ซิลิคอนผลึก

Q: ภาพรวม

{{rp|24,25}}"},"other":{"wt":""},"label1":{"wt":"[[Cadmium telluride photovoltaics|CdTe]]"},"value1":{"wt":"4.1"},"color1":{"wt":"#de2821"},"label2":{"wt":"[[Amorphous silicon|a-Si]]"},"value2":{"wt":"0.

Q: การเปรียบเทียบข้อกำหนดทางเทคนิค

หมวดหมู่ เทคโนโลยี η (%) วี (วี) ฉัน (A) วัตต์/ ตร.ม. t ( μm ) เซลล์แสงอาทิตย์แบบฟิล์มบาง เอ-ซี 13.1 6.3 0.0089 33 1 ซีดีที 16.5 0.86 0.029 – 5 CIGS 20.5 – – –

ซิลิคอนผลึก ( c-Si ) คือ รูปแบบ ผลึกของซิลิคอนซึ่งอาจเป็นซิลิคอนผลึกหลายผลึก (poly-Si ซึ่งประกอบด้วยผลึกขนาดเล็ก) หรือซิลิคอนผลึกเดี่ยว (mono-Si ซึ่งเป็นผลึกต่อเนื่อง ) ซิลิคอนผลึกเป็นวัสดุกึ่ง ตัวนำหลัก ที่ใช้ใน เทคโนโลยี เซลล์แสงอาทิตย์สำหรับการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์เซลล์เหล่านี้ถูกประกอบเป็นแผงโซลาร์เซลล์ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของระบบเซลล์ แสงอาทิตย์ เพื่อผลิตพลังงานแสงอาทิตย์จากแสงแดด

ในด้านอิเล็กทรอนิกส์ ซิลิคอนผลึกโดยทั่วไปคือซิลิคอนในรูปแบบผลึกเดี่ยว และใช้ในการผลิตไมโครชิปซิลิคอนชนิดนี้มีระดับสิ่งเจือปนต่ำกว่าที่จำเป็นสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์มาก การผลิตซิลิคอนเกรดเซมิคอนดักเตอร์เกี่ยวข้องกับการทำให้บริสุทธิ์ทางเคมีเพื่อผลิตโพลีซิลิคอนที่มีความบริสุทธิ์สูง ตามด้วย กระบวนการ ตกผลึกใหม่ เพื่อสร้างซิลิคอนผลึกเดี่ยว จาก นั้นจึงตัดแท่งทรงกระบอก เป็น แผ่นเวเฟอร์เพื่อนำไปแปรรูปต่อไป

เซลล์แสงอาทิตย์ที่ทำจากซิลิคอนผลึกมักเรียกว่า เซลล์ แสงอาทิตย์แบบดั้งเดิมหรือเซลล์ แสงอาทิตย์ รุ่นแรกเนื่องจากได้รับการพัฒนาในช่วงทศวรรษ 1950 และยังคงเป็นประเภทที่พบมากที่สุดมาจนถึงปัจจุบัน^[¹^]^[²^]เนื่องจากผลิตจากแผ่นเวเฟอร์โซลาร์ที่มีความหนา 160 ถึง 190 ไมโครเมตรซึ่งเป็นแผ่นบางๆ จากซิลิคอนเกรดโซลาร์จึงบางครั้งเรียกว่าเซลล์แสงอาทิตย์แบบเวเฟอร์^[³^]

เซลล์แสงอาทิตย์ที่ทำจาก c-Si เป็นเซลล์แบบรอยต่อเดี่ยวและโดยทั่วไปมีประสิทธิภาพมากกว่าเทคโนโลยีคู่แข่ง ซึ่งก็คือเซลล์แสงอาทิตย์แบบฟิล์มบาง รุ่นที่สอง ที่สำคัญที่สุดคือCdTe , CIGSและซิลิคอนอสัณฐาน (a-Si) ซิลิคอนอสัณฐานเป็น รูปแบบ หนึ่งของซิลิคอน และ คำ ว่าอสัณฐานหมายถึง "ไม่มีรูปร่าง" เพื่ออธิบายรูปแบบที่ไม่เป็นผลึก^{[ 4 ]}^{: 29}

ภาพรวม

ตลาด PV ทั่วโลกจำแนกตามเทคโนโลยีในปี 2021 ^{[ 5 ]}^{: 24, 25}

การจำแนกประเภท

รูปแบบไอโซโทปิกของซิลิคอนมีตั้งแต่โครงสร้างผลึกเดี่ยวไปจนถึงโครงสร้างอสัณฐานที่ไม่เป็นระเบียบอย่างสมบูรณ์ โดยมีรูปแบบระหว่างกลางอีกหลายรูปแบบ นอกจากนี้ แต่ละรูปแบบที่แตกต่างกันเหล่านี้ยังอาจมีชื่อเรียกหลายชื่อและตัวย่ออีกมากมาย ซึ่งมักก่อให้เกิดความสับสนแก่ผู้ที่ไม่ใช่ผู้เชี่ยวชาญ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเนื่องจากวัสดุบางชนิดและการนำไปใช้ในเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์มีความสำคัญน้อย ในขณะที่วัสดุอื่นๆ มีความสำคัญอย่างยิ่ง

อุตสาหกรรม PV

ในอุตสาหกรรมเซลล์แสงอาทิตย์ วัสดุต่างๆ มักถูกแบ่งออกเป็นสองประเภทหลักดังนี้:

