khoảng 2 nm — bên dưới một lớp polysilicon pha tạp dày khoảng 10 nm, lớp này thụ động hóa bề mặt và cho phép các hạt tải điện xuyên hầm qua. HJT lắng đọng các lớp silicon vô định hình mỏng trên cả hai mặt và cần nhiệt độ xử lý thấp hơn. Những khác biệt này thể hiện ở hiệu suất, hệ số nhiệt độ, khả năng tương thích dây chuyền và chi phí, và mỗi yếu tố đều định hướng lựa chọn thiết bị của nhà sản xuất.

Sản xuất mô-đun PV · bởi Jerry, Ooitech

Giới thiệu

Công nghệ quang điện mặt trời đã phát triển nhanh chóng trong thập kỷ qua, với nhiều kiến trúc pin cạnh tranh đẩy hiệu suất lên tầm cao mới. Bài viết này trình bày nguyên lý hoạt động cơ bản của pin mặt trời, sau đó phân tích ba công nghệ thế hệ tiếp theo chính định hình ngành công nghiệp hiện nay, và kết thúc bằng cái nhìn về kiểm soát chất lượng trong sản xuất pin.

Cách pin quang điện mặt trời hoạt động

Pin mặt trời chuyển đổi ánh sáng thành điện năng, nhưng không phải tất cả photon tới đều đóng góp như nhau. Hiểu được nơi năng lượng bị mất đi là bước đầu tiên để tạo ra pin tốt hơn.

• Các photon có năng lượng dưới dải cấm không bị hấp thụ và chỉ đi xuyên qua pin.

• Các photon có năng lượng trên dải cấm được hấp thụ và tạo ra cặp electron-lỗ trống, nhưng năng lượng dư thừa của photon năng lượng cao bị mất một phần dưới dạng nhiệt.

• Sự tách điện tích và vận chuyển các hạt tải được tạo ra gây tổn thất tại chuyển tiếp pn.

• Tổn thất tái hợp xảy ra trong quá trình vận chuyển hạt tải.

• Điện trở tiếp xúc gây sụt áp, dẫn đến tổn thất điện áp tiếp xúc.

TOPCon, HJT, and Perovskite"/>

Giảm tổn thất điện

• Chọn wafer có cấu trúc tinh thể tốt và đúng loại.

• Phát triển kỹ thuật tạo chuyển tiếp pn lý tưởng.

• Phát triển kỹ thuật thụ động hóa lý tưởng.

• Áp dụng kỹ thuật tiếp xúc kim loại hợp lý.

• Ứng dụng công nghệ trường bề mặt trước và bề mặt sau xuất sắc.

Giảm tổn thất quang học

Để cắt giảm tổn thất quang học và nâng cao hiệu suất pin, ngành công nghiệp đã phát triển một loạt phương pháp và công nghệ bẫy ánh sáng. Bao gồm tạo kết cấu bề mặt wafer để giảm phản xạ, lớp phủ chống phản xạ bề mặt trước, lớp phủ phản xạ bề mặt sau, và giảm thiểu diện tích che bóng của đường lưới.

TOPCon

TOPCon, còn được gọi là công nghệ tiếp xúc thụ động, được coi rộng rãi là công nghệ pin mặt trời thế hệ tiếp theo sau PERC. So với các công nghệ mới tiềm năng khác như HJT và IBC, TOPCon có thể được nâng cấp trực tiếp từ các dây chuyền PERC hoặc PERT hiện có. Kết quả là, các nhà sản xuất muốn nâng cấp dây chuyền sản xuất hiện có cần đầu tư vốn tương đối thấp, mà vẫn đạt được mức tăng hiệu suất đáng kể khoảng 1%.

Mặt trước của pin TOPCon về cơ bản giống như pin loại N hoặc N-PERT thông thường, bao gồm lớp phát xạ boron (p+), lớp thụ động hóa và lớp chống phản xạ. Công nghệ cốt lõi nằm ở tiếp xúc thụ động mặt sau: mặt sau của wafer có lớp oxit siêu mỏng (1–2 nm) cộng với màng mỏng silicon hỗn hợp vi tinh thể/vô định hình pha tạp phốt pho. Đối với ứng dụng hai mặt, kim loại hóa được thực hiện bằng cách in lưới Ag hoặc Ag-Al ở mặt trước và lưới Ag ở mặt sau.

