ماهي التقنيات الجديدة التي لعبت دورا كبيرا في رفع كفاءة الخلايا الشمسية الكهروضوئية؟ الجزء الأول: الخلايا الشمسية بتقنية PERC

بقيت صناعة الخلايا الشمسية الكهروضوئية ذات السطح الخلفي المعدني المصنوع من الألومنيوم  Aluminium Back Surface Field (Al-BSF) الأكثر انتشاراً حتى عام 2013, حيث بدأت صناعة الخلايا الشمسية الكهروضوئية بتقنيات جديدة بالظهور وهي تقنية الخلايا ذات الباعث الخامل مع الاتصال الخلفي Passivated Emitter Rear Contact(PERC)

والفرق الرئيسي بين هتين التقنيتين هو في السطح الخلفي فقط, حيث تمّ استبدال سطح التوصيل الخلفي المؤلف من شرائح الألمنيوم في الخلايا التقليدية, بطبقة تخميل عازلة للكهرباء وطبقة عاكسة للضوء (مرآة) عازلة للكهرباء ونقاط توصيل محليو موضعية من الألمنيوم, كما هو موضّح في الشكل:

يوضح الشكل تركيب الخلابا الشمسية التقليدية (Al-BSF) aluminium back surface field

توضح الصورة تركيب الخلابا الشمسية بتقنية الباعث الخامل مع الاتصال الخلفي Passivated Emitter Rear Contact (PERC)

وتؤدي هذه الإضافة الجديدة إلى الخلايا السيليكونية إلى رفع جهد الدارة المفتوحة, نتيجة لتقليل عملية إعادة اتحاد أزواج الإلكترونات الناتجة عن امتصاص الضوء مع الثقوب الموجبة على السطح الخلفي بشكل كبير, هذا بدوره يرفع كفاءة هذه الخلايا بشكل واضح, إذ أنّ عملية إعادة اتحاد الإلكترونات مع الثقوب الموجبة يقلل من حركة الإلكترونات الحرّة في الخلية مما يقلل كفاءتها.

بينما تلعب الطبقة العاكسة (المرآة) العازلة كهربائياً دوراً في زيادة نسبة الانعكاس الداخلي الخلفي الضوء الذي يمر عبر خلية السليكون دون أن يتم امتصاصه لتعكسه مرة أخرى في السيليكون ، هذا يعطي الخلية فرصة ثانية لامتصاصه, مما يزيد من كثافة تيار القصر في الخلية.

هذا, ولا تعتبر تقنية الخلايا الشمسية الكهروضوئية PERC جديدة كليّاً, إنما هي قديمة وتعود لعام 1983, حيث كانت جامعة نيو ساوث ويلز UNSW هي أول من قدمها, وقد حطمت الرقم القياسي العالمي للكفاءة عام 1989.

واستمر العمل خلال السنوات اللاحقة على تطوير هذه التقنية حيث تمّ استخدام نقاط توصيل محلية على السطح الخلفي مع الباعث المخمّل وسميّت هذه التقنية بخلايا الشمسية الكهروضوئية السيليكونية ذات الباعث الخلفي المخمّل ذو الانتشار المحلي Passivated Emitter Rear Locally diffused(PERL), والتي حققت نسبة كفاءة تحويل وصلت إلى 25% عام 1999.

لكن واجهت هذه التقنية بعض التحديات مثل تحقيق التخميل العازل, ونقاط التوصيل المحلية, والتنشيط المحلي.

ولحل مشكلة تخميل العازل الخلفي, فقد شكّل تطوير أوكسيد الألمنيوم في جامعة أيندهوفن Eindhoven للتكنولوجيا بالتعاون مع مركز الإلكترونيات الدقيقةInteruniversity Microelectronics Centre(IMEC), شكّل تحوّلاً هاماً في عملية تخميل السيليكون من النوع P, لاحتواءه على كثافة عالية من الشحنة السالبة وكونه لا يسبب المشاكل عند استخدام نتريد السيليكون موجب الشحنة.

وبخصوص تشكيل نقاط التوصيل المحلية, فقد كانت الشركات الصانعة للملصقات قد طوّرت ملصقات مطبوعة متوافقة مع عملية تصنيع الخلايا بتقنية PERC, تسمح بطباعة دارات بنقاط توصيل محلية موضعية على كل من السطحين الأمامي والخلفي, وقد فتح التطوّر في مجال الليزر عالي الطاقة والموثوقية المجال لاستخدامه في الحفر الدقيق لتشكيل ثقوب (فتحات) صغيرة في طبقة التخميل, مما سهّل عمليات الحفر والتصنيع وزاد من كميات إنتاج هذه الخلايا إلى حد كبير.

امّا بالنسبة لمشكلة التنشيط المحلي, فقد قدم مجموعة من الباحثين 1989 حلاً يعتمد على استخدام شرائح الألمنيوم بدلاً من البورون في تصنيع نقاط التوصيل المحلية, مما يسهل عملية الإنتاج والتصنيع.

يبيّن المخطط التدفقي التالي مراحل تصنيع الخلايا الشمسية الكهروضوئية من النوع PERC والخلايا التقليدية ذات السطح الخلفي من الألمنيوم AL-BSF, حيث تظهر المراحل الثلاثة الإضافية المطلوبة في تصنيع الخلايا من النوع PERC باللونين الأحمر والأرجواني.

حيث تتضمن مرحلة dielectric stack ترسيب مكدس عازل إضافي في الجزء الخلفي من الخلية يتألف من أكسيد الأمنيوم مغطى بنتريد السيليكون, ويتمّ إحداث ثقوب موضعية فيه باستخدام الليزر, وفي المرحلة النهائية من عملية التصنيع, تتم إزالة البقايا المتحلّلة بفعل الضوء في عملية تدعى Light Induced Degradation (LID) elimination

و قد أصبحت الخلايا الشمسية الكهروضوئية من النوع PERC الأكثر انتشاراً في مجال صناعة الخلايا الشمسية الكهروضوئية مؤخرا.

المصدر

PV-manufacturing.org