Bagaimana Cara Memotong Sel Surya Multi-Bagian dengan Lebih Baik?

Jawaban singkat: Memotong sel penuh menjadi dua bagian, sepertiga, atau potongan yang lebih kecil meningkatkan daya modul dengan mengurangi arus yang dibawa setiap strip, yang menurunkan kerugian resistif pada ribbon. Manfaatnya berkurang seiring mengecilnya strip, dan biaya mekanisnya meningkat. Tiga pendekatan mendominasi. Penggoresan laser diikuti pematahan mekanis adalah yang tercepat dan menghasilkan beban termal paling rendah, tetapi kualitas tepi patahan bergantung pada kedalaman goresan. Pemotongan penuh laser memisahkan sel hanya dengan berkas laser dan memberikan tepi yang lebih bersih pada kecepatan lebih rendah. Pemisahan laser termal menggabungkan laser dengan langkah pendinginan sehingga retakan merambat sepanjang jalur yang terkendali. Dimensi yang relevan berkisar dari panjang gelombang laser 532 nm hingga ukuran fitur sekitar 1 µm dan 20 µm hingga 100 µm, dan tegangan strip rendah — sekitar 0,55 V — sehingga keuntungannya berasal dari resistansi, bukan dari tegangan.

Manufaktur Modul PV · oleh Jerry, Ooitech

Pendahuluan

TOPCon, SHJ dan BC" title="Bagaimana Cara Memotong Sel Surya Multi-Bagian dengan Lebih Baik? Kebenaran Kontraintuitif Tentang Kehilangan Tepi pada sel n-type TOPCon, SHJ dan BC"/>

Mengejar daya modul yang lebih tinggi, para insinyur sering memotong satu sel besar menjadi 1/2, 1/3 atau bahkan lebih "sel kecil", kemudian menghubungkannya kembali secara seri dan paralel di dalam modul. Tujuannya adalah untuk memotong arus dan mengurangi kerugian daya resistif. Tetapi setiap potongan meninggalkan "luka" yang tidak dipasivasi di sepanjang tepi sel. Luka-luka itu menjadi perangkap pembawa, dan mereka mengurangi tegangan rangkaian terbuka (Voc) dan faktor pengisian (FF). Semakin kecil sub-sel, semakin besar kerugian rekombinasi tepi ini.

Metode industri yang paling umum saat ini, "penggoresan laser + pemecahan mekanis" (L&C), meninggalkan kerusakan termal yang serius di sepanjang potongan. Dan selama bertahun-tahun bidang ini telah sepakat pada satu hal: menggores pada sisi sambungan p-n menyebabkan kerusakan paling besar, sehingga "sisi sambungan p-n adalah hambatan utama untuk kerugian tepi". Keyakinan itu melahirkan trik standar "menggores dari sisi n-n+ untuk melindungi sambungan p-n".

Tetapi apakah "akal sehat" yang diterima secara luas itu benar-benar mencerminkan perilaku listrik intrinsik dari sambungan p-n? Atau hanya artefak dari panas laser?

Temuan Inti: Perilaku Listrik Intrinsik yang Memecah Konsensus

Tim peneliti di institut FUNSOM Universitas Soochow menerbitkan karya di Nano Energy menggunakan metode pemotongan kerusakan rendah baru yang mereka sebut "pemecahan rotasi 45°". Ini dengan cerdik menghindari kerusakan termal laser dan menyelidiki perilaku listrik intrinsik yang sebenarnya dari tepi sambungan p-n. Kesimpulannya mengejutkan industri:

Di bawah pemotongan dengan kerusakan rendah, efisiensi pengumpulan pembawa tepi pada sisi sambungan p-n sebenarnya lebih tinggi daripada di sisi n-n+. Secara sederhana: menggores dari sisi sambungan p-n adalah strategi industri yang lebih baik. Itu membalikkan praktik yang diterima selama dua puluh tahun.

