Evolučná cesta fotovoltaickej technológie: Od Al-BSF k perovskitovým tandemom

Fotovoltický priemysel sa za posledných päťdesiat rokov vďaka technológiám extrémne rýchlo zmenil. Snaha o vyššiu efektivitu, nižšie vyrovnané náklady na elektrickú energiu (alebo LCOE) a lepšiu vyrobiteľnosť viedla k mnohým generáciám technológie solárnych článkov. Od jednoduchých návrhov kryštalického kremíka až po pokročilé tandemové štruktúry, každá generácia predstavuje vedecký vývoj aj agresívnu konkurenciu medzi výrobcami, čo vedie k rozsiahlej-implementácii v priemysle. V eseji nižšie preskúmame najvýznamnejšie míľniky v napredovaní fotovoltických technológií vrátane dominantných technológií, ich inovácií a nových aj rozvíjajúcich sa technológií, ktoré menia spôsob, akým vyrábame a spotrebúvame solárnu energiu.

Po celé desaťročia bol priemyselným štandardom článok Al-BSF (Aluminium Back Surface Field). Táto jednoduchá, ale účinná štruktúra, zvyčajne založená na monokryštalickom alebo multikryštalickom kremíku p-typu, mala celoplošný{3}}hliníkový zadný kontakt. Jeho výrobný proces bol relatívne vyspelý a mal nízke{5}}náklady, čo umožnilo prvé veľké-komercializáciu solárnej energie. Al-BSF však mala zásadné obmedzenie: závažnú rekombináciu-zadného povrchu. Elektróny generované v blízkosti zadného povrchu by sa ľahko rekombinovali, čím by sa obmedzilo napätie v otvorenom obvode článku a následne aj strop jeho praktickej účinnosti na približne 18 – 19 %. Začiatkom roku 2010 sa ukázalo, že Al-BSF už nedokáže splniť ciele v oblasti efektívnosti v odvetví, čo vyvolalo hľadanie lepšej štruktúry.

Prelom nastal s architektúrou Passivated Emitter and Rear Cell (PERC). PERC, ktorý bol pôvodne vynájdený v 80-tych rokoch minulého storočia, ale vo veľkom meradle sa začal komercializovať okolo rokov 2015–2018, predstavil zásadnú inováciu: pasivačnú vrstvu (zvyčajne oxid hlinitý) na zadnom povrchu. Táto vrstva odpudzuje menšinové nosiče a dramaticky znižuje rekombináciu, čo umožňuje vyššie napätie a lepšie zachytávanie svetla. Články PERC rýchlo zvýšili masovú-výrobnú efektivitu z 19 % na viac ako 23 % a ich výrobný proces si vyžadoval len okrajové úpravy existujúcich Al-BSF liniek. V dôsledku toho sa PERC na takmer desaťročie stala nespornou mainstreamovou technológiou. V rokoch 2022 – 2023 sa však PERC začal približovať k teoretickej hranici účinnosti približne 24,5 %, pričom čelil klesajúcej návratnosti a problému degradácie vyvolanej svetlom (LID), čím sa pripravila pôda pre ďalšiu generáciu.

Keď sa blížil strop PERC, pozornosť sa presunula na kremíkové doštičky typu n{0}}, ktoré ponúkajú vynikajúcu životnosť menšinových nosičov a nulový LID. Vpredu sa ukázali- dve architektúry.

Vytvorenie TOPCon (Tunnel Oxide Passivated Contact) začalo vývojom štruktúr podobných PERC-. Zlepšenie zahŕňalo použitie veľmi tenkej dielektrickej tunelovej oxidovej vrstvy kombinovanej s vysoko-dotovanou zadnou-povrchovou vrstvou polysilikónu. To vedie k vynikajúcej kvalite v kontakte aj pasivácii. TOPCon rýchlo prekonal 25% účinnosť v hromadnej výrobe článkov, pričom niektorí z najväčších výrobcov článkov uvádzali účinnosť niekedy až nad 26%. Ďalšou významnou výhodou pre TOPCon bola jeho schopnosť pracovať na existujúcich výrobných linkách PERC, ktoré si vyžadujú minimálne doplnenie nástrojov, čo mu dáva jasnú ekonomickú výhodu a koncom roka 2025 sa etablovalo ako hlavná technológia.

HJT (Heterojunction Technology) pasivuje povrch kryštalického plátku n-typu pomocou vrstiev amorfného kremíka. HJT poskytuje extrémne vysoké napätie v otvorenom obvode (viac ako 750 mV), menej procesných krokov (menej komplikované spracovanie), nižší teplotný koeficient a je prirodzene bifaciálne. Aj keď je účinnosť HJT o niečo nižšia ako účinnosť TOPConu (okolo 25,5 % v sériovej výrobe/záznamy o účinnosti v laboratórnych podmienkach boli nad 26,8 %), jej podstatne vyššie potrebné investície (v dôsledku nákladov na zariadenia PECVD a PVD) a veľké využitie india brzdili rýchlosť, ktorou môže technológia preniknúť na trh. Spoločnosť HJT je však na trhu stále silným konkurentom, najmä pri využívaní technológií pomedenia-pokovovania alebo striebra-.

Pri pohľade do budúcnosti sľubujú dve technológie, že nanovo definujú strop účinnosti. Bunky interdigitated Back Contact (BC) presúvajú všetky elektrické kontakty na zadnú stranu, čím úplne eliminujú zatienenie prednej-mriežky. Výsledkom je elegantný-čierny vzhľad a zvýšenie efektivity o 0,5 – 1 % absolútne v porovnaní so štandardným TOPConom. Lídri v tomto odvetví tlačia BC do masovej výroby a umiestňujú ju ako ďalšiu veľkú iteráciu.

Ešte rušivejšou formou technológie solárnych článkov je tandemový solárny článok, ktorý pozostáva z perovskitového horného článku (na zachytávanie fotónov s vyššou{0}}energiou) a kremíkového spodného článku (na zachytávanie fotónov s nižšou{1}}energiou) naskladaných do jednej jednotky, čím sa účinnosť solárnych článkov posunula nad hranicu 30 % a v súčasnosti má laboratórnu účinnosť nad 33 %. Medzi zostávajúce prekážky tejto technológie patria: stabilita, veľkoplošná výroba a toxicita olova. Veľkí výrobcovia už zaviedli pilotné linky na výrobu v očakávaní vyriešenia týchto problémov, a ak sa tieto prekážky podarí vyriešiť, potom budú mať perovskitové tandemy významný vplyv na využitie slnečnej energie, čo veľmi pravdepodobne posunie účinnosť sériovo-produkovaných produktov na viac ako 35 %.

Iterácia technológie vo fotovoltaickom priemysle je fascinujúcim príbehom neustáleho zlepšovania a strategickej substitúcie. Od jednoduchosti Al-BSF po dominanciu PERC a od pretekov v účinnosti TOPCon a HJT po radikálny prísľub BC a perovskitových tandemov, každá fáza odomkla nové úrovne výkonu a nákladovej-efektívnosti. Dnes stojí priemysel na vzrušujúcej križovatke: zatiaľ čo TOPCon poháňa súčasný objem, BC a tandemové technológie sú pripravené definovať nasledujúce desaťročie. Tento neúprosný vývoj podčiarkuje jednoduchú pravdu – v slnečnej energii je jedinou konštantou hľadanie efektívnejších spôsobov získavania nekonečnej slnečnej energie.