ซิลิคอนผลึก (c-Si) ใช้ในเซลล์แสงอาทิตย์แบบแผ่น เวเฟอร์ ทั่วไป
- โมโนคริสตัลไลน์ซิลิคอน (โมโน-ศรี)
- ซิลิคอนผลึกหลายเหลี่ยม (มัลติ-Si)
- ซิลิคอนแบบริบบิ้น (ribbon-Si) ปัจจุบันยังไม่มีตลาด^{[ 4 ]}^{: 17, 18}
วัสดุอื่นๆ ที่ไม่ได้จัดอยู่ในประเภทซิลิคอนผลึก ซึ่งใช้ในเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์ แบบฟิล์มบาง และเทคโนโลยีอื่นๆ
- ซิลิคอนอสัณฐาน (a-Si)
- ซิลิคอนผลึกนาโน (nc-Si)
- ซิลิคอนโปรโตคริสตัลไลน์ (pc-Si)
- วัสดุที่ไม่ใช่ซิลิคอนที่ได้รับการยอมรับอื่นๆ เช่นCdTeและCIGS
- เทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์ที่กำลังพัฒนา
- เซลล์แสงอาทิตย์แบบหลายชั้น (MJ) นิยมใช้ในแผงโซลาร์เซลล์บนยานอวกาศเพื่อผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศนอกจากนี้ยังใช้ในระบบเซลล์แสงอาทิตย์แบบรวมแสง (CPV, HCPV) ซึ่งเป็นเทคโนโลยีใหม่ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับพื้นที่ที่มีแสงแดดส่องถึงมาก

รุ่นต่างๆ

อีกทางเลือกหนึ่งคือ สามารถจำแนกเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดต่างๆ และ/หรือวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ของเซลล์แสงอาทิตย์เหล่านั้นตามรุ่นได้:

เซลล์แสงอาทิตย์รุ่นแรกทำจากซิลิคอนผลึก หรือที่เรียกว่าเซลล์แสงอาทิตย์แบบดั้งเดิมที่ใช้แผ่นเวเฟอร์เป็นฐาน ซึ่งรวมถึงวัสดุเซมิคอนดักเตอร์แบบผลึกเดี่ยว (mono-Si) และแบบผลึกหลายผลึก (multi-Si)
เซลล์แสงอาทิตย์หรือแผงโซลาร์เซลล์รุ่นที่สองนั้นใช้เทคโนโลยีฟิล์มบางและมีความสำคัญในเชิงพาณิชย์อย่างมาก ซึ่งได้แก่ CdTe, CIGS และซิลิคอนอสัณฐาน
เซลล์แสงอาทิตย์รุ่นที่สามมักถูกจัดว่าเป็นเทคโนโลยีเกิดใหม่ที่มีนัยสำคัญในตลาดน้อยหรือไม่มีเลย และประกอบด้วยสารหลากหลายชนิด ส่วนใหญ่เป็นสารอินทรีย์ โดยมักใช้สารประกอบออร์กาโนเมทัลลิก

อาจกล่าวได้ว่าเซลล์แสงอาทิตย์แบบหลายชั้น ไม่สามารถจัดอยู่ในกลุ่มใดกลุ่มหนึ่งเหล่านี้ ได้เซมิคอนดักเตอร์แบบสามชั้นทั่วไปทำจากInGaP / (In)GaAs / Ge ^{[ 6 ]}^{[ 7 ]}

การเปรียบเทียบข้อกำหนดทางเทคนิค

หมวดหมู่	เทคโนโลยี	η (%)	วี (วี)	ฉัน (A)	วัตต์/ ^ตร.ม.	t ( μm )
เซลล์แสงอาทิตย์แบบฟิล์มบาง	เอ-ซี	13.1	6.3	0.0089	33	1
	ซีดีที	16.5	0.86	0.029	–	5
	CIGS	20.5	–	–	–

ส่วนแบ่งการตลาด

ในปี 2556 เทคโนโลยีซิลิคอนผลึกแบบดั้งเดิมครองตลาดการผลิต PV ทั่วโลก โดยมัลติซิลิคอนเป็นผู้นำตลาดนำหน้าโมโนซิลิคอน คิดเป็น 54% และ 36% ตามลำดับ ในช่วงสิบปีที่ผ่านมา ส่วนแบ่งการตลาดทั่วโลกของเทคโนโลยีฟิล์มบางทรงตัวต่ำกว่า 18% และปัจจุบันอยู่ที่ 9% ในตลาดฟิล์มบาง CdTe เป็นผู้นำด้วยการผลิตต่อปี 2 GW 5% ตามด้วย a-Si และ CIGS ซึ่งอยู่ที่ประมาณ 2% ทั้งคู่^[⁴^]^:^4,¹⁸กำลังการผลิต PV ที่ติดตั้งทั้งหมด139 กิกะวัตต์ ( สะสม ณ ปี 2556 ) แบ่งออกเป็นซิลิคอนผลึก 121 GW (87%) และเทคโนโลยีฟิล์มบาง 18 GW (13%) ^[⁴^]^:⁴¹

ประสิทธิภาพ

ประสิทธิภาพการแปลงพลังงานของอุปกรณ์โซลาร์เซลล์ อธิบายถึงอัตราส่วนพลังงานของกำลังไฟฟ้าที่ผลิตได้เทียบกับแสงที่เข้ามา โดยทั่วไปแล้ว เซลล์แสงอาทิตย์เดี่ยวจะมีประสิทธิภาพดีกว่าหรือสูงกว่าโมดูลโซลาร์เซลล์ทั้งชุด นอกจากนี้ ประสิทธิภาพที่ได้จากการทดลองในห้องปฏิบัติการมักจะเหนือกว่าสินค้าที่วางขายในเชิงพาณิชย์เสมอ

เซลล์ห้องปฏิบัติการ

ในปี 2013 ประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาภัสที่ทำได้สูงที่สุดในห้องทดลองคือเซลล์ซิลิคอนผลึก อย่างไรก็ตาม เซลล์ซิลิคอนหลายชนิดก็มีประสิทธิภาพรองลงมาคือเซลล์แคดเมียมเทลลูไรด์และเซลล์คอปเปอร์อินเดียมแกลเลียมซีลีไนด์

25.6% — เซลล์โมโนซิลิคอน
20.4% — เซลล์มัลติซิลิคอน
21.7% — เซลล์ CIGS
21.5% — เซลล์ CdTe

เซลล์แสงอาทิตย์ซิลิคอนที่สัมผัสทั้งสองด้าน ณ ปี 2021: 26% และอาจสูงกว่านั้น^{[ 8 ]}^{[ 9 ]}