Cara Membuka Tepi Sel Tanpa Merusaknya

Untuk mempelajari "perilaku listrik intrinsik dari sambungan p-n", Anda pertama-tama harus menyelesaikan masalah yang rumit. pemotongan laser tradisional meninggalkan lapisan yang meleleh kembali dan memadat kembali, ditambah microcrack dan tumpukan kerusakan termal di sepanjang tepi, dan semua itu mengaburkan pengamatan sambungan p-n dan perilaku rekombinasi permukaan. Tim mengambil jalur berbeda, menggunakan sifat pembelahan anisotropik kristal silikon untuk mengusulkan metode "pembelahan rotasi 45°":

Langkah satu: putar wafer 45° dalam bidang.

Langkah dua: gores garis dangkal pada bidang (100) dengan pensil intan.

Langkah tiga: belah sepanjang keluarga bidang {110} untuk mendapatkan penampang yang rata secara atom dan bebas kerusakan termal.

Penampang tepi yang diperoleh dengan cara ini menjaga integritas struktural dan listriknya. Dikombinasikan dengan teknik pencitraan fotovoltase resolusi mikrometer, Anda dapat memindai perilaku listrik di dekat tepi titik demi titik, tanpa merusak sambungan p-n.

Eksperimen menggunakan laser 532 nm (kedalaman penetrasi sekitar 1,3 µm), mencapai resolusi spasial sekitar 1 µm di bawah objektif 50×, cukup jelas untuk menangkap perilaku peluruhan fotovoltase dalam puluhan mikrometer dari tepi.

Temuan Eksperimental

Gambar 1. Efek pemotongan pada integritas sambungan p-n (a, b), skema metode pembelahan rotasi 45° (c, d), dan skema tiga struktur sel efisiensi tinggi (e-g).

Gambar 1a menunjukkan proses L&C tradisional yang menggores pada sisi sambungan p-n: pertama laser mengukir alur pada permukaan sel (tanda Laser), kemudian gaya mekanis mematahkan sel. Gambar 1b adalah penampang SEM dari tepi setelah pemotongan L&C. Anda dapat dengan jelas melihat bagian terbagi menjadi dua zona. Bagian atas adalah "wilayah ablasi laser", menunjukkan morfologi meleleh ulang dan membeku ulang yang jelas. Bagian bawah adalah "wilayah terpisah karena tegangan", robek oleh gaya mekanis, meninggalkan banyak retakan mikro tidak teratur dan kolam lelehan. Kerusakan termal inilah yang menyebabkan lonjakan arus bocor dan penurunan kinerja sel.

Perlu dicatat: ketika laser menggores pada sisi sambungan p-n, sambungan p-n itu sendiri hancur total oleh panas. Jadi "fenomena" yang selalu dilihat industri, bahwa "sisi sambungan p-n adalah hambatan kehilangan tepi", sebenarnya adalah artefak dari kerusakan termal.

Gambar 1c menunjukkan metode pembelahan rotasi 45° yang diusulkan di sini: putar wafer 45° di sekitar sumbu dalam bidang, gores bidang (100) dengan alat penggores berlian, lalu sobek sepanjang bidang pembelahan {110}. Gambar 1d adalah gambar SEM dari tepi yang dibelah, skala batang 20 µm. Penampangnya sangat rata dan bersih, sama sekali tidak ada bekas lelehan, dengan sempurna menjaga struktur dan integritas listrik dari sambungan p-n. Itulah kunci untuk mempelajari "perilaku intrinsik".

Pekerjaan ini melihat tiga teknologi sel efisiensi tinggi tipe-n arus utama: TOPCon, SHJ dan TBC. Mereka memiliki ciri umum. Pada substrat c-Si tipe-n, mereka membawa sambungan p-n (homo- atau heterojungsi) dan sambungan tinggi-rendah n-n+. Jadi mempelajari perilaku tepi mereka memberikan panduan langsung untuk produksi industri nyata.

