الدور الحاسم لتكنولوجيا الليزر في تصنيع الخلايا الكهروضوئية

مع استمرار صناعة الخلايا الكهروضوئية في السعي لتحقيق كفاءة تحويل أعلى وتكاليف تصنيع أقل، أصبحت تكنولوجيا المعالجة عاملاً حاسماً في أداء الخلايا وقابليتها للتوسع. فمن خلايا PERC إلى TOPCon وHJT، وصولاً إلى خلايا البيروفسكايت والخلايا الشمسية الترادفية، تزداد بنى الخلايا تعقيداً بينما تضيق نطاقات المعالجة. وفي خضم هذا التطور، تحولت تكنولوجيا الليزر من أداة مساعدة إلى قدرة تصنيعية أساسية تدعم أجيالاً متعددة من الخلايا الكهروضوئية عالية الكفاءة.

في خطوط إنتاج خلايا PERC، يُمكّن الاستئصال بالليزر من تشكيل طبقات التخميل بدقة ميكرونية لتكوين وصلات محلية مستقرة. وفي تصنيع خلايا TOPCon، يُعتبر تطعيم البورون بالليزر مسارًا رئيسيًا لتحقيق كفاءة خلايا تتجاوز 26%. أما في خلايا البيروفسكايت والخلايا الترادفية الناشئة، فإن الكتابة بالليزر تُحدد بشكل مباشر إمكانية تحقيق إنتاج واسع النطاق وعالي التجانس. وبفضل طبيعتها غير التلامسية، ودقتها العالية، ومنطقة تأثيرها الحراري الضئيلة، أصبحت تقنية الليزر عاملًا أساسيًا لتحسين الكفاءة وموثوقية التصنيع في جميع أنحاء صناعة الخلايا الكهروضوئية.

تقنية الليزر كأساس مشترك لتصنيع الخلايا الكهروضوئية المتقدمة

مع تطور تقنيات الخلايا، يواجه المصنّعون العديد من التحديات المشتركة: دقة أكبر في تصميم الهياكل، وحساسية أعلى للمواد، ومتطلبات إنتاجية أكثر صرامة. وتعالج المعالجة بالليزر هذه التحديات من خلال مزيج فريد من القدرات:
* معالجة بدون تلامس، لتجنب الإجهاد الميكانيكي والتشققات الدقيقة
* تحكم مكاني على مستوى الميكرون، مناسب للهياكل الخلوية الدقيقة والمعقدة
* مدخلات طاقة موضعية وقصيرة للغاية، مما يقلل من التلف الحراري
* توافق عالٍ مع أنظمة الأتمتة والتحكم الرقمي في العمليات
هذه الخصائص تجعل تقنية الليزر منصة معالجة متعددة الاستخدامات وقابلة للتحديث بدرجة عالية، قابلة للتطبيق من خلايا السيليكون البلورية التقليدية إلى هياكل الجيل التالي الترادفية.

تطبيقات الليزر الرئيسية في تقنيات الخلايا السائدة
1. خلايا بيرك: نموذج ناضج لمعالجة الليزر
يرتبط النجاح الصناعي لتقنية PERC (الخلايا الخلفية ذات الباعث المُخَمَّل) ارتباطًا وثيقًا بالمعالجة الليزرية واسعة النطاق. يُستخدم الاستئصال الليزري لفتح طبقة التخميل من أكسيد الألومنيوم بشكل انتقائي على الجانب الخلفي، مما يُشكل نقاط تلامس محلية على السطح الخلفي مع الحفاظ على أداء التخميل.
بالإضافة إلى ذلك، يُمكّن التطعيم الانتقائي للباعث بالليزر من تطعيم موضعي كثيف أسفل نقاط التلامس الأمامية، مما يقلل مقاومة التلامس ويُحسّن كفاءة الخلية عادةً بنحو 0.3%. وقد ساهم نضج واستقرار عمليات الليزر هذه في دعم الإنتاج الضخم طويل الأمد وهيمنة خلايا PERC على السوق.

2. خلايا توبكون: تطعيم البورون بالليزر كعملية رائدة
تستخدم خلايا TOPCon (التلامس المُخَمَّل بأكسيد النفق) رقائق السيليكون من النوع N، مما يوفر مزايا جوهرية في انتقائية حاملات الشحنة والأداء الكهربائي. ومع ذلك، فإن عملية نشر البورون التقليدية القائمة على أفران درجات الحرارة العالية تُطرح تحديات، بما في ذلك استهلاك الطاقة العالي، وانخفاض الإنتاجية، وزيادة خطر تلف طبقة أكسيد النفق.
يُتيح تطعيم البورون بالليزر تسخينًا موضعيًا فائق السرعة، مما يسمح لذرات البورون بالانتشار بشكل انتقائي في مناطق محددة دون تعريض الرقاقة بأكملها لدرجات حرارة عالية. يقلل هذا الأسلوب بشكل كبير من مقاومة التلامس مع الحفاظ على جودة التخميل، ويُعتبر على نطاق واسع عملية حاسمة لرفع كفاءة تقنية TOPCon إلى ما يزيد عن 26%.