โมดูล

โดยเฉลี่ยแล้ว โมดูลซิลิคอนผลึกเชิงพาณิชย์เพิ่มประสิทธิภาพจากประมาณ 12% เป็น 16% ในช่วงสิบปีที่ผ่านมา ในช่วงเวลาเดียวกัน โมดูล CdTe ปรับปรุงประสิทธิภาพจาก 9% เป็น 16% โมดูลที่ทำงานได้ดีที่สุดภายใต้สภาวะห้องปฏิบัติการในปี 2014 ทำจากซิลิคอนผลึกเดี่ยว โดยมีประสิทธิภาพสูงกว่าโมดูลที่ผลิตในเชิงพาณิชย์ถึง 7% (23% สูงกว่า 16%) ซึ่งแสดงให้เห็นว่าเทคโนโลยีซิลิคอนแบบดั้งเดิมยังมีศักยภาพที่จะพัฒนาและรักษาตำแหน่งผู้นำไว้ได้^{[ 4 ]}^{: 6}

ต้นทุนด้านพลังงานในการผลิต

ซิลิคอนผลึกมีต้นทุนด้านพลังงานสูง เนื่องจากซิลิคอนผลิต โดยการลด ทรายควอตซ์คุณภาพสูงในเตาไฟฟ้ากระแสไฟฟ้าที่ผลิตขึ้นสำหรับกระบวนการนี้อาจก่อให้เกิด การ ปล่อย ก๊าซเรือนกระจก กระบวนการ ถลุงด้วยถ่านโค้กนี้เกิดขึ้นที่อุณหภูมิสูงกว่า 1,000 °C และใช้พลังงานสูงมาก โดยใช้พลังงานประมาณ 11 กิโลวัตต์-ชั่วโมง (kW⋅h) ต่อกิโลกรัมของซิลิคอน^[¹⁰^]

ความต้องการพลังงานของกระบวนการนี้ต่อหน่วยของโลหะซิลิคอนที่ผลิตได้อาจมีความยืดหยุ่นค่อนข้างต่ำ อย่างไรก็ตาม ต้นทุนพลังงานต่อผลิตภัณฑ์เซลล์แสงอาทิตย์ลดลงอย่างมาก เนื่องจากเซลล์ซิลิคอนมีประสิทธิภาพในการแปลงแสงอาทิตย์มากขึ้น แท่งซิลิคอนขนาดใหญ่ถูกตัดเป็นแผ่นเวเฟอร์ที่บางลงโดยมีของเสียเหลือน้อยลง ของเสียจากการผลิตซิลิคอนถูกนำกลับมาใช้ใหม่ และต้นทุนวัสดุลดลง^{[ 4 ]}^{: 29}

ความเป็นพิษ

ยกเว้นซิลิคอนอสัณฐานเทคโนโลยี PV ที่ใช้ในเชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่ใช้โลหะหนักที่เป็นพิษ CIGS มักใช้ ชั้นบัฟเฟอร์ CdSและวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ของ เทคโนโลยี CdTe เองก็มี แคดเมียม (Cd) ที่เป็นพิษในกรณีของโมดูลซิลิคอนผลึก วัสดุ บัดกรีที่เชื่อมสายทองแดงของเซลล์มีตะกั่ว (Pb) ประมาณ 36% ยิ่งไปกว่านั้น เพสต์ที่ใช้สำหรับการพิมพ์สกรีนหน้าสัมผัสด้านหน้าและด้านหลังมีตะกั่วและบางครั้งก็มีแคดเมียมในปริมาณเล็กน้อย มีการประมาณการว่ามีการใช้ตะกั่วประมาณ 1,000 เมตริกตันสำหรับโมดูลโซลาร์ c-Si ขนาด 100 กิกะวัตต์ อย่างไรก็ตาม ไม่มีความจำเป็นพื้นฐานสำหรับตะกั่วในโลหะผสมบัดกรี^{[ 11 ]}

คุณสมบัติ

ซิลิคอนผลึกได้กลายเป็นที่นิยมอย่างมากในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์และพลังงานแสงอาทิตย์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งแถบวาเลนซ์ปานกลางและความคล่องตัวของตัวนำประจุสูง^{[ 12 ]}แต่คุณสมบัติทางกลของแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนผลึกเป็นปัจจัยสำคัญที่ทำให้วัสดุนี้สามารถผลิตในขนาดที่เหมาะสมและนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ได้ และคุณสมบัติทางกลและอิเล็กทรอนิกส์ก็มีความสัมพันธ์กัน ความง่ายในการผลิตแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนผลึกส่วนใหญ่ก็เป็นผลมาจากคุณสมบัติทางกลของมันเช่นกัน

คุณสมบัติทางกลของซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์บริสุทธิ์ที่ไม่เจือปนมีดังต่อไปนี้^{[ 13 ]}^{[ 14 ]}^{[ 15 ]}เนื่องจากโครงสร้างผลึกแบบลูกบาศก์เพชร คุณสมบัติบางอย่างเหล่านี้จึงไม่เป็นเนื้อเดียวกัน ขึ้นอยู่กับทิศทางผลึกศาสตร์ที่ใช้ในการวัด หรือขึ้นอยู่กับระนาบผลึกศาสตร์ที่ใช้ในการตัดแผ่นเวเฟอร์

คุณสมบัติทางกลของซิลิคอนผลึก
คุณสมบัติ	ค่า	หน่วย	วิธี
โมดูลัสเฉือน	64	จีพีเอ	วอยต์-รอยส์-ฮิลล์ (VRH)
โมดูลัสปริมาตร	89	จีพีเอ	วีอาร์เอช
โมดูลัสของยัง	130	จีพีเอ	VRH ตาม [100]
	168	จีพีเอ	VRH ตาม [110]
	187	จีพีเอ	VRH ตาม [111]
อัตราส่วนปัวซง	0.21	ไม่มี
ดัชนีแอนไอโซโทรปีสากล	0.23	ไม่มี
ความแข็ง	13	จีพีเอ	การกดแบบนาโนของเบอร์โควิช

