ستاد ویژه توسعه فناوری نانو

فناوری نانو در نسل های جدید سلول های خورشیدی سیلیکون کریستالی

فناوری پنل های خورشیدی سیلیکونی با بازدهی 15 تا 18 درصد، بیش از 90% بازار برق خورشیدی را در اختیار دارد. این فناوری جهت حفظ رقابت‌پذیری خود در مقابل فناوری های نوظهور و کم هزینه، نظیر سلول های خورشیدی نانوساختار، نیاز به کاهش هزینه و افزایش بازدهی دارد. این امر در نسل های جدید سلول های خورشیدی سیلیکونی با جایگزین کردن فرایند دیفیوژن با فرایندهایی نظیر لایه نشانی بخار شیمیایی و اسپاترینگ محقق گشته است. استفاده از این فرایندهای نانومتری به سبب فراهم کردن قابلیت کنترل دقیق، دستیابی به بازدهی 3/26% را ممکن ساخته است. در این مقاله پس از مرور مختصر فناوری سلول های خورشیدی سیلیکونی سنتی، سه فناوری جدید یعنی هتروجانکشن، TOPCon و تاندم سیلیکون-پروفسکایت بررسی شده است. نقش فرایندهای نانومتری و زمینه های تحقیقاتی مرتبط معرفی شده و در پایان به بیان اهمیت این فناوری ها در شکل دهی آینده صنعت برق خورشیدی پرداخته می شود.

 

 1-مقدمه

سلول‌های خورشیدی سیلیکون کریستالی با انجام فرآیندهای متعددی بر روی کریستال‌های سیلیکون ساخته می‌شوند. این فناوری در چند دهه‌ی اخیر به صورت پایدار حدود 90%  بازار برق خورشیدی یا فوتوولتایی جهان را در اختیار داشته است. نقشه‌های راه برق خورشیدی بیانگر آن است که این فناوری سهم بازار خود را حداقل تا سال 2030 حفظ خواهد کرد.

اساس کار سلول‌های خورشیدی سیلیکونی بر مبنای یک اتصال نیمه‌هادی p-n است. p و n به ترتیب بیانگر نوع قالب بارهای الکتریکی یعنی حفره‌ها (بارهای الکتریکی مثبت) و الکترون‌ها (بارهای الکتریکی منفی) است که در نتیجه‌ی آلایش یونی با یون‌های متفاوت در نیمه‌هادی حاصل می‌شوند. سیلیکون نوع p با آلایش اتم‌های بور (B) و سیلیکون نوع n با آلایش اتم‌های فسفر (P) ایجاد می‌شود. با جذب نور خورشید در یک نیمه‌هادی با اتصال p-n حاملان بار آزاد یعنی الکترون‌ها و حفره‌ها تولید می‌شوند. میدان الکتریکی ذاتی ایجاد شده در اتصال p-n باعث جدایی سریع بارهای الکتریکی مثبت و منفی و حرکت آن‌ها به دو سوی نیمه‌هادی (که در اینجا ویفر سیلیکون است) می‌گردد. حاملان بار جدا شده در دو سوی ویفر با اتصالات فلزی نظیر نقره، مس و یا آلومینیوم از نیمه‌هادی استخراج شده و در یک مدار خارجی، جریان الکتریکی ایجاد می‌کنند.

شکل 1 زنجیره تولید ماژول‌های خورشیدی سیلیکون کریستالی را نشان می‌دهد که شامل سه بخش اصلی الف) تبلور، آماده‌سازی مواد خام و ویفرسازی، ب) ساخت سلول و ج) ساخت ماژول است [1]. مراحل اول و سوم به ترتیب شامل خالص‌سازی سیلیکون و مونتاژ سلول‌ها در قالب پنل است. در مرحله دوم فرایند تبدیل ویفر سیلیکون به سلول خورشیدی که توانایی تولید برق از نور خورشید را دارد، صورت می‌گیرد. در این مقاله فناوری‌های مختلف ساخت سلول‌های خورشیدی سیلیکونی در سال‌های اخیر معرفی شده و سپس کاربرد فناوری نانو در ساخت نسل‌های جدید سلول‌های خورشیدی سیلیکون کریستالی معرفی می‌شود.

