Tại Sao Quá Trình Kim Loại Hóa Đặt Ra Trần Hiệu Suất Cho Tế Bào Năng Lượng Mặt Trời Hiệu Suất Cao

Trong câu chuyện rộng hơn về công nghệ quang điện, mỗi lợi ích nhỏ về hiệu suất chuyển đổi thường đến từ việc đẩy mạnh các giới hạn vật lý vi mô hơn một chút. Kể từ khi ngành công nghiệp vượt qua kỷ nguyên PERC đơn tinh thể và bắt đầu chuyển sang các công nghệ loại N như TOPCon, HJT và BC, giới hạn hiệu suất tiếp tục tăng lên.

Khi pin mặt trời tiến gần hơn đến giới hạn Shockley–Queisser, một trong những vấn đề cơ bản nhưng khó khăn nhất trong vật lý bán dẫn trở nên ngày càng quan trọng: tiếp xúc điện giữa kim loại và bán dẫn. Giao diện này đã trở thành rào cản kỹ thuật cốt lõi ảnh hưởng đến năng suất sản xuất hàng loạt và hiệu suất pin cuối cùng.

Đối với người không chuyên, pin mặt trời có thể trông giống như một tấm wafer bán dẫn mỏng chỉ đơn giản tạo ra điện dưới ánh sáng mặt trời. Tuy nhiên, từ góc độ công nghiệp và học thuật, nó là một thiết bị chuyển đổi năng lượng cơ học lượng tử có độ chính xác cao. Nó phải tách các cặp electron-lỗ trống được tạo ra bởi các photon hấp thụ và dẫn chúng vào mạch ngoài với tổn thất càng ít càng tốt.

Trong quá trình này, các điện cực kim loại hoạt động như các trạm thu phí nơi các hạt tải điện rời khỏi thế giới bán dẫn vi mô. Nếu tồn tại một rào cản lớn tại trạm, các hạt tải điện bị tắc nghẽn, tái hợp và mất năng lượng. Ở cấp độ thiết bị, điều này biểu hiện dưới dạng tăng mạnh điện trở tiếp xúc, giảm mạnh hệ số lấp đầy và cuối cùng là giảm công suất đầu ra của pin mặt trời.

Khả năng hình thành tiếp xúc ohmic điện trở thấp trên bề mặt cũng phải duy trì tái hợp cực kỳ thấp do đó đã trở thành ranh giới phân chia quan trọng đối với pin mặt trời hiệu suất cao hiện đại.

Tiếp xúc Ohmic: Cầu nối khoảng cách vật lý giữa kim loại và bán dẫn

Để hiểu vấn đề kim loại hóa, trước tiên chúng ta cần quay lại lý thuyết vùng năng lượng của bán dẫn. Điều này bao gồm điện trường tích hợp bên trong bán dẫn và sự chuyển giao điện tích vi mô xảy ra khi kim loại tiếp xúc với bán dẫn.

Cơ sở vật lý của chuyển đổi quang điện là tiếp xúc PN. Khi bán dẫn loại P và loại N có nồng độ pha tạp khác nhau tiếp xúc, mức Fermi của chúng khác nhau. Để đạt được cân bằng nhiệt động, sự chuyển giao điện tích vi mô diễn ra.

Mức Fermi của bán dẫn loại N cao hơn bán dẫn loại P. Do đó, các electron tự động di chuyển từ vùng loại N về phía vùng loại P, trong khi các lỗ trống di chuyển theo hướng ngược lại. Khi các hạt tải điện này di chuyển, các ion tích điện cố định bị bỏ lại gần bề mặt tiếp xúc PN. Điều này tạo ra vùng điện tích không gian, còn gọi là vùng nghèo, cùng với điện trường tích hợp.

Điện trường tích hợp làm cong các vùng năng lượng của bán dẫn và tạo ra lực trôi ngược chiều với hướng khuếch tán của hạt tải điện. Khi khuếch tán và trôi đạt cân bằng động, mức Fermi ở hai bên cân bằng và dòng điện thuần bằng không. Dưới ánh sáng, các cặp electron-lỗ trống do quang sinh ra được tách ra bởi điện trường tích hợp này, tạo ra quang điện áp và dòng điện đầu ra.

