Mục lục
Phần lớn các tế bào quang điện, hay còn gọi là tế bào PV, được tạo ra bằng cách sử dụng các tấm tinh thể silicon. Các tấm wafer có thể là một trong hai loại chính, đơn tinh thể (mono), hoặc đa tinh thể (poly). Loại tế bào hiệu quả nhất là đơn tinh thể được sản xuất bằng quy trình Czochralski nổi tiếng. Tuy nhiên, gần đây dị liên kết, hay còn gọi là tế bào HJT – Heterojunction, đã trở nên phổ biến hơn do tăng hiệu suất và cải thiện hiệu suất ở nhiệt độ cao như được giải thích chi tiết bên dưới.
Tế Bào Quang Điện Silicon Được Tạo Ra Như Thế Nào?
Silicon thường được sản xuất từ một loại cát cụ thể được gọi là cát silica, nó được cho là nguyên tố phong phú thứ 2 trên hành tinh, sau oxy. Trên thực tế, vỏ trái đất được tạo thành từ khoảng 28% silicon. Ở trạng thái tự nhiên, silicon không tinh khiết và phải trải qua giai đoạn tinh chế trước khi có thể được khai thác. Đầu tiên nó được chiết xuất từ các khoáng chất khác nhau có chứa silica (hoặc silicon dioxide SiO2), dạng tự nhiên chính của nó là thạch anh.
Một số quy trình sản xuất khác nhau được yêu cầu để tạo ra các tế bào năng lượng mặt trời silic tinh thể. Đầu tiên, cát silica được chuyển thành silicon cấp luyện kim bằng cách kết hợp Carbon và Quartzite trong lò hồ quang. Quá trình này xảy ra ở nhiệt độ rất cao và tạo ra 99% silicon nguyên chất. Tiếp theo, silicon cấp luyện kim được chuyển đổi thành Polysilicon bằng cách sử dụng quy trình tinh chế hóa học gọi là quy trình Siemens, hoặc silicon cấp luyện kim được nâng cấp (UMG-Si) bằng cách sử dụng một số quy trình luyện kim kinh tế hơn.
Ở giai đoạn này, polysilicon cấp luyện kim có thể được pha tạp với một lượng vết nhỏ của boron hoặc phốt pho để trở thành polysilicon loại P hoặc loại N. Để làm tấm wafer đa tinh thể, silicon pha tạp chất được nấu chảy và đúc thành các khối hình chữ nhật lớn trước khi được cắt lát mỏng bằng máy cắt dây kim cương để sản xuất wafer đa tinh thể. Sau đó, các tấm wafer có thể được phủ một lớp rất mỏng loại P hoặc N để tạo thành tiếp giáp PN (tế bào quang điện).
Để sản xuất các tấm wafer đơn tinh thể hiệu quả hơn, silicon pha tạp có thể được kéo thành một thỏi tinh thể rắn duy nhất bằng quy trình Czochralski. Quá trình này liên quan đến việc nấu chảy silicon đa tinh thể dưới áp suất và nhiệt độ cao để từ từ phát triển thành một tinh thể đơn tinh thể được gọi là thỏi.
Các bước cơ bản để sản xuất tế bào PV đơn tinh thể:
1. Cát silica được tinh chế trong lò hồ quang để tạo ra 99% silicon tinh khiết;
2. 99% silicon được tinh chế thêm để trở thành silicon gần như 100% nguyên chất;