2-فناوری Al-BSF

فناوری استاندارد ساخت سلول‌های خورشیدی سیلیکونی بر مبنای فرآیند نفوذ (دیفیوژن) است. در این فرآیند ویفرهای سیلیکن نوع p در کوره‌ای در دمای نزدیک به C°800 و در اتمسفر POCl3 قرار گرفته و سپس لایه‌ای با آلایش نوع n در تمام سطوح خارجی ویفر ایجاد می‌شود. در مرحله‌ی بعد، لایه‌ی نوع n با استفاده از فرآیندهای شیمیایی از پشت سلول حذف شده و با لایه‌ای از خمیر آلومینیوم جایگزین می‌گردد. در بخش جلوی سلول لایه‌ای از Si3N4 باعث کاهش بازتابش نور خورشید از سطح سلول شده و روی آن شبکه‌ای از خطوط خمیر نقره لایه نشانی می‌شود. پس از خشک شدن خمیرهای آلومینیوم و نقره، مجموعه‌ی حاصل در کوره‌ای با دمای C°800 پخته می‌شود. در این دمای بالا، نفوذ فلز به داخل Si و Si3N4 سبب ایجاد اتصال اهمی مناسب بین فلزات به‌کار گرفته شده و سیلیکون می‌گردد. نفوذ آلومینیوم در ویفر سیلیکونی سبب ایجاد نوعی از آلایش p شده و میدان الکتریکی مناسبی برای جداسازی حاملان بار ایجاد می‌کند. از این رو این فناوری [i]Al-BSF نامیده می‌شود [2]. شماتیک یک سلول خورشیدی سیلیکونی Al-BSF در شکل 2 (الف) نشان داده شده است. این فناوری به سبب سادگی اجرا، بسیار مورد توجه قرار گرفته است؛ اما استفاده از اتصال مستقیم نیمه‌هادی و فلز در این فناوری باعث کاهش قابل توجه راندمان این ادوات به کمتر از 20% شده است. بنابراین فناوری دیگری به نام PERC یا اتصال‌های خنثی شده[ii] روی کار آمد که در ادامه معرفی خواهد شد

3-فناوری PERC

در فناوری PERC تماس مستقیم فلز و نیمه‌هادی با استفاده از یک لایه‌ی دی الکتریک حذف شده است [3]. پیاده‌سازی این فناوری به مراتب پیچیده‌تراز فناوری Al-BSF است. در روش خاصی از فناوری PERC به نام PERL[iii] که شماتیک آن در شکل 2 (ب) نشان داده شده است، راندمان 4/24% برای سلول‌های خورشیدی سیلیکونی که رکورد چشمگیری پس از چند دهه به شمار می‌رود، به‌دست آمد [4]. در این فناوری بین اتصال آلومینیومی پشت سلول و سیلیکون لایه‌ای از اکسید آلومینیوم (Al2O3) که عایق الکتریکی است، قرار می‌گیرد و اتصالات الکتریکی میان آلومینیوم و سیلیکون از طریق لیزر و به صورت ذوب نقطه‌ای آلومینیوم به داخل Al2O3,Si انجام می‌شود.

فناوری‌های Al-BSF و PERC به سبب نیاز به فرآیندهای دما بالای تا حدود C°800، پیچیدگی و تعدد مراحل عملیاتی که در برخی از خطوط تولید PERC به بیش از 20 مرحله می‌رسد، باعث ظهور فناوری جدیدی به نام هتروجانکشن (HIT) بر پایه لایه‌های نانومتری شد که در ادامه معرفی می‌شود