Quá trình vật lý tinh tế này chỉ hoạt động hiệu quả nếu các hạt tải điện có thể rời khỏi bán dẫn và đi vào các điện cực kim loại mà không gặp phải một trở ngại lớn nào khác.

Rào cản Schottky: Một bức tường cao trên đường dẫn dòng điện

Khi một điện cực kim loại thu dòng điện tiếp xúc vật lý với bán dẫn, sự khác biệt về công thoát gây ra chuyển giao điện tích và uốn cong vùng năng lượng tại bề mặt tiếp xúc.

Xét một kim loại tiếp xúc với bán dẫn loại N. Nếu công thoát của kim loại lớn hơn công thoát của bán dẫn, các electron ở bề mặt bán dẫn di chuyển về phía kim loại. Một lớp nghèo với ít hạt tải điện đa số hình thành gần bề mặt bán dẫn. Các vùng năng lượng uốn cong lên trên, tạo ra một rào cản năng lượng bề mặt gọi là rào cản Schottky.

Rào cản Schottky có hiệu ứng chỉnh lưu rõ rệt, tương tự như dẫn một chiều của diode. Để vượt qua nó, các hạt tải điện trong bán dẫn cần đủ năng lượng nhiệt để vượt qua rào cản thông qua phát xạ nhiệt điện tử.

Nếu một tiếp xúc Schottky điển hình hình thành giữa điện cực và đế silicon của pin mặt trời đang hoạt động, các hạt tải điện quang sinh ra sẽ gặp điện trở lớn khi di chuyển về phía kim loại. Rào cản không chỉ hạn chế dòng điện. Nó còn khiến các hạt tải điện tích tụ và tái hợp tại bề mặt tiếp xúc, trực tiếp làm giảm hiệu suất chuyển đổi.

Tiếp xúc ohmic là ngược lại. Đó là tiếp xúc điện không chỉnh lưu giữa kim loại và bán dẫn, với điện trở tiếp xúc rất thấp. Trong trường hợp lý tưởng, dòng điện đi qua bề mặt tiếp xúc một cách tuyến tính theo cả hai hướng, với độ sụt áp và tổn thất năng lượng tối thiểu.

Về mặt lý thuyết, việc chọn kim loại có công thoát rất thấp cho bán dẫn loại N, hoặc công thoát rất cao cho bán dẫn loại P, có thể giúp tránh rào cản Schottky. Bề mặt silicon thực tế phức tạp hơn. Các liên kết lơ lửng do kết thúc mạng tinh thể và mật độ trạng thái bề mặt cao có thể gây ra sự ghim mức Fermi mạnh. Do đó, chỉ thay đổi công thoát kim loại hiếm khi đủ để tạo ra tiếp xúc ohmic hoàn hảo.

Giải pháp công nghiệp chủ đạo là pha tạp nặng kết hợp với hiệu ứng xuyên hầm lượng tử. Một lớp pha tạp nặng N++ hoặc P++ được hình thành cục bộ tại nơi bán dẫn tiếp xúc với kim loại. Điều này làm thu hẹp mạnh vùng nghèo tại bề mặt. Khi rào cản trở nên đủ mỏng, các hạt tải điện không cần phải vượt qua nó. Chúng có thể xuyên hầm trực tiếp qua rào cản với xác suất cao. Đây là hiệu ứng xuyên hầm lượng tử.

Khi Điện trở Tiếp xúc Tăng, Hệ số Lấp đầy Giảm

Khi đã hiểu rõ cơ sở vật lý của tiếp xúc ohmic, câu hỏi tiếp theo là tại sao ngành công nghiệp năng lượng mặt trời lại nhạy cảm đến vậy với các khuyết tật tiếp xúc vi mô. Câu trả lời liên quan đến ba thông số điện chính: điện trở tiếp xúc, điện trở nối tiếp và hệ số lấp đầy.