3. خلايا HJT: التلدين المحفز بالليزر لتحسين الواجهة
تعتمد خلايا الوصلات غير المتجانسة (HJT) على طبقات السيليكون غير المتبلور لتوفير تخميل سطحي ممتاز. ومع ذلك، فإن عيوب الواجهة، مثل الروابط غير المشبعة، قد تؤدي إلى إعادة تركيب حاملات الشحنة.
تستخدم عملية التلدين المحفز بالليزر (LIA) تشعيعًا ليزريًا مُتحكمًا به لتنشيط هجرة الهيدروجين عند سطح التماس بين السيليكون غير المتبلور والسيليكون المتبلور، مما يُصلح العيوب في الموقع. وقد ثبت أن هذه العملية تُحسّن جهد الدائرة المفتوحة (Voc) وعامل الملء (FF)، مما يجعلها طريقة عملية لتحسين كفاءة الترانزستورات ثنائية الوصلة غير المتجانسة (HJT).

4. خلايا البيروفسكايت والخلايا الترادفية: الكتابة بالليزر من أجل التكامل القابل للتطوير
في خلايا البيروفسكايت وخلايا البيروفسكايت/السيليكون الترادفية، لا تُعد المعالجة بالليزر أداة تصنيع فحسب، بل هي أيضًا عامل تمكين هيكلي. تحدد خطوات الكتابة بالليزر القياسية P1 وP2 وP3 تجزئة الأقطاب الكهربائية، وعزل الخلايا الفرعية، والتوصيل التسلسلي.
نظراً لطبيعة الطبقات الوظيفية الهشة وتفاوت استقرارها الحراري، تُعدّ المعالجة بالليزر - بخصائصها غير التلامسية ودقتها العالية - ضرورية لتحقيق كفاءة عالية وتجانس في الأجهزة ذات المساحات الكبيرة. ونتيجةً لذلك، يُعتبر النقش بالليزر أحد العمليات الأساسية لتصنيع الخلايا الترادفية على نطاق صناعي.

عمليات الليزر للأغراض العامة لخفض التكاليف وتحسين الإنتاجية
إلى جانب التطبيقات الخاصة بالخلايا، تدعم تقنية الليزر أيضاً العديد من خطوات التصنيع متعددة المنصات:
* نقل خطوط الشبكة باستخدام الليزر: يتيح الحصول على أقطاب كهربائية أدق وتحسين الاتساق مقارنة بالطباعة بالشاشة، مما يقلل بشكل كبير من استهلاك معجون الفضة، خاصة في العمليات ذات درجات الحرارة المنخفضة مثل HJT.
* تقطيع الليزر بدون تلف: يسمح بمعالجة دقيقة لنصف الخلية والقطع المتعدد مع تقليل خطر التشققات الدقيقة، مما يحسن من إنتاج طاقة الوحدة.
* عزل حواف الليزر وتخميلها: يعمل على إصلاح تلف الحواف بعد القطع، مما يقلل من خسائر إعادة التركيب ويساهم في تحسين كفاءة الوحدة.
تلعب عمليات الليزر العامة هذه دورًا مهمًا في خفض التكلفة لكل واط مع تحسين إنتاجية التصنيع الإجمالية.

الإدارة الحرارية : أساس المعالجة الليزرية المستقرة
مع اتجاه صناعة الخلايا الكهروضوئية نحو زيادة الإنتاجية والتشغيل المستمر لفترات طويلة، أصبحت استقرارية عملية الليزر تعتمد بشكل متزايد على التحكم الحراري الدقيق. حتى التقلبات الطفيفة في خرج الليزر يمكن أن تؤثر بشكل مباشر على مقاومة التلامس، وكثافة العيوب، أو اتساق عرض الخط.
في بيئات الإنتاج، تعمل مصادر الليزر والمكونات البصرية تحت أحمال حرارية مستمرة. لذا، تُعد أنظمة التبريد والتحكم في درجة الحرارة الموثوقة ضرورية للحفاظ على استقرار طاقة الليزر، وتقليل انحراف الطاقة، وضمان نتائج معالجة قابلة للتكرار. تساهم الإدارة الحرارية الفعالة لمصادر الليزر ووحدات الطاقة والمجموعات البصرية بشكل مباشر في زيادة الإنتاجية ومتانة العملية، لا سيما بالنسبة لخلايا TOPCon وHJT والخلايا الترادفية ذات هوامش المعالجة الضيقة.
تستمر حلول التحكم في درجة الحرارة الصناعية المصممة لتطبيقات الليزر عالية الطاقة في التطور نحو مزيد من الاستقرار والاستجابة الأسرع والموثوقية التشغيلية على المدى الطويل، مما يوفر أساسًا متينًا لتصنيع الخلايا الكهروضوئية المتقدمة.

خاتمة
من التسويق التجاري واسع النطاق لخلايا PERC إلى التبني السريع لتقنيات TOPCon وHJT، وصولاً إلى استكشاف البنى الترادفية، تُعدّ تقنية الليزر عنصراً أساسياً في أهم مراحل تصنيع الخلايا الكهروضوئية. ورغم أنها لا تحدد الحد النظري للكفاءة، إلا أنها تُؤثر بشكل كبير على إمكانية إنتاج هذه الكفاءة باستمرار وبشكل قابل للتحكم وعلى نطاق واسع.
مع تقدم صناعة الخلايا الكهروضوئية نحو كفاءة أعلى وموثوقية تصنيع أكبر، ستظل المعالجة بالليزر، إلى جانب الدعم على مستوى النظام الذي يضمن استقرارها، محركًا أساسيًا للتقدم التكنولوجي والتحديث الصناعي.