Giới thiệu

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

Cách Pin Mặt Trời PV Hoạt Động

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

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

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

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

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

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

Giảm Tổn Thất Điện

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

• Phát triển các kỹ thuật hình thành tiếp giáp pn lý tưởng.

• Phát triển các kỹ thuật thụ động hóa lý tưởng.

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

• Áp dụng các công nghệ trường bề mặt trước và sau tuyệt vời.

Giảm Tổn Thất Quang Học

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

TOPCon

TOPCon, còn được gọi là công nghệ tiếp xúc thụ động, được coi rộng rãi là công nghệ tế bào năng lượng 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. Do đó, các nhà sản xuất muốn nâng cấp dây chuyền sản xuất hiện tại cần đầu tư vốn tương đối thấp, trong khi vẫn đạt được mức tăng hiệu suất ổn định khoảng 1%.

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

Tiếp xúc thụ động oxit đường hầm

Tiếp xúc thụ động oxit đường hầm (TOPCon) gần đây đã thu hút sự chú ý đáng kể vì đạt được hiệu suất chuyển đổi cao 25,7%. Cấu trúc TOPCon bao gồm một 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 trực tiếp polysilicon bằng LPCVD. TOPCon nổi bật như một ứng cử viên đầy hứa hẹn trong số các công nghệ tế bào năng lượng mặt trời hiệu suất cao.

HJT Dị thể

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. Tế bào HJT kết hợp hai công nghệ khác nhau thành 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 sử dụng riêng lẻ, đạt hiệu suất 25% hoặc cao hơn.

Cấu trúc tế bào HJT

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

Ưu điểm của tế bào HJT

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

• Tuổi thọ dự kiến — Trung bình, các mô-đun PV màng mỏng có thể kéo dài đến 25 năm, trong khi tế bào HJT có thể hoạt động bình thường trong 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 tiến lớn so với các tế bào 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 năng lượng 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 tiếp giáp (PSC) đã đạt hiệu suất 25,5%. Sự cải thiện nhanh chóng của tế bào perovskite đã khiến chúng trở thành ngôi sao đang lên trong lĩnh vực PV và thu hút sự quan tâm lớn từ 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 tế bào 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 điện tử (ETL), perovskite, một lớp vận chuyển lỗ trống (HTL) và một điện cực kim loại. Hiểu và tối ưu hóa các mức năng lượng cũng như tương tác của các vật liệu khác nhau tại các bề mặt tiếp xúc này là một lĩnh vực nghiên cứu rất thú vị vẫn đang được thảo luận sôi nổi.

CaTiO3

Perovskite là tên của một loại khoáng vật, được phát hiện vào năm 1839 bởi Rose trong các khoáng vật đá của dãy núi Ural và được đặt theo tên của 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.

Phương pháp hình thành 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 hình thành màng thường được sử dụng trong phòng thí nghiệm là lắng đọng 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, in ấn và phun cũng được sử dụng để chế tạo pin mặt trời perovskite.

Tương lai của Perovskite

Nghiên cứu 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 vật liệu giao diện tối ưu hơn. Các lớp chiết xuất điện tích có thể chuyển từ vật liệu hữu cơ sang vô cơ để cải thiện hiệu suất và độ ổn định. Tăng cường độ ổn định và giảm tác động môi trường vẫn là những lĩnh vực quan trọng.

Kiểm soát chất lượng trong sản xuất pin mặt trời PV

Pin mặt trời 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 mặt trời toàn cầu.

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

Làm sạch và tạo kết cấu

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

Hình thành mối nối khuếch tán và cách ly cạnh

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

Lắng đọng lớp phủ chống phản xạ

Để cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng, một màng chống phản xạ được phủ lên bề mặt wafer. Hiện nay, ngành công nghiệp sử dụng phương pháp lắng đọng hơi hóa học tăng cường plasma (PECVD) để lắng đọng một màng mỏng lên wafer, đồng thời hoạt động như một lớp thụ động. 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 lưới trên mặt trước của pin, trong khi trường 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 các 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 là yếu tố cuối cùng biến các công nghệ này thành các mô-đun đáng tin cậy, hiệu suất cao.