Công nghiệp pin mặt trời trên cơ sở silic tinh thể

Công nghiệp pin mặt trời trên cơ sở silic tinh thể

Công nghiệp pin mặt trời trên cơ sở silic được nghiên cứu và sản xuất đầu tiên, hiện nay pin mặt trời trên cơ sở silic vẫn đang được sản xuất nhiều nhất trên quy mô công nghiệp và vẫn đang được nghiên cứu để giảm giá thành và nâng cao hiệu suất chuyển đổi.

Sản lượng điện do pin mặt trời được sản xuất trên toàn thế giới:

Ta nhận thấy rằng, sản lượng pin mặt trời trên cơ sở silic đơn tinh thể và đa tinh thể chiếm thị trường nhiều nhất và thị trường đang giảm mặc dù sản lượng vẫn tăng. Trong khi đó các pin mặt trời màng mỏng có sản lượng ngày càng nhiều sở dĩ như vậy là chi phí sản xuất ra pin mặt trời màng mỏng rẻ hơn so với pin mặt trời silic tinh thể.

Sử dụng công nghệ in lưới để tạo điện cực tiếp xúc trước và sau thay thế công nghệ tạo điện cực đắt tiền là bốc bay kim loại để tạo tiếp xúc. Thiết bị công nghệ để in lưới đã được sử dụng cho sản phẩm pin mặt trời thương mại.

Chúng tôi xin giới thiệu qui trình công nghệ sản xuất ra pin mặt trời trên cơ sở silic tinh thể điện cực in lưới trong công nghiệp.

Bước 1: Loại bỏ khuyết tật do cưa cắt phiến silic, làm bề mặt ghồ ghề, rửa phiến.

Người ta dùng cưa dây để cắt thỏi silic thành cách phiến mỏng, trong quá trình cắt làm cho bề mặt bị khuyết tật, nứt sâu đến 10 μm trên bề mặt phiến. Các khuyết tật này phải được loại bỏ do chúng làm giảm cường độ cơ học của phiến và tăng tỷ lệ tái hợp của điện tử và lỗ trống trên bề mặt phiến. Dung dịch NaOH hoặc KOH thường được sử dụng để loại bỏ những khuyết tật này.

Công đoạn làm ghồ ghề bề mặt phiến để tạo ra bề mặt có độ phản xạ ánh sáng mặt trời thấp, do đó lượng ánh sáng bị hấp thụ tăng làm tăng hiệu suất chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng. Đối với phiến silic đơn tinh thể thì được ăn mòn dị hướng bằng dung dịch NaOH, còn phiến silic đa tinh thể thì được ăn mòn đẳng hướng bằng hỗn hợp axit HF:HNO3:CH3COOH.

Làm sạch bề mặt phiến bằng cách nhúng vào nước khử ion, rửa sạch bằng axit HCl, nhúng vào nước khử ion, rửa sạch bằng dung dịch HF, nhúng vào nước khử ion. Axit HCl loại bỏ kim loại ở bề mặt phiến, HF ăn mòn SiO2 và loại bỏ kim loại trên bề mặt phiến, tạo ra bề mặt kị nước.

Bước 2: Khuếch tán nhiệt.

Hầu hết trong công nghiệp pin mặt trời dùng lò ống để thực hiện quá trình khuếch tán tạo chuyển tiếp p-n. Các phiến silic được đặt thẳng đứng trên thuyền quartz. Thuyền được di chuyển vào trong ống quartz và gia nhiệt đến khoảng 800-9000C. Khi Nitơ là khí mang thổi qua máy sục khí có chứa dung dịch POCl3 (phosphorus oxychloride), tạo ra khí POCl3 được hòa trộn với O2 và được dẫn trực tiếp vào lò ống. Oxit phospho lắng đọng trên bề mặt phiến, giải phóng Cl2 loại bỏ kim loại tạp chất. Dưới tác dụng của nhiệt độ cao phospho khuếch tán vào silic tạo ra chuyển tiếp p-n trên đế silic loại p.

Bước 3: Loại bỏ lớp thủy tinh phospho và cạnh cách điện.

Thủy tinh phospho tạo thành trong quá trình khuếch tán nhiệt trên phiến silic được ăn mòn bằng axit HF, sau đó nhúng trong nước khử ion và làm khô trong không khí nóng.