คุณสมบัติทางกลเหล่านี้มีความเกี่ยวข้องทั้งกับอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งใช้พื้นผิวซิลิคอนเป็นตัวรองรับวงจร และกับอุตสาหกรรม PV ซึ่งแผงโซลาร์เซลล์ซิลิคอนมักต้องเผชิญกับสภาพอากาศที่รุนแรง อย่างไรก็ตาม ในทั้งสองกรณี ซิลิคอนผลึกมักจะถูกเติมด้วยธาตุอื่นๆ บางชนิด (ธาตุหมู่ 13 สำหรับตัวนำประจุบวกมากขึ้น ธาตุหมู่ 15 สำหรับตัวนำประจุลบมากขึ้น) เพื่อเพิ่มการนำไฟฟ้าและเลื่อนช่องว่างพลังงาน ซึ่งจะปรับเปลี่ยนคุณสมบัติทางกลไปพร้อมกัน มีการแสดงให้เห็นว่าการเพิ่มความเข้มข้นของสารเจือปนสามารถลดโมดูลัสเฉือน เพิ่มโมดูลัสปริมาตร ลดความแข็ง (โมดูลัสยืดหยุ่น) และเปลี่ยนวัสดุจากสภาวะเปราะเป็นสภาวะยืดหยุ่นได้^{[ 16 ]}ส่งผลให้ความเหนียวโดยรวมเพิ่มขึ้น ซึ่งมีประโยชน์สำหรับการผลิต และความยืดหยุ่นและความเหนียวเพิ่มขึ้น

ในอุตสาหกรรม PV ความต้องการเซลล์แสงอาทิตย์แบบยืดหยุ่นที่สามารถติดตั้งบนพื้นผิวที่ไม่เรียบหรือเคลื่อนที่ได้หลากหลายรูปแบบ และบูรณาการเข้ากับโครงสร้างที่มีอยู่แล้วนั้นเพิ่มสูงขึ้น แม้ว่าจะเป็นเทคโนโลยีที่ค่อนข้างสมบูรณ์แล้ว แต่เซลล์แสงอาทิตย์ซิลิคอนผลึกก็ยังคงเป็นผู้นำในฐานะเทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์ที่แพร่หลายและมีประสิทธิภาพมากที่สุดในตลาด ดังนั้นนักวิจัยจึงพยายามปรับปรุงเทคโนโลยีนี้ให้มีความยืดหยุ่นและน้ำหนักเบามาเป็นเวลานาน^{[ 17 ]}เป้าหมายนี้ยังคงยากที่จะบรรลุได้ เนื่องจากเป็นความท้าทายที่สำคัญอันเนื่องมาจากความเปราะบางโดยธรรมชาติของซิลิคอนผลึก ในการศึกษาครั้งสำคัญครั้งใหม่ นักวิจัยจากประเทศจีนได้พัฒนาวิธีการสร้างแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนผลึกแบบยืดหยุ่น^{[ 14 ]}เมื่อแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนผลึกถูกตัด พื้นผิวของแผ่นเวเฟอร์เหล่านี้มักจะถูกทำให้มีพื้นผิว/ลวดลายขนาดเล็กเพื่อเพิ่มพื้นที่ผิวและช่วยให้ดูดซับแสงได้ดีขึ้น^{[ 18 ]}เทคนิคนี้สร้างร่องลึกจำนวนมากซึ่งรอยแตกจะเกิดขึ้นได้ง่ายเมื่อแผ่นเวเฟอร์งอ ซึ่งในที่สุดจะนำไปสู่การแตกหักที่เปราะบาง เพื่อแก้ปัญหานี้ นักวิจัยจึงทำให้ปลายที่ขอบของเวเฟอร์ทู่ลง ซึ่งเป็นการกำจัดสาเหตุของการแตกหัก และในที่สุดก็สร้างเซลล์แสงอาทิตย์ซิลิคอนผลึกที่รักษาประสิทธิภาพการแปลงพลังงานไว้ได้ตลอดวงจรการดัดงอ^{[ 14 ]}

เทคโนโลยีเซลล์

เซลล์แสงอาทิตย์ PERC

เซลล์แสงอาทิตย์แบบ Passivated emitter rear contact (PERC) ^{[ 19 ]}ประกอบด้วยการเพิ่มชั้นพิเศษที่ด้านหลังของเซลล์แสงอาทิตย์ ชั้นพาสซีฟไดอิเล็กทริกนี้ทำหน้าที่สะท้อนแสงที่ไม่ถูกดูดซับกลับไปยังเซลล์แสงอาทิตย์เพื่อพยายามดูดซับครั้งที่สอง ซึ่งจะเพิ่มประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์^{[ 20 ]}

PERC ถูกสร้างขึ้นผ่านกระบวนการตกตะกอนฟิล์มและการกัดเซาะเพิ่มเติม การกัดเซาะสามารถทำได้โดยกระบวนการทางเคมีหรือเลเซอร์ แผงโซลาร์เซลล์ประมาณ 80% ทั่วโลกใช้การออกแบบ PERC ^{[ 21 ]} Martin Green, Andrew Blakers, Jianhua Zhao และ Aihua Wang ได้รับรางวัลQueen Elizabeth Prize for Engineeringในปี 2023 จากการพัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์ PERC ^{[ 22 ]}

เซลล์แสงอาทิตย์ HIT

เซลล์แสงอาทิตย์ HIT ประกอบด้วยแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนผลึกบางชั้นเดียวที่ล้อมรอบด้วยชั้นซิลิคอนอสัณฐาน บางพิเศษ ^{[ 23 ]}ตัวย่อ HIT ย่อมาจาก " heterojunction with intrinsic thin layer" เซลล์ HIT ผลิตโดยบริษัทอิเล็กทรอนิกส์ข้ามชาติของญี่ปุ่นPanasonic (ดูเพิ่มเติมที่Sanyo § เซลล์แสงอาทิตย์และโรง ไฟฟ้า ) ^{[ 24 ]} Panasonic และกลุ่มอื่นๆ อีกหลายกลุ่มได้รายงานข้อดีหลายประการของการออกแบบ HIT เมื่อเทียบกับเซลล์ c-Si แบบดั้งเดิม:

