Paano Mas Mahusay na Putulin ang Multi-Piece Solar Cells?

Mabilis na sagot: Ang pagputol ng isang buong cell sa kalahati, ikatlo o mas maliliit na piraso ay nagpapataas ng module power sa pamamagitan ng pagbabawas ng current na dinadala ng bawat strip, na nagpapababa ng resistive loss sa ribbon. Bumababa ang benepisyo habang lumiliit ang strip, at tumataas ang mekanikal na gastos. Tatlong paraan ang nangingibabaw. Ang laser scribing na sinusundan ng mechanical breaking ay ang pinakamabilis at nagdadala ng pinakamababang thermal load, ngunit ang kalidad ng break edge ay depende sa scribe depth. Ang laser full cutting ay naghihiwalay sa cell gamit lamang ang beam at nagbibigay ng mas malinis na edge sa mas mababang bilis. Ang thermal laser separation ay pinagsasama ang laser at cooling step upang ang crack ay kumalat sa isang kontroladong landas. Ang mga kaugnay na dimensyon ay mula sa 532 nm laser wavelength hanggang sa mga feature size na malapit sa 1 µm at 20 µm hanggang 100 µm, at ang strip voltage ay mababa — mga 0.55 V — kaya ang mga pakinabang ay nagmumula sa resistance, hindi sa voltage.

PV Module Manufacturing · ni Jerry, Ooitech

Introduction

TOPCon, SHJ at BC Cells" title="Paano Mas Mahusay na Putulin ang Multi-Piece Solar Cells? Ang Counterintuitive Truth Tungkol sa Edge Loss sa n-type TOPCon, SHJ at BC Cells"/>

Sa paghabol ng mas mataas na module power, madalas na hinihiwa ng mga inhinyero ang isang malaking cell sa 1/2, 1/3 o mas marami pang "small cells", pagkatapos ay muling ikinokonekta ang mga ito sa series at parallel sa loob ng module. Ang layunin ay bawasan ang current at paliitin ang resistive power loss. Ngunit ang bawat hiwa ay nag-iiwan ng hindi napapassivate na "sugat" sa gilid ng cell. Ang mga sugat na iyon ay nagiging carrier traps, at kinakain nila ang open-circuit voltage (Voc) at fill factor (FF). Habang lumiliit ang sub-cell, lalong lumalala ang edge recombination loss.

Ang pinakakaraniwang paraan sa industriya ngayon, "laser scribing + mechanical cleaving" (L&C), ay nag-iiwan ng malubhang thermal damage sa hiwa. At sa loob ng maraming taon, nagkasundo ang larangan sa isang bagay: ang scribing sa p-n junction side ay gumagawa ng pinakamalaking pinsala, kaya "ang p-n junction side ang pangunahing bottleneck para sa edge loss". Ang paniniwalang iyon ay nagbunga ng karaniwang trick na "mag-scribe mula sa n-n+ side upang protektahan ang p-n junction".

Ngunit ang malawak na tinatanggap na "common sense" na iyon ay talagang sumasalamin ba sa intrinsic electrical behavior ng p-n junction? O ito ba ay artifact lamang ng laser heat?

Pangunahing Natuklasan: Isang Intrinsic Electrical Behavior na Sumisira sa Consensus

Isang research team sa FUNSOM institute ng Soochow University ang naglathala ng trabaho sa Nano Energy gamit ang isang bagong low-damage cutting method na tinatawag nilang "45° rotational cleaving". Matalinong iniiwasan nito ang laser thermal damage at sinisiyasat ang tunay na intrinsic electrical behavior ng p-n junction edge. Ang konklusyon ay nagulat sa industriya:

Sa ilalim ng low-damage cutting, ang edge carrier collection efficiency sa p-n junction side ay aktwal na mas mataas kaysa sa n-n+ side. Sa simpleng salita: ang pag-scribe mula sa p-n junction side ay ang mas mahusay na estratehiya sa industriya. Binabaligtad nito ang dalawampung taon ng tinatanggap na kasanayan.