Pin mặt trời không phải là nguồn dòng lý tưởng. Nó chứa một số cơ chế tổn thất điện trở không thể tránh khỏi, được biểu diễn chung là điện trở nối tiếp. Điện trở nối tiếp bao gồm điện trở khối của đế silicon, điện trở lớp phát, điện trở tiếp xúc tại các bề mặt tiếp xúc kim loại-bán dẫn, điện trở ohmic của các ngón và thanh góp, và điện trở vật lý của các dây kết nối và vật liệu liên kết khác.

Khi công nghệ tinh thể silicon đơn đã trưởng thành, hồ bạc dẫn điện được cải thiện và lưới in lưới trở nên mịn hơn, điện trở đế và điện trở lưới kim loại đã được giảm xuống mức tương đối thấp. Trong các pin hiệu suất cao loại N hiện nay, một trong những nút thắt vi mô khó khăn nhất là điện trở tiếp xúc giữa điện cực kim loại và cấu trúc tiếp xúc dựa trên silicon.

Nếu tiếp xúc ohmic chi phối bởi hiệu ứng xuyên hầm lượng tử không được thiết lập, điện trở tiếp xúc có thể tăng theo cấp số nhân và trở thành nguồn tổn thất điện trở nối tiếp chính.

Hệ số lấp đầy là một trong những tham số quan trọng nhất được sử dụng để đánh giá đầu ra của pin mặt trời và tổn thất năng lượng bên trong. Nó là tỷ lệ giữa công suất đầu ra tối đa và tích của điện áp hở mạch và dòng điện ngắn mạch. Trên đường cong I-V, nó phản ánh mức độ vuông hoặc đầy của đường cong.

Khi tiếp xúc kém khiến tiếp xúc ohmic bị hỏng, sự gia tăng điện trở tiếp xúc đẩy tổng điện trở nối tiếp tăng mạnh. Đường cong I-V sau đó nghiêng và sụp đổ xung quanh điểm công suất tối đa. Pin vẫn có thể hiển thị điện áp hở mạch và dòng điện ngắn mạch tương đối bình thường, nhưng công suất tối đa có sẵn cho mạch ngoài có thể giảm đáng kể.

Chuỗi kỹ thuật rất đơn giản:

• Giao diện kim loại-bán dẫn kém ngăn cản việc hình thành tiếp xúc ohmic thích hợp.

• Tiếp xúc hỏng làm tăng điện trở tiếp xúc tại giao diện.

• Điện trở tiếp xúc đẩy tổng điện trở nối tiếp của pin tăng lên.

• Điện trở nối tiếp cao làm giảm hệ số lấp đầy.

• Hệ số lấp đầy thấp kéo hiệu suất chuyển đổi xuống dưới ngưỡng chấp nhận sản xuất hàng loạt.

Thụ động hóa và Tiếp xúc: Mâu thuẫn Nội tại của Pin Mặt Trời Hiện đại

Thiết kế pin hiệu suất cao hiện đại phải đối mặt với mâu thuẫn vật lý giữa thụ động hóa và tiếp xúc điện. Để đạt được điện áp hở mạch cao, các kỹ sư cần màng điện môi thụ động hóa bề mặt silicon một cách hoàn chỉnh nhất có thể.

Thụ động hóa hoạt động theo hai cách. Thụ động hóa hóa học sử dụng các nguyên tố như hydro để bão hòa các liên kết lơ lửng tại các khuyết tật mạng trong silicon tinh thể, giảm tái hợp hỗ trợ khuyết tật. Thụ động hóa hiệu ứng trường tạo ra một điện trường mạnh tại giao diện. Lực đẩy tĩnh điện giữ các hạt tải thiểu số có điện tích tương tự tránh xa bề mặt, cắt đứt một con đường tái hợp bề mặt quan trọng.

Ví dụ, trên bề mặt sau loại P của pin PERC, một màng oxit nhôm chứa mật độ cao các điện tích âm có thể tạo ra sự uốn cong vùng năng lượng mạnh và cung cấp cả thụ động hóa hóa học và hiệu ứng trường. Tuy nhiên, màng điện môi cách điện hiệu quả cao này cũng trở thành rào cản đối với việc thu dòng điện.