ชั้น a-Si ที่แท้จริงสามารถทำหน้าที่เป็นชั้นป้องกันพื้นผิวที่มีประสิทธิภาพสำหรับเวเฟอร์ c-Si ได้
ซิลิคอนอะมอร์ฟัสที่เจือด้วย p+/n+ ทำหน้าที่เป็นตัวปล่อยอิเล็กตรอน/BSF ที่มีประสิทธิภาพสำหรับเซลล์
ชั้น a-Si ถูกสร้างขึ้นที่อุณหภูมิต่ำกว่ามาก เมื่อเทียบกับอุณหภูมิในการประมวลผลสำหรับเทคโนโลยี c-Si แบบแพร่กระจายแบบดั้งเดิม
เซลล์ HIT มีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิต่ำกว่าเมื่อเทียบกับเทคโนโลยีเซลล์ c-Si

ด้วยข้อดีทั้งหมดเหล่านี้ เซลล์แสงอาทิตย์แบบเฮเทอโรจังก์ชันชนิดใหม่นี้จึงถือเป็นทางเลือกที่มีต้นทุนต่ำและน่าสนใจสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์แบบ c-Si ดั้งเดิม

การผลิตเซลล์ HIT

รายละเอียดของลำดับการผลิตจะแตกต่างกันไปในแต่ละกลุ่ม โดยทั่วไปแล้ว จะใช้เวเฟอร์ c-Si ที่ปลูกด้วยวิธี CZ/FZ คุณภาพดี (มีอายุการใช้งานประมาณ 1 มิลลิวินาที) เป็นชั้นดูดซับของเซลล์ HIT โดยใช้สารกัดกร่อนที่เป็นด่าง เช่น NaOH หรือ (CH ) NOH พื้นผิว (100) ของเวเฟอร์จะถูกทำให้มีพื้นผิวเป็นพีระมิด สูง 5–10 ไมโครเมตร จากนั้นเวเฟอร์จะถูกทำความสะอาดโดยใช้สารละลายเปอร์ออกไซด์และ HF ตามด้วยการเคลือบชั้นพาสซิเวชัน a-Si แบบอินทรินสิก โดยทั่วไปผ่าน PECVD หรือ Hot-wire CVD ^{[ 25 ]}^{[ 26 ]}ก๊าซไซเลน (SiH4) ที่เจือจางด้วย H ถูกใช้เป็นสารตั้งต้น อุณหภูมิและความดันในการเคลือบจะคงไว้ที่ 200 °C และ 0.1−1 Torr การควบคุมขั้นตอนนี้อย่างแม่นยำเป็นสิ่งสำคัญเพื่อหลีกเลี่ยงการก่อตัวของ Si เอพิแทกเซียลที่มีข้อบกพร่อง^{[ 27 ]}

วัฏจักรของการตกตะกอนและการอบอ่อนและการบำบัดด้วยพลาสมา H2 ให้เห็นว่าให้การปกป้องพื้นผิวที่ดีเยี่ยม^{[ 28 ]}^{[ 29 ]}ก๊าซไดโบเรนหรือไตรเมทิลโบรอนผสมกับ SiH4 ในการตกตะกอนชั้น a-Si ชนิด p ในขณะที่ก๊าซฟอสฟีนผสมกับ SiH4 ในการตกตะกอนชั้น a-Si ชนิด n การตกตะกอนโดยตรงของชั้น a-Si ที่เจือปนบนเวเฟอร์ c-Si แสดงให้เห็นว่ามีคุณสมบัติการปกป้องที่ไม่ดีมาก^{[ 30 ]}ซึ่งน่าจะเป็นผลมาจากการสร้างข้อบกพร่องที่เกิดจากสารเจือปนในชั้น a-Si ^{[ 31 ]}อินเดียมทินออกไซด์ (ITO) ที่พ่นด้วยวิธีสปัตเตอร์มักใช้เป็นชั้นออกไซด์นำไฟฟ้าโปร่งใส (TCO) บนชั้น a-Si ด้านหน้าและด้านหลังในการออกแบบแบบสองด้าน เนื่องจาก a-Si มีความต้านทานด้านข้างสูง

โดยทั่วไปแล้วจะมีการฝากไว้ที่ด้านหลังเช่นกัน รวมถึงเซลล์ที่เคลือบโลหะอย่างสมบูรณ์เพื่อหลีกเลี่ยงการแพร่กระจายของโลหะด้านหลัง และเพื่อการจับคู่ความต้านทานสำหรับแสงสะท้อน^{[ 32 ]}ตะแกรงเงิน/อะลูมิเนียมที่มีความหนา 50-100 ไมโครเมตรจะถูกฝากผ่านการพิมพ์สเตนซิลสำหรับหน้าสัมผัสด้านหน้าและหน้าสัมผัสด้านหลังสำหรับการออกแบบแบบสองด้าน คำอธิบายโดยละเอียดของกระบวนการผลิตสามารถพบได้ใน^{[ 33 ]}

การสร้างแบบจำลองทางแสงและไฟฟ้า และการวิเคราะห์คุณลักษณะของเซลล์ HIT

วรรณกรรมกล่าวถึงการศึกษาวิจัยหลายชิ้นเพื่อตีความปัญหาคอขวดในการขนส่งพาหะในเซลล์เหล่านี้ การวัด I–V ในสภาวะแสงและมืดแบบดั้งเดิมได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวาง^{[ 34 ]}^{[ 35 ]}^{[ 36 ]}และพบว่ามีคุณสมบัติที่ไม่ธรรมดาหลายประการ ซึ่งไม่สามารถอธิบายได้โดยใช้ทฤษฎีไดโอดเซลล์แสงอาทิตย์แบบดั้งเดิม [ ^{37 ] ทั้งนี้}เนื่องมาจากการมีอยู่ของเฮเทอโรจังก์ชันระหว่างชั้น a-Si บริสุทธิ์และเวเฟอร์ c-Si ซึ่งทำให้เกิดความซับซ้อนเพิ่มเติมต่อการไหลของกระแส^{[ 34 ]}^{[ 38 ]}นอกจากนี้ ยังมีความพยายามอย่างมากในการกำหนดลักษณะของเซลล์แสงอาทิตย์นี้โดยใช้ CV ^{[ 39 ]}^{[ 40 ]}สเปกโทรสโกปีอิมพีแดนซ์^{[ 39 ]}^{[ 41 ]}^{[ 42 ]}โฟโตโวลเทจพื้นผิว^{[ 43 ]} suns-Voc ^{[ 44 ]}^{[ 45 ]}เพื่อสร้างข้อมูลเสริม

