Tế bào pin mặt trời IBC: Định nghĩa, lợi ích, so với các công nghệ tương tự

Con đường của ngành công nghiệp năng lượng mặt trời đối với các tấm pin mặt trời với công suất cao hơn được mở đường bằng các công nghệ pin mặt trời khác nhau nhằm giảm tổn thất điện năng, tăng hiệu suất và giảm chi phí sản xuất cho các mô-đun quang điện (PV). Một trong những phương pháp sáng tạo nhất để chứng minh hiệu quả cao hơn bằng cách sử dụng các tế bào silicon tinh thể (c-Si) là công nghệ pin mặt trời IBC (Interdigised Back Contact – Tiếp xúc xen kẽ mặt sau).

Công nghệ pin mặt trời IBC đã được chứng minh là vượt trội hơn so với các tùy chọn Trường mặt sau bằng nhôm (Al-BSF) truyền thống, nhưng nó có nhược điểm là có quy trình sản xuất phức tạp và tốn kém hơn. Trong bài viết này, chúng tôi giải thích mọi thứ về công nghệ Interdigitated Back Contact, bao gồm các thành phần, cấu trúc của pin mặt trời IBC, nguyên tắc hoạt động và thậm chí so sánh IBC với các công nghệ quang điện khác.

Pin mặt trời IBC là gì và nó hoạt động như thế nào?

Công nghệ pin mặt trời IBC – Interdigised Back Contact – Tiếp xúc xen kẽ mặt sau tái cấu trúc các thành phần trong pin mặt trời và bao gồm các thành phần bổ sung để tăng hiệu suất cho tế bào và cung cấp thêm các lợi ích. Trong phần này, chúng tôi giải thích vật liệu và cấu trúc của pin mặt trời IBC, đồng thời chúng tôi giải thích nguyên tắc hoạt động của công nghệ.

Vật liệu & thành phần của pin mặt trời IBC

Thành phần chính có trong hầu hết các pin mặt trời IBC là tấm wafer c-Si hoạt động như lớp hấp thụ wafer loại n, nhưng wafer loại p cũng được sử dụng. Silicon đơn tinh thể (mono c-Si) là lựa chọn phổ biến nhất do hiệu quả cao hơn, nhưng silicon đa tinh thể (poly c-Si) cũng có thể được sử dụng.

Một lớp chống phản xạ và thụ động được đặt trên một trong hai mặt của tấm c-Si, được sản xuất với một lớp silicon dioxide mỏng (SiO ₂ )  được đặt qua quá trình oxy hóa nhiệt. Các vật liệu như Silicon Nitride (SiNx) hoặc Boron Nitride (BNx) cũng phù hợp.

Để các tế bào năng lượng mặt trời IBC di chuyển các điểm tiếp xúc trực diện ở mặt sau của tế bào, chúng yêu cầu các lớp xen kẽ hoặc xen kẽ của các bộ phát n ⁺  và p ⁺  được gọi là lớp khuếch tán. Để tạo ra nó, các lớp của tấm wafer loại n được pha tạp với boron thông qua sự khuếch tán mặt nạ, cấy ion mặt nạ hoặc pha tạp laze, tạo ra sự phân giải loại p (p ⁺ ), trong khi các lớp loại n vẫn nguyên vẹn (n ⁺ ).

Các tiếp điểm kim loại cũng được đặt bằng cách đốt cháy laze hoặc lắng đọng hóa chất ướt , sử dụng các kim loại thông thường như bạc, niken hoặc đồng cho các tiếp điểm của pin mặt trời IBC.

Đây là một trong những cách tiếp cận phổ biến nhất để sản xuất pin mặt trời IBC, nhưng có những cách tiếp cận khác nhau (Hình 1), có thể yêu cầu các vật liệu khác nhau để sản xuất lớp khuếch tán.

Cấu trúc của pin mặt trời IBC

Việc sản xuất pin mặt trời IBC có thể khá phức tạp khi xét đến việc tạo ra lớp khuếch tán, nhưng hiểu được cấu trúc của nó thì tương đối đơn giản.

Lớp chính của pin mặt trời IBC là wafer c-Si loại n hoặc p-loại hoạt động như lớp hấp thụ. Lớp này được sản xuất bằng cách pha tạp một lớp c-Si với boron hoặc phốt pho, để tạo ra tấm wafer pha tạp loại p hoặc loại n. Sau đó, một lớp phủ chống phản xạ và thụ động thường làm từ SiO ₂  được đặt trên một hoặc hai mặt của pin mặt trời (Hình 2).

Sửa đổi thiết kế cấu trúc chính cho pin mặt trời IBC là bao gồm một lớp khuếch tán, có các lớp loại n và loại p xen kẽ cho phép lắp đặt các tiếp điểm kim loại phía sau (Hình 2 & 3).

Cuối cùng, mọi tiếp xúc kim loại đối với pin mặt trời IBC được đặt ở mặt sau của tế bào, để mặt trước của tế bào hoàn toàn không có vật liệu che nắng. Điều này cũng cho phép cài đặt các tiếp điểm ở một khu vực rộng hơn, làm giảm điện trở loạt cho các tế bào.

Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời IBC

Pin mặt trời Interdigitated Back Contact tạo ra năng lượng mặt trời dưới hiệu ứng quang điện giống như pin mặt trời Al-BSF. Tải được kết nối giữa các cực dương và cực âm của bảng điều khiển năng lượng mặt trời IBC, với các photon được chuyển đổi thành điện năng, tạo ra năng lượng mặt trời để cung cấp năng lượng cho tải.

Khác với các tế bào năng lượng mặt trời truyền thống, các photon tác động vào lớp hấp thụ của tế bào năng lượng mặt trời Interdigitated Back Contact, kích thích các electron và tạo ra một cặp electron-lỗ trống (e-h). Vì các tấm pin mặt trời IBC không có các điểm tiếp xúc bằng kim loại phía trước che bóng các tế bào, các tế bào năng lượng mặt trời này có diện tích chuyển đổi cao hơn cho các photon tác động.

Cặp eh hình thành ở mặt trước của pin mặt trời IBC sau đó được thu thập bởi một lớp xen kẽ loại p ở phía sau. Điện tử được thu thập chảy từ các tiếp điểm kim loại p ⁺  đến tải, tạo ra điện, và sau đó quay trở lại pin mặt trời IBC thông qua tiếp xúc kim loại n ⁺  , kết thúc cặp eh cụ thể đó. 

Tế bào năng lượng mặt trời IBC so với tế bào truyền thống

Sau khi hiểu thêm về pin mặt trời IBC, điều quan trọng là phải so sánh chúng với công nghệ Al-BSF truyền thống nổi tiếng. Trong phần này, chúng tôi so sánh cả hai tùy chọn xem xét các khía cạnh khác nhau.

Một vấn đề về cấu trúc mà các tế bào năng lượng mặt trời Interdigitated Back Contact cải thiện từ thiết kế của các tế bào Al-BSF truyền thống, đó là loại bỏ phần tiếp xúc kim loại phía trước của tế bào. Điều này mang lại hai lợi thế cho công nghệ pin mặt trời IBC: giảm che bóng bằng cách định vị các điểm tiếp xúc kim loại ở phía sau của tế bào và tăng mật độ điện bằng cách cho phép lắp đặt pin mặt trời mà không có khoảng trống ở giữa trên tấm pin năng lượng mặt trời IBC.

Do những cải tiến trong pin mặt trời IBC, công nghệ Tiếp xúc xen kẽ mặt sau IBC đã đạt được hiệu suất được ghi nhận là 26,7%, cao hơn 1,3% so với các công nghệ truyền thống. Công nghệ pin mặt trời IBC không dừng lại ở đó, vì các nhà nghiên cứu kỳ vọng sẽ đạt được hiệu suất 29,1% cho pin mặt trời IBC.

Công nghệ pin mặt trời IBC cải thiện hệ số nhiệt độ từ -0,387% / ºC đến -0,446% / ºC cho các tùy chọn truyền thống, giảm xuống -0,29% / ºC. Do đó, tấm pin năng lượng mặt trời IBC có thể mang lại hiệu suất tốt hơn trong việc lắp đặt khí hậu nóng.

Trong khi pin mặt trời IBC có chi phí sản xuất cao và có quy trình sản xuất phức tạp, chi phí cho công nghệ này đã giảm xuống còn 0,30 USD / W. Với hiệu suất cao hơn và giá chỉ cao hơn một chút, công nghệ pin mặt trời IBC là một lựa chọn hấp dẫn cho các ứng dụng dân dụng và công nghiệp, có thể khiến công nghệ IBC chiếm khoảng 35% thị phần vào năm 2025.

Trong khi các tấm pin mặt trời Al-BSF và IBC có thể được sử dụng cho các ứng dụng dân dụng và công nghiệp, thì công nghệ pin mặt trời IBC có ưu thế hơn trong các ứng dụng quang điện tập trung (CPV). Điều này là do các tấm pin mặt trời IBC có điện trở loạt thấp hơn, tuổi thọ khối lượng lớn hơn và khả năng tái kết hợp bề mặt thấp hơn, lý tưởng cho các ứng dụng này với nồng độ năng lượng mặt trời tăng lên, mang lại một số lợi thế thú vị.

Tế bào năng lượng mặt trời IBC so với tế bào PERC

Bộ phát thụ động và Tiếp điểm phía sau (PERC) và các tấm pin mặt trời Tiếp xúc xen kẽ mặt sau IBC chia sẻ những cải tiến thiết kế thú vị từ công nghệ Al-BSF. Cả hai công nghệ đều chia sẻ hiệu suất cao hơn, hệ số nhiệt độ tốt hơn và diện tích hấp thụ photon lớn hơn.

