तीन प्रमुख पीवी कोशिका प्रौद्योगिकियों को समझना: TOPCon, HJT और पेरोव्स्काइट

परिचय

सौर फोटोवोल्टिक प्रौद्योगिकी पिछले दशक में तेजी से विकसित हुई है, जिसमें कई प्रतिस्पर्धी सेल आर्किटेक्चर दक्षता को नई ऊंचाइयों पर ले जा रहे हैं। यह लेख सौर सेलों के मूलभूत कार्य सिद्धांतों पर चर्चा करता है, फिर आज उद्योग को आकार देने वाली तीन प्रमुख अगली पीढ़ी की प्रौद्योगिकियों का विश्लेषण करता है, और सेल उत्पादन में गुणवत्ता नियंत्रण पर एक नज़र के साथ समाप्त होता है।

सौर PV सेल कैसे काम करते हैं

एक सौर सेल प्रकाश को बिजली में परिवर्तित करता है, लेकिन सभी आने वाले फोटॉन समान रूप से योगदान नहीं करते हैं। यह समझना कि ऊर्जा कहाँ खो जाती है, बेहतर सेल बनाने की दिशा में पहला कदम है।

• बैंडगैप से कम ऊर्जा वाले फोटॉन अवशोषित नहीं होते हैं और बस सेल से गुज़र जाते हैं।

• बैंडगैप से अधिक ऊर्जा वाले फोटॉन अवशोषित होते हैं और इलेक्ट्रॉन-होल जोड़े उत्पन्न करते हैं, लेकिन उच्च-ऊर्जा फोटॉनों की अतिरिक्त ऊर्जा आंशिक रूप से गर्मी के रूप में खो जाती है।

• उत्पन्न वाहकों का आवेश पृथक्करण और परिवहन pn जंक्शन पर हानि उत्पन्न करता है।

• वाहक परिवहन के दौरान पुनर्संयोजन हानि होती है।

• संपर्क प्रतिरोध वोल्टेज ड्रॉप का परिचय देता है, जिससे संपर्क वोल्टेज हानि होती है।

विद्युत हानि को कम करना

• अच्छी क्रिस्टल संरचना और सही प्रकार वाले वेफर्स चुनें।

• आदर्श pn जंक्शन निर्माण तकनीक विकसित करें।

• आदर्श पैसिवेशन तकनीक विकसित करें।

• उचित धातु संपर्क तकनीक अपनाएं।

• उत्कृष्ट फ्रंट-सरफेस और बैक-सरफेस फील्ड प्रौद्योगिकियां लागू करें।

ऑप्टिकल हानि को कम करना

ऑप्टिकल नुकसान को कम करने और सेल दक्षता बढ़ाने के लिए, उद्योग ने प्रकाश-फँसाने के कई दृष्टिकोण और प्रौद्योगिकियाँ विकसित की हैं। इनमें वेफर की सतह को बनावट देना (रिफ्लेक्शन कम करने के लिए), सामने की सतह पर एंटी-रिफ्लेक्शन कोटिंग, पीछे की सतह पर रिफ्लेक्टिव कोटिंग, और ग्रिड-लाइन शेडिंग क्षेत्र को कम करना शामिल है।

TOPCon

TOPCon, जिसे पैसिवेटेड कॉन्टैक्ट तकनीक के रूप में भी जाना जाता है, को व्यापक रूप से PERC के बाद अगली पीढ़ी की सौर सेल तकनीक माना जाता है। HJT और IBC जैसी अन्य संभावित नई तकनीकों की तुलना में, TOPCon को मौजूदा PERC या PERT लाइनों से सीधे अपग्रेड किया जा सकता है। परिणामस्वरूप, अपनी मौजूदा उत्पादन लाइनों को अपग्रेड करने वाले निर्माताओं को अपेक्षाकृत कम पूंजी निवेश की आवश्यकता होती है, जबकि लगभग 1% की ठोस दक्षता लाभ प्राप्त होता है।