นอกจากนี้ ยัง มีการดำเนินการ ปรับปรุงการออกแบบหลายประการ เช่น การใช้ตัวปล่อยใหม่^{[ 46 ]}การกำหนดค่าแบบสองด้าน การกำหนดค่าหน้าสัมผัสด้านหลังแบบสลับฟันปลา (IBC) ^{[ 47 ]}การกำหนดค่าแบบสองด้านแบบคู่ ขนาน ^{[ 48 ]}

โมโนซิลิคอน

ซิลิคอนผลึกเดี่ยว (mono c-Si) เป็นรูปแบบที่โครงสร้างผลึกมีความสม่ำเสมอทั่วทั้งวัสดุ การวางแนว พารามิเตอร์แลตติส และคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์คงที่ตลอดทั้งวัสดุ^{[ 49 ]}อะตอมของสารเจือปน เช่น ฟอสฟอรัสและโบรอน มักถูกรวมเข้าไปในฟิล์มเพื่อให้ซิลิคอนเป็นชนิด n หรือชนิด p ตามลำดับ ซิลิคอนผลึกเดี่ยวถูกผลิตขึ้นในรูปของแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอน โดยปกติโดยวิธี Czochralski Growthและอาจมีราคาค่อนข้างสูงขึ้นอยู่กับขนาดรัศมีของแผ่นเวเฟอร์ผลึกเดี่ยวที่ต้องการ (ประมาณ 200 ดอลลาร์สหรัฐสำหรับแผ่น เวเฟอร์ Si ขนาด 300 มม.) ^{[ 49 ]}วัสดุผลึกเดี่ยวนี้ แม้จะมีประโยชน์ แต่ก็เป็นหนึ่งในค่าใช้จ่ายหลักที่เกี่ยวข้องกับการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์ โดยประมาณ 40% ของราคาสุดท้ายของผลิตภัณฑ์เกิดจากต้นทุนของแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนเริ่มต้นที่ใช้ในการผลิตเซลล์^{[ 50 ]}

ซิลิคอนผลึกหลายเหลี่ยม

ซิลิคอนผลึกหลายเม็ดประกอบด้วยเม็ดซิลิคอนขนาดเล็กจำนวนมากที่มีทิศทางผลึกที่แตกต่างกัน โดยทั่วไปจะมีขนาด > 1 มม. วัสดุนี้สามารถสังเคราะห์ได้ง่ายโดยการปล่อยให้ซิลิคอนเหลวเย็นตัวลงโดยใช้ผลึกเมล็ดที่มีโครงสร้างผลึกที่ต้องการ นอกจากนี้ยังมีวิธีการอื่น ๆ ในการสร้างซิลิคอนผลึกหลายเม็ด (poly-Si) ที่มีเม็ดเล็กกว่า เช่น การตกตะกอนไอสารเคมีที่อุณหภูมิสูง (CVD) ^{[ 51 ]}

ไม่จัดอยู่ในประเภทซิลิคอนผลึก

ซิลิคอนในรูปแบบต่างๆ เหล่านี้ไม่ได้ถูกจัดประเภทเป็นซิลิคอนผลึก แต่จัดอยู่ในกลุ่มของ เซลล์แสงอาทิตย์ แบบฟิล์มบาง

ซิลิคอนอสัณฐาน

ซิลิคอนอสัณฐาน (a-Si) ไม่มีระเบียบแบบแผนระยะยาว การประยุกต์ใช้ซิลิคอนอสัณฐานในเซลล์แสงอาทิตย์ในฐานะวัสดุเดี่ยวๆ นั้นค่อนข้างจำกัดเนื่องจากคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ที่ด้อยกว่า^{[ 52 ]}อย่างไรก็ตาม เมื่อจับคู่กับซิลิคอนไมโครคริสตัลไลน์ในเซลล์แสงอาทิตย์แบบแทนเดมและแบบสามชั้น จะสามารถบรรลุประสิทธิภาพที่สูงกว่าเซลล์แสงอาทิตย์แบบชั้นเดียวได้^{[ 53 ]}การประกอบเซลล์แสงอาทิตย์แบบแทนเดมนี้ทำให้สามารถได้วัสดุฟิล์มบางที่มีช่องว่างพลังงานประมาณ 1.12 eV (เท่ากับซิลิคอนผลึกเดี่ยว) เมื่อเทียบกับช่องว่างพลังงานของซิลิคอนอสัณฐานช่องว่างพลังงาน 1.7–1.8 eVทำให้เซลล์แสงอาทิตย์แบบแทนเดมมีความน่าสนใจ เนื่องจากสามารถผลิตได้โดยมีช่องว่างพลังงานคล้ายกับซิลิคอนผลึกเดี่ยว แต่ทำได้ง่ายกว่าซิลิคอนอสัณฐาน

