धातुकरण उच्च दक्षता वाले सौर सेलों के लिए दक्षता की सीमा क्यों निर्धारित करता है

धातुकरण उच्च दक्षता वाले सौर सेलों के लिए दक्षता की सीमा क्यों निर्धारित करता है

फोटोवोल्टिक प्रौद्योगिकी की व्यापक कहानी में, रूपांतरण दक्षता में हर छोटा लाभ आमतौर पर सूक्ष्म भौतिक सीमाओं को थोड़ा और धकेलने से आता है। जब से उद्योग मोनोक्रिस्टलाइन PERC युग से आगे बढ़कर TOPCon, HJT, और BC जैसी N-प्रकार प्रौद्योगिकियों की ओर स्थानांतरित हुआ है, दक्षता सीमा लगातार बढ़ती रही है।

जैसे-जैसे सौर सेल शॉक्ले-क्वाइसर सीमा के करीब पहुंचते हैं, अर्धचालक भौतिकी में सबसे बुनियादी लेकिन कठिन समस्याओं में से एक तेजी से महत्वपूर्ण हो जाती है: धातु और अर्धचालक के बीच विद्युत संपर्क। यह इंटरफेस बड़े पैमाने पर उत्पादन उपज और अंतिम सेल दक्षता को प्रभावित करने वाला एक मुख्य तकनीकी अवरोध बन गया है।

एक गैर-विशेषज्ञ के लिए, सौर सेल एक पतली अर्धचालक वेफर की तरह दिख सकता है जो सूर्य के प्रकाश के तहत बिजली उत्पन्न करता है। हालांकि, औद्योगिक और शैक्षणिक दृष्टिकोण से, यह एक अत्यधिक सटीक क्वांटम-यांत्रिक ऊर्जा रूपांतरण उपकरण है। इसे अवशोषित फोटॉनों द्वारा उत्पन्न इलेक्ट्रॉन-होल जोड़ों को अलग करना चाहिए और उन्हें न्यूनतम हानि के साथ बाहरी सर्किट में मार्गदर्शन करना चाहिए।

इस प्रक्रिया के दौरान, धातु इलेक्ट्रोड टोल स्टेशनों की तरह कार्य करते हैं जहां आवेश वाहक सूक्ष्म अर्धचालक दुनिया से बाहर निकलते हैं। यदि स्टेशन पर एक बड़ा अवरोध मौजूद है, तो वाहक भीड़भाड़ बन जाते हैं, पुनर्संयोजित होते हैं, और ऊर्जा खो देते हैं। डिवाइस स्तर पर, यह संपर्क प्रतिरोध में तेज वृद्धि, फिल फैक्टर में तीव्र गिरावट, और अंततः सौर-सेल आउटपुट पावर में कमी के रूप में दिखाई देता है।

इसलिए, एक सतह पर कम-प्रतिरोध ओमिक संपर्क बनाने की क्षमता जो अत्यंत कम पुनर्संयोजन भी बनाए रखती है, आधुनिक उच्च-दक्षता सौर सेलों के लिए एक महत्वपूर्ण विभाजन रेखा बन गई है।

ओमिक संपर्क: धातु और अर्धचालक के बीच भौतिक अंतर को पाटना

धातुकरण समस्या को समझने के लिए, हमें पहले अर्धचालक बैंड सिद्धांत पर लौटना होगा। इसमें अर्धचालक के अंदर निर्मित विद्युत क्षेत्र और सूक्ष्म आवेश स्थानांतरण शामिल है जो तब होता है जब एक धातु एक अर्धचालक से मिलती है।

फोटोवोल्टिक रूपांतरण का भौतिक आधार PN जंक्शन है। जब विभिन्न डोपिंग सांद्रता वाले P-प्रकार और N-प्रकार के अर्धचालक संपर्क में आते हैं, तो उनके फर्मी स्तर अलग-अलग होते हैं। थर्मोडायनामिक संतुलन प्राप्त करने के लिए, सूक्ष्म आवेश स्थानांतरण होता है।

N-प्रकार के अर्धचालक का फर्मी स्तर P-प्रकार के अर्धचालक की तुलना में अधिक होता है। इसलिए इलेक्ट्रॉन स्वतः ही N-प्रकार क्षेत्र से P-प्रकार क्षेत्र की ओर गति करते हैं, जबकि होल विपरीत दिशा में चलते हैं। जैसे-जैसे ये वाहक चलते हैं, PN जंक्शन इंटरफेस के पास स्थिर आवेशित आयन छूट जाते हैं। यह एक अंतरिक्ष-आवेश क्षेत्र बनाता है, जिसे अवक्षय क्षेत्र भी कहा जाता है, साथ ही एक आंतरिक विद्युत क्षेत्र भी बनता है।

आंतरिक क्षेत्र अर्धचालक ऊर्जा बैंड को मोड़ता है और वाहक प्रसार की दिशा के विपरीत एक अपवाह बल उत्पन्न करता है। जब प्रसार और अपवाह गतिशील संतुलन तक पहुँचते हैं, तो दोनों ओर के फर्मी स्तर संरेखित हो जाते हैं और शुद्ध धारा शून्य हो जाती है। प्रकाश के तहत, प्रकाश-उत्पन्न इलेक्ट्रॉन-होल जोड़े इस आंतरिक क्षेत्र द्वारा अलग हो जाते हैं, जिससे फोटोवोल्टेज और आउटपुट धारा उत्पन्न होती है।

