Fotovoltaické moduly TopCon typu N od společnosti Canadian Solar
Canadian Solar byla jednou z prvních společností, které zavedly technologie fotovoltaických článků a modulů, které se později staly mainstreamovými, jako například oboustranné moduly (již v roce 2010), moduly s velkoformátovými pláty (až 210 mm) a dnes články typu N a moduly s vysokou účinností. Od roku 2019 společnost CSI Solar vyvíjí technologie s tenkou vrstvou oxidu mezi kovovými kontakty a plátem „TOPCon“ (Tunnel Oxide Passivated Contacts) typu N a nyní uvádí na trh diverzifikované portfolio modulů TOPCon s články o délce 182 mm a 210 mm s enkapsulací pomocí jedné nebo dvou skleněných vrstev a v provedení s různými velikostmi modulů a výstupním výkonem pro uspokojení potřeb nejrůznějších aplikačních scénářů.
Křemík typu N je typ polovodičového materiálu, který má odlišné charakteristiky dopování než běžně používaný křemík typu P. Křemík typu N nabízí několik výhod, včetně nižší citlivosti k degradaci způsobené světlem (LID, light-induced degradation) a lepších teplotních koeficientů, které znamenají vyšší výkon a delší životnost.
Naproti tomu technologie TopCon využívá tenčí vrstvu oxidu křemíku k pasivaci povrchů solárního článku, a tím snižuje rekombinaci nosičů a zlepšuje celkovou účinnost. Tato technologie pomáhá dosahovat vyšších hodnot účinnosti přeměny energie minimalizací jejích ztrát.
Kombinace s pláty z křemíku typu N vede k odhadované horní mezi účinnosti článků TOPCon až 28,7 %, což je vyšší hodnota než u článků PERC s pasivovanou zadní stranou, která je přibližně 24,5 %. Zpracování produktů TOPCon je kompatibilnější se stávajícími výrobními linkami pro články PERC, což vede k lepšímu vyvážení výrobních nákladů a vyšší účinnosti modulů. Předpokládá se, že TOPCon se stane mainstreamovou technologií v nadcházejících letech.
Konstrukce solárního článku
Fotovoltaický článek se v zásadě skládá ze dvou vrstev: základní vrstvy a horní vrstvy. Při dopování typu P se používají jako dopanty bór a gallium. Každý z vnějších orbitalů těchto prvků obsahuje tři elektrony. Tyto prvky po začlenění do krystalové mřížky křemíku generují „díry“ ve valenčním pásmu atomů křemíku. Výsledkem je, že elektrony valenčního pásma se stávají mobilními, přičemž díry se pohybují v opačném směru než elektrony. Migrovat mohou pouze kladné náboje, protože dopant je fixován v krystalové mřížce. Tyto polovodiče se označují jako „typ P“ (nebo „s vodivostí typu P“ nebo „s dopováním typu P“), protože mají kladné díry.
Solární články typu N mají poněkud odlišnou konstrukci v porovnání s tradičními solárními články typu P. Hlavní rozdíl spočívá v dopování polovodičového materiálu použitého v článku.
Zde je obecný přehled konstrukce solárního článku typu N:
-
-
-
- Substrát: Solární článek začíná substrátem, což je typicky tenký plát vyrobený z monokrystalického nebo polykrystalického křemíku o vysoké čistotě.
- Dopant typu N: Přední strana substrátu je dopována dopantem typu N, jako je například fosfor. Tímto krokem jsou do krystalové mřížky křemíku zavedeny nadbytečné elektrony, což vytváří přebytek nosičů záporného náboje.
- Antireflexní povrchová úprava: Na přední povrch článku je nanesena tenká vrstva antireflexní povrchové úpravy, jako je například nitrid křemíku (SiNx). Tato povrchová úprava snižuje ztráty způsobené odrazem a zvyšuje absorpci světla.
- Přední kovové kontakty: Kovové kontakty jsou typicky v provedení ze stříbrné nebo stříbro/hliníkové pasty a nanášejí se na přední povrch za účelem sběru elektronů generovaných při dopadu slunečních paprsků na článek. Tyto kontakty jsou uspořádány jako mřížka pro maximalizaci sběrné plochy.
- Pasivační vrstva: Pasivační vrstva je nanesena na přední povrch. Její funkcí je snižovat rekombinaci nosičů náboje. Tato vrstva je obvykle vytvořena z oxidu křemíku (SiOx) nebo kombinace oxidu křemíku a nitridu křemíku.
