سلول‌های خورشیدی

سلول‌های خورشیدی به سیلیکون کریستالی و سیلیکون آمورف تقسیم می‌شوند که در این میان سلول‌های سیلیکون کریستالی را می‌توان به سلول‌های تک کریستالی و سلول‌های پلی کریستالی تقسیم کرد؛ راندمان سیلیکون تک کریستالی با سیلیکون کریستالی متفاوت است.

طبقه بندی:

سلول‌های سیلیکونی کریستالی خورشیدی که معمولاً در چین استفاده می‌شوند را می‌توان به موارد زیر تقسیم کرد:

تک کریستال ۱۲۵*۱۲۵

تک کریستال ۱۵۶*۱۵۶

پلی کریستالی ۱۵۶*۱۵۶

تک کریستال ۱۵۰*۱۵۰

تک کریستال ۱۰۳*۱۰۳

پلی کریستالی 125*125

فرآیند تولید:

فرآیند تولید سلول‌های خورشیدی به بازرسی ویفر سیلیکونی - بافت‌دهی و اسیدشویی سطح - اتصال نفوذی - فسفرزدایی شیشه سیلیکونی - حکاکی و اسیدشویی پلاسما - پوشش ضد انعکاس - چاپ سیلک - پخت سریع و غیره تقسیم می‌شود. جزئیات به شرح زیر است:

۱. بازرسی ویفر سیلیکونی

ویفرهای سیلیکونی حامل سلول‌های خورشیدی هستند و کیفیت ویفرهای سیلیکونی مستقیماً راندمان تبدیل سلول‌های خورشیدی را تعیین می‌کند. بنابراین، بازرسی ویفرهای سیلیکونی ورودی ضروری است. این فرآیند عمدتاً برای اندازه‌گیری آنلاین برخی از پارامترهای فنی ویفرهای سیلیکونی استفاده می‌شود، این پارامترها عمدتاً شامل ناهمواری سطح ویفر، طول عمر حامل اقلیت، مقاومت، نوع P/N و ریزترک‌ها و غیره هستند. این گروه از تجهیزات به بارگذاری و تخلیه خودکار، انتقال ویفر سیلیکونی، بخش ادغام سیستم و چهار ماژول تشخیص تقسیم می‌شوند. در میان آنها، آشکارساز ویفر سیلیکونی فتوولتائیک ناهمواری سطح ویفر سیلیکونی را تشخیص می‌دهد و همزمان پارامترهای ظاهری مانند اندازه و قطر ویفر سیلیکونی را تشخیص می‌دهد. ماژول تشخیص ریزترک برای تشخیص ریزترک‌های داخلی ویفر سیلیکونی استفاده می‌شود. علاوه بر این، دو ماژول تشخیص وجود دارد، یکی از ماژول‌های تست آنلاین عمدتاً برای آزمایش مقاومت حجمی ویفرهای سیلیکونی و نوع ویفرهای سیلیکونی استفاده می‌شود و ماژول دیگر برای تشخیص طول عمر حامل اقلیت ویفرهای سیلیکونی استفاده می‌شود. قبل از تشخیص طول عمر و مقاومت حامل‌های اقلیت، لازم است ترک‌های مورب و ریز ویفر سیلیکونی شناسایی شده و ویفر سیلیکونی آسیب‌دیده به طور خودکار برداشته شود. تجهیزات بازرسی ویفر سیلیکونی می‌توانند به طور خودکار ویفرها را بارگیری و تخلیه کنند و محصولات فاقد صلاحیت را در یک موقعیت ثابت قرار دهند و در نتیجه دقت و کارایی بازرسی را بهبود بخشند.

۲. سطح بافت‌دار

تهیه بافت سیلیکون تک‌بلوری، استفاده از حکاکی ناهمسانگرد سیلیکون برای تشکیل میلیون‌ها هرم چهاروجهی، یعنی ساختارهای هرمی، روی سطح هر سانتی‌متر مربع سیلیکون است. به دلیل انعکاس و شکست چندگانه نور تابشی روی سطح، جذب نور افزایش می‌یابد و جریان اتصال کوتاه و راندمان تبدیل باتری بهبود می‌یابد. محلول حکاکی ناهمسانگرد سیلیکون معمولاً یک محلول قلیایی گرم است. قلیاهای موجود عبارتند از هیدروکسید سدیم، هیدروکسید پتاسیم، هیدروکسید لیتیوم و اتیلن‌دی‌آمین. بیشتر سیلیکون جیر با استفاده از محلول رقیق ارزان قیمت هیدروکسید سدیم با غلظت حدود ۱٪ تهیه می‌شود و دمای حکاکی ۷۰-۸۵ درجه سانتیگراد است. برای به دست آوردن جیر یکنواخت، الکل‌هایی مانند اتانول و ایزوپروپانول نیز باید به عنوان عوامل کمپلکس‌کننده به محلول اضافه شوند تا خوردگی سیلیکون را تسریع کنند. قبل از آماده‌سازی جیر، ویفر سیلیکونی باید تحت عملیات اچینگ سطحی اولیه قرار گیرد و حدود 20 تا 25 میکرومتر با محلول اچینگ قلیایی یا اسیدی اچ شود. پس از اچینگ جیر، تمیزکاری شیمیایی عمومی انجام می‌شود. ویفرهای سیلیکونی آماده‌شده سطحی نباید برای مدت طولانی در آب نگهداری شوند تا از آلودگی جلوگیری شود و باید در اسرع وقت پخش شوند.