TOPCon सेल का अगला भाग मूलतः पारंपरिक N-टाइप या N-PERT सेल के समान होता है, जिसमें बोरॉन (p+) एमिटर, एक पैसिवेशन लेयर और एक एंटी-रिफ्लेक्शन लेयर होती है। मुख्य तकनीक पीछे के पैसिवेटेड कॉन्टैक्ट में निहित है: वेफर के पीछे एक अति-पतली ऑक्साइड लेयर (1–2 nm) और फॉस्फोरस-डोप्ड माइक्रो/अमॉर्फस मिश्रित सिलिकॉन पतली फिल्म होती है। द्विफलकीय अनुप्रयोगों के लिए, धातुकरण स्क्रीन-प्रिंटिंग द्वारा सामने Ag या Ag-Al ग्रिड और पीछे Ag ग्रिड के साथ किया जाता है।

Tunnel Oxide Passivated Contact

टनल ऑक्साइड पैसिवेटेड कॉन्टैक्ट (TOPCon) ने हाल ही में महत्वपूर्ण ध्यान आकर्षित किया है क्योंकि यह 25.7% की उच्च रूपांतरण दक्षता प्राप्त करता है। TOPCon संरचना एक पतली टनल ऑक्साइड और फॉस्फोरस (P) डोप्ड पॉलीसिलिकॉन कॉन्टैक्ट लेयर से बनी होती है। P-डोप्ड पॉलीसिलिकॉन लेयर को a-Si:H को क्रिस्टलीकृत करके या LPCVD का उपयोग करके सीधे पॉलीसिलिकॉन जमा करके बनाया जा सकता है। TOPCon उच्च दक्षता वाली सौर सेल प्रौद्योगिकियों में एक आशाजनक उम्मीदवार के रूप में उभरता है।

HJT हेटरोजंक्शन

हेटरोजंक्शन तकनीक (HJT) एक सौर पैनल निर्माण विधि है जो पिछले दशक में बढ़ी है। यह वर्तमान में दक्षता और बिजली उत्पादन को उच्च स्तर तक बढ़ाने के लिए सबसे प्रभावी प्रक्रियाओं में से एक है, यहां तक कि उद्योग की मुख्यधारा PERC तकनीक के प्रदर्शन को भी पार कर जाती है। HJT सेल दो अलग-अलग तकनीकों को एक में जोड़ते हैं: क्रिस्टलीय सिलिकॉन और अमॉर्फस पतली फिल्म। इन तकनीकों का एक साथ उपयोग करने से अकेले उपयोग करने की तुलना में अधिक ऊर्जा प्राप्त होती है, जो 25% या उससे अधिक की दक्षता तक पहुँचती है।

HJT सेल संरचना

एक मोनोक्रिस्टलाइन वेफर को सब्सट्रेट के रूप में उपयोग करते हुए, वेफर के साफ और टेक्सचर्ड सामने की ओर क्रमशः 5–10 nm की एक आंतरिक a-Si:H फिल्म और फिर एक p-प्रकार a-Si:H फिल्म जमा की जाती है, जिससे p-n हेटरोजंक्शन बनता है। वेफर के पीछे की ओर, 5–10 nm की एक आंतरिक फिल्म और एक n-प्रकार a-Si:H फिल्म जमा की जाती है जो बैक सरफेस फील्ड बनाती है। फिर एक पारदर्शी प्रवाहकीय ऑक्साइड फिल्म जमा की जाती है, और अंत में स्क्रीन प्रिंटिंग दोनों तरफ के शीर्ष पर धातु संग्राहक इलेक्ट्रोड बनाती है, जो एक सममित HJT सौर सेल का निर्माण करती है।

HJT सेल के लाभ

• लचीलापन और अनुकूलनशीलता — यह तकनीक चरम मौसम स्थितियों में भी उत्कृष्ट उत्पादन क्षमता के लिए विकसित की गई थी। HJT पैनलों में पारंपरिक पैनलों की तुलना में कम तापमान गुणांक होता है, जो उच्च बाहरी तापमान पर उच्च प्रदर्शन सुनिश्चित करता है।

• अपेक्षित जीवनकाल — औसतन, पतली-फिल्म PV मॉड्यूल 25 साल तक चल सकते हैं, जबकि HJT सेल 30 साल से अधिक समय तक सामान्य रूप से काम कर सकते हैं।