ซิลิคอนผลึกนาโน

ซิลิคอนนาโนคริสตัลไลน์ (nc-Si) บางครั้งเรียกว่าซิลิคอนไมโครคริสตัลไลน์ (μc-Si) เป็นรูปแบบหนึ่งของซิลิคอนที่มีรูพรุน^{[ 54 ]}เป็น รูปแบบ อัลโลโทรปิกของซิลิคอนที่มี โครงสร้าง พาราคริสตัลไลน์คล้ายกับซิลิคอนอสัณฐาน (a-Si) ตรงที่มี เฟสอ สัณฐานอย่างไรก็ตาม สิ่งที่แตกต่างกันคือ nc-Si มีเม็ดซิลิคอนคริสตัลไลน์ขนาดเล็กอยู่ภายในเฟสอสัณฐาน ซึ่งแตกต่างจากซิลิคอนโพลีคริสตัลไลน์ (poly-Si) ที่ประกอบด้วยเม็ดซิลิคอนคริสตัลไลน์เท่านั้น โดยมีขอบเขตของเม็ดแยกออกจากกัน ความแตกต่างนี้มาจากขนาดของเม็ดคริสตัลไลน์เท่านั้น วัสดุส่วนใหญ่ที่มีเม็ดอยู่ในช่วงไมโครเมตรนั้นแท้จริงแล้วคือโพลีซิลิคอนที่มีเม็ดละเอียด ดังนั้นคำว่า 'ซิลิคอนนาโนคริสตัลไลน์' จึงเป็นคำที่เหมาะสมกว่า คำว่า 'ซิลิคอนนาโนคริสตัลไลน์' หมายถึงช่วงของวัสดุที่อยู่รอบๆ บริเวณการเปลี่ยนผ่านจากเฟสอสัณฐานไปเป็นเฟสไมโครคริสตัลไลน์ในฟิล์มบางของซิลิคอน

ซิลิคอนโปรโตคริสตัลไลน์

ซิลิคอนโปรโตคริสตัลไลน์มีประสิทธิภาพสูงกว่าซิลิคอนอสัณฐาน (a-Si) และยังแสดงให้เห็นว่าช่วยปรับปรุงเสถียรภาพ แต่ไม่ได้กำจัด^{[ 55 ]}^{[ 56 ]}เฟสโปรโตคริสตัลไลน์เป็นเฟส ที่แตกต่างกัน ซึ่งเกิดขึ้นระหว่างการเติบโตของผลึกซึ่งพัฒนาไปเป็นรูปแบบไมโครคริสตัลไลน์

ซิลิคอนโปรโตคริสตัลไลน์มีการดูดซับค่อนข้างต่ำใกล้กับช่องว่างพลังงานเนื่องจากโครงสร้างผลึกที่เป็นระเบียบมากกว่า ดังนั้น ซิลิคอนโปรโตคริสตัลไลน์และซิลิคอนอสัณฐานจึงสามารถรวมกันได้ในเซลล์แสงอาทิตย์แบบแทนเดม โดยชั้นบนสุดที่เป็นซิลิคอนโปรโตคริสตัลไลน์บางๆ จะดูดซับแสงที่มีความยาวคลื่นสั้น ในขณะที่แสงที่มีความยาวคลื่นยาวกว่าจะถูกดูดซับโดยสารตั้งต้นซิลิคอนอสัณฐานที่อยู่ด้านล่าง

การเปลี่ยนรูปจากซิลิคอนอสัณฐานเป็นซิลิคอนผลึก

ซิลิคอนอสัณฐานสามารถเปลี่ยนเป็นซิลิคอนผลึกได้โดยใช้กระบวนการอบชุบด้วยความร้อนสูงซึ่งเป็นที่เข้าใจและนำไปใช้กันอย่างแพร่หลาย วิธีการทั่วไปที่ใช้ในอุตสาหกรรมนั้นต้องการวัสดุที่ทนต่ออุณหภูมิสูง เช่น กระจกทนความร้อนชนิดพิเศษซึ่งมีราคาแพงในการผลิต อย่างไรก็ตาม มีการใช้งานหลายอย่างที่วิธีการผลิตนี้ไม่น่าสนใจโดยเนื้อแท้

การตกผลึกที่เกิดจากอุณหภูมิต่ำ

เซลล์แสงอาทิตย์แบบยืดหยุ่นเป็นหัวข้อที่น่าสนใจสำหรับการผลิตพลังงานแบบบูรณาการที่ไม่เด่นชัดเท่ากับโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ขนาดใหญ่ โมดูลเหล่านี้สามารถติดตั้งในพื้นที่ที่ไม่สามารถติดตั้งเซลล์แบบดั้งเดิมได้ เช่น พันรอบเสาโทรศัพท์หรือเสาสัญญาณโทรศัพท์มือถือ ในการใช้งานนี้ วัสดุโฟโตโวลตาอิกอาจถูกนำไปใช้กับพื้นผิวที่ยืดหยุ่นได้ ซึ่งมักเป็นพอลิเมอร์ พื้นผิวดังกล่าวไม่สามารถทนต่ออุณหภูมิสูงที่เกิดขึ้นระหว่างการอบอ่อนแบบดั้งเดิมได้ ดังนั้นจึงมีการศึกษาค้นคว้าอย่างกว้างขวางเกี่ยวกับวิธีการใหม่ๆ ในการตกผลึกซิลิคอนโดยไม่รบกวนพื้นผิวรองรับ การตกผลึกด้วยอะลูมิเนียม (AIC) และการตกผลึกด้วยเลเซอร์เฉพาะจุดเป็นวิธีการที่พบได้ทั่วไปในเอกสารทางวิชาการ แต่ยังไม่เป็นที่นิยมใช้ในอุตสาหกรรมมากนัก

