Ключ до серійного виробництва 730 Вт: вирішальна роль мішеней із високою рухливістю носіїв
15 жовтня 2024 року Risen Energy оголосила про випуск оновленого HJT-модуля Hyper-ion Pro з вражаючою потужністю серійного виробництва 730 Вт+. На відміну від лабораторних рекордів чи показників ККД, на які в галузі часто роблять наголос, це оголошення акцентує саме на «потужності серійного виробництва». Досягнення серійної потужності понад 730 Вт спирається на підвищення ККД елементів та оптимізоване застосування нових матеріалів і технологій герметизації. Серед них найважливішими є розробка та застосування мішеней із високою рухливістю носіїв, трафаретний друк із повністю відкритим трафаретом і герметизувальна плівка з УФ-перетворенням спектра з пониженням частоти. У цій статті детально розглянуто ключову роль мішеней із високою рухливістю носіїв у досягненні потужності 730 Вт.
Що таке мішені для розпилення?
Мішень, також відома як мішень для розпилення, — базовий компонент у матеріалознавстві та виробництві напівпровідників. Її використовують у процесі осадження, під час якого високошвидкісний іонний пучок бомбардує мішень, вибиваючи з неї атоми, що осідають на підкладку й утворюють тонку плівку (рисунок 1). Вибір матеріалу мішені має вирішальний вплив на характеристики осадженої плівки.
Рисунок 1. Осадження плівки розпиленням мішені
Зовнішній шар сонячного елемента HJT — плівка TCO (Transparent Conductive Oxide, прозорий провідний оксид). У виробництві сонячних елементів HJT плівку TCO осаджують за допомогою мішені (рисунок 2). Вибір матеріалу та процесу для отримання плівки TCO критично важливий для досягнення високої ефективності сонячних елементів HJT.
Рисунок 2. Структура елемента HJT
Навіщо використовувати TCO?
Порівняно з традиційними кристалічними кремнієвими сонячними елементами з термодифузією (зокрема BSF, PERC і TOPCon) суттєвою відмінністю сонячних елементів HJT є низька провідність емітера (тобто α-Si: H).
Через цю особливість збирати струм з емітерного шару лише через металеві струмозбірні лінії на лицьовій і тильній поверхнях сонячних елементів недостатньо. Тому потрібне альтернативне рішення для електричного контакту, і плівка TCO, яка одночасно провідна й прозора, ефективно виконує це завдання.
Як прозора провідна оксидна плівка, плівка TCO має і провідність, і прозорість та може застосовуватися в багатьох випадках, особливо в галузі оптоелектронних пристроїв. У сонячних елементах HJT плівку TCO наносять на зовнішній шар структури елемента. Вона забезпечує провідність, пропускання світла та антивідбивний ефект (рисунок 2).
Навіщо потрібна висока рухливість?
З огляду на подвійну роль TCO — забезпечення провідності та пропускання світла в сонячних елементах HJT — плівка TCO повинна мати належні електричні та оптичні властивості, які взаємозалежні й мають оптимізуватися одночасно, щоб максимізувати ефективність елемента. Тому плівка TCO для елементів HJT повинна мати такі властивості:
1. Низький питомий опір;
2. Високе пропускання світла;
3. Здатність до низькотемпературного росту.
Нині більшість досліджень з підвищення ефективності HJT зосереджено на зниженні питомого опору плівки TCO.
Але як пов’язані низький питомий опір і висока рухливість?
Зв’язок між питомим опором, концентрацією вільних носіїв заряду та рухливістю можна описати такою формулою:
--------------------------- Формула 1
Де ρ — питомий опір, q — заряд електрона, N — концентрація вільних носіїв заряду, μ — рухливість носіїв заряду. З формули видно, що для досягнення низького питомого опору (ρ) можна або збільшити концентрацію вільних носіїв заряду (N), або підвищити рухливість носіїв (μ). Однак надмірне збільшення концентрації носіїв може призвести до більшого поглинання видимого світла в плівці TCO, зменшуючи пропускання й тим самим погіршуючи ефективність елемента. Тому дослідники та інженери насамперед зосереджуються на оптимізації рухливості носіїв заряду в плівці TCO, а не на максимізації їхньої концентрації. Отже, зниження питомого опору досягається не лише збільшенням концентрації носіїв, а передусім максимізацією їхньої рухливості.
