Что такое технология PERC для солнечных батарей?

PERC - это слово часто встречается в рекламе солнечных батарей. Что это? Попробуем разобраться.

Для этого рассмотрим недостатки стандартного солнечного элемента с покрытием задней стороны алюминием Al-BSF. Основные задачи Al-BSF слоя это:

- создание р+ слоя, как дополнительного источника носителей заряда для солнечного элемента, которые рождаются под действием части солнечного спектра, проникающего в глубь элемента (ИК часть);

- частичное отражение части солнечного света, достигающего задней стороны солнечного элемента обратно в элемент;

- снижение омического контакта между металлизацией на задней стороне и кремниевой подложкой.

Алюминий наносится на заднюю сторону в виде пасты методом сетко-трафаретной печати, затем вжигается при температуре Т=650С. Диффузия алюминия деформирует кристаллическую решетку кремниевой подложки солнечного элемента, создавая множественные дефекты. Эти дефекты негативно влияют на следующие факторы:

- скорость рекомбинации (взаимоуничтожения) носителей зарядов. Она повышается, что приводит к меньшему количеству носителей заряда участвующих в создание тока;

- часть ИК излучения длины волн выше 1180 нм поглощаются Al-BSF слоем, что приводит к нагреву элемента и ухудшают его характеристики;

- всего 60% солнечного света, достигающего задней стороны солнечного элемента, отражается от нее и участвует в создании дополнительных носителей заряда, остальная его часть поглощается.

Потребовалось создать технологию для задней стороны элемента, которая не имела бы вышеперечисленных недостатков. При этом такая технология должна:

- не оказывать серьезной деформации кристаллической решетки подложки;

- не зависеть от технологии лицевой стороны солнечного элемента, что позволило бы решать отдельно вопросы улучшения эффективности элемента;

- не приводить к серьезному усложнению существующей технологии, что не требовало бы существенных инвестиций в оборудование, и как следствие, не удорожало бы солнечную панель.

Такая технология была создана и это технология PERC. Она заключается в создании дополнительного пассивирующего диэлектрического слоя на задней стороне солнечного элемента. Для создания p+ слоя в этом пассивирующем слое лазером вскрываются окошки, чем ограничивают диффузию алюминия в кремниевую подложку.

Использование технологии PERC приводит к увеличению мощности на 3-5 Вт солнечного модуля из 60 солнечных элементов.

Кроме того PERC технология совместима с существующим оборудованием и требует всего 2-3 дополнительные операции, что позволяет производителям довольно легко модернизировать существующие производственные линии.

По данным ITRPV, за последние 10 лет повышение эффективности происходило значительными скачками - примерно на 0,3% в год. Это повышение эффективности было достигнуто за счет оптимизации процессов, поскольку технология производства солнечных элементов практически не изменилась за последнее десятилетие. Большинство разработок, которые привели к вышеупомянутому повышению производительности, было в основном сосредоточено на передней (солнечной) стороне солнечного элемента. Чтобы добиться дальнейшего роста повышения эффективности, производители переместили свое внимание на заднюю сторону солнечного элемента. Ведущий ученый Мартин Грин и его коллеги из Университета Нового Южного Уэльса в Сидней впервые предложили эту концепцию в 1983 году, опубликовали ее в 1989 году, когда объявили о тогдашнем мировом рекорде эффективности в 22,8%. Промышленное развитие эта технология получила с 2013 года.