• उच्च दक्षता — आज बाजार में अधिकांश हेटरोजंक्शन पैनलों की दक्षता 19.9% और 21.7% के बीच है, जो अन्य पारंपरिक मोनोक्रिस्टलाइन कोशिकाओं की तुलना में एक बड़ा सुधार है।

• लागत बचत — HJT पैनलों में उपयोग किया जाने वाला अनाकार सिलिकॉन एक लागत प्रभावी PV तकनीक है। अन्य तकनीकों की तुलना में, इस पतली-फिल्म सौर दृष्टिकोण में कम निर्माण समय लगता है। इसकी सरलीकृत प्रक्रिया के कारण, HJT वैकल्पिक समाधानों की तुलना में अधिक किफायती है।

पेरोव्स्काइट

2009 में, पेरोव्स्काइट सामग्री का उपयोग पहली बार 4% की फोटोवोल्टिक दक्षता प्राप्त करने के लिए किया गया था। 2021 तक, एकल-जंक्शन पेरोव्स्काइट सौर सेल (PSC) ने 25.5% की दक्षता हासिल की। पेरोव्स्काइट कोशिकाओं के तेजी से सुधार ने उन्हें PV क्षेत्र में एक उभरता सितारा बना दिया है और शिक्षा जगत में बहुत रुचि पैदा की है। चूंकि उनके संचालन के तरीके अभी भी अपेक्षाकृत नए हैं, इसलिए पेरोव्स्काइट के अंतर्निहित भौतिकी और रसायन विज्ञान का और अध्ययन करने के पर्याप्त अवसर हैं।

पेरोव्स्काइट सेल संरचना

अधिकांश उन्नत पेरोव्स्काइट सौर सेल संरचनाएं पांच घटकों पर आधारित हैं: एक पारदर्शी प्रवाहकीय ऑक्साइड, एक इलेक्ट्रॉन परिवहन परत (ETL), पेरोव्स्काइट, एक छिद्र परिवहन परत (HTL), और एक धातु इलेक्ट्रोड। इन इंटरफेस पर विभिन्न सामग्रियों के ऊर्जा स्तरों और अंतःक्रियाओं को समझना और अनुकूलित करना एक बहुत ही रोमांचक शोध क्षेत्र है जो अभी भी सक्रिय चर्चा के अधीन है।

CaTiO3

पेरोव्स्काइट एक खनिज का नाम है, जिसे 1839 में रोज़ ने यूराल पर्वत की चट्टानों में खोजा और रूसी भूविज्ञानी पेरोव्स्की के नाम पर रखा। पेरोव्स्काइट सामग्रियों में वाहक पुनर्संयोजन की संभावना कम और वाहक गतिशीलता अधिक होती है, जो उन्हें सौर कोशिकाओं के लिए आदर्श सामग्री बनाती है।

पेरोव्स्काइट फिल्म निर्माण विधियाँ

पेरोव्स्काइट सौर कोशिकाओं की शक्ति रूपांतरण दक्षता में सुधार की कुंजी फिल्म आकृति विज्ञान को अनुकूलित करने में निहित है। प्रयोगशाला में आमतौर पर उपयोग की जाने वाली फिल्म निर्माण विधियाँ एक-चरण या दो-चरण प्रक्रिया जमाव हैं। बड़े क्षेत्र, कम लागत वाली पेरोव्स्काइट फिल्मों की मांग को पूरा करने के लिए, स्लॉट-डाई कोटिंग, प्रिंटिंग और स्प्रेइंग जैसे प्रसंस्करण उपकरणों का भी उपयोग पेरोव्स्काइट सौर कोशिकाओं के निर्माण के लिए किया जाता है।

पेरोव्स्काइट का भविष्य

पेरोव्स्काइट पर भविष्य का शोध संभवतः पैसिवेशन और दोष कमी जैसी रणनीतियों के माध्यम से पुनर्संयोजन को कम करने के साथ-साथ द्वि-आयामी पेरोव्स्काइट और अधिक अनुकूलित इंटरफ़ेस सामग्रियों को शामिल करके दक्षता में सुधार पर केंद्रित होगा। चार्ज निष्कर्षण परतें दक्षता और स्थिरता में सुधार के लिए कार्बनिक से अकार्बनिक सामग्रियों में स्थानांतरित हो सकती हैं। स्थिरता बढ़ाना और पर्यावरणीय प्रभाव को कम करना महत्वपूर्ण क्षेत्र बने हुए हैं।

