Kesilmiş wafer'dan güneş hücresine: altı adım ve her birinin giderdiği kayıp

Elimizde p tipi, tek kristal, yaklaşık 180 µm kalınlığında bir wafer var; ingottan elmas kaplı tel testereyle kesilmiş [S1][S2]. Gri, düz ve elektrik açısından sıkıcı: eklem yok, kontak yok, ışığı geri atan parlak bir yüzey ve testerenin hasar verdiği bir kabuk. Çalışan bir hücre için bunların hepsi giderilmeli. Aşağıdaki sıra, endüstriyel Al-BSF hücreleri üzerine 2015 tarihli bir tezin adım adım verdiği sıradır: kesim hasarının sökülmesi ve texturing, fosfor difüzyonu, camın sökülmesi ve kenar yalıtımı, silisyum nitrür, serigrafi baskı, ortak pişirme, ardından ışık altında I–V testi ve sınıflama [S2].

Her bölümde kural, kendin kontrol edebileceğin bir sayı ve neyin bozulduğu var. Çizimler şematiktir: gerçek bir piramit birkaç mikrometre, emitter en çok yaklaşık iki, nitrür 70 nanometre, wafer ise yaklaşık 180 mikrometredir.

1. Texturing: piramitleri yüzeyin içine oy

İlk ıslak adımın iki görevi var. Güçlü bir alkali aşındırma testerenin hasar verdiği katmanı söker, sıcak ve seyreltik bir banyo da kalan yüzeye texturing uygular [S1][S3]. Tipik bir reçete: %1–2 KOH, 70–80 °C, 15–20 dakika. İşin sırrı kristalografi: alkali çözelti wafer'ın {100} yüzeyini {111} düzlemlerinden çok daha hızlı aşındırır; aşındırma {111} yüzeylerinde durur ve geriye rastgele piramitler kalır. İdeal yüz açısı 54,74°'dir; tabanı 3–10 µm olan piramitler en iyi sonucu verir [S3].

Neden uğraşalım? Çıplak silisyum gelen ışığın yaklaşık %30'unu yansıtır. Piramitlerde bir yüzden yansıyan ışın çoğunlukla komşu yüze çarpar ve içeri girmek için ikinci bir şans bulur; yansıma yaklaşık %15'e iner [S4].

Kendin kontrol et. 100 fotonun 70'i düz wafer'a, 85'i texturing uygulanmış wafer'a girer. 85 / 70 ≈ 1,21: kaplamadan önce bile içeride yaklaşık %21 daha fazla ışık. Tabanı 5 µm olan bir piramidin yüksekliği 2,5 µm × tan 54,7° ≈ 3,5 µm'dir; wafer kalınlığının yaklaşık %2'si.

Ne bozulur? Piramitler wafer'ın içine oyulur: tepeler ilk yüzeyde ya da altında biter, üste hiçbir şey eklenmez. Düzensiz texturing basılan parmakları genişletir ve gölgeyi artırır [S2]. Çok kristalli wafer'lar alkalide iyi dokulanmaz, başka yöntem ister [S10].

2. Fosfor difüzyonu: eklemi silisyumun içinde kur

p tipi bir wafer'ın pn eklemi için n tipi bir bölgeye ihtiyacı vardır. Kuvars tüp fırında azot, sıvı POCl₃'ün buharını wafer'ların üzerine taşır; yüzeyde fosfosilikat cam (PSG) oluşur ve fosfor buradan silisyumun içine sürülür [S5]. Wafer'ın üst kısmı n tipi emitter olur; altında p tipi taban devam eder. Eklem, ikisinin buluştuğu yerde, kristalin içindedir.

Kendin kontrol et. Tez, yaklaşık 180 µm'lik bir altlıkta 0,2–2 µm derinliğinde emitter veriyor [S2]. Derin uç bile kalınlığın 2 / 180 ≈ %1,1'i; endüstriyel POCl₃ emitter'leri çoğu zaman 0,5 µm'den incedir [S12].

Ne bozulur? Emitter üste sürülmüş bir katman değildir; üstteki katman camdır. Daha fazla fosfor da her zaman daha iyi değildir: yüzeye yakın yoğun katkılı katmanlar emitter doyma akımını artırır ve mavi yanıtı düşürür; bu yüzden daha hafif emitter'ler incelenir [S12]. Kontakların altında ise yüksek fosfor yoğunluğu gerekir [S10].

3. Temizlik: camı sök, kenarları kes

PSG işini bitirmiştir; seyreltik hidroflorik asitte yaklaşık 1–2 dakikalık kısa bir daldırma ve durulamayla sökülür [S5]. İkinci sorun daha az görünür. Difüzyon sırasında kenarlar dahil bütün yüzey açıktadır; böylece ön yüzdeki emitter'den kenarı dolaşıp arka yüze uzanan kesintisiz bir katkılı yol oluşur. Bu yol bitmiş hücreyi kısa devre eder: o yolu kullanan taşıyıcılar yüke hiç ulaşmaz [S6].

Kenar yalıtımı bu yolu keser. Üretim hatları üst üste dizilmiş wafer'larda CF₄/O₂ plazması, HF/HNO₃ ile tek yüz ıslak aşındırma ya da ön yüzde kenara yakın bir lazer kanalı kullanır [S6].

Kendin kontrol et. Şekildeki lila bölgeyi izle: kesimden önce katkılı silisyumdan çıkmadan ön emitter'den arka yüze yürüyebilirsin; kesimden sonra yürüyemezsin.