З іншого боку, сонячні елементи здійснюють фотоелектричне перетворення, поглинаючи сонячне світло, і більше поглинання світла означає вищу ефективність перетворення енергії. У сонячному спектрі (300–2500 нм) на видиме світло (400–760 нм) припадає 43 % енергії, на ультрафіолет (300–400 нм) — 5 %, а на ближній інфрачервоний діапазон (760–2500 нм) — 52 %. Звичайні плівки TCO мають високе відбиття в інфрачервоному діапазоні, що обмежує ефективне використання довгохвильового сонячного світла. Тому підвищення пропускання плівки TCO в інфрачервоному діапазоні може підвищити ефективність сонячного елемента. Для цього потрібно знизити концентрацію носіїв заряду, щоб покращити пропускання світла, але, згідно з формулою 1, це може збільшити питомий опір TCO. Тож розробка матеріалів і процесів TCO зосереджується на зниженні концентрації носіїв заряду з одночасною максимізацією рухливості. Це дає змогу TCO зберігати добру провідність і водночас забезпечувати високе пропускання від видимого до ближнього інфрачервоного діапазону, підвищуючи ефективність перетворення елемента HJT.
Дослідження, розробка та застосування мішеней з високою рухливістю в сонячних елементах HJT Hyper-ion від Risen Energy
1. Значне зниження поверхневого опору TCO та підвищення рухливості носіїв заряду
Під час розробки мішеней з високою рухливістю, точно контролюючи склад матеріалу та параметри процесу, Risen Energy підвищила рухливість носіїв заряду на 29,11 % (рисунок 3). Це підвищило ефективність фотоелектричного перетворення високоефективних сонячних елементів HJT на 0,05 %. Завдяки зниженню концентрації носіїв заряду без погіршення електричних властивостей поглинання світла в плівці мінімізується, тож більше світлової енергії перетворюється на електроенергію, а ефективність перетворення зростає (рисунок 4).
Рисунок 3. Зміни поверхневого опору та концентрації носіїв заряду
Рисунок 4. Приріст ефективності елемента
2. Вище пропускання в ближньому інфрачервоному діапазоні та кращі показники EQE
Сонячні елементи HJT з мішенями з високою рухливістю демонструють вищу зовнішню квантову ефективність (EQE). Показники EQE вищі за базовий рівень у діапазоні від видимого до ближнього інфрачервоного й трохи нижчі в ультрафіолетовому діапазоні, що ефективно підвищує загальну ефективність сонячного елемента.
Рисунок 5. Зміни показників EQE
Перспективи технології плівок TCO в сонячних елементах HJT
Науковці розробили чітку дорожню карту оптимізації плівок TCO, зосереджуючись на досягненні недорогої масштабованості в масовому виробництві. Частину технічних рішень уже впроваджено в комерційне виробництво HJT, інші ще перебувають на етапі розробки.
Спочатку для плівок TCO з обох боків сонячних елементів HJT використовували однакові матеріали та структури. Проте з розвитком технологій, особливо в поширених сонячних елементах HJT з тильним переходом, тепер можна використовувати різний склад матеріалів для лицьової та тильної плівок TCO, щоб задовольнити різні вимоги до характеристик. Крім того, традиційним одношаровим плівкам TCO часто важко досягти оптимальних оптичних, електричних і контактних властивостей. Тому двошарові й навіть багатошарові структури TCO стали ефективною стратегією подальшого підвищення ефективності сонячних елементів HJT (рисунок 6), і нині їх застосовують у комерційному масовому виробництві.
Рисунок 6. Схема багатошарової плівки TCO в елементах HJT
Джерело: «Perovskite/Si Heterojunction Tandem Solar Cells» (Wenzhong Shen)
Цілеспрямовані дослідження та інновації Risen Energy в технології елементів HJT, зокрема в розробці та застосуванні мішеней з високою рухливістю, суттєво сприяли зростанню компанії та розвитку світової фотоелектричної галузі. Надалі Risen Energy продовжить впроваджувати інновації, вести галузь у технологічному розвитку та сприяти широкому впровадженню відновлюваної енергетики, будуючи стале й зелене майбутнє.