Để thu thập các hạt tải điện quang sinh, các điện cực kim loại vẫn cần một đường dẫn điện đến đế silicon. Quy trình PERC truyền thống sử dụng laser để đốt cháy các lỗ nhỏ trên lớp thụ động phía sau để nhôm hoặc bạc paste có thể tiếp xúc với silicon. Tuy nhiên, tiếp xúc trực tiếp giữa kim loại và silicon tạo ra sự tái hợp mạnh tại bề mặt tiếp xúc. Các điểm tiếp xúc này có thể hoạt động như các bẫy tái hợp.

Trong kỷ nguyên loại N, khi sự phát triển của tế bào đang tiến gần đến giới hạn hiệu suất lý thuyết 29,43% được trích dẫn cho silicon tinh thể, tổn thất tái hợp từ các điểm tiếp xúc cục bộ trở nên khó chấp nhận hơn nhiều. Do đó, các công nghệ TOPCon, HJT và BC phải giải quyết cùng một vấn đề trung tâm: làm thế nào để đạt được sự vận chuyển hạt tải điện diện tích lớn, điện trở thấp mà không phá hủy sự thụ động bề mặt.

TOPCon: Lớp Oxit Đường Hầm và Phẫu Thuật Vi Mô của LECO

Nhu cầu quang điện mạnh mẽ đã thúc đẩy sự thay thế công nghệ PERC loại P bằng các công nghệ loại N. Theo các số liệu ngành được trích dẫn ở đây, TOPCon loại N chỉ chiếm khoảng 23% thị trường tế bào vào năm 2023. Thị phần của nó đã tăng lên hơn 60% vào năm 2024, trong khi một số dữ liệu về độ phủ thiết bị từ các nhà sản xuất hàng đầu cho thấy thị phần loại N cao tới 71,1%.

TOPCon duy trì mức độ tương thích cao với các dây chuyền sản xuất PERC hiện có. Việc nâng cấp thường yêu cầu bốn quy trình cốt lõi bổ sung. Đầu tư thiết bị được trích dẫn là khoảng 50–70 triệu RMB mỗi GW, so với khoảng 350–400 triệu RMB mỗi GW cho một dây chuyền HJT mới. TOPCon cũng mang lại những cải thiện hiệu suất rõ ràng so với PERC. Giới hạn hiệu suất lý thuyết của nó được báo cáo là khoảng 28,7%, trong khi hiệu suất sản xuất hàng loạt hiện tại thường vượt quá 26,5% và hiệu suất phòng thí nghiệm đã vượt quá 27,5%.

Chìa khóa cho hiệu suất của TOPCon là cấu trúc tiếp xúc thụ động phía sau. Một lớp oxit silicon siêu mỏng được phát triển trên đế silicon loại N, với độ dày được kiểm soát chặt chẽ ở khoảng 1–2 nanomet. Sau đó, một lớp polysilicon nội tại dày khoảng 60–100 nanomet được lắng đọng và pha tạp phốt pho nặng thông qua quy trình nhiệt độ cao.

Từ góc độ vật lý vùng năng lượng, lớp oxit silicon siêu mỏng bão hòa hóa học các liên kết lơ lửng trên bề mặt wafer. Lớp polysilicon pha tạp nặng tạo ra sự uốn cong vùng năng lượng mạnh gần bề mặt tiếp xúc. Cấu trúc này tạo ra một rào cản cao cho các hạt tải thiểu số, trong trường hợp này là lỗ trống, và một rào cản hiệu dụng nhỏ hơn nhiều cho các hạt tải đa số, là electron. Vì oxit cực kỳ mỏng, các electron có thể xuyên hầm qua nó vào lớp polysilicon, trong khi các lỗ trống bị chặn lại. Kết quả là sự vận chuyển chọn lọc hạt tải.