4-فناوری هتروجانکشن (HIT) بر پایه‌ی لایه‌های نانومتری

فناوری هتروجانکشن برای اولین بار به‌وسیله‌ی شرکت Sanyo/Panasonic و با عنوان تجاری HIT® روی کار آمد [5]. شماتیک یک سلول خورشیدی هتروجانکشن به همراه تصاویر میکروسکوپ الکترونی سطح آن در شکل 3 نشان داده شده است. در این فناوری رکورد بازدهی 1/25% در حالت استاندارد که در آن پشت سلول خورشیدی کاملاً با فلز پوشانده شده و در جلو‌ی آن شبکه‌ای از خطوط نقره قرار دارد، به دست آمد [6]. در ساختاری پیچیده‌تر به نام IBC[iv] تمامی اتصالات فلزی در پشت سلول قرار داده می‌شوند که منجر به افزایش بازدهی سلول تا 3/26% می‌گردد [7]. این مقدار بالاترین راندمان به‌دست آمده در سلول‌های خورشیدی سیلیکنی است. در این فناوری فرآیندهای دیفیوژن به طور کامل حذف شده و با لایه‌نشانی لایه‌های نانومتری جایگزین شده است. اتصال p-n با ساخت لایه‌های 10-5 نانومتری سیلیکون آمورف نوع n و نوع p در دو طرف سلول حاصل می‌شود. بین این لایه‌ها و سطح ویفر سیلیکون نیز لایه‌های سیلیکون آمورف با ضخامتی مشابه، اما از نوع آلایش ذاتی ایجاد می‌گردد. حضور این لایه به منظور حذف باندهای شیمیایی آویزان[v] در سطح سیلیکون است که منشاء بازترکیب حامل‌های بار و افت راندمان هستند.

در این فناوری برقراری اتصال الکتریکی اهمی به سیلیکون از طریق لایه‌هایی از جنس اکسیدهای نیمه‌رسانای شفاف (TCO)[vi] انجام می‌شود. در اکسیدهای نیمه‌رسانای شفاف نظیر In2O3: Sn، SnO2: F یا ZnO: Al آلایش به حدی است که آن‌ها از لحاظ الکترونیکی رفتاری شبیه به فلزات دارند. به این ترکیبات در علم فیزیک حالت جامد degenerate semiconductors اطلاق می‌شود. لایه‌های چند ده نانومتری TCO برقرار کننده‌ی اتصال اهمی میان اتصالات فلزی سلول (معمولا نقره) و سیلیکون هستند. این لایه‌ها از اتصال مستقیم فلز به سیلیکون جلوگیری کرده و باعث کاهش اتلاف الکترونیکی و نوری مربوط به اتصالات می‌شوند [8].

از مزایای اصلی این فناوری می‌توان به استفاده از سیلیکون آمورف با آلایش ذاتی به عنوان جدا کننده‌ی بی‌اثر، استفاده از فرآیندهایی با دمای کم (کمتر از C°200) که استفاده از ویفرهای بسیار نازک بدون تاب برداشتن زیرلایه را امکان‌پذیر می‌سازد و تعداد مراحل عملیاتی اندک اشاره کرد. در این فناوری لایه‌های نانومتری سیلیکون آمورف با آلایش نوع n- p و آلایش ذاتی با مراحل پی در پی لایه نشانی با روش رسوب بخار شیمیایی به کمک پلاسما[vii] (PECVD) ایجاد می‌شود. لایه‌های TCO با مقاومت sq/Ω100-3 به روش رسوب بخار فیزیکی[viii] (PVD) و فلزات جمع‌کننده جریان با روش screen printing لایه نشانی می‌شوند. این روش قادر است خطوط فلزی بسیار نازک و طویل به منظور کاهش اتلاف الکتریکی و نوری ایجاد کند [5]. همان طور که در شکل 4 نشان داده شده است، افزایش ضخامت لایه‌های سیلیکون آمورف باعث افزایش بازترکیب حاملان بار و کاهش جریان اتصال کوتاه در سلول خورشیدی می‌شود. بنابراین در بهترین شرایط ضخامت این لایه‌ها بایستی کمتر از 5 نانومتر باشد [9]

