Il ruolo critico della tecnologia laser nella produzione di celle fotovoltaiche

Mentre l'industria fotovoltaica (FV) continua a perseguire una maggiore efficienza di conversione e costi di produzione inferiori, la tecnologia di processo è diventata un fattore decisivo per le prestazioni e la scalabilità delle celle. Dalle celle PERC alle celle TOPCon e HJT, e più avanti verso le celle solari a perovskite e tandem, le architetture delle celle stanno diventando sempre più complesse, mentre le finestre di processo si restringono. Nell'ambito di questa evoluzione, la tecnologia laser si è trasformata da strumento di supporto a capacità produttiva fondamentale che supporta diverse generazioni di celle fotovoltaiche ad alta efficienza.

Nelle linee di produzione PERC, l'ablazione laser consente la modellazione a livello micrometrico degli strati di passivazione per formare contatti locali stabili. Nella produzione TOPCon, il drogaggio laser al boro è ampiamente considerato un percorso chiave per raggiungere efficienze delle celle superiori al 26%. Nelle celle perovskite e tandem emergenti, la tracciatura laser determina direttamente se è possibile ottenere una produzione su vasta area e ad alta uniformità. Grazie alla sua natura senza contatto, all'elevata precisione e alla minima zona termicamente alterata, la tecnologia laser è diventata un fattore indispensabile per il miglioramento dell'efficienza e dell'affidabilità produttiva in tutto il settore fotovoltaico.

La tecnologia laser come base comune per la produzione fotovoltaica avanzata

Con l'avanzare delle tecnologie cellulari, i produttori si trovano ad affrontare diverse sfide comuni: caratteristiche strutturali più raffinate, materiali più sensibili e requisiti di resa sempre più rigorosi. La lavorazione laser affronta queste sfide attraverso una combinazione unica di funzionalità:
* Lavorazione senza contatto, evitando stress meccanici e micro-fessure
* Controllo spaziale a livello di micron, adatto per strutture cellulari fini e complesse
* Apporto energetico localizzato e ultra-breve, che riduce al minimo i danni termici
* Elevata compatibilità con l'automazione e il controllo digitale dei processi
Queste caratteristiche rendono la tecnologia laser una piattaforma di processo altamente versatile e aggiornabile, applicabile dalle celle in silicio cristallino convenzionali alle architetture tandem di nuova generazione.

Applicazioni laser chiave nelle principali tecnologie cellulari
1. Celle PERC: un modello maturo di elaborazione laser
Il successo industriale della tecnologia PERC (Passivated Emitter and Rear Cell) è strettamente legato alla lavorazione laser su larga scala. L'ablazione laser viene utilizzata per aprire selettivamente lo strato di passivazione in ossido di alluminio sul lato posteriore, formando contatti locali sulla superficie posteriore e preservando al contempo le prestazioni di passivazione.
Inoltre, il drogaggio con emettitore selettivo laser (SE) consente un drogaggio localizzato sotto i contatti frontali, riducendo la resistenza di contatto e migliorando in genere l'efficienza della cella di circa lo 0,3%. La maturità e la stabilità di questi processi laser hanno supportato la produzione di massa a lungo termine e il predominio sul mercato delle celle PERC.

2. Celle TOPCon: il drogaggio laser del boro come processo rivoluzionario
Le celle TOPCon (Tunnel Oxide Passivated Contact) utilizzano wafer di silicio di tipo N, offrendo vantaggi intrinseci in termini di selettività del portatore e prestazioni elettriche. Tuttavia, la diffusione del boro convenzionale in forni ad alta temperatura presenta delle sfide, tra cui un elevato consumo energetico, una minore produttività e un maggiore rischio per l'integrità dell'ossido di tunnel.
Il drogaggio laser al boro consente un riscaldamento localizzato e ultrarapido, consentendo agli atomi di boro di diffondersi selettivamente in regioni designate senza esporre l'intero wafer ad alte temperature. Questo approccio riduce significativamente la resistenza di contatto mantenendo inalterata la qualità della passivazione ed è ampiamente considerato un processo fondamentale per aumentare l'efficienza dei TOPCon oltre il 26%.

