Stille Innovaties Houden Gezeefdrukte Zonnecellen Op De Voorgrond

Ondanks alle welverdiende hype rond geavanceerde zonnecelontwerpen blijft de gezeefdrukte zonnecel (SP) de industriestandaard. Het robuuste ontwerp, dat in 2014 ongeveer 90% van de mondiale productie voor zijn rekening nam, heeft de tand des tijds doorstaan en heeft sinds de introductie in de jaren zeventig een snelle groei doorgemaakt tot een huidige module-efficiëntie van bijna 18%. Het heeft pas onlangs te maken gehad met serieuze concurrentie. Waarom was dit ontwerp zo succesvol in het afweren van de concurrentie?

Kortom, geld doet er toe en dat komt door het vermogen van SP-zonnecellen om zoveel mogelijk energie uit relatief goedkope materialen en processen te halen. In de volgende paragrafen worden twee recente innovaties besproken die deze trend hebben voortgezet: geavanceerde zeefdrukpasta’s en verbeterde diodetechnologie.

Het klassieke zeefdrukzonnecelontwerp

De voorste, lichtontvangende zijde van een SP-zonnecel heeft doorgaans de vorm van de drie hieronder genoemde kenmerken.

Negatief geladen “n+ emitter”: De voorkant van een typische SP-zonnecel is “gedoteerd” met fosfor om het siliciummateriaal een algehele negatieve lading te geven. Deze negatief geladen laag vormt de ene kant van de diode die nodig is om een zonnecel te maken; het andere positief geladen gedeelte van de zonnecel is in het onderstaande diagram grijs weergegeven. De n+ emitter is ongelooflijk dun. Met een formaat van minder dan een halve micrometer (μm) is het ongeveer 100 keer dunner dan mensenhaar.
Antireflecterende coating (ARC): De ARC is verantwoordelijk voor het verminderen van de hoeveelheid licht die vanaf de voorkant wordt gereflecteerd en het verbeteren van de elektrische eigenschappen van het siliciumoppervlak. Het is een isolatiemateriaal dat de geleiding van elektriciteit door het materiaal beperkt.
Gezeefdrukte zilveren (Ag) “vinger”-contacten: De zilveren SP-vingers aan de voorkant verzamelen de stroom die in het silicium wordt gegenereerd voor transport buiten het apparaat, vergelijkbaar met hoe batterijen aan beide uiteinden metalen connectoren hebben. Als pasta op de ARC aangebracht, moet het bij temperaturen tot 800°C worden gebakken om de metaaldeeltjes te binden en, net zo belangrijk, door de ARC heen te etsen om elektrisch contact met het onderliggende silicium mogelijk te maken.

Het gezeefdrukte zilver (Ag) aan de voorkant moet door de isolerende anti-reflecterende coating (ARC) heen worden geëtst om elektrisch contact te maken met de onderliggende siliciumzonnecel. (Afbeeldingsbron: ISFH)

Hoewel dit vrij eenvoudig lijkt, kan het in de praktijk lastig zijn om dit goed te doen. Als de SP-pasta te ver door de ARC etst en te ver in de n+ emitter “vreet”, kan de cel een aanzienlijke prestatievermindering ervaren. De truc is om het metaal volledig door de ARC te transporteren zonder iets anders aan te raken dan de bovenste laag van de n+ emitter, die doorgaans de hoogste concentratie fosfor bevat, waardoor goed elektrisch contact mogelijk is. Over het algemeen konden oudere SP-pasta’s niet in contact komen met lichter gedoteerd silicium zonder een daaropvolgende afname van de celprestaties.

Om het nog erger te maken, is er ook een limiet aan de hoeveelheid fosfor die je in de voorkant van het silicium kunt stoppen voordat de celprestaties verslechteren. In het verleden hadden de meeste SP-zonnecellen last van een ‘dode laag’ aan de voorkant van het toestel, veroorzaakt door een te hoge concentratie fosfor in dat gebied. Helaas was een dergelijke dotering met een hoge emitter nodig om goed elektrisch contact mogelijk te maken met de oudere SP-pasta’s die destijds beschikbaar waren. Jarenlang hadden fabrikanten van zonnecellen suboptimale SP-cellen geproduceerd met een dode laag aan de voorkant, grotendeels als gevolg van de beperkingen van het SP-pasta- en emittervormingsproces.

Verbeteringen aan zeefdrukpasta en emitter

Dat is veranderd met twee belangrijke doorbraken: (i) SP-pasta’s, die goed elektrisch contact kunnen maken met licht gedoteerd silicium; en (ii) emittervormingsschema’s die de effecten van de dode laag verminderen. Gecombineerd hebben deze twee innovaties ertoe bijgedragen dat de efficiëntie van SP-celmodules op het huidige niveau is gebracht.

Fabrikanten van zeefdrukpasta’s zoals DuPont en Heraeus spelen een grote rol in deze ontwikkelingen. Ze hebben speciale PV-pasta’s gemaakt die een goed elektrisch contact met licht gedoteerd silicium mogelijk maken en veel minder etsen door de emitter tijdens het SP-pasta-bakproces. Dit maakt het frontmetallisatieproces veel compatibeler voor fabrikanten van zonnecellen.

Bovendien is het werk van onderzoekers ook gevorderd om te begrijpen hoe de hoeveelheid fosfordoping in de cel kan worden verminderd, waardoor de dode laag effectief wordt geëlimineerd en de prestaties behouden blijven. Deze ontwerpverbetering heeft geresulteerd in efficiëntiewinsten van meer dan 1% (absoluut) voor SP-cellen.

Als je bedenkt hoeveel gigawatt aan zonne-energie er jaarlijks wordt geproduceerd, vertegenwoordigt een verbetering van 1% tientallen miljoenen dollars aan extra elektriciteitsopwekking wereldwijd. Deze verhoging van de efficiëntie zonder dat de productiekosten stijgen, betekent dat we minder per watt voor onze modules blijven betalen.

De bescheiden SP-zonnecel heeft, ondanks zijn bescheiden profiel, de PV-industrie gedomineerd en zal dat de komende tien jaar blijven doen. Maar er staan uitdagers in de rij. In het tweede deel van deze serie kijken we naar een van de grootste concurrenten van zeefdruk: metaalcoating. Als bekend productieproces is het de afgelopen tien jaar een onderwerp van groot belang geweest en biedt het de mogelijkheid om de kosten van cellulair metaal te verlagen en tegelijkertijd de efficiëntie te verhogen.