۳. گره انتشار

سلول‌های خورشیدی برای تبدیل انرژی نور به انرژی الکتریکی به یک اتصال PN با مساحت بزرگ نیاز دارند و کوره انتشار، وسیله‌ای ویژه برای ساخت اتصال PN سلول‌های خورشیدی است. کوره انتشار لوله‌ای عمدتاً از چهار بخش تشکیل شده است: قسمت‌های بالایی و پایینی قایق کوارتز، محفظه گاز خروجی، بدنه کوره و قسمت کابینت گاز. انتشار معمولاً از منبع مایع فسفر اکسی کلرید به عنوان منبع انتشار استفاده می‌کند. ویفر سیلیکونی نوع P را در ظرف کوارتز کوره انتشار لوله‌ای قرار دهید و از نیتروژن برای آوردن فسفر اکسی کلرید به ظرف کوارتز در دمای بالای 850-900 درجه سانتیگراد استفاده کنید. فسفر اکسی کلرید با ویفر سیلیکون واکنش می‌دهد تا اتم فسفر را به دست آورد. پس از مدت زمان مشخصی، اتم‌های فسفر از اطراف وارد لایه سطحی ویفر سیلیکونی می‌شوند و از طریق شکاف‌های بین اتم‌های سیلیکون به ویفر سیلیکونی نفوذ کرده و پخش می‌شوند و رابط بین نیمه‌رسانای نوع N و نیمه‌رسانای نوع P، یعنی اتصال PN را تشکیل می‌دهند. اتصال PN تولید شده با این روش یکنواختی خوبی دارد، عدم یکنواختی مقاومت صفحه کمتر از 10٪ است و طول عمر حامل‌های اقلیت می‌تواند بیشتر از 10 میلی‌ثانیه باشد. ساخت اتصال PN اساسی‌ترین و حیاتی‌ترین فرآیند در تولید سلول خورشیدی است. از آنجا که این فرآیند تشکیل اتصال PN است، الکترون‌ها و حفره‌ها پس از جاری شدن به مکان‌های اصلی خود باز نمی‌گردند، بنابراین جریانی تشکیل می‌شود و جریان توسط یک سیم که جریان مستقیم است، کشیده می‌شود.

۴. شیشه سیلیکات دفسفوریلاسیون

این فرآیند در فرآیند تولید سلول‌های خورشیدی استفاده می‌شود. با اچینگ شیمیایی، ویفر سیلیکونی در محلول اسید هیدروفلوئوریک غوطه‌ور می‌شود تا یک واکنش شیمیایی برای تولید یک ترکیب پیچیده محلول هگزافلوئوروسیلیک اسید برای حذف سیستم انتشار ایجاد شود. یک لایه شیشه فسفوسیلیکات روی سطح ویفر سیلیکونی پس از اتصال تشکیل می‌شود. در طول فرآیند انتشار، POCL3 با O2 واکنش می‌دهد تا P2O5 تشکیل شود که روی سطح ویفر سیلیکونی رسوب می‌کند. P2O5 با Si واکنش می‌دهد تا اتم‌های SiO2 و فسفر تولید کند، به این ترتیب، یک لایه از عناصر فسفر حاوی SiO2 روی سطح ویفر سیلیکونی تشکیل می‌شود که شیشه فسفوسیلیکات نامیده می‌شود. تجهیزات حذف شیشه سیلیکات فسفر معمولاً از بدنه اصلی، مخزن تمیزکننده، سیستم سروو درایو، بازوی مکانیکی، سیستم کنترل الکتریکی و سیستم توزیع خودکار اسید تشکیل شده است. منابع اصلی انرژی عبارتند از اسید هیدروفلوئوریک، نیتروژن، هوای فشرده، آب خالص، باد خروجی گرما و فاضلاب. اسید هیدروفلوئوریک سیلیس را حل می‌کند زیرا اسید هیدروفلوئوریک با سیلیس واکنش می‌دهد و گاز سیلیکون تترافلوئورید فرار تولید می‌کند. اگر اسید هیدروفلوئوریک بیش از حد باشد، سیلیکون تترافلوئورید تولید شده توسط واکنش، با اسید هیدروفلوئوریک واکنش بیشتری می‌دهد و یک کمپلکس محلول به نام هگزافلوئوروسیلیک اسید تشکیل می‌دهد.

