مسیر تکاملی فناوری فتوولتائیک: از Al-BSF تا Proovskite Tandems

صنعت فتوولتائیک به دلیل تکنولوژی در پنجاه سال گذشته بسیار سریع تغییر کرده است. تلاش برای بهره وری بیشتر، هزینه پایین تر برق (یا LCOE) و قابلیت ساخت بهتر به نسل های متعددی از فناوری سلول های خورشیدی منجر شده است. از طرح‌های سیلیکونی کریستالی ساده گرفته تا ساختارهای پشت سر هم پیشرفته، هر نسل نشان‌دهنده توسعه علمی و رقابت تهاجمی در بین تولیدکنندگان است که منجر به پیاده‌سازی{2} در مقیاس بزرگ در صنعت می‌شود. در مقاله زیر مهم‌ترین نقاط عطف در پیشرفت فناوری PV از جمله فن‌آوری‌های غالب، نوآوری‌های آن‌ها و فناوری‌های جدید و در حال توسعه را که نحوه تولید و مصرف انرژی خورشیدی را تغییر می‌دهند، بررسی خواهیم کرد.

برای چندین دهه، استاندارد صنعت، سلول میدان پشتی آلومینیومی (Al-BSF) بود. این ساختار ساده و در عین حال مؤثر، که معمولاً بر پایه سیلیکون تک کریستالی یا چند کریستالی p{2}}نوع است، دارای یک تماس آلومینیومی کامل-در عقب است. فرآیند تولید آن نسبتاً بالغ و کم هزینه-بود که اولین تجاری سازی-در مقیاس بزرگ انرژی خورشیدی را ممکن ساخت. با این حال، Al-BSF یک محدودیت اساسی داشت: نوترکیبی شدید سطح عقب-. الکترون‌های تولید شده در نزدیکی سطح پشتی به‌راحتی دوباره ترکیب می‌شوند و ولتاژ مدار باز سلول و در نتیجه سقف کارایی عملی آن را به حدود 18 تا 19 درصد محدود می‌کنند. در اوایل دهه 2010، مشخص شد که Al{16}}BSF دیگر نمی‌تواند اهداف کارآمدی صنعت را برآورده کند، و این امر باعث جستجو برای ساختار بهتر شد.

این پیشرفت با معماری غیرفعال امیتر و سلول عقب (PERC) حاصل شد. PERC که در ابتدا در دهه 1980 اختراع شد، اما فقط در مقیاس انبوه در حدود 2015-2018 تجاری شد، PERC یک نوآوری مهم را معرفی کرد: یک لایه غیرفعال (معمولاً اکسید آلومینیوم) در سطح عقب. این لایه حامل های اقلیت را دفع می کند و نوترکیب را به طور چشمگیری کاهش می دهد و ولتاژ بالاتر و به دام انداختن نور را بهبود می بخشد. سلول‌های PERC به سرعت راندمان تولید انبوه را از 19% به بیش از 23% افزایش دادند و فرآیند تولید آنها فقط به تغییرات حاشیه‌ای در خطوط Al-BSF موجود نیاز داشت. در نتیجه، PERC برای نزدیک به یک دهه تبدیل به یک فناوری اصلی بلامنازع شد. با این حال، در سال‌های 2022-2023، PERC شروع به نزدیک شدن به حد بازده نظری خود یعنی تقریباً 24.5 درصد کرد که با کاهش بازدهی و مشکل تخریب ناشی از نور (LID) مواجه شد و راه را برای نسل بعدی هموار کرد.

با نزدیک شدن به سقف PERC، توجه به ویفرهای سیلیکونی از نوع n- تغییر کرد که طول عمر حامل اقلیت برتر و درپوش صفر را ارائه می‌دهند. دو معماری به عنوان پیشتازان- ظاهر شدند.