5-فناوری Tandem سیلیکن-نانوساختارهای پروفسکایت

یکی از راهکارهای اصلی جهت کاهش هزینه ساخت نیروگاه‌های خورشیدی کاهش مساحت ماژول‌های به کارگرفته شده با استفاده از ماژول‌های راندمان بالاست. افزایش بازدهی سلول‌های خورشیدی سیلیکونی فراتر از 3/26% امری دشوار است. لذا در سال‌های اخیر گرایش به سلول‌های خورشیدی دو اتصالی یا تاندم[ix] افزایش یافته است. در سلول‌های خورشیدی تاندم به جای یک نیمه‌هادی (مثلا سیلیکون) برای جذب طیف نور خورشید از دو نیمه‌هادی استفاده می‌شود (شکل 5). در این حالت یکی از نیمه‌هادی‌ها گاف انرژی بزرگتری دارد و فوتون‌هایی با انرژی بالا را جذب می‌کند. سیلیکون فوتون‌هایی با انرژی کمتر را جذب می‌کند؛ بنابراین اتلاف حرارتی کاهش می‌یابد. راندمان نظری سلول‌های دو اتصالی 1/46% در مقایسه با مقدار 1/33% برای سلول‌های تک اتصالی است [10, 11]. پروفسکایت هالیدهای آلی-معدنی با فرمول کلی ABX3 (NH2CHNH2 یا A=CH3NH3، Snیا B=Pb و   X=Cl, Br, I) گزینه‌های ارزان قیمت و مناسبی جهت کاربرد در سل دارای گاف انرژی بزرگ به شمار می‌روند، به گونه‌ای که انتظار می‌رود سلول‌های دو اتصالی سیلیکن-پروفسکایت بدون تغییر قابل توجهی در هزینه ساخت به راندمانی بیشتر از 30% دست یابند [12].

اتصال چهار پایانه و دو پایانه از روش‌های ساخت سلول‌های خورشیدی دوتایی تخت است. شکل 5 طرح شماتیکی از این دو نوع اتصال را نمایش می‌دهد. در روش اتصال چهار پایانه، ابتدا هر یک از سلول‌های خورشیدی به صورت مستقل ساخته شده و سپس به صورت مکانیکی به یکدیگر متصل می‌شوند. سلول خورشیدی پروفسکایت که در ناحیه‌ی مادون قرمز نزدیک شفاف است، به عنوان سلول بالایی و سلول خورشیدی سیلیکونی به عنوان سلول پایینی در نظر گرفته می‌شود. راندمان چنین سلول‌هایی به بیش از 6/23% رسیده است [13]. در روش اتصال دو پایانه، سلول بالایی مستقیماً بر روی سلول پایینی رشد می‌کند، به گونه‌ای که هر لایه بر روی لایه‌ی قبلی و به صورت متوالی قرار می‌گیرد. این کار مستلزم هماهنگی بین دو سلول در حین اتصال است. به ساختار حاصل سلول خورشیدی «دوتایی یکپارچه[x]» گفته می‌شود. انعطاف در فرآیند و طراحی مستقل هر یک از اجزا از مزیت‌های اصلی روش اتصال چهارپایانه به شمار می‌رود، در حالی که مزیت اصلی سلول‌های یکپارچه ارزان‌تر بودن آن‌هاست. اتصال چهار پایانه به چهار الکترود که سه تای آن شفاف است نیاز دارد، در حالی که سلول‌های یکپارچه به دو الکترود نیاز دارند که فقط یکی از آن‌ها شفاف است [10, 14].

6-فناوری TOPCon

وجود خطوط تولید زیاد فناوری Al-BSF در جهان همواره انگیزه‌ای برای یافتن راه حلی به منظور افزایش بازدهی این فناوری از طریق افزودن چند فرآیند بوده است. در سال 2015-2014 محققان مؤسسه‌ی فرانهوفر آلمان فناوری جدیدی ابداع کردند که این امر را محقق می‌ساخت. این فناوری که به اختصار TOPCon[xi] نامیده می‌شود، مبتنی بر ایجاد یک لایه‌ی بسیار نازک در حدود یک نانومتر در پشت سلول خورشیدی و بر روی سطح کریستال Si و نیز یک لایه‌ی سیلیکون آمورف با آلایش نوع n و سپس ایجاد اتصالات فلزی است [15]. در این فناوری بازدهی 1/25% در سلول‌های خورشیدی کوچک با ابعاد cm24 به‌دست آمده است. در این فناوری چالش اصلی کنترل دقیق ضخامت لایه‌ی اکسید سیلیکون (SiOx) در پشت سلول است. این لایه بایستی کاملاً یکنواخت باشد تا از اتصال مستقیم به Si جلوگیری کند. اگر ضخامت این لایه در حدود 1 نانومتر باشد، اتصال الکتریکی در نتیجه‌ی تونل زنی ایجاد خواهد شد. افزایش ضخامت لایه به چند نانومتر منجر به کاهش قابل توجه احتمال تونل زنی و در نتیجه مختل شدن عملکرد سلول خواهد شد [16]. این فناوری اگر چه بسیار ساده به نظر می‌رسد، اما از حساسیت‌های بسیار بالایی برخوردار است و مؤسسات دیگر هیچ کدام تا به حال موفق به تکرار نتایج مؤسسه‌ی فرانهوفر نشده‌اند

