Kluczowa rola technologii laserowej w produkcji ogniw fotowoltaicznych

W miarę jak branża fotowoltaiczna (PV) dąży do wyższej sprawności konwersji i niższych kosztów produkcji, technologia procesowa stała się decydującym czynnikiem wpływającym na wydajność i skalowalność ogniw. Od ogniw PERC, przez TOPCon i HJT, aż po ogniwa perowskitowe i tandemowe, architektury ogniw stają się coraz bardziej złożone, a okna procesowe coraz węższe. W ramach tej ewolucji technologia laserowa przekształciła się z narzędzia wspomagającego w kluczową zdolność produkcyjną, stanowiącą podstawę wielu generacji wysokosprawnych ogniw PV.

W liniach produkcyjnych PERC, ablacja laserowa umożliwia mikronowe wzorowanie warstw pasywacyjnych, tworząc stabilne lokalne kontakty. W produkcji ogniw TOPCon, laserowe domieszkowanie borem jest powszechnie uważane za kluczowy sposób na osiągnięcie sprawności ogniw przekraczającej 26%. W przypadku nowych ogniw perowskitowych i tandemowych, grawerowanie laserowe bezpośrednio decyduje o możliwości uzyskania dużej powierzchni i wysokiej jednorodności produkcji. Dzięki bezkontaktowej naturze, wysokiej precyzji i minimalnej strefie wpływu ciepła, technologia laserowa stała się niezbędnym czynnikiem poprawy wydajności i niezawodności produkcji w całym przemyśle fotowoltaicznym.

Technologia laserowa jako wspólny fundament zaawansowanej produkcji fotowoltaicznej

Wraz z rozwojem technologii ogniw, producenci stają przed wieloma wspólnymi wyzwaniami: coraz bardziej subtelnymi cechami konstrukcyjnymi, bardziej wrażliwymi materiałami i coraz bardziej rygorystycznymi wymaganiami dotyczącymi wydajności. Obróbka laserowa rozwiązuje te problemy dzięki unikalnemu połączeniu możliwości:
* Bezkontaktowa obróbka, zapobiegająca naprężeniom mechanicznym i mikropęknięciom
* Kontrola przestrzenna na poziomie mikronów, odpowiednia do drobnych i złożonych struktur komórkowych
* Zlokalizowane, ultrakrótkie wprowadzenie energii, minimalizujące uszkodzenia termiczne
* Wysoka kompatybilność z automatyką i cyfrowym sterowaniem procesami
Te cechy czynią technologię laserową niezwykle wszechstronną i rozszerzalną platformą procesową, którą można stosować zarówno w konwencjonalnych ogniwach z krzemu krystalicznego, jak i w tandemowych architekturach nowej generacji.

Kluczowe zastosowania laserów w głównych technologiach komórkowych
1. Komórki PERC: Dojrzały model przetwarzania laserowego
Sukces przemysłowy technologii PERC (Passivated Emitter and Rear Cell) jest ściśle związany z obróbką laserową na dużą skalę. Ablacja laserowa służy do selektywnego otwarcia warstwy pasywacyjnej tlenku glinu na tylnej stronie, tworząc lokalne styki na tylnej powierzchni, zachowując jednocześnie właściwości pasywacyjne.
Dodatkowo, domieszkowanie laserowo-selektywnym emiterem (SE) umożliwia miejscowe, silne domieszkowanie pod stykami czołowymi, zmniejszając rezystancję styku i zazwyczaj poprawiając wydajność ogniwa o około 0,3%. Dojrzałość i stabilność tych procesów laserowych wspierały długoterminową masową produkcję i dominację rynkową ogniw PERC.

2. Komórki TOPCon: laserowe domieszkowanie borem jako przełomowy proces
Ogniwa TOPCon (Tunnel Oxide Passivated Contact) wykorzystują płytki krzemowe typu N, oferując wrodzone zalety w zakresie selektywności nośników i wydajności elektrycznej. Jednak konwencjonalna dyfuzja boru w piecu wysokotemperaturowym wiąże się z wyzwaniami, takimi jak wysokie zużycie energii, wolniejsza przepustowość i zwiększone ryzyko naruszenia integralności tlenku tunelowego.
Laserowe domieszkowanie borem umożliwia lokalne, ultraszybkie nagrzewanie, umożliwiając selektywną dyfuzję atomów boru do wyznaczonych obszarów bez narażania całego wafla na wysokie temperatury. To podejście znacząco zmniejsza rezystancję styku, zachowując jednocześnie jakość pasywacji i jest powszechnie uważane za proces krytyczny dla zwiększenia sprawności TOPCon powyżej 26%.