Gambar 2. Analisis fototegangan tepi sisi depan dari sel TOPCon, SHJ dan TBC.

Gambar 2a menunjukkan pemindaian laser 532 nm dari tepi permukaan depan sel ke dalam, bekerja dengan panggung presisi XY dan penguat listrik untuk merekam sinyal fototegangan secara real-time, akhirnya membangun peta fototegangan 2D. Gambar 2b adalah gambar fototegangan sisi depan dari TOPCon, SHJ dan TBC (kiri ke kanan). Warna lebih terang berarti fototegangan lebih tinggi. Ketiga sel menunjukkan "pita gradien" yang jelas dalam ~100 µm dari tepi, fototegangan lebih rendah semakin dekat ke tepi. Itu adalah bukti langsung dari kerugian rekombinasi tepi.

Membandingkan ketiganya: TOPCon memiliki fototegangan tertinggi (0,40–0,55 V) dan jenuh paling cepat. TBC memiliki yang terendah (0,36–0,49 V) dan meluruh paling lambat, artinya rekombinasi tepinya adalah yang terburuk. Hasil ini bertentangan dengan akal sehat "sambungan p-n adalah hambatan", karena sisi depan (sisi yang menghadap cahaya) biasanya justru tempat sambungan p-n berada.

Gambar 2c menormalkan profil fototegangan yang diekstraksi sepanjang garis putus-putus hitam pada Gambar 2b. Ketiga kurva menunjukkan "rendah di tepi, tinggi di dataran tinggi", tetapi kecepatan saturasi (yang mencerminkan panjang rekombinasi tepi) berbeda jelas:

• TOPCon: daerah peluruhan terpendek, mendekati saturasi dalam sekitar 100 µm, kerugian tepi terkecil.

• SHJ: daerah peluruhan menengah, mendekati saturasi pada ~200 µm.

• TBC: pemulihan paling lambat, membentang hingga ~500 µm sebelum saturasi penuh, kerugian tepi terburuk.

Gambar 2d menjelaskan fisika di balik perbedaan tersebut. Sebuah lubang yang dihasilkan foto akhirnya melakukan salah satu dari dua hal: dikumpulkan oleh elektroda, atau melayang ke tepi dan bergabung kembali.

TOPCon: emitor di depan, jalur pengumpulan lubang ultra-pendek

Permukaan depan adalah emitor p+. Lubang hanya perlu melewati emitor yang sangat tipis untuk dikumpulkan oleh elektroda depan, sehingga sebagian besar lubang "tidak pernah mendapat kesempatan" untuk mencapai tepi. Pada saat yang sama, medan kuat yang dibentuk oleh p+ emitter / SiOx / n-poly-Si tetap efektif di tepi juga, dengan cepat memisahkan pembawa muatan. Itulah alasan mendasar mengapa TOPCon memiliki kerugian tepi terkecil.

SHJ: depan mengumpulkan elektron, lubang menempuh jalan panjang

Permukaan depan SHJ adalah n-a-Si:H, yang mengumpulkan elektron. Lubang harus berdifusi sepanjang jalan ke p-a-Si:H belakang sebelum dapat dikumpulkan, jalur yang sangat panjang. Tambahkan lapisan TCO yang sangat konduktif yang bertindak seperti "jalan tol", membawa banyak lubang secara lateral menuju tepi, dan rekombinasi tepi meningkat secara nyata.

TBC: semua elektroda di belakang, pemusnahan total

Pada TBC setiap elektroda berada di belakang. Pembawa muatan yang dihasilkan di permukaan depan harus bergerak secara lateral melintasi seluruh wafer untuk dikumpulkan. Lebih buruk lagi, lapisan pasivasi Al2O3 depan membawa banyak muatan negatif tetap, menginduksi lapisan akumulasi lubang di permukaan Si dan membentuk "saluran konduksi lubang" yang mendorong lubang lebih keras menuju tepi.