Tunnel Oxide Passivated Contact

Tiếp xúc thụ động oxit đường hầm (TOPCon) đã thu hút sự chú ý đáng kể gần đây vì đạt được hiệu suất chuyển đổi cao 25,7%. Cấu trúc TOPCon bao gồm một lớp oxit đường hầm mỏng và một lớp tiếp xúc polysilicon pha tạp phốt pho (P). Lớp polysilicon pha tạp P có thể được chế tạo bằng cách kết tinh a-Si:H hoặc bằng cách lắng đọng polysilicon trực tiếp sử dụng LPCVD. TOPCon nổi bật như một ứng viên đầy triển vọng trong các công nghệ pin mặt trời hiệu suất cao.

Dị thể HJT

Công nghệ dị thể (HJT) là một phương pháp sản xuất tấm pin mặt trời đã phát triển trong thập kỷ qua. Hiện nay đây là một trong những quy trình hiệu quả nhất để đẩy hiệu suất và sản lượng điện lên mức cao, thậm chí vượt qua hiệu suất của công nghệ PERC chủ đạo trong ngành. Pin HJT kết hợp hai công nghệ khác nhau vào một: silicon tinh thể và màng mỏng vô định hình. Sử dụng các công nghệ này cùng nhau thu được nhiều năng lượng hơn so với dùng riêng lẻ, đạt hiệu suất 25% hoặc cao hơn.

Cấu trúc pin HJT

Sử dụng wafer đơn tinh thể làm chất nền, một màng a-Si:H nội tại dày 5–10 nm và sau đó một màng a-Si:H loại p được lắng đọng lần lượt trên mặt trước đã được làm sạch và tạo kết cấu của wafer, tạo thành dị thể p-n. Ở mặt sau của wafer, một màng nội tại dày 5–10 nm và một màng a-Si:H loại n được lắng đọng để tạo thành trường bề mặt sau. Sau đó một màng oxit dẫn điện trong suốt được lắng đọng, và cuối cùng in lưới tạo ra các điện cực thu kim loại trên đỉnh cả hai mặt, xây dựng một pin mặt trời HJT đối xứng.

Ưu điểm của pin HJT

• Tính linh hoạt và khả năng thích ứng — Công nghệ này được phát triển để có khả năng sản xuất xuất sắc ngay cả trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt. Tấm pin HJT có hệ số nhiệt độ thấp hơn tấm pin thông thường, đảm bảo hiệu suất cao ở nhiệt độ bên ngoài cao.

• Tuổi thọ dự kiến — Trung bình, mô-đun PV màng mỏng có thể kéo dài đến 25 năm, trong khi pin HJT có thể tiếp tục hoạt động bình thường hơn 30 năm.

• Hiệu suất cao hơn — Hầu hết các tấm pin dị thể trên thị trường hiện nay có hiệu suất từ 19,9% đến 21,7%, một cải thiện lớn so với các pin đơn tinh thể thông thường khác.

• Tiết kiệm chi phí — Silicon vô định hình được sử dụng trong tấm pin HJT là một công nghệ PV hiệu quả về chi phí. So với các công nghệ khác, phương pháp pin mặt trời màng mỏng này yêu cầu thời gian sản xuất ngắn hơn. Nhờ quy trình đơn giản hóa, HJT có giá cả phải chăng hơn so với các giải pháp thay thế.

Perovskite

Năm 2009, vật liệu perovskite lần đầu tiên được sử dụng để đạt hiệu suất quang điện 4%. Đến năm 2021, pin mặt trời perovskite đơn chuyển tiếp (PSC) đạt hiệu suất 25,5%. Sự cải thiện nhanh chóng của pin perovskite đã khiến chúng trở thành ngôi sao đang lên trong lĩnh vực PV và khơi dậy sự quan tâm lớn trong giới học thuật. Vì phương thức hoạt động của chúng vẫn còn tương đối mới, có nhiều cơ hội để nghiên cứu sâu hơn về vật lý và hóa học cơ bản của perovskite.

Cấu trúc pin Perovskite

Hầu hết các cấu trúc pin mặt trời perovskite tiên tiến đều dựa trên năm thành phần: một oxit dẫn điện trong suốt, một lớp vận chuyển electron (ETL), perovskite, một lớp vận chuyển lỗ trống (HTL) và một điện cực kim loại. Việc hiểu và tối ưu hóa các mức năng lượng và tương tác của các vật liệu khác nhau tại các giao diện này là một lĩnh vực nghiên cứu rất thú vị vẫn đang được thảo luận sôi nổi.