Bước 4: Lắng đọng lớp Silicon nitride SiNx:H

Lớp silicon nitride SiNx:H lên tới 40% hydro được lắng đọng lên mặt trước của pin mặt trời để làm lớp chống phản xạ ánh sáng mặt trời. Để giảm tối thiểu tổn thất quang học, màng SiNx:H có độ dày khoảng 75 nm và chỉ số khúc xạ khoảng 2,05. Thêm vào đó SiNx:H còn thụ động hóa bề mặt tốt, làm giảm tái hợp bề mặt tại cực emitter, hơn nữa hydro được giải phóng từ màng SiNx:H giàu hydro lắng đọng sau khi ủ làm giảm tái hợp trong phiến silic đa tinh thể.

Bước 5: In lưới tạo điện cực bạc trên mặt trên.

Ngày nay có nhiều hãng sản xuất thiết bị, lưới in, mực in. Thiết bị in lưới hoạt động tin cậy, đơn giản và dễ tự động hóa. Hầu hết các dây chuyền in lưới có công suất khoảng 1000 và 2000 phiến/giờ tương ứng cho 1 và 2 dây chuyền. Các dây chuyền này có thể in được các cell có kích thước lên tới 210 x 210 mm2.

Phiến silic được vận chuyển trên băng chuyền đến bàn in. Lưới được căng trong khung nhôm, lưới in được đặt lên trên mặt của phiến với khoảng cách định trước. Bước tiếp theo, chổi quét bằng cao su di chuyển mà không tạo lực ép lên lưới quét đều hồ bạc lên các lỗ lưới. Sau đó dao quét cao su chuyển động tạo lực ép nhất định trên bề mặt lưới áp vào bề mặt phiến silic và đẩy hồ bạc qua lưới xuống bề mặt phiến silic. Sau khi in, phiến silic được vận chuyển lên băng chuyền đến lò sấy trước khi đặt lên bàn in tiếp theo để in điện cực mặt sau.

In lưới tạo điện cực mặt trước cho pin mặt trời phải đạt các đặc điểm sau: điện trở tiếp xúc thấp, không có mối nối chuyển hướng, điện trở riêng thấp, kết dính tốt với silic, nung thấm qua được lớp SiN.

Hồ bạc để tạo điện cực mặt trước bao gồm bột bạc (70-80 % khối lượng),thủy tinh chì borosilicat PbO-B2O3-SiO2 (1-10 % khối lượng) và thành phần hữu cơ (15-30 % khối lượng). Bột bạc nung chảy trong quá trình nung và dẫn điện tốt cho điện cực. Thủy tinh chì borosilicat PbO-B2O3-SiO2 cần thiết cho tạo tiếp xúc trong quá trình nung, PbO-B2O3-SiO2 ăn mòn lớp SiN của lớp phủ chống phản xạ, thúc đẩy sự kết dính của bạc tiếp xúc với silic, giảm nhiệt độ nóng chảy của bạc và ngăn chặn bạc khuếch tán vào trong chuyển tiếp p-n là nguyên nhân tạo thành mạch shunt và tạo nên vùng tái hợp điện tử lỗ trống.

Bước 6: In lưới tạo điện cực nhôm mặt sau.

Thiết bị in lưới giống như in lưới tạo điện cực mặt trước, tuy nhiên hồ nhôm được sử dụng để tạo tiếp xúc ohmic tốt với phiến silic loại p. Hồ nhôm bao gồm bột nhôm, thủy tinh frit, chất kết dính hữu cơ và dung môi. Sau khi in, phiến silic được vận chuyển lên băng chuyền đến lò sấy.

Bước 7: Nung điện cực mặt trước và sau.

Sau khi in lưới, mặt trước và mặt sau tương ứng là Ag và Al được nung đồng thời trong lò nung. Quá trình nung là một bước trong dây chuyền sản xuất, các cell pin mặt trời được đặt nằm ngang trên băng chuyền kim loại. Lò nung có một số zôn có thể nâng nhiệt độ lên tới 10000C.

Bước 8: Đo đặc trưng I-V và phân loại.

Công đoạn cuối của quá trình sản xuất pin mặt trời, mỗi cell pin mặt trời được đo đặc trưng I-V và các thông số quang học. Các cells được xác định chất lượng quang học, xác định dòng điện tại điểm công suất cực đại, phân loại cell theo từng loại dòng điện của cell để giảm tối thiểu tổn thất không cân bằng giữa các cell trong modun bao gồm nhiều cell được ghép nối tiếp với nhau, xác định điện áp đảo chiều để tránh điểm nóng nhiệt trong modun, xác định các thông số của pin mặt trời như hiệu suất chuyển đổi, điện áp mở mạch, dòng điện ngắn mạch và hệ số FF là bước kiểm soát cuối cùng.