Các cuộc thảo luận học thuật về vận chuyển qua oxit bao gồm cả hiệu ứng đường hầm lượng tử trực tiếp và mô hình lỗ kim. Khi độ dày oxit đường hầm vượt quá khoảng 2 nanomet, xác suất đường hầm giảm theo cấp số nhân. Khi đó, vận chuyển hạt tải có thể phụ thuộc nhiều hơn vào các khuyết tật vi mô hoặc lỗ kim được tạo ra trong quá trình ủ nhiệt độ cao. Quá ít lỗ kim có thể làm tăng điện trở tiếp xúc. Quá nhiều lỗ kim có thể chỉ ra sự hư hại màng rộng và làm suy yếu khả năng thụ động hóa học.

Ngay cả với tiếp xúc phía sau thụ động và bộ phát chọn lọc ở phía trước, TOPCon phải đối mặt với một mâu thuẫn nghiêm trọng trong quá trình nung kim loại hóa. Tế bào cần nung ở nhiệt độ cao để hồ bạc có thể tạo tiếp xúc điện trở thấp với polysilicon. Nếu nung quá mạnh, các tinh thể bạc có thể xuyên qua oxit đường hầm dày 1–2 nanomet và chạm tới đế silicon tinh thể. Cấu trúc thụ động sau đó có thể sụp đổ, dòng tối tăng và điện áp hở mạch giảm mạnh. Nếu nhiệt độ nung quá thấp, hồ bạc có thể không kết nối đúng với polysilicon. Điện trở tiếp xúc khi đó trở nên quá cao và hệ số lấp đầy có thể sụp đổ.

Laser Enhanced Contact Optimization, hay LECO, được giới thiệu để giải quyết vấn đề cửa sổ nung này. Quy trình đầu tiên sử dụng một loại hồ bạc đặc biệt ít ăn mòn hơn. Nung thông thường cho phép điện cực xuyên qua lớp silicon nitride mà không làm hỏng nghiêm trọng lớp oxit đường hầm siêu mỏng bên dưới. Sau khi nung, bề mặt tế bào được chiếu xạ bằng laser cường độ cao có bước sóng chọn lọc trong khi một điện áp phân cực được đặt giữa các điện cực.

Thông qua hiệu ứng quang dẫn, điện trường cục bộ tạo ra một dòng điện vi mô cường độ cao ngắn tại giao diện kim loại-bán dẫn. Xung này hoạt động giống như tia sét vi mô. Nó phá vỡ cục bộ các rào cản tiếp xúc còn lại và tạo ra sự nóng chảy nhiệt điện và các vùng dẫn điện có tính định vị cao. Nhiều đường dẫn dòng nhỏ được hình thành.

Sau xử lý LECO, điện trở tiếp xúc vĩ mô có thể giảm nhiều bậc độ lớn và một tiếp xúc ohmic hiệu quả hơn được thiết lập. Sự đánh thủng là ngắn và cục bộ. Nó cải thiện vận chuyển dòng điện trong khi bảo toàn phần lớn cấu trúc thụ động oxit đường hầm.

HJT: Tiếp xúc nhẹ nhàng giữa hồ bạc nhiệt độ thấp và TCO

Nếu TOPCon đi trên dây ở nhiệt độ cao, công nghệ dị thể hoạt động dưới giới hạn nhiệt độ thấp nghiêm ngặt. HJT lần đầu tiên được đề xuất bởi Sanyo của Nhật Bản vào cuối những năm 1980. Nó sử dụng các màng silicon vô định hình hydro hóa nội tại siêu mỏng trên cả hai bề mặt của tấm wafer silicon tinh thể loại N để thụ động hóa hai mặt. Các lớp silicon vô định hình pha tạp loại P và loại N sau đó được lắng đọng để tạo thành các dị thể. Giới hạn hiệu suất lý thuyết của nó thường được ước tính khoảng 28,5%, khiến nó trở thành một trong những kiến trúc tế bào hàng đầu dài hạn.

Khả năng thụ động hóa mạnh của HJT bắt nguồn từ các màng silicon vô định hình nội tại. Silicon vô định hình chứa nhiều liên kết Si-H liên quan đến hydro. Hydro có thể bão hòa các liên kết lơ lửng trên bề mặt silicon tinh thể và cung cấp khả năng thụ động hóa hóa học mạnh. Các liên kết này cũng dễ vỡ. Một khi nhiệt độ xử lý sau đó vượt quá khoảng 200–250°C, hydro có thể thoát ra khỏi màng silicon vô định hình. Sự khử hydro này làm hỏng hiệu quả thụ động hóa hóa học.