Catatan singkat: perilaku fotovoltaik sisi depan terutama ditentukan oleh dua hal, "jarak pengumpulan pembawa muatan" dan "apakah ada saluran transportasi lateral", dan itu tidak ada hubungannya dengan arah sambungan p-n itu sendiri.

Gambar 3. Analisis fotovoltaik tepi sisi belakang dari sel TOPCon, SHJ dan TBC.

Gambar 3a menggambarkan pemindaian laser dari tepi sisi belakang. Gambar 3b adalah peta fotovoltaik 2D yang sesuai. Dibandingkan dengan Gambar 2b, ketiga sel menunjukkan fotovoltaik sisi belakang yang lebih rendah daripada sisi depan (karena permukaan depan biasanya memiliki desain anti-refleksi yang lebih baik dan pemanfaatan cahaya yang lebih tinggi). Gambar 3c mengungkapkan sesuatu yang menarik: "pemenang" tepi sisi belakang menjadi TBC. Meskipun SHJ juga memiliki sambungan p-n di belakang, fotovoltaik tepinya sebenarnya lebih rendah daripada TOPCon, yang selanjutnya menunjukkan bahwa "posisi sambungan p-n" bukan satu-satunya faktor yang menentukan kerugian tepi. Gambar 3d menggambarkan mekanisme transportasi pembawa muatan minoritas sisi belakang. Bagian belakang istimewa: n-poly-Si belakang memegang konsentrasi elektron yang tinggi, membentuk lingkungan medan kuat yang menekan lubang tetapi mempromosikan pengumpulan elektron.

Sisi belakang TOPCon: "jalur cepat" lubang ditekan

Konsentrasi elektron yang tinggi di n-poly-Si belakang menekan transportasi hole. Hole harus melintasi seluruh substrat c-Si tipe-n untuk mencapai emitor p+ depan sebelum dikumpulkan. "Transportasi jarak jauh" ini membuat fotovoltaik sisi belakang umumnya lebih rendah, tetapi juga mengurangi jumlah hole yang mencapai tepi.

Sisi belakang SHJ: heterojungsi kuat, tetapi TCO adalah pedang bermata dua

Heterojungsi n-type c-Si / p-a-Si:H milik SHJ memang menawarkan pemisahan pembawa yang lebih kuat daripada TOPCon, tetapi TCO-nya memiliki resistansi lateral rendah dan masih "menghubung pendek" sebagian besar hole ke tepi. Hasilnya: kemampuan pemisahan yang kuat tidak sama dengan kehilangan tepi yang kecil.

Sisi belakang TBC: HSC hole ada tepat di belakang, keuntungan kandang sendiri

HSC sisi belakang TBC menghadap langsung hole yang dihasilkan oleh cahaya. Pembawa dikumpulkan tepat di belakang, sehingga jauh lebih sedikit yang mengalir ke tepi, dan fotovoltaik sisi belakang jenuh paling cepat.

Catatan singkat: perilaku fotovoltaik sisi belakang menunjukkan tren "terbalik" dibandingkan dengan sisi depan. TBC paling buruk di depan tetapi paling baik di belakang, menunjukkan bahwa "sisi mana yang menghadap cahaya" lebih penting daripada "sisi mana yang merupakan sambungan p-n".

Gambar 4. Model distribusi fotovoltaik penampang sel TOPCon dan SHJ.