3. Celle HJT: ricottura indotta da laser per l'ottimizzazione dell'interfaccia
Le celle HJT (eterogiunzione) si basano su strati di silicio amorfo per un'eccellente passivazione superficiale. Tuttavia, difetti di interfaccia come i legami pendenti possono comunque portare alla ricombinazione dei portatori.
La ricottura indotta da laser (LIA) utilizza un'irradiazione laser controllata per attivare la migrazione dell'idrogeno all'interfaccia silicio amorfo/cristallino, riparando i difetti in situ. È stato dimostrato che questo processo migliora la tensione a circuito aperto (Voc) e il fattore di riempimento (FF), rendendolo un metodo pratico per l'ottimizzazione dell'efficienza HJT.

4. Celle perovskite e tandem: incisione laser per un'integrazione scalabile
Nelle celle in perovskite e nelle celle tandem perovskite/silicio, la lavorazione laser non è solo uno strumento di produzione, ma anche un fattore abilitante strutturale. Le fasi standard di incisione laser P1, P2 e P3 definiscono la segmentazione degli elettrodi, l'isolamento delle sottocelle e l'interconnessione in serie.
Data la natura fragile e la varia stabilità termica degli strati funzionali, la lavorazione laser, con le sue caratteristiche di assenza di contatto e alta precisione, è essenziale per ottenere elevata efficienza e uniformità nei dispositivi di grandi dimensioni. Di conseguenza, la marcatura laser è considerata uno dei processi fondamentali per l'industrializzazione delle celle tandem.

Processi laser generici per la riduzione dei costi e il miglioramento della resa
Oltre alle applicazioni specifiche per celle, la tecnologia laser supporta anche diverse fasi di produzione multipiattaforma:
* Trasferimento della griglia basato sul laser: consente elettrodi più fini e una migliore consistenza rispetto alla serigrafia, riducendo significativamente il consumo di pasta d'argento, soprattutto nei processi a bassa temperatura come HJT.
* Taglio laser senza danni: consente una lavorazione precisa di semicelle e tagli multipli con un rischio ridotto di micro-fratture, migliorando la potenza di uscita del modulo.
* Isolamento e passivazione dei bordi tramite laser: ripara i danni ai bordi dopo il taglio, riducendo le perdite per ricombinazione e contribuendo a migliorare l'efficienza a livello di modulo.
Questi processi laser generali svolgono un ruolo importante nel ridurre il costo per watt, migliorando al contempo la resa produttiva complessiva.

Gestione termica : la base per una lavorazione laser stabile
Con l'evoluzione della produzione fotovoltaica verso una maggiore produttività e un funzionamento continuo di lunga durata, la stabilità del processo laser dipende sempre più da un controllo termico preciso. Anche piccole fluttuazioni nella potenza laser possono influire direttamente sulla resistenza di contatto, sulla densità dei difetti o sulla costanza della larghezza delle linee.
Negli ambienti di produzione, le sorgenti laser e i componenti ottici operano sotto carichi termici sostenuti. Sistemi di raffreddamento e controllo della temperatura affidabili sono quindi essenziali per mantenere la stabilità dell'energia laser, ridurre al minimo la deriva di potenza e garantire risultati di elaborazione ripetibili. Un'efficace gestione termica delle sorgenti laser, dei moduli di potenza e dei gruppi ottici contribuisce direttamente a una maggiore resa e robustezza del processo, in particolare per celle TOPCon, HJT e tandem con margini di processo più ristretti.
Le soluzioni di controllo della temperatura industriale sviluppate per applicazioni laser ad alta potenza continuano a evolversi verso una maggiore stabilità, una risposta più rapida e un'affidabilità operativa a lungo termine, fornendo una solida base per la produzione fotovoltaica avanzata.

Conclusione
Dalla commercializzazione su larga scala delle celle PERC alla rapida adozione delle tecnologie TOPCon e HJT, fino all'esplorazione delle architetture tandem, la tecnologia laser è costantemente presente nelle fasi più critiche della produzione di celle fotovoltaiche. Pur non definendo il limite teorico di efficienza, determina fortemente se tale efficienza possa essere prodotta in modo costante, controllabile e su larga scala.
Con l'avanzare dell'industria fotovoltaica verso una maggiore efficienza e una maggiore affidabilità produttiva, la lavorazione laser, insieme al supporto a livello di sistema che ne garantisce la stabilità, continuerà a essere un motore fondamentale del progresso tecnologico e dell'aggiornamento industriale.