CaTiO3

Perovskite là tên của một khoáng vật, được Rose phát hiện năm 1839 trong các khoáng vật đá ở dãy núi Ural và được đặt theo tên nhà địa chất học người Nga Perovski. Vật liệu perovskite có xu hướng có xác suất tái hợp hạt tải thấp và độ linh động hạt tải cao, khiến chúng trở thành vật liệu lý tưởng cho pin mặt trời.

Các phương pháp tạo màng perovskite

Chìa khóa để cải thiện hiệu suất chuyển đổi năng lượng của pin mặt trời perovskite nằm ở việc tối ưu hóa hình thái màng. Các phương pháp tạo màng thường được sử dụng trong phòng thí nghiệm là lắng đọng theo quy trình một bước hoặc hai bước. Để đáp ứng nhu cầu về màng perovskite diện tích lớn, chi phí thấp, các thiết bị xử lý như phủ khe (slot-die), in và phun cũng được sử dụng để chế tạo pin mặt trời perovskite.

Tương lai của perovskite

Nghiên cứu trong tương lai về perovskite có khả năng tập trung vào việc giảm tái hợp thông qua các chiến lược như thụ động hóa và giảm khuyết tật, cũng như cải thiện hiệu suất bằng cách kết hợp perovskite hai chiều và các vật liệu giao diện được tối ưu hóa hơn. Các lớp trích xuất điện tích có thể chuyển từ vật liệu hữu cơ sang vô cơ để cải thiện hiệu suất và độ ổn định. Nâng cao độ ổn định và giảm tác động môi trường vẫn là những lĩnh vực quan trọng.

Kiểm soát chất lượng trong sản xuất pin quang điện mặt trời

Pin quang điện silicon tinh thể là loại pin phổ biến nhất trong các tấm pin mặt trời thương mại, chiếm hơn 90% doanh số thị trường pin quang điện toàn cầu.

Trong phòng thí nghiệm, hiệu suất chuyển đổi năng lượng của pin silicon tinh thể vượt 25% đối với pin đơn tinh thể và đạt 20% trở lên đối với pin đa tinh thể. Tuy nhiên, các mô-đun mặt trời sản xuất công nghiệp hiện chỉ đạt hiệu suất 18%–22% trong điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn.

Làm sạch và tạo nhám bề mặt

Ăn mòn loại bỏ lớp hư hỏng bề mặt và tạo nhám bề mặt để hình thành cấu trúc nhám giữ ánh sáng và giảm tổn thất phản xạ. Đo độ phản xạ của bề mặt nhám là một phương tiện quan trọng để giám sát quá trình tạo nhám.

Tạo tiếp giáp khuếch tán và cách ly cạnh

Khuếch tán nhiệt và các phương pháp tương tự tạo thành một lớp khuếch tán có loại độ dẫn khác trên tấm wafer, tạo ra tiếp giáp pn. Các loại pin khác nhau lắng đọng một lớp thụ động hóa có độ dày nhất định giữa tiếp giáp pn và tấm wafer để có được pin mặt trời màng mỏng hiệu quả hơn. Quá trình này chủ yếu giám sát thời gian sống của hạt tải thiểu số, độ dày tấm wafer và chiết suất.

Lắng đọng lớp phủ chống phản xạ

Để cải thiện thêm khả năng hấp thụ ánh sáng, một màng chống phản xạ được phủ lên bề mặt tấm wafer. Hiện nay, ngành công nghiệp sử dụng lắng đọng hơi hóa học tăng cường plasma (PECVD) để lắng đọng một màng mỏng trên tấm wafer, đồng thời đóng vai trò là lớp thụ động hóa. Ở giai đoạn này, các phép đo chính là độ truyền qua của màng chống phản xạ và độ đồng đều của điện trở tấm.

Chế tạo điện cực

Các điện cực dạng lưới được in lụa trên mặt trước của pin, trong khi trường bề mặt sau và điện cực sau được in ở mặt sau, sau đó sấy khô và thiêu kết. Trong quá trình này, kiểm soát nhiệt độ, độ chính xác căn chỉnh và tỷ lệ chiều cao trên chiều rộng của các đường lưới là những chỉ số giám sát không thể thiếu.

Quan điểm của Ooitech

ooitech tin rằng: TOPCon, HJT và perovskite mỗi loại đều thúc đẩy hiệu suất pin mặt trời theo cách riêng của chúng, và kiểm soát chất lượng sản xuất nghiêm ngặt chính là yếu tố cuối cùng biến những công nghệ này thành các mô-đun đáng tin cậy, hiệu suất cao.