Критичната роля на лазерната технология в производството на фотоволтаични клетки

Тъй като фотоволтаичната (PV) индустрия продължава да се стреми към по-висока ефективност на преобразуване и по-ниски производствени разходи, технологичният процес се превърна в решаващ фактор за производителността и мащабируемостта на клетките. От PERC до TOPCon и HJT, и по-нататък към перовскитни и тандемни слънчеви клетки, клетъчните архитектури стават все по-сложни, докато технологичните прозорци се стесняват. В рамките на тази еволюция лазерната технология се е изместила от поддържащ инструмент към основна производствена възможност, която е в основата на множество поколения високоефективни PV клетки.

В производствените линии на PERC, лазерната аблация позволява микронно ниво на моделиране на пасивационни слоеве, за да се образуват стабилни локални контакти. В производството на TOPCon, лазерното легиране с бор се счита за ключов път към ефективност на клетките над 26%. В нововъзникващите перовскитни и тандемни клетки, лазерното гравиране директно определя дали е постижимо производство с голяма площ и висока равномерност. Със своя безконтактен характер, висока прецизност и минимална зона, засегната от топлина, лазерната технология се е превърнала в незаменим фактор за подобряване на ефективността и надеждността на производството в цялата фотоволтаична индустрия.

Лазерната технология като обща основа за модерно производство на фотоволтаични системи

С развитието на клетъчните технологии, производителите са изправени пред няколко общи предизвикателства: по-фини структурни характеристики, по-чувствителни материали и все по-строги изисквания за добив. Лазерната обработка се справя с тези предизвикателства чрез уникална комбинация от възможности:
* Безконтактна обработка, избягваща механично напрежение и микропукнатини
* Пространствен контрол на микронно ниво, подходящ за фини и сложни клетъчни структури
* Локализиран, ултракратък енергиен вход, минимизиращ термичните щети
* Висока съвместимост с автоматизация и цифрово управление на процеси
Тези качества правят лазерната технология изключително гъвкава и надграждаема технологична платформа, приложима от конвенционални кристални силициеви клетки до тандемни архитектури от следващо поколение.

Ключови лазерни приложения в основните клетъчни технологии
1. PERC клетки: Зрял модел за лазерна обработка
Индустриалният успех на технологията PERC (Пасивиран емитер и задна клетка) е тясно свързан с лазерната обработка в голям мащаб. Лазерната аблация се използва за селективно отваряне на пасивационния слой от алуминиев оксид от задната страна, образувайки локални контакти на задната повърхност, като същевременно запазва пасивационните характеристики.
Освен това, легирането с лазерен селективен емитер (SE) позволява локализирано тежко легиране под контактите от предната страна, намалявайки контактното съпротивление и обикновено подобрявайки ефективността на клетката с около 0,3%. Зрелостта и стабилността на тези лазерни процеси са подпомогнали дългосрочното масово производство и пазарното господство на PERC клетките.

2. TOPCon клетки: Лазерно допиране с бор като революционен процес
Клетките TOPCon (Tunnel Oxide Passivated Contact) използват силициеви пластини от N-тип, предлагайки присъщи предимства по отношение на селективността на носителите и електрическите характеристики. Конвенционалната дифузия на бор във високотемпературна пещ обаче представлява предизвикателства, включително висока консумация на енергия, по-бавна производителност и повишен риск за целостта на тунелния оксид.
Лазерното легиране с бор позволява локализирано, ултрабързо нагряване, което позволява на боровите атоми да дифундират селективно в определени области, без да се излага цялата пластина на високи температури. Този подход значително намалява контактното съпротивление, като същевременно запазва качеството на пасивация и се счита за критичен процес за повишаване на ефективността на TOPCon над 26%.