ในทั้งสองวิธีนี้ ซิลิคอนอสัณฐานจะถูกสร้างขึ้นโดยใช้เทคนิคแบบดั้งเดิม เช่น การตกตะกอนไอสารเคมีที่เสริมด้วยพลาสมา (PECVD) วิธีการตกผลึกจะแตกต่างกันในระหว่างกระบวนการหลังการตกตะกอน ในการตกผลึกที่เหนี่ยวนำด้วยอะลูมิเนียม ชั้นบางๆ ของอะลูมิเนียม (50 นาโนเมตรหรือน้อยกว่า) จะถูกตกตะกอนโดยการตกตะกอนไอทางกายภาพลงบนพื้นผิวของซิลิคอนอสัณฐาน จากนั้นวัสดุที่ซ้อนกันนี้จะถูกอบที่อุณหภูมิต่ำระหว่าง 140 °C ถึง 200 °C ในสุญญากาศ เชื่อกันว่าอะลูมิเนียมที่แพร่เข้าไปในซิลิคอนอสัณฐานจะทำให้พันธะไฮโดรเจนที่มีอยู่อ่อนลง ทำให้เกิดการก่อตัวและการเติบโตของผลึก^{[ 57 ]}การทดลองแสดงให้เห็นว่าซิลิคอนผลึกหลายเม็ดที่มีขนาดเกรนประมาณ 0.2–0.3 μm สามารถผลิตได้ที่อุณหภูมิต่ำถึง 150 °C สัดส่วนปริมาตรของฟิล์มที่ตกผลึกขึ้นอยู่กับระยะเวลาของกระบวนการอบ^{[ 57 ]}

การตกผลึกที่เกิดจากอะลูมิเนียมทำให้เกิดซิลิคอนผลึกหลายเหลี่ยมที่มีคุณสมบัติทางผลึกศาสตร์และอิเล็กทรอนิกส์ที่เหมาะสม ทำให้เป็นตัวเลือกสำหรับการผลิตฟิล์มบางผลึกหลายเหลี่ยมสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์^{[ 57 ]} AIC สามารถใช้เพื่อสร้างนาโนไวร์ซิลิคอนผลึกและโครงสร้างระดับนาโนอื่นๆ ได้

อีกวิธีหนึ่งในการบรรลุผลลัพธ์เดียวกันคือการใช้เลเซอร์เพื่อให้ความร้อนแก่ซิลิคอนเฉพาะที่โดยไม่ทำให้พื้นผิวรองรับร้อนเกินขีดจำกัดอุณหภูมิสูงสุด เลเซอร์เอ็กไซเมอร์หรือเลเซอร์สีเขียว เช่น เลเซอร์ Nd:YAG ที่มีความถี่คู่ จะถูกใช้เพื่อให้ความร้อนแก่ซิลิคอนอสัณฐาน โดยให้พลังงานที่จำเป็นต่อการสร้างผลึก ความเข้มของเลเซอร์ต้องได้รับการควบคุมอย่างระมัดระวังเพื่อกระตุ้นการตกผลึกโดยไม่ทำให้เกิดการหลอมเหลวเป็นวงกว้าง การตกผลึกของฟิล์มเกิดขึ้นเมื่อส่วนเล็ก ๆ ของฟิล์มซิลิคอนหลอมเหลวและปล่อยให้เย็นตัวลง ในอุดมคติแล้ว เลเซอร์ควรหลอมฟิล์มซิลิคอนตลอดความหนา แต่ไม่ควรทำให้พื้นผิวรองรับเสียหาย เพื่อจุดประสงค์นี้ บางครั้งจึงมีการเพิ่มชั้นของซิลิคอนไดออกไซด์เพื่อทำหน้าที่เป็นฉนวนกันความร้อน^{[ 58 ]}วิธีนี้ช่วยให้สามารถใช้พื้นผิวรองรับที่ไม่สามารถสัมผัสกับอุณหภูมิสูงของการอบอ่อนแบบมาตรฐานได้ เช่น โพลิเมอร์ เซลล์แสงอาทิตย์ที่รองรับด้วยโพลิเมอร์เป็นที่น่าสนใจสำหรับโครงการผลิตพลังงานแบบบูรณาการอย่างราบรื่น ซึ่งเกี่ยวข้องกับการวางเซลล์แสงอาทิตย์บนพื้นผิวทั่วไป

วิธีที่สามในการตกผลึกซิลิคอนอสัณฐานคือการใช้เจ็ทพลาสมาความร้อน กลยุทธ์นี้เป็นความพยายามที่จะบรรเทาปัญหาบางประการที่เกี่ยวข้องกับการประมวลผลด้วยเลเซอร์ กล่าวคือ พื้นที่การตกผลึกมีขนาดเล็กและต้นทุนของกระบวนการสูงในระดับการผลิต หัวเผาพลาสมาเป็นอุปกรณ์ที่เรียบง่ายซึ่งใช้ในการอบซิลิคอนอสัณฐานด้วยความร้อน เมื่อเทียบกับวิธีการใช้เลเซอร์ เทคนิคนี้ง่ายกว่าและคุ้มค่ากว่า^{[ 59 ]} การอบด้วยหัวเผาพลาสมามีความน่าสนใจเนื่องจากพารามิเตอร์ของกระบวนการและขนาดของอุปกรณ์สามารถเปลี่ยนแปลงได้ง่ายเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพในระดับต่างๆ สามารถได้ระดับการตกผลึกสูง (~ 90%) ด้วยวิธีนี้ ข้อเสียคือความยากลำบากในการทำให้การตกผลึกของฟิล์มมีความสม่ำเสมอ แม้ว่าวิธีนี้จะถูกนำไปใช้กับซิลิคอนบนพื้นผิวแก้วบ่อยครั้ง แต่อุณหภูมิในการประมวลผลอาจสูงเกินไปสำหรับพอลิเมอร์

ดูเพิ่มเติม

รายชื่อประเภทของเซลล์แสงอาทิตย์

[

[

[

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

[ 19 ]

[ 20 ]

[ 21 ]

[ 22 ]

[ 23 ]

[ 24 ]

[ 25 ]

[ 26 ]

[ 27 ]

[ 28 ]

[ 29 ]

[ 30 ]

[ 31 ]

[ 32 ]

[ 33 ]

[ 35 ]

[ 36 ]

37 ] ทั้งนี้

[ 38 ]

[ 40 ]

[ 41 ]

[ 42 ]

[ 43 ]

[ 44 ]

[ 46 ]

[ 47 ]

[ 48 ]

[ 49 ]

[ 50 ]

[ 51 ]

[ 52 ]

[ 53 ]

[ 54 ]

[ 55 ]

[ 56 ]

[ 57 ]

[ 58 ]

[ 59 ]