- Zadní kovové kontakty: Na zadní straně článku je nanesen kovový kontakt pro záchyt nosičů kladného náboje (děr) generovaných v průběhu provozu solárního článku. Tento zadní kontakt může být tvořen celoplošnou hliníkovou vrstvou nebo může být v provedením se vzorem.
- Pole zadního povrchu: Pro další zvýšení výkonu článku může být zařazena dodatečná vrstva označovaná jako pole zadního povrchu (BSF, back surface field). Tato vrstva, obvykle vytvořená ze silně dopovaného křemíku, pomáhá vytvořit gradient v elektrickém poli, který usnadňuje efektivní sběr nosičů náboje.
-
-
Je důležité si uvědomit, že skutečné konstrukční detaily a konkrétní provedení článků se mohou u jednotlivých výrobců lišit. Výše uvedený popis poskytuje obecnou osnovu procesu konstrukce solárních článků typu N.
Struktura fotovoltaických článků typu N TopCon a Heterojunction
Struktura je kompatibilní u plátů typu P i typu N a lze ji teoreticky použít na libovolnou stranu plátu. Když je však dopovaný polykrystal použit na přední straně, vede to k větším ztrátám absorpcí, protože polykrystalický křemík má podobné zakázané pásmo jako krystalický křemík. I když existují způsoby, jak eliminovat ztráty v důsledku nechtěné absorpce, nejsou zatím vhodné pro sériovou výrobu, protože vyžadují složité postupy vytváření masky a leptání. Díky tomu se pojem „pasivované kontakty“ v odvětví primárně používá k technickému provedení zadní strany.
Velká část odvětví také stále používá pasivované kontakty na zadní straně plátů typu N, i když výzkumníci pracují i na článcích typu P s pasivovanými kontakty. Jednou z těchto výzkumných institucí je německý solární výzkumný institut ISFH, který svoji metodu nedávno zveřejnil.
Solární články s heteropřechodem spojují dvě různé technologie v jednom článku: článek z krystalického křemíku v sendvičové struktuře mezi dvěma vrstvami amorfního křemíku v podobě „tenké vrstvy“. Toto uspořádání umožňuje snadno dosáhnout zvýšení účinnosti panelů a získání většího množství energie v porovnání s konvenčními solárními panely. Nejběžnějším typem solárního panelu je panel vyrobený z krystalického křemíku, a to buď monokrystalického, nebo polykrystalického. Amorfní křemík je křemík ve tvaru tenké vrstvy a na rozdíl od krystalického křemíku nemá žádnou pravidelnou krystalickou strukturu. Místo toho jsou atomy uspořádány nahodile. Výsledkem je, že výroba tohoto typu solárního článku je méně nákladná.
Dvě důležité výhody jsou tedy nižší náklady a flexibilita týkající se typu materiálu, na kterém může být amorfní křemík uložen. U solárního článku s heteropřechodem má běžný plát krystalického křemíku amorfní křemík umístěný na svém předním a zadním povrchu. Výsledkem je dvojice tenkých solárních vrstev absorbující další fotony, které by jinak nebyly zachyceny ve středu umístěným plátem z krystalického křemíku. Výrobní koncepce HJT byla vyvinuta společností SANYO Electric v 80. letech 20. století (SANYO se stala součástí společnosti Panasonic v roce 2009). SANYO byla první společností, která komerčně vyráběla solární články na bázi amorfního křemíku. Solární technologie s heteropřechodem využívá výhod této koncepce a buduje solární panel ze tří různých vrstev fotovoltaického materiálu.
Horní a dolní vrstva jsou vyrobeny z amorfních solárních článků v podobě tenké vrstvy, zatímco prostřední vrstva je krystalickým solárním článkem. Tenká vrstva křemíku nahoře zachycuje určitou část slunečního světla předtím, než dopadne na krystalickou vrstvu, a také pohlcuje tu část slunečního světla, která se odrazí od spodních vrstev. Je velmi tenká, takže většina slunečního světla projde přímo a sluneční světlo, které projde střední částí, tj. krystalickou vrstvou, je pohlceno tenkou amorfní vrstvou, která je pod ní. Výstavbou panelu v podobě sendviče ze tří různých fotovoltaických vrstev, tzv. solární článek s heteropřechodem, lze dosahovat účinnosti 21 % nebo více. To je hodnota srovnatelná s panely, které využívají odlišné technologie k dosažení vysokého výkonu.
Srovnání modulů PERC, TopCon a Heterojunction