Jika Gambar 2 dan 3 melihat tepi "dari samping", maka Gambar 4 mengirisnya "melintang". Laser memindai langsung pada penampang, sehingga Anda melihat seluruh perilaku listrik dari sambungan p-n ke n-n+ dalam satu kali bidikan. Ini adalah bagian paling orisinal dari penelitian ini. Gambar 4a adalah peta fotovoltaik penampang TOPCon, dari kiri ke kanan sisi depan (emitor p+ / sambungan p-n) dan sisi belakang (n-poli-Si / sambungan n-n+). Anda dapat melihat sisi kiri (sambungan p-n) secara keseluruhan lebih terang, dan sisi kanan (n-n+) lebih gelap. Kurva yang diekstraksi pada Gambar 4b sangat jelas: dari sisi sambungan p-n ke sisi n-n+, fotovoltaik turun secara monoton, dengan seluruh wilayah peluruhan sekitar 100 µm. Hasil ini secara tegas menolak pandangan tradisional bahwa "sambungan p-n adalah hambatan kehilangan tepi", karena dalam kondisi kerusakan rendah, sisi sambungan p-n justru menjadi zona fotovoltaik tinggi. Gambar 4c memberikan alasan fisik: pada sisi sambungan p-n (emitor p+) pembawa minoritas (lubang) hanya menempuh jarak pendek untuk dikumpulkan, sedangkan pada sisi n-n+ (wilayah n-poli-Si) lubang harus melintasi seluruh c-Si tipe-n untuk mencapai emitor p+, jalur panjang dengan probabilitas rekombinasi tinggi, sehingga kerugiannya lebih besar. Gambar 4d–f menunjukkan tren yang persis sama pada sel SHJ: dari sambungan p-n belakang (p-a-Si:H / n-c-Si) ke sambungan n-n+ depan (i/n-a-Si:H / n-c-Si), fotovoltaik kembali turun secara monoton. Keteraturan ini yang berlaku di berbagai struktur sel yang berbeda adalah salah satu argumen inti dari penelitian ini.

Untuk menggambarkan ini secara kuantitatif, tim menurunkan model difusi pembawa minoritas satu dimensi. Gambar 4g adalah skema model, menunjukkan kurva (oranye) yang meluruh secara monoton dari sisi sambungan p-n (kontak selektif lubang, HSC) menuju sisi ESC (kontak selektif elektron, ESC). Gambar 4h selanjutnya membandingkan perilaku pembawa pada sisi HSC dan ESC:

• Sisi HSC: pembawa minoritas (lubang) dikumpulkan dalam jarak pendek, probabilitas rekombinasi rendah.

• Sisi ESC: pembawa minoritas harus berdifusi dalam jarak jauh untuk mencapai HSC, mengalami rekombinasi berat di sepanjang jalan.

• Mekanisme pemisahan pembawa pada sambungan p-n memiliki manfaat ganda dari kontak yang didoping berat plus kontak pasivasi, lebih efisien daripada sambungan tinggi-rendah biasa (n-n+).

Catatan singkat: model fotovoltaik penampang secara kuantitatif mengonfirmasi bahwa "kinerja listrik sisi sambungan p-n mengungguli sisi n-n+", dan mengusulkan "panjang difusi pembawa minoritas L" sebagai metrik baru untuk mengevaluasi kehilangan tepi.

Gambar 5. Analisis fotovoltaik penampang sel TOPCon yang dibuat dengan metode pemisahan termal laser industri (TLS).

Untuk memeriksa apakah kesimpulan dari metode pembelahan 45° berlaku untuk pemotongan industri, tim menggunakan metode "pemisahan laser termal" (TLS) (Gambar 5a) — pertama laser merawat sisi sambungan p-n (Pre-grooving pada gambar), kemudian air pendingin membantu pemisahan. TLS adalah salah satu teknik pemotongan dengan kerusakan rendah yang diakui saat ini. Gambar 5b adalah gambar fotovoltaik penampang TOPCon setelah pemotongan TLS: sisi kiri (sambungan p-n) jelas lebih terang daripada sisi kanan (n-n+). Kurva kuantitatif pada Gambar 5c menunjukkan bahwa dari sambungan p-n ke sisi belakang, fotovoltaik masih turun secara monoton, sepenuhnya konsisten dengan hasil pembelahan 45°.