Hạn chế về nhiệt độ có tác động quyết định đến quá trình kim loại hóa HJT. Hồ bạc nhiệt độ cao thông thường được sử dụng cho PERC và TOPCon, thường yêu cầu nung trên 800°C, không thể sử dụng được. HJT yêu cầu một hệ thống hồ bạc nhiệt độ thấp chuyên dụng.

Thay vì dựa vào phản ứng thủy tinh hóa nhiệt độ cao, hồ bạc nhiệt độ thấp sử dụng nhựa polymer hữu cơ làm chất kết dính cho các hạt bạc dẫn điện. Sau khi in lưới, tế bào đi vào lò đóng rắn hoạt động dưới khoảng 200°C và ở đó trong một chu kỳ đóng rắn nhiệt độ thấp tương đối dài.

Giải quyết vấn đề nhiệt độ tạo ra một vấn đề khác: dẫn điện. Silicon vô định hình cung cấp khả năng thụ động hóa tuyệt vời, nhưng độ dẫn điện ngang của nó kém. Sau khi các hạt tải điện đi qua dị thể, chúng không thể di chuyển hiệu quả trên khoảng cách xa qua bề mặt silicon vô định hình để đến các ngón kim loại.

Do đó, một màng oxit dẫn điện trong suốt được lắng đọng trên lớp silicon vô định hình pha tạp, thường bằng phương pháp phún xạ magnetron. ITO là một lựa chọn phổ biến. Màng TCO truyền ánh sáng, cung cấp điện trở tiếp xúc tương đối thấp và dẫn các hạt tải điện theo chiều ngang về phía các đường lưới.

Trong cấu trúc xếp chồng HJT, tiếp xúc kim loại hóa cuối cùng được hình thành giữa hồ bạc nhiệt độ thấp đã đóng rắn và màng TCO. Điều này tạo ra hai thách thức về điện trở nối tiếp.

Đầu tiên, hồ dán nhiệt độ thấp phụ thuộc vào sự co ngót của nhựa polymer trong quá trình đóng rắn. Sự co ngót ép các hạt bạc lại với nhau và lên bề mặt TCO. Sự tiếp xúc vật lý hạt-với-hạt này có điện trở cao hơn đáng kể so với liên kết luyện kim được tạo ra bằng quá trình nung nhiệt độ cao.

Thứ hai, công thoát của TCO phải tương thích với cả lớp silicon vô định hình pha tạp bên dưới và điện cực kim loại bên trên. Sự oxy hóa nhẹ hoặc sự ghim mức Fermi có thể tạo ra một rào cản Schottky nhỏ tại giao diện TCO-bạc. Rào cản đó làm tăng điện trở nối tiếp và giảm hệ số lấp đầy.

Các nhà cung cấp hồ dán đang phản ứng bằng cách tối ưu hóa hình dạng hạt bạc, phân bố kích thước hạt và hệ thống nhựa hữu cơ. Ngành công nghiệp HJT cũng đang khám phá mạ đồng không bạc để vượt qua các hạn chế về chi phí và tiếp xúc vật lý của hồ dán bạc nhiệt độ thấp. Mạ điện có thể phát triển các đường lưới đồng nguyên chất, dày đặc trực tiếp trên TCO hoặc trên một lớp hạt giống chuyên dụng, tạo ra một tiếp xúc luyện kim điện trở thấp gần với trạng thái lý tưởng hơn nhiều.

BC: Một Vũ Điệu Ở Kích Thước Micromet của Các Điện Cực Phía Sau

Trong phạm vi các kiến trúc pin mặt trời, công nghệ tiếp xúc phía sau rất hấp dẫn nhưng khó sản xuất. BC không phải là một vật liệu nền cụ thể. Đó là một khái niệm kiến trúc, với pin tiếp xúc phía sau xen kẽ (IBC) là dạng cơ bản của nó.