۵. حکاکی پلاسما

از آنجا که در طول فرآیند انتشار، حتی اگر انتشار پشت به پشت اتخاذ شود، فسفر به ناچار روی تمام سطوح از جمله لبه‌های ویفر سیلیکونی پخش می‌شود. الکترون‌های تولید شده توسط نور که در سمت جلوی اتصال PN جمع می‌شوند، در امتداد ناحیه لبه که فسفر در آن پخش شده است، به سمت پشت اتصال PN جریان می‌یابند و باعث اتصال کوتاه می‌شوند. بنابراین، سیلیکون آلاییده شده در اطراف سلول خورشیدی باید حکاکی شود تا اتصال PN در لبه سلول حذف شود. این فرآیند معمولاً با استفاده از تکنیک‌های حکاکی پلاسما انجام می‌شود. حکاکی پلاسما در حالت فشار پایین است، مولکول‌های اصلی گاز واکنش‌پذیر CF4 توسط توان فرکانس رادیویی تحریک می‌شوند تا یونیزاسیون ایجاد کرده و پلاسما تشکیل دهند. پلاسما از الکترون‌ها و یون‌های باردار تشکیل شده است. تحت تأثیر الکترون‌ها، گاز موجود در محفظه واکنش می‌تواند انرژی را جذب کرده و علاوه بر تبدیل شدن به یون، تعداد زیادی از گروه‌های فعال را تشکیل دهد. گروه‌های واکنشی فعال به دلیل انتشار یا تحت تأثیر میدان الکتریکی به سطح SiO2 می‌رسند، جایی که با سطح ماده‌ای که باید حکاکی شود واکنش شیمیایی می‌دهند و محصولات واکنش فراری را تشکیل می‌دهند که از سطح ماده‌ای که باید حکاکی شود جدا می‌شوند و توسط سیستم خلاء از حفره خارج می‌شوند.

۶. پوشش ضد انعکاس

بازتاب سطح سیلیکون صیقلی 35٪ است. به منظور کاهش بازتاب سطح و بهبود راندمان تبدیل سلول، لازم است یک لایه از فیلم ضد بازتاب نیترید سیلیکون رسوب داده شود. در تولید صنعتی، اغلب از تجهیزات PECVD برای تهیه فیلم‌های ضد بازتاب استفاده می‌شود. PECVD رسوب بخار شیمیایی تقویت‌شده با پلاسما است. اصل فنی آن استفاده از پلاسمای دمای پایین به عنوان منبع انرژی است، نمونه تحت فشار کم روی کاتد تخلیه تابشی قرار می‌گیرد، از تخلیه تابشی برای گرم کردن نمونه تا دمای از پیش تعیین‌شده استفاده می‌شود و سپس مقدار مناسبی از گازهای واکنش‌پذیر SiH4 و NH3 وارد می‌شود. پس از یک سری واکنش‌های شیمیایی و واکنش‌های پلاسما، یک فیلم حالت جامد، یعنی یک فیلم نیترید سیلیکون، روی سطح نمونه تشکیل می‌شود. به طور کلی، ضخامت فیلم رسوب داده شده با این روش رسوب بخار شیمیایی تقویت‌شده با پلاسما حدود 70 نانومتر است. فیلم‌هایی با این ضخامت دارای قابلیت نوری هستند. با استفاده از اصل تداخل لایه نازک، انعکاس نور می‌تواند تا حد زیادی کاهش یابد، جریان اتصال کوتاه و خروجی باتری تا حد زیادی افزایش می‌یابد و راندمان نیز تا حد زیادی بهبود می‌یابد.

