Saulės energijos revoliucija: mokslininkai pasiekė rekordinį efektyvumą, kurio niekas nesitikėjo

Jos yra kur kas labiau linkusios skilti apdorojimo, pjovimo ar modulių surinkimo metu, todėl didelio masto gamybai kelia daug iššūkių. Palyginimui, standartinės „Czochralski“ būdu išaugintos, vidutinio ar mažo varžingumo silicio plokštelės iki šiol dominuoja masinėje fotovoltinių modulių rinkoje.

Jų mechaninis tvirtumas ir didesnis atsparumas šiluminiam bei mechaniniam įtempimui lemia lengvesnį apdorojimą ir mažesnę pažeidimų riziką gamybos metu. Už šį patikimumą tenka šiek tiek sumokėti teoriniu efektyvumo sumažėjimu, tačiau būtent tai ir yra viena pagrindinių priežasčių, kodėl tokios plokštelės išlieka pramoninis standartas.

Naujas pasivacijos metodas didina trapių saulės plokštelių efektyvumą

Siekdama sumažinti efektyvumo atotrūkį, Kinijos gamintoja „Longi“ kartu su Sun Jat-seno universiteto tyrėjais išnagrinėjo briaunų pasivacijos taikymą, kad sustiprintų didelio varžingumo plokšteles ir kartu išlaikytų aukštą naudingumo koeficientą bei užpildymo faktorių, kaip rašo žurnalas pv magazine.

Ankstyvieji bandymai parodė, kad didelio varžingumo plokštelės neretai veikia prasčiau nei standartinės plokštelės. Tyrimas atskleidė, kad tokios plokštelės, esant maksimalaus galingumo taškui, pasižymi didesne perteklinių nešiklių koncentracija ir lygesniais koncentracijos gradientais. 

Tai mažina nešiklių surinkimą ir daro plokšteles ypač jautrias briaunų rekombinacijai. Nesant tinkamos pasivacijos, plokštelių kraštai ima veikti kaip „nutekėjimo“ zona ir panaikina teorinį našumo pranašumą, kurį šios plokštelės galėtų suteikti.

Be to, tyrėjai parodė, kad didelio varžingumo plokštelių derinimas su vietoje atliekama briaunų pasivacija yra būtinas jų jautrumui suvaldyti ir pilnam našumui atskleisti. Didelio varžingumo plokštelės daug lengviau pereina į aukšto įpurškimo (angl. high-level injection) režimą nei mažo varžingumo, o būtent ši fizikinė savybė lemia didesnį jų vidinį potencialą pasiekti aukštus užpildymo faktoriaus rodiklius.

Valdant briaunų rekombinaciją pasivacijos būdu, šios plokštelės gali išlaikyti efektyvų nešiklių surinkimą ir didelį naudingumo koeficientą, taip paversdamos teorinius privalumus praktiškai aukštų charakteristikų saulės elementais.

HIBC elementai su tinkamai apdorotomis briaunomis demonstruoja našumo augimą

Tyrimų grupė pagamino hibridinius, tarpusavyje persipinančiu galiniu kontaktu (HIBC) saulės elementus, kurių matmenys – 7,2 × 3,6 colio. Šiems elementams buvo naudojamos tiek didelio varžingumo, tiek standartinės „Czochralski“ būdu išaugintos plokštelės. Pagrindinis skirtumas – didelio varžingumo plokštelių kraštai cheminio garų nusodinimo metu buvo palikti be silicio nitrido sluoksnio, todėl SiOx/n-polikristalinio silicio pasivacijos sluoksnis, atliekant šlapią cheminį valymą, liko neapsaugotas ir vietomis pašalintas.

Visas gamybos procesas apėmė šlapią cheminį valymą, cheminį garų nusodinimą (CVD), fosforo difuziją, atominių sluoksnių nusodinimą (ALD), lazerinį šablonavimą, fizikinį garų nusodinimą (PVD), izoliavimo žingsnius ir šilkografinę spaudą. Didelio varžingumo plokštelių varža siekė 8–10 Ω·cm (0,046–0,058 Ω·in), o standartinių – 1,0–1,5 Ω·cm (0,006–0,009 Ω·in). Tokia konfigūracija leido tiesiogiai palyginti jų darbo parametrus ir įvertinti, kaip briaunų pasivacija veikia didelio varžingumo plokštelių elgseną.

Abi elementų rūšys buvo vertinamos naudojant I–V charakteristikų matuoklį, plokštelių metrologijos sistemą, transmisinę elektroninę mikroskopiją ir modeliavimo programinę įrangą. Analizė parodė, kad veiksminga briaunų pasivacija pagerino tiek mažo, tiek didelio varžingumo saulės elementų parametrus, tačiau nauda buvo didesnė didelio varžingumo plokštelėms.

Mažo varžingumo elementams briaunų pasivacija padidino pseudo užpildymo faktorių 0,48 % ir naudingumo koeficientą 0,34 %, parodant, kad briaunų rekombinacijos valdymas pagerina bendrą įrenginio našumą net ir vidutinio varžingumo plokštelėse.