Cho dù sử dụng đế wafer loại P, cấu trúc tiếp xúc dựa trên TOPCon hay cấu trúc HJT, nguyên lý cốt lõi là giống nhau: bộ phát, trường bề mặt phía sau, và tất cả các đường lưới kim loại dương và âm được chuyển ra phía sau của pin.

Loại bỏ tất cả các điện cực khỏi bề mặt được chiếu sáng tạo ra một lợi ích quang học rõ ràng: không có che chắn kim loại ở mặt trước. Không có ngón tay hoặc thanh cái chắn ánh sáng tới, nhiều photon hơn có thể đi vào pin. So với pin hai mặt thông thường, mật độ dòng ngắn mạch của pin BC có thể tăng khoảng 7%.

Ở giai đoạn sản xuất và đóng gói mô-đun, pin BC có thể thay thế đường kết nối trước-sau hình chữ Z truyền thống bằng kết nối phía sau phẳng. Điều này làm giảm ứng suất cơ học giữa bề mặt trước và sau và có thể cải thiện khả năng chống nứt vi mô. Ví dụ, ứng suất cạnh của pin LONGi HPBC được báo cáo là thấp hơn 48% so với pin không phải BC thông thường, hỗ trợ cải thiện độ tin cậy lâu dài.

Lợi ích quang học ở mặt trước phải được đánh đổi bằng thiết kế điện phức tạp hơn nhiều ở mặt sau. Trên diện tích mặt sau hạn chế, các vùng phát loại P và vùng trường bề mặt sau loại N được bố trí thành các ngón tay xen kẽ dày đặc. Các điện cực riêng biệt phải được hình thành với độ chính xác cao. Kim loại dương phải tạo tiếp xúc ohmic với vùng pha tạp nặng loại P, trong khi kim loại âm phải tiếp xúc với vùng pha tạp nặng loại N.

Ba vấn đề kỹ thuật nổi bật.

Thứ nhất, vì mặt trước không còn thu dòng điện, tất cả các hạt tải điện quang sinh phải di chuyển qua độ dày của tấm wafer và sau đó di chuyển theo chiều ngang trong không gian ba chiều về phía tiếp xúc sau thích hợp. Nếu khoảng cách giữa các điện cực dương và âm ở mặt sau quá rộng, đường đi của hạt tải trở nên dài hơn. Xác suất tái hợp tăng và điện trở khối ngang tăng.

Thứ hai, rút ngắn khoảng cách vận chuyển ngang đòi hỏi các điện cực dương và âm phải được đặt rất gần nhau. Mở laser kết hợp với in lưới, hoặc mặt nạ cách điện và kim loại hóa quang khắc, phải được căn chỉnh với độ chính xác micromet. Một chút tràn hồ dán hoặc sai lệch mở laser chỉ vài micromet có thể kết nối trực tiếp kim loại phía P và phía N, gây ra shunt nghiêm trọng.

Thứ ba, tất cả các tiếp xúc dương và âm đều tập trung tại các vùng cục bộ trên mặt sau. Tổng diện tích tiếp xúc kim loại-bán dẫn hiệu quả có thể nhỏ hơn so với pin thông thường sử dụng tiếp xúc trên cả hai mặt. Khi dòng quang sinh hội tụ vào các điểm tiếp xúc cục bộ này, mật độ dòng điện trở nên rất cao. Ngay cả một khuyết tật tiếp xúc nhỏ cũng có thể khuếch đại thành tổn thất điện trở và nhiệt đáng kể.

Kết thúc: Từ Thu nhận Quang học đến Quản lý Hạt tải

Sự tập trung của ngành công nghiệp vào tiếp xúc ohmic và điện trở tiếp xúc phản ánh một sự chuyển dịch sâu sắc trong phát triển quang điện. Ưu tiên đang chuyển từ thu nhận photon vĩ mô sang kiểm soát chính xác động lực học hạt tải vi mô.