۷. چاپ سیلک اسکرین

پس از اینکه سلول خورشیدی فرآیندهای بافت‌دهی، انتشار و PECVD را طی کرد، یک اتصال PN تشکیل شده است که می‌تواند تحت تابش نور، جریان تولید کند. برای انتقال جریان تولید شده، لازم است الکترودهای مثبت و منفی روی سطح باتری ایجاد شود. روش‌های زیادی برای ساخت الکترود وجود دارد و چاپ سیلک اسکرین رایج‌ترین فرآیند تولید برای ساخت الکترودهای سلول خورشیدی است. چاپ سیلک اسکرین به معنای چاپ یک الگوی از پیش تعیین شده روی زیرلایه با استفاده از برجسته‌سازی است. این تجهیزات از سه بخش تشکیل شده است: چاپ خمیر نقره-آلومینیوم در پشت باتری، چاپ خمیر آلومینیوم در پشت باتری و چاپ خمیر نقره در جلوی باتری. اصل کار آن این است: از توری الگوی توری برای نفوذ به دوغاب استفاده کنید، با یک کاردک فشار خاصی را روی قسمت دوغاب توری اعمال کنید و همزمان به سمت انتهای دیگر توری حرکت کنید. جوهر از توری قسمت گرافیکی توسط دستگاه پرس به روی زیرلایه فشرده می‌شود. به دلیل اثر چسبناک خمیر، اثر در محدوده مشخصی ثابت می‌شود و دستگاه چاپ سابلیمیشن همیشه در تماس خطی با صفحه چاپ سیلک و بستر در حین چاپ است و خط تماس با حرکت دستگاه چاپ سابلیمیشن حرکت می‌کند تا ضربه چاپ را تکمیل کند.

۸. پخت سریع

ویفر سیلیکونی چاپ‌شده با صفحه نمایش را نمی‌توان مستقیماً استفاده کرد. برای سوزاندن چسب رزین آلی، باید به سرعت در کوره تف‌جوشی (sintering) تف‌جوشی شود و الکترودهای نقره تقریباً خالص باقی بمانند که به دلیل اثر شیشه، به ویفر سیلیکونی چسبیده‌اند. هنگامی که دمای الکترود نقره و سیلیکون کریستالی به دمای یوتکتیک می‌رسد، اتم‌های سیلیکون کریستالی با نسبت مشخصی در ماده الکترود نقره مذاب ادغام می‌شوند و در نتیجه تماس اهمی الکترودهای بالایی و پایینی را تشکیل می‌دهند و ولتاژ مدار باز و ضریب پر شدن سلول را بهبود می‌بخشند. پارامتر کلیدی این است که آن را دارای ویژگی‌های مقاومتی کنیم تا راندمان تبدیل سلول بهبود یابد.

کوره پخت به سه مرحله تقسیم می‌شود: پیش پخت، پخت و خنک‌سازی. هدف از مرحله پیش پخت، تجزیه و سوختن چسب پلیمری در دوغاب است و در این مرحله دما به آرامی افزایش می‌یابد؛ در مرحله پخت، واکنش‌های فیزیکی و شیمیایی مختلفی در بدنه پخت شده انجام می‌شود تا یک ساختار فیلم مقاومتی تشکیل شود و آن را واقعاً مقاوم کند. در این مرحله دما به اوج خود می‌رسد؛ در مرحله خنک‌سازی و خنک‌سازی، شیشه خنک، سخت و جامد می‌شود، به طوری که ساختار فیلم مقاومتی به طور ثابت به زیرلایه چسبیده است.

۹. لوازم جانبی

در فرآیند تولید سلول، امکانات جانبی مانند منبع تغذیه، برق، منبع تغذیه، زهکشی، تهویه مطبوع، خلاء و بخار مخصوص نیز مورد نیاز است. تجهیزات آتش نشانی و حفاظت از محیط زیست نیز برای تضمین ایمنی و توسعه پایدار از اهمیت ویژه ای برخوردارند. برای یک خط تولید سلول خورشیدی با خروجی سالانه 50 مگاوات، مصرف برق تجهیزات فرآیند و برق به تنهایی حدود 1800 کیلووات است. میزان آب خالص فرآیند حدود 15 تن در ساعت است و الزامات کیفیت آب مطابق با استاندارد فنی EW-1 آب درجه الکترونیکی چین GB/T11446.1-1997 است. میزان آب خنک کننده فرآیند نیز حدود 15 تن در ساعت است، اندازه ذرات در کیفیت آب نباید بیشتر از 10 میکرون باشد و دمای آب ورودی باید 15-20 درجه سانتیگراد باشد. حجم اگزوز خلاء حدود 300 متر مکعب در ساعت است. در عین حال، حدود 20 متر مکعب مخزن ذخیره نیتروژن و 10 متر مکعب مخزن ذخیره اکسیژن نیز مورد نیاز است. با در نظر گرفتن ضرایب ایمنی گازهای ویژه مانند سیلان، راه‌اندازی یک اتاق گاز ویژه نیز ضروری است تا ایمنی تولید کاملاً تضمین شود. علاوه بر این، برج‌های احتراق سیلان و ایستگاه‌های تصفیه فاضلاب نیز از جمله تأسیسات ضروری برای تولید سلول هستند.