Llwybr Esblygiadol Technoleg Ffotofoltäig: O Al-BSF i Perovskite Tandems

Mae'r diwydiant ffotofoltäig wedi newid yn gyflym iawn oherwydd technoleg dros yr hanner can mlynedd diwethaf. Mae'r ymchwil am fwy o effeithlonrwydd, cost trydan wedi'i lefelu is (neu LCOE), a gwell gweithgynhyrchu wedi arwain at sawl cenhedlaeth o dechnoleg celloedd solar. O ddyluniadau silicon crisialog syml i strwythurau tandem uwch, mae pob cenhedlaeth yn cynrychioli datblygiad gwyddonol a chystadleuaeth ymosodol ymhlith gweithgynhyrchwyr sy'n arwain at weithredu ar raddfa fawr mewn Diwydiant. Yn y traethawd isod byddwn yn archwilio'r cerrig milltir mwyaf arwyddocaol yn natblygiad technoleg ffotofoltäig gan gynnwys technolegau dominyddol, eu harloesedd, a thechnolegau newydd a rhai sy'n datblygu sy'n newid sut rydym yn cynhyrchu ac yn defnyddio ynni'r haul.

Am ddegawdau, safon y diwydiant oedd y gell Maes Arwyneb Cefn Alwminiwm (Al-BSF). Roedd y strwythur syml ond effeithiol hwn, a seiliwyd yn nodweddiadol ar silicon monocrisialog p-math neu amlgrisialog, yn cynnwys -cyswllt cefn alwminiwm arwynebedd llawn. Roedd ei broses weithgynhyrchu yn gymharol aeddfed a chost isel, gan alluogi masnacheiddio ynni solar ar raddfa fawr gyntaf. Fodd bynnag, roedd gan Al-BSF gyfyngiad sylfaenol: ailgyfuno wyneb cefn difrifol. Byddai electronau a gynhyrchir ger yr arwyneb cefn yn ailgyfuno'n rhwydd, gan gyfyngu ar foltedd cylched agored y gell ac, o ganlyniad, ei nenfwd effeithlonrwydd ymarferol i tua 18–19%. Erbyn dechrau'r 2010au, daeth yn amlwg na allai Al-BSF bellach gyrraedd targedau effeithlonrwydd y diwydiant, gan sbarduno chwiliad am strwythur gwell.

Daeth y datblygiad arloesol gyda phensaernïaeth Allyrwyr Goddefol a Chelloedd Cefn (PERC). Wedi'i ddyfeisio i ddechrau yn yr 1980au ond dim ond wedi'i fasnacheiddio ar raddfa enfawr o gwmpas 2015-2018, cyflwynodd PERC arloesedd hanfodol: haen goddefol (alwminiwm ocsid yn nodweddiadol) ar yr wyneb cefn. Roedd yr haen hon yn gwrthyrru cludwyr lleiafrifol ac yn lleihau ailgyfuniad yn ddramatig, gan alluogi foltedd uwch a gwell trapio golau. Cododd celloedd PERC effeithlonrwydd cynhyrchu màs yn gyflym o 19% i dros 23%, a dim ond addasiadau ymylol i linellau BSF Al presennol oedd eu hangen ar eu proses weithgynhyrchu. O ganlyniad, daeth PERC yn dechnoleg brif ffrwd ddiamheuol am bron i ddegawd. Fodd bynnag, erbyn 2022-2023, dechreuodd PERC nesáu at ei derfyn effeithlonrwydd damcaniaethol o tua 24.5%, gan wynebu enillion gostyngol a phroblem diraddio a achosir gan olau (LID), gan baratoi'r ffordd ar gyfer y genhedlaeth nesaf.

Wrth i nenfwd PERC agosáu, symudodd y chwyddwydr i wafferi silicon math n-, sy'n cynnig oes cludwr lleiafrifol uwch a dim LID. Daeth dwy bensaernïaeth i'r amlwg fel rhedwyr blaen-.