3. Komórki HJT: wyżarzanie indukowane laserowo w celu optymalizacji interfejsu
Ogniwa HJT (heterozłączowe) wykorzystują warstwy krzemu amorficznego, co zapewnia doskonałą pasywację powierzchni. Jednak defekty interfejsu, takie jak zwisające wiązania, mogą nadal prowadzić do rekombinacji nośników.
Wyżarzanie indukowane laserowo (LIA) wykorzystuje kontrolowane napromieniowanie laserowe do aktywacji migracji wodoru na granicy faz krzemu amorficznego i krystalicznego, naprawiając defekty in situ. Wykazano, że proces ten poprawia napięcie w obwodzie otwartym (Voc) i współczynnik wypełnienia (FF), co czyni go praktyczną metodą optymalizacji wydajności tranzystorów HJT.

4. Perowskity i ogniwa tandemowe: grawerowanie laserowe dla skalowalnej integracji
W ogniwach perowskitowych i tandemowych ogniwach perowskitowo-krzemowych obróbka laserowa jest nie tylko narzędziem produkcyjnym, ale także czynnikiem konstrukcyjnym. Standardowe etapy grawerowania laserowego P1, P2 i P3 definiują segmentację elektrod, izolację podogniw oraz połączenia szeregowe.
Biorąc pod uwagę delikatną naturę i zróżnicowaną stabilność termiczną warstw funkcjonalnych, obróbka laserowa – z jej bezkontaktowością i wysoką precyzją – jest niezbędna do osiągnięcia wysokiej wydajności i jednorodności w urządzeniach o dużej powierzchni. W rezultacie, grawerowanie laserowe jest uważane za jeden z kluczowych procesów w industrializacji ogniw tandemowych.

Uniwersalne procesy laserowe w celu redukcji kosztów i poprawy wydajności
Oprócz zastosowań specyficznych dla komórek, technologia laserowa obsługuje również kilka etapów produkcji międzyplatformowej:
* Przenoszenie linii siatki za pomocą lasera: umożliwia stosowanie cieńszych elektrod i zapewnia lepszą spójność w porównaniu z sitodrukiem, co znacznie zmniejsza zużycie pasty srebrnej, zwłaszcza w procesach niskotemperaturowych, takich jak HJT.
* Cięcie laserowe bez uszkodzeń: umożliwia precyzyjną obróbkę półogniw i wielokrotne cięcie przy zmniejszonym ryzyku mikropęknięć, co zwiększa moc wyjściową modułu.
* Izolacja i pasywacja krawędzi laserowej: Naprawia uszkodzenia krawędzi powstałe w wyniku cięcia, zmniejszając straty rekombinacyjne i przyczyniając się do wzrostu wydajności na poziomie modułu.
Te ogólne procesy laserowe odgrywają ważną rolę w obniżaniu kosztów na wat, jednocześnie zwiększając ogólną wydajność produkcji.

Zarządzanie temperaturą : podstawa stabilnego przetwarzania laserowego
W miarę jak produkcja fotowoltaiczna zmierza w kierunku wyższej wydajności i długotrwałej pracy ciągłej, stabilność procesu laserowego staje się coraz bardziej zależna od precyzyjnej kontroli termicznej. Nawet niewielkie wahania mocy wyjściowej lasera mogą bezpośrednio wpływać na rezystancję styków, gęstość defektów lub spójność szerokości linii.
W środowiskach produkcyjnych źródła laserowe i komponenty optyczne pracują pod stałym obciążeniem termicznym. Niezawodne systemy chłodzenia i kontroli temperatury są zatem niezbędne do utrzymania stabilności energii lasera, minimalizacji dryftu mocy i zapewnienia powtarzalnych wyników przetwarzania. Efektywne zarządzanie temperaturą źródeł laserowych, modułów mocy i zespołów optycznych bezpośrednio przyczynia się do wyższej wydajności i niezawodności procesu, szczególnie w przypadku ogniw TOPCon, HJT i tandemowych o mniejszych marginesach procesowych.
Rozwiązania do przemysłowej kontroli temperatury opracowane dla zastosowań z laserami dużej mocy stale ewoluują, zapewniając większą stabilność, szybszą reakcję i długoterminową niezawodność działania, tworząc solidną podstawę dla zaawansowanej produkcji ogniw fotowoltaicznych.

Wniosek
Od komercjalizacji ogniw PERC na dużą skalę, przez szybką adopcję technologii TOPCon i HJT, aż po eksplorację architektur tandemowych, technologia laserowa nieustannie przechodzi przez najważniejsze etapy produkcji ogniw fotowoltaicznych. Chociaż nie definiuje ona teoretycznego limitu sprawności, w dużym stopniu decyduje o tym, czy tę sprawność można uzyskać w sposób spójny, kontrolowany i na dużą skalę.
W miarę jak branża fotowoltaiczna rozwija się w kierunku wyższej wydajności i większej niezawodności produkcji, obróbka laserowa, wraz ze wsparciem na poziomie systemowym zapewniającym jej stabilność, pozostanie podstawową siłą napędową postępu technologicznego i modernizacji przemysłu.