सौर PV कोशिका उत्पादन में गुणवत्ता नियंत्रण

क्रिस्टलीय सिलिकॉन PV कोशिकाएँ वाणिज्यिक सौर पैनलों में सबसे आम कोशिकाएँ हैं, जो वैश्विक PV कोशिका बाजार की बिक्री का 90% से अधिक हिस्सा हैं।

प्रयोगशाला में, क्रिस्टलीय सिलिकॉन कोशिकाओं की ऊर्जा रूपांतरण दक्षता एकल-क्रिस्टल कोशिकाओं के लिए 25% से अधिक और बहु-क्रिस्टल कोशिकाओं के लिए 20% या उससे अधिक तक पहुँचती है। हालांकि, औद्योगिक रूप से उत्पादित सौर मॉड्यूल वर्तमान में मानक परीक्षण स्थितियों के तहत केवल 18%–22% दक्षता प्राप्त करते हैं।

सफाई और टेक्सचरिंग

एचिंग सतह की क्षति परत को हटाती है और सतह को टेक्सचर करके एक संरचित संरचना बनाती है जो प्रकाश को फँसाती है और परावर्तन हानि को कम करती है। टेक्सचर्ड सतह की परावर्तनशीलता को मापना टेक्सचरिंग प्रक्रिया की निगरानी का एक महत्वपूर्ण साधन है।

डिफ्यूजन जंक्शन निर्माण और एज आइसोलेशन

थर्मल डिफ्यूजन और समान विधियां वेफर पर एक अलग चालकता प्रकार की डिफ्यूजन परत बनाती हैं, जो pn जंक्शन बनाती है। विभिन्न सेल प्रकार pn जंक्शन और वेफर के बीच एक निश्चित मोटाई की पैसिवेशन परत जमा करते हैं ताकि अधिक कुशल पतली-फिल्म सौर सेल प्राप्त हो सके। यह प्रक्रिया मुख्य रूप से अल्पसंख्यक वाहक जीवनकाल, वेफर मोटाई और अपवर्तनांक की निगरानी करती है।

एंटी-रिफ्लेक्शन कोटिंग डिपॉजिशन

प्रकाश अवशोषण को और बेहतर बनाने के लिए, वेफर सतह पर एक एंटी-रिफ्लेक्शन फिल्म लगाई जाती है। वर्तमान में, उद्योग वेफर पर एक पतली फिल्म जमा करने के लिए प्लाज्मा-एन्हांस्ड केमिकल वेपर डिपॉजिशन (PECVD) का उपयोग करता है, जो एक साथ पैसिवेशन परत के रूप में कार्य करती है। इस चरण में, मुख्य माप एंटी-रिफ्लेक्शन फिल्म की संप्रेषणीयता और शीट प्रतिरोध की एकरूपता हैं।

इलेक्ट्रोड निर्माण

ग्रिड-लाइन इलेक्ट्रोड सेल के सामने स्क्रीन-प्रिंट किए जाते हैं, जबकि पीछे की सतह क्षेत्र और पिछला इलेक्ट्रोड पीछे मुद्रित किए जाते हैं, इसके बाद सुखाने और सिंटरिंग की जाती है। इस प्रक्रिया के दौरान, तापमान नियंत्रण, संरेखण सटीकता और ग्रिड लाइनों की ऊंचाई-से-चौड़ाई अनुपात अपरिहार्य निगरानी संकेतक हैं।

Ooitech का दृष्टिकोण

ooitech का मानना है: TOPCon, HJT और पेरोव्स्काइट प्रत्येक अपने तरीके से सौर सेल दक्षता को आगे बढ़ाते हैं, और कठोर उत्पादन गुणवत्ता नियंत्रण ही अंततः इन प्रौद्योगिकियों को विश्वसनीय, उच्च-प्रदर्शन मॉड्यूल में बदलता है।