Paano Buksan ang Cell Edge Nang Hindi Ito Sinasaktan

Upang pag-aralan ang "intrinsic electrical behavior ng p-n junction", kailangan mo munang lutasin ang isang mahirap na problema. Ang tradisyonal na laser cutting ay nag-iiwan ng re-melted at re-solidified layer, kasama ang microcracks at tambak ng thermal damage sa gilid, at ang lahat ng iyon ay nagpapalabo sa anumang obserbasyon ng p-n junction at surface recombination behavior. Ibang landas ang tinahak ng team, gamit ang anisotropic cleaving nature ng silicon crystals upang imungkahi ang "45° rotational cleaving" method:

Unang hakbang: i-rotate ang wafer nang 45° sa eroplano.

Ikalawang hakbang: mag-pre-scratch ng mababaw na linya sa (100) plane gamit ang diamond scriber.

Ikatlong hakbang: mag-cleave kasama ang {110} plane family upang makakuha ng atomically flat, thermally undamaged cross-section.

Ang edge cross-section na nakuha sa ganitong paraan ay pinapanatili ang structural at electrical integrity nito. Kasama ng micrometer-resolution photovoltage imaging technique, maaari mong i-scan ang electrical behavior malapit sa edge point by point, nang hindi sinasaktan ang p-n junction.

Gumamit ang eksperimento ng 532 nm laser (penetration depth mga 1.3 µm), na umaabot sa humigit-kumulang 1 µm spatial resolution sa ilalim ng 50× objective, sapat na malinaw upang makuha ang photovoltage decay behavior sa loob ng sampung micrometer mula sa edge.

Mga Natuklasan sa Eksperimento

Figure 1. Epekto ng pagputol sa p-n junction integrity (a, b), schematic ng 45° rotational cleaving method (c, d), at mga schematic ng tatlong high-efficiency cell structures (e-g).

Ipinapakita ng Figure 1a ang tradisyonal na L&C process na nag-scribe sa p-n junction side: una, nag-ablates ang laser ng groove sa surface ng cell (ang Laser mark), pagkatapos ay pinaghihiwalay ng mechanical force ang cell. Ang Figure 1b ay ang SEM cross-section ng edge pagkatapos ng L&C cutting. Malinaw na makikita na nahahati ang section sa dalawang zone. Ang itaas na bahagi ay ang "laser ablation region", na nagpapakita ng malinaw na re-melted at re-solidified morphology. Ang ibabang bahagi ay ang "stress-separated region", na napunit ng mechanical force, na nag-iiwan ng maraming irregular microcracks at melt pools. Ang thermal damage na ito ang eksaktong nagtutulak sa pagtaas ng leakage current at pagbaba ng performance ng cell.

Mahalagang tandaan: kapag nag-scribe ang laser sa p-n junction side, ang p-n junction mismo ay tuluyang nasisira ng init. Kaya ang "phenomenon" na palaging nakikita ng industriya, na "ang p-n junction side ang edge-loss bottleneck", ay aktwal na artifact ng thermal damage.

Ipinapakita ng Figure 1c ang 45° rotational cleaving method na iminungkahi dito: i-rotate ang wafer nang 45° sa paligid ng in-plane axis, i-scratch ang (100) plane gamit ang diamond scriber, pagkatapos ay punitin kasama ang {110} cleaving plane. Ang Figure 1d ay ang SEM image ng cleaved edge, scale bar 20 µm. Ang cross-section ay lubos na flat at malinis, walang bakas ng melt, perpektong pinapanatili ang structure at electrical integrity ng p-n junction. Iyon ang susi sa pag-aaral ng "intrinsic behavior".

Tinitingnan ng trabahong ito ang tatlong pangunahing n-type high-efficiency cell technologies: TOPCon, SHJ at TBC. Nagbabahagi sila ng karaniwang katangian. Sa isang n-type c-Si substrate, dinadala nila ang parehong p-n junction (homo- o heterojunction) at isang n-n+ high-low junction. Kaya ang pag-aaral ng kanilang edge behavior ay nagbibigay ng direktang gabay para sa tunay na produksiyon sa industriya.

