Ključna vloga laserske tehnologije pri proizvodnji fotonapetostnih celic

Ker si fotovoltaična (PV) industrija še naprej prizadeva za večjo učinkovitost pretvorbe in nižje proizvodne stroške, je procesna tehnologija postala odločilni dejavnik za delovanje in skalabilnost celic. Od PERC do TOPCon in HJT ter naprej proti perovskitnim in tandemskim sončnim celicam postajajo celične arhitekture vse bolj kompleksne, medtem ko se procesna okna ožjajo. V tem razvoju se je laserska tehnologija preusmerila iz podpornega orodja v osrednjo proizvodno zmogljivost, ki podpira več generacij visoko učinkovitih PV celic.

V proizvodnih linijah PERC laserska ablacija omogoča mikronsko oblikovanje pasivizacijskih plasti, da se tvorijo stabilni lokalni stiki. V proizvodnji TOPCon se lasersko dopiranje z borom na splošno šteje za ključno pot do učinkovitosti celic, ki presega 26 %. V novih perovskitnih in tandemskih celicah lasersko graviranje neposredno določa, ali je mogoče doseči velikopovršinsko in visoko enakomerno proizvodnjo. Zaradi brezkontaktne narave, visoke natančnosti in minimalnega območja vpliva toplote je laserska tehnologija postala nepogrešljiv dejavnik za izboljšanje učinkovitosti in zanesljivost proizvodnje v celotni fotonapetostni industriji.

Laserska tehnologija kot skupna osnova za napredno proizvodnjo fotonapetostnih sistemov

Z napredkom celičnih tehnologij se proizvajalci soočajo z več skupnimi izzivi: finejšimi strukturnimi značilnostmi, občutljivejšimi materiali in vse strožjimi zahtevami glede izkoristka. Laserska obdelava te izzive rešuje z edinstveno kombinacijo zmogljivosti:
* Brezkontaktna obdelava, izogibanje mehanskim obremenitvam in mikrorazpokam
* Prostorski nadzor na mikronski ravni, primeren za fine in kompleksne celične strukture
* Lokaliziran, ultra kratek vnos energije, ki zmanjšuje toplotne poškodbe
* Visoka združljivost z avtomatizacijo in digitalnim krmiljenjem procesov
Zaradi teh lastnosti je laserska tehnologija zelo vsestranska in nadgradljiva procesna platforma, ki se uporablja od običajnih kristalnih silicijevih celic do tandemskih arhitektur naslednje generacije.

Ključne laserske aplikacije v glavnih celičnih tehnologijah
1. PERC celice: Zrel model laserske obdelave
Industrijski uspeh tehnologije PERC (pasivirana emiter in zadnja celica) je tesno povezan z lasersko obdelavo v velikem obsegu. Laserska ablacija se uporablja za selektivno odpiranje pasivizacijske plasti aluminijevega oksida na zadnji strani, s čimer se oblikujejo lokalni stiki na zadnji površini, hkrati pa se ohranja učinkovitost pasivacije.
Poleg tega dopiranje z laserskim selektivnim oddajnikom (SE) omogoča lokalizirano močno dopiranje pod kontakti na sprednji strani, kar zmanjša kontaktno upornost in običajno izboljša učinkovitost celic za približno 0,3 %. Zrelost in stabilnost teh laserskih procesov sta podprli dolgoročno množično proizvodnjo in prevlado PERC celic na trgu.

2. TOPCon celice: Lasersko dopiranje z borom kot prebojni postopek
Celice TOPCon (Tunnel Oxide Passivated Contact) uporabljajo silicijeve rezine tipa N, kar ponuja inherentne prednosti pri selektivnosti nosilcev naboja in električnih lastnostih. Vendar pa konvencionalna difuzija bora v visokotemperaturni peči predstavlja izzive, vključno z visoko porabo energije, počasnejšim pretokom in povečanim tveganjem za celovitost tunelskega oksida.
Lasersko dopiranje z borom omogoča lokalizirano, ultra hitro segrevanje, ki atomom bora omogoča selektivno difundiranje v določena območja, ne da bi pri tem celotno rezino izpostavili visokim temperaturam. Ta pristop znatno zmanjša kontaktno upornost, hkrati pa ohranja kakovost pasivizacije in velja za ključni postopek za povečanje učinkovitosti TOPCon nad 26 %.