Trong thập kỷ thống trị của PERC, phần lớn nỗ lực nghiên cứu tập trung vào tăng phản xạ quang mặt sau và cải thiện thụ động với các vật liệu như nhôm oxit. Trong kỷ nguyên loại N, những tiến bộ trong khoa học vật liệu đã đưa thụ động hóa học bề mặt đến gần giới hạn thực tế của nó. Mắt xích yếu nhất đã thay đổi. Khai thác hạt tải chọn lọc và vận chuyển tại bề mặt tiếp xúc hiện đóng vai trò lớn hơn trong việc xác định hiệu suất cuối cùng.

Các công ty và nền tảng công nghệ giải quyết hiệu quả hơn vấn đề điện trở tiếp xúc tại bề mặt kim loại có thể xây dựng lợi thế về hiệu suất và chi phí đáng kể thông qua điện trở nối tiếp thấp hơn và hệ số lấp đầy cao hơn.

Sự mở rộng thị trường nhanh chóng của TOPCon vào năm 2024 không chỉ được thúc đẩy bởi khả năng tương thích với các dây chuyền PERC hiện có. Các nhà sản xuất thiết bị và nhà cung cấp bột nhão cũng cải thiện các quy trình tiếp xúc hỗ trợ bằng laser như LECO, sử dụng các hiệu ứng điện và nhiệt cục bộ để cân bằng giữa thụ động hóa oxit đường hầm và hình thành tiếp xúc hợp kim điện trở thấp.

Nhìn xa hơn, chi phí bạc cao dai dẳng và giới hạn điện trở vật lý của bột nhão bạc nhiệt độ thấp đang thúc đẩy việc giảm bạc và mạ đồng trở thành trọng tâm. Sự phát triển điện hóa của đồng đặc trên màng dẫn điện hoặc lớp hạt giống có thể tạo ra tiếp xúc ohmic gần như luyện kim đồng thời giảm điện trở của lưới điện.

Trận chiến cuối cùng tại bề mặt tiếp xúc kích thước micromet

Pin mặt trời rất nhạy cảm với tiếp xúc kém vì bề mặt điện cực là bước cuối cùng và khó khăn nhất trong vòng lặp chuyển đổi năng lượng quang điện.

TOPCon cân bằng các điều kiện nung với tính toàn vẹn của oxit đường hầm chỉ dày 1–2 nanomet, với LECO hoạt động như một quy trình tối ưu hóa tiếp xúc cục bộ cao. HJT phải hình thành kết nối đáng tin cậy giữa bột nhão dẫn điện nhiệt độ thấp và oxit dẫn điện trong suốt trong khi vẫn duy trì dưới giới hạn nhiệt nghiêm ngặt 200°C. Pin BC đặt cả hai cực trên bề mặt phía sau và yêu cầu tạo mẫu kích thước micromet chỉ cách một lỗi căn chỉnh nhỏ khỏi sự chập mạch.

Những nỗ lực công nghiệp quy mô lớn này hướng đến cùng một mục tiêu bán dẫn: triệt tiêu rào cản Schottky, thiết lập tiếp xúc ohmic hiệu quả và giảm điện trở tiếp xúc càng gần 0 càng tốt.

Khi công nghệ pin silicon tinh thể tiếp tục tiến gần đến giới hạn lý thuyết 29,43%, một quy tắc vẫn khó bỏ qua: kiểm soát bề mặt tiếp xúc, và bạn kiểm soát trần hiệu suất.

Quan điểm của Ooitech

Thách thức sản xuất thực tế không chỉ đơn giản là in các đường lưới hẹp hơn hoặc thêm một lớp thụ động hóa khác. Quá trình kim loại hóa phải được tối ưu hóa như một phần của quy trình pin và module hoàn chỉnh, bởi vì một thay đổi nhỏ trong điện trở suất tiếp xúc có thể ảnh hưởng đến hệ số lấp đầy, hành vi nhiệt, độ đồng nhất hàn và công suất module cuối cùng. Khi các thiết kế TOPCon, HJT và BC phát triển, kiểm soát quy trình tiếp xúc và kiểm tra điện đáng tin cậy sẽ quan trọng không kém hiệu suất pin tiêu đề.