ایجاد TOPCon (تماس غیرفعال شده با اکسید تونل) با توسعه ساختارهایی شبیه PERC{0}}شروع شد. این بهبود شامل استفاده از یک لایه بسیار نازک اکسید تونل دی الکتریک همراه با یک لایه پلی سیلیکونی سطحی-پشتی{3}}خیلی نازک است. این منجر به کیفیت فوق العاده در هر دو حالت تماس و غیرفعال می شود. TOPCon در تولید انبوه سلول‌ها به سرعت از 25 درصد راندمان فراتر رفت و برخی از بزرگ‌ترین تولیدکنندگان سلول گاهی اوقات بازدهی بیش از 26 درصد را گزارش کردند. یکی دیگر از مزیت های مهم TOPCon توانایی آن در کار بر روی خطوط تولید PERC موجود بود که به حداقل ابزار اضافه نیاز داشت و به آن مزیت اقتصادی واضح داد و خود را به عنوان فناوری اصلی در اواخر سال 2025 معرفی کرد.

HJT (تکنولوژی Heterojunction) سطح یک ویفر کریستالی نوع n- را با استفاده از لایه‌های سیلیکونی آمورف غیرفعال می‌کند. HJT ولتاژهای مدار باز{2} بسیار بالا (بیشتر از 750 میلی ولت)، مراحل فرآیند کمتر (پردازش کمتر پیچیده)، ضریب دمای پایین تر، و به طور طبیعی دو وجهی است. اگرچه راندمان HJT کمی کمتر از TOPCon است (حدود 25.5٪ در تولید انبوه / سوابق راندمان در محیط های آزمایشگاهی بیش از 26.8٪ بوده است)، سرمایه گذاری قابل توجهی بالاتر مورد نیاز (به دلیل هزینه تجهیزات PECVD و PVD) و استفاده زیاد از ایندیوم مانع از سرعت نفوذ فناوری به بازار شده است. با این حال، HJT همچنان یک رقیب قوی در بازار است، به خصوص در هنگام استفاده از فناوری‌های ذخیره‌سازی مس-آبکاری یا نقره-.

با نگاهی به آینده، دو فناوری نوید بازتعریف سقف کارایی را می دهند. سلول‌های تماس پشتی (BC) تمام کنتاکت‌های الکتریکی را به سمت عقب منتقل می‌کنند و سایه‌های شبکه جلو را کاملاً حذف می‌کنند. با این کار ظاهری کاملاً مشکی- براق و افزایش بازدهی 0.5 تا 1% مطلق نسبت به TOPCon استاندارد ایجاد می‌کند. رهبران صنعت بریتیش کلمبیا را به سمت تولید انبوه سوق داده اند و آن را به عنوان تکرار عمده بعدی قرار داده اند.

شکل حتی مخل‌تر از فناوری سلول‌های خورشیدی، سلول خورشیدی پشت سر هم است که از سلول بالایی پروسکایت (برای گرفتن فوتون‌های انرژی بالاتر) و سلول پایینی سیلیکونی (برای گرفتن- فوتون‌های انرژی پایین‌تر) که در یک واحد روی هم چیده شده‌اند، تشکیل می‌شود، بازده سلول‌های خورشیدی را از 30 درصد بالاتر از 30% آزمایشگاه‌ها گذشته است. موانع باقی مانده با این فناوری عبارتند از: پایداری، تولید در سطح وسیع و سمیت سرب. تولیدکنندگان بزرگ قبلاً خطوط آزمایشی برای تولید ایجاد کرده‌اند تا بتوانند این مشکلات را حل کنند، و اگر بتوان این موانع را برطرف کرد، پس از آن استفاده از پروسکایت تأثیر قابل‌توجهی بر استفاده از انرژی خورشیدی خواهد داشت و به احتمال زیاد بازده محصولات تولید انبوه- را به بالاتر از 35 درصد می‌رساند.

تکرار فناوری صنعت PV روایتی جذاب از بهبود مستمر و جایگزینی استراتژیک است. از سادگی Al-BSF تا تسلط PERC، و از رقابت بازده TOPCon و HJT گرفته تا وعده رادیکال BC و پروسکایت پشت سر هم، هر مرحله سطوح جدیدی از عملکرد و کارایی{2}}هزینه را باز کرده است. امروز، صنعت در یک چهارراه هیجان انگیز قرار دارد: در حالی که TOPCon حجم فعلی را هدایت می کند، فناوری های BC و پشت سر هم آماده هستند تا دهه آینده را تعریف کنند. این تکامل بی وقفه بر یک حقیقت ساده تأکید می کند - در خورشید، تنها ثابت، جستجوی راه های کارآمدتر برای برداشت انرژی بی حد و حصر خورشید است.