3. HJT клетки: Лазерно индуцирано отгряване за оптимизация на интерфейса
HJT (хетеропреходни) клетки разчитат на аморфни силициеви слоеве за отлична повърхностна пасивация. Въпреки това, дефекти на интерфейса, като например висящи връзки, все още могат да доведат до рекомбинация на носителите.
Лазерно-индуцираното отгряване (LIA) използва контролирано лазерно облъчване за активиране на миграцията на водород на границата аморфен/кристален силиций, поправяйки дефектите in situ. Доказано е, че този процес подобрява напрежението на отворена верига (Voc) и коефициента на запълване (FF), което го прави практичен метод за оптимизиране на ефективността на високоскоростните транзистори (HJT).

4. Перовскитни и тандемни клетки: Лазерно скрабиране за мащабируема интеграция
В перовскитните и перовскит/силициевите тандемни клетки, лазерната обработка е не само производствен инструмент, но и структурен фактор. Стандартните стъпки на лазерно маркиране P1, P2 и P3 определят сегментирането на електродите, изолирането на подклетките и серийното свързване.
Предвид крехкия характер и различната термична стабилност на функционалните слоеве, лазерната обработка – с нейните безконтактни и високопрецизни характеристики – е от съществено значение за постигане на висока ефективност и еднородност в устройства с голяма площ. В резултат на това лазерното гравиране се счита за един от основните процеси за индустриализация на тандемни клетки.

Универсални лазерни процеси за намаляване на разходите и подобряване на добива
Освен специфичните за клетката приложения, лазерната технология поддържа и няколко междуплатформени производствени стъпки:
* Лазерен трансфер на линии на мрежата: Позволява по-фини електроди и подобрена консистенция в сравнение със ситопечата, което значително намалява консумацията на сребърна паста, особено при нискотемпературни процеси като HJT.
* Лазерно нарязване без повреди: Позволява прецизна обработка на полуклетки и многослойни рязаня с намален риск от микропукнатини, подобрявайки мощността на модула.
* Лазерна изолация и пасивация на ръбовете: Поправя повреди по ръбовете след рязане, намалява загубите от рекомбинация и допринася за повишаване на ефективността на модулно ниво.
Тези общи лазерни процеси играят важна роля за намаляване на разходите за ват, като същевременно подобряват общия производствен добив.

Термично управление : Основата на стабилната лазерна обработка
Тъй като производството на фотоволтаични системи се насочва към по-висока производителност и продължителна непрекъсната работа, стабилността на лазерния процес става все по-зависима от прецизния термичен контрол. Дори малки колебания в лазерния изход могат директно да повлияят на контактното съпротивление, плътността на дефектите или консистентността на ширината на линията.
В производствени среди лазерните източници и оптичните компоненти работят под постоянни термични натоварвания. Следователно надеждните системи за охлаждане и контрол на температурата са от съществено значение за поддържане на стабилност на лазерната енергия, минимизиране на отклонението на мощността и осигуряване на повторяеми резултати от обработката. Ефективното термично управление на лазерните източници, захранващите модули и оптичните възли допринася директно за по-висок добив и надеждност на процеса, особено за TOPCon, HJT и тандемни клетки с по-тесни граници на процеса.
Индустриалните решения за контрол на температурата, разработени за приложения с високомощни лазери, продължават да се развиват към по-голяма стабилност, по-бърза реакция и дългосрочна експлоатационна надеждност, осигурявайки солидна основа за усъвършенствано производство на фотоволтаични системи.

Заключение
От мащабната комерсиализация на PERC клетки до бързото приемане на TOPCon и HJT технологиите и нататък до изследването на тандемни архитектури, лазерната технология последователно преминава през най-критичните стъпки в производството на фотоволтаични клетки. Въпреки че не определя теоретичната граница на ефективност, тя силно определя дали тази ефективност може да се постигне последователно, контролируемо и в голям мащаб.
С напредването на фотоволтаичната индустрия към по-висока ефективност и по-голяма надеждност на производството, лазерната обработка, заедно с поддръжката на системно ниво, която гарантира нейната стабилност, ще остане основен двигател на технологичния прогрес и индустриалната модернизация.