3. Silicon được pha tạp với boron hoặc phốt pho để sản xuất tế bào quang điện loại P hoặc loại N;
4. Silicon pha tạp được kéo thành một thỏi tinh thể rắn bằng quy trình Czochralski;
5. Thỏi tròn rắn được cắt dây kim cương thành các tấm mỏng hình vuông hoặc chữ nhật;
6. Tấm đế được phủ một lớp siêu mỏng silicon loại P hoặc loại N để tạo thành phần tiếp giáp PN;
7. Trường bề mặt nhôm phía sau hoặc các lớp PERC được thêm vào;
8. Các ngón tay kim loại và lớp phủ chống phản chiếu được thêm vào.
9. Thanh cái, dải băng phẳng (được hiển thị bên dưới) hoặc thanh cái dây mỏng (MBB) được thêm vào.
Cấu Tạo Và Các Loại Pin Năng Lượng Mặt Trời
Loại P và Loại N
Tất cả các tế bào năng lượng mặt trời tinh thể silicon đều được sản xuất bằng cách sử dụng một tấm silicon cơ bản rất mỏng với hai loại chính là loại P và loại N. Chúng được tạo ra khi silicon được ‘pha tạp’ với các nguyên tố hóa học cụ thể để tạo ra điện tích dương (loại p) hoặc âm (loại n).
Các nguyên tố hóa học được sử dụng để pha tạp là phốt pho tạo ra điện tích dương và bo tạo ra điện tích âm. Tùy thuộc vào kiểu kiến trúc tế bào, silicon pha tạp loại N hoặc loại P được sử dụng làm nền hoặc ‘chất nền’ của tế bào. Phần lớn các tế bào đơn tinh và đa tinh thể được sử dụng ngày nay sử dụng chất nền loại P có nền là silicon pha tạp chất boron. Cho đến gần đây, chỉ có một số nhà sản xuất cao cấp như Panasonic, SunPower và REC sử dụng tấm silicon loại N hiệu quả hơn mặc dù nhiều công ty hiện đang bắt đầu phát triển tế bào loại N do chi phí ngày càng giảm.Tế bào silicon loại N đắt hơn để sản xuất nhưng cung cấp hiệu suất cao hơn và tỷ lệ thoái hóa do ánh sáng – LID thấp hơn cộng với hệ số nhiệt độ được cải thiện.
- Loại N – Silicon tích điện âm được pha tạp chất với Phốt pho
- P-Type – Silicon tích cực pha tạp Boron
Tất cả các tế bào năng lượng mặt trời sử dụng kết hợp silicon loại P và loại N, cùng nhau tạo thành đường giao nhau pn, cơ bản cho chức năng của pin mặt trời. Sự khác biệt là tế bào loại P sử dụng đế silicon pha tạp Boron cùng với một lớp silicon loại N siêu mỏng, trong khi tế bào loại N sử dụng đế silicon loại n với một lớp silicon loại P siêu mỏng như được hiển thị trong sơ đồ dưới đây.
Pin Mặt Trời Loại P
Như đã giải thích ở trên, silicon loại P và silicon loại N được kết hợp với nhau và tạo thành cái được gọi là tiếp giáp pn . Đường giao nhau tạo ra một điện trường cho phép chuyển động của các electron khi bức xạ mặt trời đi qua tế bào. Hiệu ứng quang điện là khi các photon ánh sáng (năng lượng) giải phóng các electron ra khỏi silicon tạo ra dòng điện.
Pin Mặt Trời Loại N
Ưu điểm của N-Type
Do bản chất và thành phần vật liệu, các tế bào loại N cung cấp hiệu suất cao hơn thông qua việc có khả năng chống lại các tạp chất và khuyết tật thấp hơn, làm tăng hiệu quả tổng thể. Ngoài ra, tế bào loại n có khả năng chịu nhiệt độ cao hơn so với cả tế bào loại P đơn tinh thể và đa tinh thể. Quan trọng hơn, các tế bào loại n không bị các vấn đề về LID do các khiếm khuyết boron-oxy vốn là một vấn đề phổ biến với các tế bào loại p được pha tạp chất Boron.