Что же такое пассивация? Кристалл кремния несовершенен. В его объёме и на поверхности существуют дефекты структуры и посторонние примеси. Эти примеси и дефекты, присутствующие в объеме и на поверхности кремниевой пластины, отрицательно влияют на эффективность солнечного элемента. Пассивация — это процесс, при котором эти дефекты становятся неактивными, уменьшая рекомбинацию зарядов на поверхности и в объёме солнечного элемента. Рекомбинация электронов - это процесс их исчезновения как носителей заряда электронов, соединившихся с дефектом или дыркой. Таким образом электроны, генерируемые вблизи задней части солнечного элемента, могут свободно перемещаться к эмиттеру, передней стороне солнечного элемента и вносить свой вклад в увеличение электрического тока. Пассивация может быть достигнута двумя дополняющими друг друга методами - сильным уменьшением носителей заряда одной полярности, достигающих поверхности, и уменьшением числа состояний на границе раздела за счет насыщения оборванных связей. Последнее может быть достигнуто опять же двумя способами. Один из них состоит в том, чтобы просто насытить свободные связи на поверхности, дав им для этого время и энергию. В качестве альтернативы можно внести дополнительную диэлектрическую пленку с водородом, которая будет выделять водород на последующих термических операциях с солнечным элементом. Этот водород занимает свободные участки оборванных связей, тем самым пассивируя их. Этот метод называется химической пассивацией.

Существует еще один механизм - пассивация полевого эффекта, который включает в себя создание вблизи поверхности солнечного элемента электрического поля, способного отталкивать носители заряда одноименной полярности. Поочередно наносят слой диэлектрика и слой с высоким фиксированным зарядом, что создает градиент электрического поля вблизи поверхности, и обеспечивает пассивацию с эффектом поля. Пассивирующий материал для задней поверхности должен иметь высокий фиксированный отрицательный заряд, и это должно обеспечиваться химической пассивацией. Этим требованиям соответствует оксид алюминия Al2O3. Фиксированные заряды расположены прямо на границе раздела между оксидом алюминия и межфазным оксидом кремния, выращенным на кремниевой пластине в процессе осаждения, что обеспечивает эффективное электрическое поле и эффект пассивации. Оксид алюминия также имеет высокие показатели химической пассивации. Он действует как эффективный резервуар для водорода, подающий водород для насыщения оборванных связей на поверхности пластины во время этапов термической обработки. Оксид алюминия идеально подходит для пассивации задней стороны солнечного элемента, однако в этой технологии используются и некоторые другие материалы. Термически выращенный оксид кремния SiO обеспечивает хорошую пассивацию поверхности на слегка легированных поверхностях p-типа, таких как задняя сторона солнечного элемента. Когда выращенный оксидный слой составляет около 100 нм, он также функционирует как отражающий слой на задней стороне. Для повышения стабильности выращенного оксида кремния используют слой нитрида кремния.

Конструкция солнечных батарей PERC

Три основные причины, по которым технология PERC способствует повышению эффективности:

1. Дополнительный диэлектрический пассивирующий слой уменьшает рекомбинацию электронов.

2. Дополнительный диэлектрический пассивирующий слой увеличивает способность солнечного элемента улавливать свет:

Диэлектрический слой отражает свет, который проходит через солнечный элемент, и тем самым фотоны получают больше возможностей для генерации электрического тока.

3. Дополнительный слой пассивации диэлектрика отражает длины волн выше 1180 нм от солнечного элемента, которые обычно создают тепло.

Кремниевые пластины перестают поглощать длины волн выше 1180 нм. В обычных солнечных элементах такие длины волн легко поглощаются задней металлизацией и превращаются в тепло. Тепло снижает эффективность преобразования света в электричество в солнечных элементов. Слой диэлектрической пассивации отражает длины волн выше 1180 нм от солнечного элемента и помогает солнечному элементу работать более эффективно, поддерживая более низкие температуры.

Различные типы длин волн

Более короткие волны (УФ) в основном генерируют электроны вблизи передней части солнечного элемента, в то время как более длинные волны (ИК) будут генерировать электроны в задней части элемента. Некоторые из более длинных волн будут проходить через пластину без создания какого-либо тока. Именно здесь диэлектрический слой на задней панели солнечного элемента имеет значение.

Таким образом технология PERC позволяет увеличить диапазон поглощаемого света в области длинных волн. Более длинные волны особенно присутствуют утром и вечером (солнце под углом) или в пасмурные дни.