Ne bozulur? Plazma adımı kısa kalırsa yol kalır; uzun sürerse kenarlar hasar görür ve yeniden birleşme artar. Ön yüze sıçrayan ıslak aşındırıcı emitter'e zarar verir [S6].

4. Silisyum nitrür: tek film, iki görev

Sırada ince bir silisyum nitrür (SiNₓ:H) katman var; yaklaşık 350–450 °C'ye ısıtılmış wafer üzerinde silan ve amonyaktan plazma destekli CVD ile büyütülür [S7]. Ön yüz pasifleştirmesi ve yansıma önleme için endüstri standardı yaklaşık 70 nm'dir [S9]. Silisyumun üstünde durur ve piramitleri izler.

Optik açıdan bir çeyrek dalga katmanıdır: kalınlığı, güneş ışığının tepesine yakın 600 nm civarında d = λ / 4n olacak şekilde seçilir ve yansımayı piramitlerin sağladığının da altına indirir [S4]. Elektronik açıdan yüzeyi pasifleştirir; aksi halde kopuk bağlar elektron ile deliğin yeniden birleşmesine yol açar. Hidrojeni de pişirme sırasında silisyumun içine geçip oradaki kusurları pasifleştirir [S4][S7]. Tez, aynı katmanın Al-BSF hücrenin ön yüz pasifleştirmesi olduğunu ekler [S2].

Kendin kontrol et. 70 nm'lik film 600 nm'de çeyrek dalgaysa n = 600 / (4 × 70) ≈ 2,1 olur. n = 2,0 olan bir film için 600 / 8 = 75 nm gerekir.

Ne bozulur? Nitrür yalıtkandır. Üstüne basılan metal, pişirme bir yol açana kadar silisyuma değmez; biriktirme koşulları da pastanın içinden geçmesini kolaylaştırır ya da zorlaştırır [S8].

5. Bas ve pişir: nitrürün içinden kontak

Ön yüze ince parmaklar ve busbar'lar halinde gümüş pasta, arka yüzün tamamına alüminyum pasta serigrafi baskıyla basılır [S2][S10]. Pastalar kurutulur ve hat içi kızılötesi fırında birlikte pişirilir: tepe sıcaklığı yaklaşık 750–870 °C, birkaç saniye [S8]. Tez aynı profili 750–800 °C ve 1–3 s bekleme süresiyle anlatır [S2].

Bu birkaç saniyede iki şey olur. Ön yüzde gümüş pastadaki cam frit nitrürü delip geçer; gümüş kristalleri emitter üzerinde büyür ve omik kontak oluşur. Arka yüzde alüminyum, Al–Si ötektik sıcaklığı olan 577 °C'nin üstünde silisyumla alaşım yapmaya başlar; soğurken alüminyum katkılı silisyum yeniden kristalleşir ve arka yüzde yeniden birleşmeyi azaltan bir p⁺ back surface field (BSF) oluşturur [S2].

Kendin kontrol et. Her 2 mm'de bir 100 µm genişliğinde parmak, ön yüzün 0,1 / 2 = %5'ini kaplar. Busbar'larla birlikte tez, 70–120 µm parmaklar için yaklaşık %5–8 gölge verir [S2].

Ne bozulur? Az pişirilirse frit nitrürü açamaz ve kontak direnci yüksek kalır; fazla pişirilirse kalın bir cam katman ve aşırı büyümüş gümüş kristalleri paralel direnci düşürür [S2].

6. Test ve sınıflama

Biten her hücre flaşla aydınlatılır, ışık altındaki I–V eğrisi kaydedilir ve sınıflanır [S2]. Sınıflama önemlidir, çünkü hücreler sonra modüllere bağlanır ve bütün modülün çıkışını en düşük çıkışlı hücre belirler [S11]. Dizme ve laminasyon ayrı bir konudur; hücrenin hikayesi burada biter.

Kendin kontrol et. Serinin örnek hücresini al: 1 cm² üzerinde Isc = 40 mA, Voc = 0,60 V olan ideal bir diyot. En yüksek gücü 0,50 V civarında yaklaşık 18,4 mW'tır; 100 mW ışık altında bu yaklaşık %18 eder. Gerçek endüstriyel Al-BSF hücreler yaklaşık %16–20 aralığındadır [S2]. Örnek bir öğretim eğrisidir, ölçüm değildir.

Yeni hücreler neyi değiştiriyor?

Buradaki her şey klasik tam alüminyum BSF yoludur. PERC hücreler esas olarak arka yüzde ayrılır: arka yüz pasifleştirilir ve yalnızca açıklıklardan yerel olarak kontak alınır [S2]. Diğer mimariler daha fazlasını değiştirir. Mantık aynı kalır: her katman bir kaybı gidermek için oradadır.

Texturing ışığı içeri alır, fosfor eklemi silisyumun içinde kurar, temiz kenarlar kısa devreyi önler, nitrür yansımayı azaltıp yüzeyi iyileştirir, pişirme de metali silisyuma kadar iter.

Kendin dene

Bir piramidin tabanı 8 µm. Yüksekliği ne kadar? 4 µm × tan 54,7° ≈ 5,7 µm.
Her 1,6 mm'de 80 µm genişliğinde parmaklar. Busbar hariç ne kadar gölgelerler? 0,08 / 1,6 = %5.
n = 2,0 olan bir nitrür 600 nm'de çeyrek dalga olmalı. Kalınlığı? 600 / (4 × 2,0) = 75 nm.
Örnek hücre 0,45 V'ta 39,1 mA veriyor. Gücü? 0,45 V × 39,1 mA ≈ 17,6 mW; 18,4 mW'lık en yüksek değerin biraz altında.