3. HJT celice: lasersko inducirano žarjenje za optimizacijo vmesnika
Celice HJT (heterospoj) se za odlično pasivizacijo površine zanašajo na amorfne silicijeve plasti. Vendar pa lahko napake na vmesniku, kot so viseče vezi, še vedno povzročijo rekombinacijo nosilcev.
Lasersko inducirano žarjenje (LIA) uporablja nadzorovano lasersko obsevanje za aktiviranje migracije vodika na vmesniku amorfnega/kristalnega silicija, s čimer se napake popravijo in situ. Dokazano je, da ta postopek izboljša napetost odprtega tokokroga (Voc) in faktor polnjenja (FF), zaradi česar je praktična metoda za optimizacijo učinkovitosti visokozmogljivega tranzistorja (HJT).

4. Perovskitne in tandemske celice: lasersko graviranje za skalabilno integracijo
V perovskitnih in perovskitno/silicijevih tandemskih celicah laserska obdelava ni le proizvodno orodje, temveč tudi strukturni dejavnik. Standardni koraki laserskega označevanja P1, P2 in P3 določajo segmentacijo elektrod, izolacijo podcelic in serijsko medsebojno povezavo.
Glede na krhko naravo in različno toplotno stabilnost funkcionalnih plasti je laserska obdelava – z brezkontaktnimi in visoko natančnimi lastnostmi – bistvena za doseganje visoke učinkovitosti in enakomernosti v napravah z veliko površino. Zato lasersko graviranje velja za enega ključnih postopkov za industrializacijo tandemskih celic.

Splošni laserski postopki za zmanjšanje stroškov in izboljšanje izkoristka
Poleg aplikacij, specifičnih za celice, laserska tehnologija podpira tudi več večplatformskih proizvodnih korakov:
* Laserski prenos mrežnih linij: Omogoča finejše elektrode in izboljšano konsistenco v primerjavi s sitotiskom, kar znatno zmanjša porabo srebrne paste, zlasti pri nizkotemperaturnih procesih, kot je HJT.
* Lasersko rezanje brez poškodb: Omogoča natančno obdelavo polcelic in več rezov z zmanjšanim tveganjem za mikrorazpoke, kar izboljša izhodno moč modula.
* Izolacija in pasivizacija laserskega roba: Popravi poškodbe robov po rezanju, zmanjša izgube zaradi rekombinacije in prispeva k povečanju učinkovitosti na ravni modulov.
Ti splošni laserski postopki igrajo pomembno vlogo pri zniževanju stroškov na vat, hkrati pa izboljšujejo celoten proizvodni donos.

Toplotno upravljanje : temelj stabilne laserske obdelave
Ker se proizvodnja fotonapetostnih sistemov premika k večji pretočnosti in dolgotrajnemu neprekinjenemu delovanju, postaja stabilnost laserskega procesa vse bolj odvisna od natančnega toplotnega nadzora. Že majhna nihanja v laserskem izhodu lahko neposredno vplivajo na kontaktno upornost, gostoto napak ali doslednost širine črte.
V proizvodnih okoljih laserski viri in optične komponente delujejo pod stalnimi toplotnimi obremenitvami. Zanesljivi sistemi za hlajenje in nadzor temperature so zato bistveni za ohranjanje stabilnosti laserske energije, zmanjšanje odstopanja moči in zagotavljanje ponovljivih rezultatov obdelave. Učinkovito toplotno upravljanje laserskih virov, napajalnih modulov in optičnih sklopov neposredno prispeva k večjemu izkoristku in robustnosti procesa, zlasti pri TOPCon, HJT in tandemskih celicah z ožjimi procesnimi robovi.
Industrijske rešitve za nadzor temperature, razvite za uporabo v visokozmogljivih laserskih aplikacijah, se nenehno razvijajo v smeri večje stabilnosti, hitrejšega odziva in dolgoročne obratovalne zanesljivosti, kar zagotavlja trdne temelje za napredno proizvodnjo fotonapetostnih sistemov.

Zaključek
Od obsežne komercializacije celic PERC do hitrega sprejemanja tehnologij TOPCon in HJT ter naprej do raziskovanja tandemskih arhitektur, laserska tehnologija dosledno poteka skozi najpomembnejše korake proizvodnje fotonapetostnih celic. Čeprav ne opredeljuje teoretične meje učinkovitosti, močno določa, ali je to učinkovitost mogoče doseči dosledno, nadzorovano in v velikem obsegu.
Ker se fotovoltaična industrija razvija v smeri večje učinkovitosti in zanesljivosti proizvodnje, bo laserska obdelava skupaj s podporo na sistemski ravni, ki zagotavlja njeno stabilnost, ostala temeljno gonilo tehnološkega napredka in industrijske nadgradnje.