Figure 2. Front-side edge photovoltage analysis ng TOPCon, SHJ at TBC cells.

Ipinapakita ng Figure 2a ang 532 nm laser scanning mula sa gilid ng front-surface ng cell pakanloob, gumagana kasama ng XY precision stage at electrical amplifier upang i-record ang photovoltage signal sa real time, hanggang sa tuluyang makabuo ng 2D photovoltage map. Ang Figure 2b ay ang front-side photovoltage image ng TOPCon, SHJ at TBC (kaliwa pakanan). Mas maliwanag na kulay ay nangangahulugang mas mataas na photovoltage. Lahat ng tatlong cell ay nagpapakita ng malinaw na "gradient band" sa loob ng ~100 µm mula sa gilid, mas mababa ang photovoltage kapag mas malapit sa gilid. Iyan ang direktang ebidensya ng edge recombination loss.

Kung ihahambing ang tatlo: ang TOPCon ang may pinakamataas na photovoltage (0.40–0.55 V) at pinakamabilis mag-saturate. Ang TBC ang may pinakamababa (0.36–0.49 V) at pinakamabagal mag-decay, ibig sabihin ang edge recombination nito ang pinakamasama. Ang resultang ito ay sumasalungat sa "p-n junction is the bottleneck" na common sense, dahil ang front side (ang side na nakaharap sa ilaw) ay karaniwang eksaktong kung saan naroon ang p-n junction.

Ino-normalize ng Figure 2c ang photovoltage profile na nakuha sa kahabaan ng itim na dashed line sa Figure 2b. Lahat ng tatlong curve ay nagpapakita ng "mababa sa gilid, mataas sa plateau", ngunit ang bilis ng saturation (na sumasalamin sa edge recombination length) ay malinaw na nagkakaiba:

• TOPCon: pinakamaikling decay region, malapit nang mag-saturate sa loob ng mga 100 µm, pinakamaliit na edge loss.

• SHJ: mid-range decay region, malapit nang mag-saturate sa ~200 µm.

• TBC: pinakamabagal na recovery, umaabot hanggang ~500 µm bago tuluyang mag-saturate, ang pinakamasamang edge loss.

Ipinaliwanag ng Figure 2d ang physics sa likod ng mga pagkakaiba. Ang photogenerated hole ay nauuwi sa isa sa dalawang bagay: nakokolekta ng electrode, o dumadrift sa gilid at nagre-recombine.

TOPCon: emitter sa harap, ultra-short hole collection path

Ang front surface ay isang p+ emitter. Ang mga hole ay kailangan lamang tumawid sa napakanipis na emitter upang makolekta ng front electrode, kaya karamihan ng mga hole ay "hindi nagkakaroon ng pagkakataon" na makarating sa gilid. Kasabay nito, ang malakas na field na nabuo ng p+ emitter / SiOx / n-poly-Si ay nananatiling epektibo sa gilid din, mabilis na naghihiwalay ng mga carrier. Iyan ang pangunahing dahilan kung bakit ang TOPCon ang may pinakamaliit na edge loss.

SHJ: front ay nagkokolekta ng electron, ang hole ay dumadaan sa mahabang ruta

Ang SHJ front surface ay n-a-Si:H, na nagkokolekta ng electron. Ang mga hole ay kailangang mag-diffuse hanggang sa likod na p-a-Si:H bago makolekta, isang napakahabang path. Dagdag pa ang highly conductive TCO layer na parang "highway", na nagdadala ng maraming hole nang lateral patungo sa gilid, at kapansin-pansing tumataas ang edge recombination.