Verifikasi kunci: bahkan dengan metode TLS industri (memotong langsung dari sisi sambungan p-n), fotovoltaik masih menunjukkan tren "sambungan p-n tinggi, n-n+ rendah". Ini menunjukkan bahwa di bawah pemotongan dengan kerusakan rendah, "sambungan p-n" sama sekali bukan hambatan, melainkan justru tempat keunggulannya. Pengalaman industri sebelumnya bahwa "sisi sambungan p-n berkinerja lebih baik" dalam pemotongan TLS akhirnya dikonfirmasi oleh eksperimen dan teori.

Gambar 6. Analisis fotovoltaik penampang sel TBC dan THBC, serta skema strategi pemotongan sambungan p-n dengan kerusakan rendah.

Gambar 6a dan 6b adalah gambar fotovoltaik penampang sel TBC dan THBC. TBC memiliki fotovoltaik tertinggi, 0,39 V, dan THBC sedikit lebih rendah (0,21 V), tetapi keduanya menunjukkan distribusi spasial yang jelas "sambungan p-n terang, n-n+ gelap". Kurva yang diekstraksi pada Gambar 6c dan 6d mengikuti pola yang sama dengan Gambar 4: penurunan monoton dari sambungan p-n menuju n-n+. Yang perlu disebutkan khusus adalah inset kecil pada Gambar 6c: "distribusi arah" fotovoltaik untuk setiap struktur sel menunjukkan pola "padat di kiri atas, jarang di kanan bawah", yang berarti keunggulan listrik dari sisi sambungan p-n bersifat universal di seluruh struktur dan proses. Gambar 6e menjelaskan apa yang membuat sel kontak belakang istimewa: HSC mengumpulkan lubang "di dekatnya" di bagian belakang, dan ESC mengumpulkan elektron "di dekatnya" di bagian belakang. Pembawa minoritas (lubang) yang dihasilkan di daerah sambungan p-n hanya perlu jarak pendek untuk mencapai HSC, sehingga kerugiannya kecil; pembawa minoritas di daerah n-n+ harus menempuh perjalanan panjang, sehingga kerugiannya lebih besar. Pola ini persis cocok dengan TOPCon dan SHJ. Berdasarkan semua bukti ini, tim mengusulkan strategi pemotongan baru pada Gambar 6f:

Rekomendasi industri

Pada pemotongan dengan kerusakan rendah (seperti TLS), Anda harus memotong dari sisi sambungan p-n. Alasannya: sisi sambungan p-n memiliki efisiensi pemisahan pembawa yang lebih tinggi ditambah jalur transportasi pembawa minoritas yang lebih pendek. Bahkan di bawah beberapa gangguan proses, kinerja listriknya tetap baik. Rekomendasi ini membalikkan praktik industri selama dua puluh tahun tentang "hindari menyentuh sambungan p-n".

Pandangan Ooitech

Sejujurnya ini adalah salah satu temuan yang diam-diam menulis ulang kebiasaan tingkat jalur daripada spesifikasi utama. Kesimpulan bagi siapa pun yang menjalankan jalur tipe-n: padukan resep pemotongan laser Anda dengan fisika pembawa sel itu sendiri, dan jangan membabi buta menempatkan goresan pada sisi n-n+ hanya karena itu aturan lama. Pemisahan dengan kerusakan rendah (gaya TLS) adalah kunci sebenarnya di sini, dan menyetel proses itu pada mesin pemotongan laser sel surya adalah tepat di mana produsen modul mendapatkan atau kehilangan Voc dan FF yang nyata. Kami membangun stasiun pemotongan dan penyambungan kami untuk menjaga kerusakan tepi tetap rendah di seluruh format TOPCon, SHJ, dan BC, sehingga penelitian semacam ini langsung terpetakan ke produksi. Jika Anda ingin melihat bagaimana langkah-langkah ini terlihat pada jalur yang berjalan, saluran YouTube Ooitech di www.youtube.com/ooitech layak untuk diikuti.