Công nghệ PERC và IBC chia sẻ việc giảm diện tích bề mặt bị chiếm bởi thanh cái hoặc các tiếp điểm kim loại, mang lại những lợi thế tương tự. Trong khi công nghệ PERC chỉ làm giảm các thanh cái, công nghệ bảng điều khiển năng lượng mặt trời IBC loại bỏ nó, tăng thêm diện tích bề mặt hiệu quả để hấp thụ photon.

Công nghệ IBC vượt qua công nghệ PERC về hiệu suất, do công nghệ PERC chỉ đạt hiệu suất 25,4%, trong khi công nghệ tấm pin mặt trời IBC đạt hiệu suất được ghi nhận là 26,7%.

Điểm chính có lợi cho PERC so với công nghệ pin mặt trời IBC là công nghệ IBC đắt hơn để sản xuất so với công nghệ PERC.

Mặc dù cả hai công nghệ đều có những điểm khác biệt, nhưng chúng là sự cải tiến từ các tùy chọn Al-BSF truyền thống và điểm chính có lợi cho cả hai là chúng có thể được kết hợp với nhau. Điều này mở ra một hướng đi cho việc tạo ra các tấm pin mặt trời PERC-IBC, có thêm những lợi thế so với các công nghệ truyền thống.

Lợi ích của pin mặt trời IBC

Các tấm pin mặt trời Interdigitated Back Contact có nhiều lợi ích khiến chúng vượt trội hơn so với công nghệ Al-BSF truyền thống và những công nghệ khác. Trong phần này, chúng tôi làm tròn những lợi ích của công nghệ pin mặt trời IBC.

Giảm tổn thất bằng cách che bóng

Quá trình tái cấu trúc pin mặt trời IBC đặt tiếp xúc kim loại phía trước vào mặt sau của tế bào, loại bỏ bóng râm do các thanh cái gây ra. Bằng cách làm này, pin mặt trời IBC tăng khả năng hấp thụ hiệu quả photon, giúp giảm tổn thất điện năng và một số lợi ích khác.

Giảm điện trở loạt

Các tế bào năng lượng mặt trời IBC làm giảm điện trở loạt tại tế bào từ các tế bào Al-BSF truyền thống, bằng cách có thể đặt các điểm tiếp xúc kim loại lớn hơn ở mặt sau của tế bào, trở thành yếu tố chính cho các ứng dụng quang điện tập trung CPV.

Tăng sản lượng điện trên mỗi mét vuông

Với việc tăng hiệu suất cho các tế bào năng lượng mặt trời IBC, một tấm pin năng lượng mặt trời IBC có thể được sản xuất mà không có khoảng trống giữa các tế bào, tăng thêm sản lượng điện trên mỗi mét vuông cho một mô-đun duy nhất. Điều này làm cho công nghệ pin mặt trời IBC trở nên hấp dẫn hơn cho các ứng dụng có không gian hạn chế.

Tối ưu hóa điện / quang độc lập

Vì các tế bào năng lượng mặt trời IBC di dời các điểm tiếp xúc kim loại ở phía sau, các tối ưu hóa quang học và điện cho tế bào được tách biệt, làm cho mỗi tối ưu hóa hoàn toàn độc lập với nhau, giúp các nhà nghiên cứu dễ dàng cải thiện cái này hay cái khác riêng biệt.

Ai sản xuất tấm pin mặt trời IBC?

Các tấm pin mặt trời Interdigitated Back Contact được sản xuất bởi một số công ty ở Mỹ, với hai công ty phổ biến nhất là SunPower và Trina Solar.

SunPower: Tấm pin mặt trời Maxeon®

SunPower là công ty năng lượng mặt trời sản xuất tấm pin mặt trời ở Mỹ hơn 35 năm. Công ty này đã chuyển giao các tấm pin mặt trời IBC thương mại đầu tiên cho Hoa Kỳ, sản xuất các mô-đun chất lượng cao với hiệu suất tuyệt vời, với tấm pin mặt trời Maxeon® của họ .

Các tấm pin mặt trời Maxeon đạt được một trong những hiệu suất cao nhất cho các mô-đun PV trên thị trường. Các mô-đun này có chất nền bằng đồng giúp tăng cường độ bền và khả năng chống ăn mòn, có các lớp silicon chất lượng cao cho pin mặt trời tạo ra năng lượng nhiều hơn 60% so với các công nghệ khác trên thị trường.

Trina Solar

Trina Solar đã cung cấp một số giải pháp năng lượng mặt trời hiệu quả về chi phí nhất trên thị trường năng lượng mặt trời Hoa Kỳ trong khoảng 25 năm, lý tưởng cho các ứng dụng quy mô dân dụng, thương mại và tiện ích. Công ty tập trung vào việc cải tiến công nghệ PV, được biết đến với việc thiết lập kỷ lục mới cho pin mặt trời mono c-Si IBC vào năm 2018.

Công ty này là một trong những nhà sản xuất tấm pin năng lượng mặt trời IBC lớn nhất ở Mỹ. Trina Solar đã vận chuyển hơn 80GW trong các tấm pin năng lượng mặt trời trên toàn thế giới và thực hiện lắp đặt trên lưới với hơn 5,5GW tại Hoa Kỳ.