TBC: lahat ng electrode sa likod, total wipeout

Sa TBC lahat ng electrode ay nasa likod. Ang mga carrier na nabuo sa front surface ay kailangang maglakbay nang lateral sa buong wafer upang makolekta. Mas malala pa, ang front Al2O3 passivation layer ay may dalang maraming fixed negative charge, na nagdudulot ng hole accumulation layer sa Si surface at bumubuo ng "hole conducting channel" na lalo pang nagtutulak sa mga hole patungo sa gilid.

Mabilisang tala: ang front-side photovoltage behavior ay pangunahing itinatakda ng dalawang bagay, ang "carrier collection distance" at "kung may lateral transport channel", at wala itong kinalaman sa direksyon ng p-n junction mismo.

Figure 3. Back-side edge photovoltage analysis ng TOPCon, SHJ at TBC cells.

Iginuguhit ng Figure 3a ang laser scanning mula sa back-side edge. Ang Figure 3b ay ang kaukulang 2D photovoltage map. Kung ihahambing sa Figure 2b, lahat ng tatlong cell ay nagpapakita ng mas mababang back-side photovoltage kaysa sa front side (dahil ang front surface ay karaniwang may mas mahusay na anti-reflection design at mas mataas na light utilization). Ang Figure 3c ay naglalahad ng isang kawili-wiling bagay: ang back-side edge "winner" ay nagiging TBC. Kahit na ang SHJ ay may p-n junction din sa likod, ang edge photovoltage nito ay talagang mas mababa kaysa sa TOPCon, na lalong nagpapakita na ang "p-n junction position" ay hindi lamang ang factor na nagtatakda ng edge loss. Iginuguhit ng Figure 3d ang back-side minority carrier transport mechanism. Ang likod ay espesyal: ang back n-poly-Si ay may mataas na konsentrasyon ng electron, na bumubuo ng strong-field environment na sumusugpo sa mga hole ngunit nagtataguyod ng electron collection.

TOPCon back side: ang hole "fast lane" ay nasusugpo

Ang mataas na electron concentration sa back n-poly-Si ay sumusugpo sa hole transport. Ang mga hole ay kailangang tumawid sa buong n-type c-Si substrate upang makarating sa front p+ emitter bago makolekta. Ang "long-distance transport" na ito ay nagpapababa sa back-side photovoltage sa pangkalahatan, ngunit binabawasan din nito ang bilang ng mga hole na nakararating sa gilid.

SHJ back side: malakas ang heterojunction, ngunit ang TCO ay double-edged sword

Ang n-type c-Si / p-a-Si:H heterojunction ng SHJ ay talagang nag-aalok ng mas malakas na carrier separation kaysa sa TOPCon, ngunit ang TCO nito ay may mababang lateral resistance at "short-circuits" pa rin ang malaking bahagi ng mga hole patungo sa gilid. Ang resulta: ang malakas na separation ability ay hindi katumbas ng maliit na edge loss.

TBC back side: ang hole HSC ay naroon mismo sa likod, isang home-court advantage

Ang back-side HSC ng TBC ay direktang nakaharap sa mga photogenerated hole. Ang mga carrier ay nakokolekta mismo sa likod, kaya mas kaunti ang dumadaloy sa gilid, at ang back-side photovoltage ay pinakamabilis mag-saturate.

Mabilisang tala: ang back-side photovoltage behavior ay nagpapakita ng "reversed" trend kumpara sa front. Ang TBC ay pinakamasama sa front ngunit pinakamahusay sa back, na nagpapakita na ang "aling side ang nakaharap sa ilaw" ay mas mahalaga kaysa sa "aling side ang p-n junction".

Figure 4. Cross-sectional photovoltage distribution model ng TOPCon at SHJ cells.