نتیجه‌گیری

در حال حاضر اکثر پنل‌های خورشیدی با فناوری Al-BSF تولید می‌شوند، اما به تازگی شاهد گذار سریعی از این فناوری به فناوری PERC به‌وسیله‌ی تعداد قابل توجهی از تولید کنندگان پنل خورشیدی هستیم. دلیل این امر امکان ارتقای خط تولید Al-BSF به PERC است. لازم به ذکر است که درصد قابل توجهی از خطوط تولید تازه راه‌اندازی شده (و نه ارتقا یافته) هتروجانکشن (HIT) هستند. از نمونه‌های آن می‌توان به خط تولید GW 1 شرکت تسلا در آمریکا اشاره کرد. از دلایل این امر سادگی این فناوری و بازدهی تبدیل انرژی بالاتر آن است. امروزه تحقیقات علمی وسیعی در راستای افزایش بازدهی و کاهش هزینه‌های مربوط به فناوری هتروجانکشن و TOPCon در جریان است. فناوری تاندم سیلیکون-پروفسکایت از پویاترین زمینه‌های تحقیقاتی انرژی خورشیدی است؛ به گونه‌ای که بخشی از تحقیقات ساخت پروفسکایت‌های جدید و فرایندهای جدید ساخت پروفسکایت با دیدگاه استفاده از آن‌ها در این ساختارهاست. دلیل توجه زیاد به آن‌ها امکان دستیابی به سلول‌های خورشیدی کم هزینه با بازده 30% است؛ اگرچه این فناوری هنوز با چالش‌های عمده‌ای نظیر فرایندهای ساده و تکرار‌پذیر برای ساخت پروفسکایت و لایه‌های انتقال حفره روبرو است.

مراجع

 

[1]  K. O. Davis, M. P. Rodgers, and et al., Renewable and Sustainable Energy Reviews, 59 (2016) , 225-252.

[2]  D.-H. Neuhaus and A. Münzer, Advances in OptoElectronics, 2007 (2008) , 24521.

[3]  H. Hannebauer, T. Falcon, J. Cunnusamy, and T. Dullweber, Energy Procedia, 98 (2016) , 40-45.

[4]  J. Zhao, A. Wang, M. A. Green, and F. Ferrazza, Applied Physics Letters, 73 (1998) , 1991-1993.

[5]  S. De Wolf, A. Descoeudres, Z. C. Holman, and C. Ballif, green, 2 (2012) , 7-24.

[6]  D. Adachi, J. L. Hernández, and K. Yamamoto, Applied Physics Letters, 107 (2015) , 233506.

[7]  K. Yoshikawa, H. Kawasaki, and et al., Nature Energy, 2 (2017) , 17032.

[8]  A. Dabirian, S. Martin de Nicolas, and et al., Advanced Materials Interfaces, 3 (2016) , 1500462.

[9]  Z. C. Holman, A. Descoeudres, and et al., IEEE Journal of Photovoltaics, 2 (2012) , 7-15.

[10] C. D. Bailie and M. D. McGehee, MRS Bulletin, 40 (2015) , 681-686.

[11] J. Werner, L. Barraud, and et al., ACS Energy Lett., 1 (2016) , 474-480.

[12] M. Ye, X. Liu, J. Iocozzia, X. Liu, and Z. Lin, Nanomaterials for Sustainable Energy, 1 (2016) , 1-39.

[13] K. A. Bush, A. F. Palmstrom, and et al., Nature Energy, 2 (2017) , 17009.

[14] C. Bailie, M. Christoforo, and et al., Energy Environ. Sci, 8 (2015) , 956-963.

[15] S. Glunz, F. Feldmann, and et al., 31st European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, 2015, 259-263.

[16] A. Polman, M. Knight, and et al. Science, 352 (2016) , aad4424.