- Giảm tạp chất trong chất nền loại N
- Cải thiện hiệu suất nhiệt độ cao
- Giảm thoái hóa do ánh sáng gây ra – LID
Chi phí và Hiệu quả
Cấu tạo tế bào loại N đắt hơn vì nó sử dụng quy trình khuếch tán boron để thêm lớp ’emitter’ mỏng loại p. Quá trình khuếch tán này phức tạp hơn và đòi hỏi nhiệt độ cao hơn so với quá trình khuếch tán lân tinh tế bào loại p. Mặc dù tế bào loại N đắt hơn để sản xuất, silicon loại n cơ bản có độ tinh khiết cao hơn nhiều, cho phép hiệu suất cao hơn, tổn thất thấp hơn và suy giảm thấp hơn nhiều theo thời gian, điều này dẫn đến việc tạo ra và hiệu suất cao hơn, đồng thời cải thiện khả năng hoàn vốn và nói chung lớn hơn chi phí trả trước bổ sung trong suốt vòng đời của bảng điều khiển.
Heterojunction Pin Mặt Trời
Các tế bào năng lượng mặt trời dị liên kết hoặc HJT thường sử dụng cơ sở là silicon tinh thể loại N có độ tinh khiết cao với các lớp màng mỏng bổ sung của silicon vô định hình ở hai bên của tế bào tạo thành cái được gọi là dị liên kết. Các vật liệu quang điện khác nhau giúp hấp thụ nhiều photon ánh sáng hơn và giảm tổn thất tái tổ hợp, do đó nâng cao hiệu quả tổng thể của tế bào. Tấm nền HJT hiện tại trên thị trường như dòng REC Alpha, đạt hiệu suất tấm nền cao tới 21,9%.
Một trong những đặc điểm ấn tượng nhất của tế bào HJT là hệ số nhiệt độ cực thấp, khoảng 0,26%/°C. Đây là mức thấp hơn khoảng 40% so với các tế bào đơn tinh thể thông thường. Công suất đầu ra của tấm pin năng lượng mặt trời được đánh giá ở nhiệt độ tế bào là 25 ° C hoặc STC (Điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn), vì vậy mọi độ cao trên mức này đều làm giảm sản lượng điện một chút. Trong các tế bào đa tinh thể và đơn tinh thể thông thường, hệ số nhiệt độ khoảng 0,38% mỗi ° C tăng lên có thể làm giảm tổng sản lượng điện lên tới 18% trong những ngày không có gió và rất nóng. Trong khi đó, các tế bào HJT có hệ số nhiệt độ thấp hơn nhiều, khoảng 0,26%/°C làm giảm tổn thất tế bào xuống khoảng dưới 10% vào những ngày quá nóng.
Pin Mặt Trời TOPCon Loại N
TOPCon là viết tắt của Tunnel Oxide Passivated Contact và dùng để chỉ một kỹ thuật thụ động phía sau độc đáo được phát triển lần đầu tiên bởi tổ chức nghiên cứu năng lượng mặt trời Fraunhofer ISE của Đức vào năm 2014. Sau 5 năm phát triển, TOPCon Technology đã chuyển sang sản xuất quy mô lớn và dự kiến sẽ thay thế công nghệ tế bào PERC tiêu chuẩn của ngành trong vài năm tới. Kiến trúc tế bào TOPCon về cơ bản giúp giảm những gì được gọi là tổn thất tái tổ hợp trong tế bào do đó sẽ tăng hiệu quả hoạt động của tế bào. Do một số yếu tố phức tạp, có một số tổn thất trong pin mặt trời khiến các electron tái kết hợp trở lại tế bào mà không tạo thành dòng điện. Công nghệ TOPCon không chỉ giúp giảm thiểu sự mất tái tổ hợp này mà là một tiếp xúc toàn diện phía sau, nó còn hỗ trợ dòng điện trong cấu trúc tế bào và có thể tăng hiệu suất tế bào lên trên 25%.
Trong khi công nghệ TOPCon thường được sử dụng cùng với chất nền loại N, nó cũng có thể hoạt động hiệu quả với chất nền loại P phổ biến hơn để tăng hiệu suất tế bào lên đến 24%.