Dechreuwyd creu TOPCon gyda datblygiad strwythurau tebyg i PERC. Roedd y gwelliant yn cynnwys defnyddio haen ocsid twnnel dielectrig denau iawn wedi'i chyfuno â haen polysilicon arwyneb wedi'i dopio'n fawr. Mae hyn yn arwain at ansawdd rhagorol mewn cyswllt a goddefgarwch. Llwyddodd TOPon i ragori ar effeithlonrwydd o 25% yn gyflym mewn masgynhyrchu celloedd, gyda rhai o'r gwneuthurwyr celloedd mwyaf yn adrodd am arbedion effeithlonrwydd o dros 26% ar adegau. Mantais sylweddol arall i TOPCon oedd ei allu i weithio ar linellau cynhyrchu PERC presennol, a oedd yn gofyn am ychydig iawn o ychwanegiadau offer, gan roi mantais economaidd glir iddo a sefydlu ei hun fel y dechnoleg brif ffrwd ddiwedd 2025.

Mae HJT yn goddef arwyneb wafer grisialaidd n-math gan ddefnyddio haenau silicon amorffaidd. Mae HJT yn darparu folteddau cylched agored hynod uchel (mwy na 750mV), llai o gamau proses, cyfernod tymheredd is, ac mae'n naturiol ddeuwynebol. Er bod effeithlonrwydd HJT ychydig yn llai na rhai TOPCon, mae ei fuddsoddiad sylweddol uwch sydd ei angen a'i ddefnydd indiwm mawr wedi rhwystro'r cyflymder y gall y dechnoleg dreiddio i'r farchnad. Fodd bynnag, mae HJT yn dal i fod yn gystadleuydd cryf yn y farchnad, yn enwedig wrth ddefnyddio technolegau platio copr neu arian.

Wrth edrych ymlaen, mae dwy dechnoleg yn addo ailddiffinio'r nenfwd effeithlonrwydd. Mae celloedd Cyswllt Cefn Rhyngddigidol (BC) yn symud pob cyswllt trydanol i'r ochr gefn, gan ddileu -lliwio grid blaen yn gyfan gwbl. Mae hyn yn cynhyrchu ymddangosiad du lluniaidd ac enillion effeithlonrwydd o 0.5–1% absoliwt dros TOPCon safonol. Mae arweinwyr diwydiant wedi bod yn gwthio BC i gynhyrchu màs, gan ei osod fel yr iteriad mawr nesaf.

Ffurf hyd yn oed mwy aflonyddgar o dechnoleg celloedd solar yw'r gell solar tandem, sy'n cynnwys cell uchaf perovskite (i ddal ffotonau ynni uwch) a cell waelod silicon (i ddal ffotonau ynni is) wedi'u pentyrru gyda'i gilydd mewn un uned, wedi gwthio effeithlonrwydd celloedd solar heibio'r trothwy 30% ac ar hyn o bryd mae ganddo effeithlonrwydd labordy uwchlaw 33%. Mae'r rhwystrau sy'n weddill gyda'r dechnoleg hon yn cynnwys: sefydlogrwydd, gweithgynhyrchu ardal fawr, a gwenwyndra plwm. Mae gweithgynhyrchwyr mawr eisoes wedi sefydlu llinellau peilot ar gyfer cynhyrchu gan ragweld datrys y materion hyn, ac os gellir mynd i'r afael â'r rhwystrau hyn, yna bydd tandemau perovskite yn cael effaith sylweddol ar y defnydd o ynni solar, yn debygol iawn o wthio effeithlonrwydd màs cynhyrchion a gynhyrchir yn uwch na 35%.

Mae iteriad technoleg y diwydiant PV yn naratif hynod ddiddorol o welliant parhaus ac amnewid strategol. O symlrwydd Al-BSF i dra-arglwyddiaeth PERC, ac o ras effeithlonrwydd TOPCon a HJT i'r addewid radical o dandemau BC a perovskite, mae pob cam wedi datgloi lefelau newydd o berfformiad a chost-. Heddiw, mae'r diwydiant ar groesffordd gyffrous: tra bod TOPCon yn gyrru cyfaint presennol, mae technolegau BC a thandem ar fin diffinio'r degawd nesaf. Mae’r esblygiad di-baid hwn yn tanlinellu gwirionedd syml – ym maes solar, yr unig beth cyson yw mynd ar drywydd ffyrdd mwy effeithlon o gynaeafu egni diderfyn yr haul.