Kung ang Figures 2 at 3 ay tumitingin sa gilid "mula sa tagiliran", ang Figure 4 ay humihiwa nito "nang crosswise". Ang laser ay direktang nag-scan sa cross-section, kaya makikita mo ang buong electrical behavior mula p-n junction hanggang n-n+ sa isang sulyap. Ito ang pinaka-orihinal na bahagi ng pag-aaral. Ang Figure 4a ay ang cross-sectional photovoltage map ng TOPCon, mula kaliwa pakanan ang front side (p+ emitter / p-n junction) at ang back side (n-poly-Si / n-n+ junction). Makikita mo na ang kaliwang bahagi (p-n junction) ay mas maliwanag sa pangkalahatan, at ang kanang bahagi (n-n+) ay mas madilim. Ang curve na nakuha sa Figure 4b ay napakalinaw: mula sa p-n junction side hanggang sa n-n+ side, ang photovoltage ay monotonikong bumababa, na may buong decay region na mga 100 µm. Ang resultang ito ay tahasang tumatanggihan sa tradisyonal na pananaw na "ang p-n junction ang edge-loss bottleneck", dahil sa ilalim ng low-damage conditions ang p-n junction side ay sa halip ang high-photovoltage zone. Ibinibigay ng Figure 4c ang pisikal na dahilan: sa p-n junction side (p+ emitter) ang minority carriers (holes) ay naglalakbay lamang ng maikling distansya upang makolekta, samantalang sa n-n+ side (ang n-poly-Si region) ang mga hole ay kailangang tumawid sa buong n-type c-Si upang makarating sa p+ emitter, isang mahabang path na may mataas na recombination probability, kaya mas malaki ang loss. Ang Figures 4d–f ay nagpapakita ng eksaktong parehong trend sa SHJ cells: mula sa back p-n junction (p-a-Si:H / n-c-Si) hanggang sa front n-n+ junction (i/n-a-Si:H / n-c-Si), ang photovoltage ay muling monotonikong bumababa. Ang regularidad na ito na nananatili sa iba't ibang cell structures ay isa sa mga pangunahing argumento ng pag-aaral.

Upang ilarawan ito nang dami, ang koponan ay naghango ng isang one-dimensional minority carrier diffusion model. Ang Figure 4g ay ang model schematic, na nagpapakita ng curve (orange) na monotonikong nabubulok mula sa p-n junction side (hole select contact, HSC) patungo sa ESC side (electron select contact, ESC). Ang Figure 4h ay higit pang naghahambing ng carrier behavior sa HSC at ESC sides:

• HSC side: ang minority carriers (holes) ay nakokolekta sa maikling distansya, mababang recombination probability.

• ESC side: ang minority carriers ay dapat mag-diffuse ng mahabang distansya upang maabot ang HSC, na labis na nagre-recombine sa daan.

• Ang carrier separation mechanism ng p-n junction ay may dobleng benepisyo ng heavily doped contact at passivated contact, mas mahusay kaysa sa plain high-low junction (n-n+).

Mabilis na tala: ang cross-sectional photovoltage model ay quantitatively nagkukumpirma na "ang p-n junction side electrical performance ay nalalampasan ang n-n+ side", at nagmumungkahi ng "minority carrier diffusion length L" bilang bagong metric para sa pagtatasa ng edge loss.

Figure 5. Cross-sectional photovoltage analysis ng isang TOPCon cell na ginawa ng industrial thermal laser separation (TLS) method.

Upang suriin kung ang konklusyon mula sa 45° cleaving method ay nananatili para sa industrial cutting, ginamit ng koponan ang "thermal laser separation" (TLS) method (Figure 5a) — una, ang isang laser ay nag-pre-treat sa p-n junction side (ang Pre-grooving sa figure), pagkatapos ay tumutulong ang cooling water sa separation. Ang TLS ay isa sa mga kinikilalang low-damage cutting techniques ngayon. Ang Figure 5b ay ang cross-sectional photovoltage image ng TOPCon pagkatapos ng TLS cutting: ang kaliwang bahagi (p-n junction) ay malinaw na mas maliwanag kaysa sa kanang bahagi (n-n+). Ang quantitative curve sa Figure 5c ay nagpapakita na mula sa p-n junction hanggang sa back side, ang photovoltage ay monotonikong bumababa pa rin, ganap na naaayon sa 45° cleaving result.

Pangunahing verification: kahit na sa industrial TLS method (slicing direkta mula sa p-n junction side), ang photovoltage ay nagpapakita pa rin ng "high p-n junction, low n-n+" trend. Ito ay nagsasabi na sa ilalim ng low-damage cutting, ang "p-n junction" ay hindi isang bottleneck, kundi kung saan naroroon ang kalamangan. Ang dating karanasan ng industriya na "ang p-n junction side ay gumaganap nang mas mahusay" sa TLS cutting ay sa wakas ay nakumpirma ng parehong eksperimento at teorya.

Figure 6. Cross-sectional photovoltage analysis ng TBC at THBC cells, kasama ang isang schematic ng low-damage p-n junction cutting strategy.

Ang Figures 6a at 6b ay ang cross-sectional photovoltage images ng TBC at THBC cells. Ang TBC ay may pinakamataas na photovoltage, 0.39 V, at ang THBC ay bahagyang mas mababa (0.21 V), ngunit pareho silang nagpapakita ng malinaw na "bright p-n junction, dark n-n+" spatial distribution. Ang mga curve na nakuha sa Figures 6c at 6d ay sumusunod sa parehong pattern tulad ng Figure 4: monotonikong pagbaba mula sa p-n junction patungo sa n-n+. Karapat-dapat banggitin ang maliit na inset sa Figure 6c: ang "directional distribution" ng photovoltage para sa bawat cell structure ay nagpapakita ng "dense upper-left, sparse lower-right" pattern, ibig sabihin ang electrical advantage ng p-n junction side ay universal sa lahat ng structures at processes. Ang Figure 6e ay nagpapaliwanag kung ano ang nagpapakita ng espesyal sa back-contact cells: ang HSC ay nakokolekta ng holes "malapit" sa likod, at ang ESC ay nakokolekta ng electrons "malapit" sa likod. Ang minority carriers (holes) na nabuo sa p-n junction region ay nangangailangan lamang ng maikling distansya upang maabot ang HSC, kaya maliit ang pagkawala; ang minority carriers sa n-n+ region ay kailangang maglakbay nang mahaba, kaya mas malaki ang pagkawala. Ang pattern na ito ay tumutugma nang eksakto sa TOPCon at SHJ. Batay sa lahat ng ebidensyang ito, ang koponan ay nagmungkahi ng isang bagong cutting strategy sa Figure 6f:

Rekomendasyon sa industriya

Sa ilalim ng low-damage cutting (tulad ng TLS), dapat kang mag-slice mula sa p-n junction side. Dahilan: ang p-n junction side ay may mas mataas na carrier separation efficiency at mas maikling minority carrier transport path. Kahit sa ilalim ng ilang process disturbance, pinapanatili nito ang disenteng electrical performance. Ang rekomendasyong ito ay nagbabaligtad ng dalawampung taong "iwasang hawakan ang p-n junction" na kasanayan sa industriya.

Pananaw ng Ooitech

Sa totoo lang, ito ay isa sa mga natuklasan na tahimik na nagbabago ng isang line-level na gawi kaysa sa isang headline spec. Ang takeaway para sa sinumang nagpapatakbo ng n-type line: ipares ang iyong laser cutting recipe sa sariling carrier physics ng cell, at huwag bulag na iparada ang scribe sa n-n+ side dahil lang iyon ang lumang tuntunin. Ang low-damage separation (TLS-style) ang tunay na enabler dito, at ang pag-dial in ng prosesong iyon sa isang solar cell laser cutting machine ay eksaktong kung saan ang mga module maker ay nakakakuha o nawawalan ng tunay na Voc at FF. Binubuo namin ang aming cutting at stringing stations upang mapanatiling mababa ang edge damage sa TOPCon, SHJ at BC formats, kaya ang ganitong uri ng pananaliksik ay direktang tumutugma sa produksyon. Kung nais mong makita kung paano lumilitaw ang mga hakbang na ito sa isang tumatakbong linya, ang Ooitech YouTube channel sa www.youtube.com/ooitech ay sulit i-follow.