यह नाजुक भौतिक प्रक्रिया केवल तभी कुशलता से काम करती है जब वाहक अर्धचालक छोड़कर धातु इलेक्ट्रोड में प्रवेश कर सकते हैं, बिना किसी अन्य बड़ी बाधा का सामना किए।

शॉट्की बैरियर: धारा पथ में एक ऊँची दीवार

जब एक धारा-संग्रह धातु इलेक्ट्रोड एक अर्धचालक के भौतिक संपर्क में आता है, तो कार्य फलन में अंतर इंटरफेस पर आवेश स्थानांतरण और बैंड झुकाव का कारण बनता है।

एक धातु पर विचार करें जो N-प्रकार के अर्धचालक के संपर्क में है। यदि धातु का कार्य फलन अर्धचालक के कार्य फलन से अधिक है, तो अर्धचालक सतह पर इलेक्ट्रॉन धातु की ओर बढ़ते हैं। फिर अर्धचालक सतह के पास कम बहुसंख्यक वाहकों वाली एक अवक्षय परत बनती है। ऊर्जा बैंड ऊपर की ओर झुकते हैं, जिससे एक इंटरफेशियल ऊर्जा बैरियर बनता है जिसे शॉट्की बैरियर के रूप में जाना जाता है।

शॉट्की बैरियर में एक स्पष्ट दिष्टकारी प्रभाव होता है, जो डायोड के एकतरफा चालन के समान है। इसे पार करने के लिए, अर्धचालक में वाहकों को थर्मिओनिक उत्सर्जन के माध्यम से बैरियर के ऊपर जाने के लिए पर्याप्त तापीय ऊर्जा की आवश्यकता होती है।

यदि एक विशिष्ट शॉट्की संपर्क इलेक्ट्रोड और कार्यशील सौर सेल के सिलिकॉन सब्सट्रेट के बीच बनता है, तो प्रकाश-उत्पन्न वाहकों को धातु की ओर बढ़ते समय मजबूत प्रतिरोध का सामना करना पड़ता है। बैरियर न केवल धारा प्रवाह को प्रतिबंधित करता है। यह वाहकों को इंटरफेस पर जमा होने और पुनर्संयोजित होने का कारण भी बनता है, जिससे सीधे रूपांतरण दक्षता कम हो जाती है।

ओमिक संपर्क इसका विपरीत है। यह धातु और अर्धचालक के बीच एक गैर-सुधारक विद्युत संपर्क है, जिसमें बहुत कम संपर्क प्रतिरोध होता है। आदर्श स्थिति में, धारा दोनों दिशाओं में रैखिक रूप से इंटरफेस से गुजरती है, न्यूनतम वोल्टेज ड्रॉप और ऊर्जा हानि के साथ।

सिद्धांत रूप में, एन-प्रकार अर्धचालक के लिए बहुत कम कार्य फलन वाली धातु, या पी-प्रकार अर्धचालक के लिए बहुत उच्च कार्य फलन वाली धातु का चयन, शॉट्की बाधा से बचने में मदद कर सकता है। वास्तविक सिलिकॉन सतहें अधिक जटिल हैं। जाली समाप्ति के कारण होने वाले डैंगलिंग बॉन्ड और उच्च इंटरफेस-अवस्था घनत्व मजबूत फर्मी-स्तर पिनिंग उत्पन्न कर सकते हैं। इसलिए अकेले धातु कार्य फलन बदलना शायद ही एक आदर्श ओमिक संपर्क बनाने के लिए पर्याप्त है।

मुख्यधारा औद्योगिक समाधान भारी डोपिंग और क्वांटम टनलिंग का संयोजन है। एक अत्यधिक डोप किया गया N++ या P++ परत स्थानीय रूप से बनता है जहां अर्धचालक धातु से संपर्क करता है। यह सतह पर अवक्षय क्षेत्र को तेजी से संकीर्ण करता है। एक बार बाधा पर्याप्त पतली हो जाने पर, वाहकों को अब इसके ऊपर से गुजरने की आवश्यकता नहीं होती है। वे उच्च संभावना के साथ सीधे इसके माध्यम से टनल कर सकते हैं। यह क्वांटम टनलिंग प्रभाव है।

जब संपर्क प्रतिरोध बढ़ता है, फिल फैक्टर गिरता है

एक बार ओमिक संपर्क का भौतिक आधार स्पष्ट हो जाता है, अगला प्रश्न यह है कि सौर उद्योग सूक्ष्म संपर्क दोषों के प्रति इतना संवेदनशील क्यों है। उत्तर में तीन प्रमुख विद्युत पैरामीटर शामिल हैं: संपर्क प्रतिरोध, श्रृंखला प्रतिरोध, और फिल फैक्टर।

एक सौर सेल एक आदर्श धारा स्रोत नहीं है। इसमें कई अपरिहार्य प्रतिरोध-हानि तंत्र होते हैं, जिन्हें सामूहिक रूप से श्रृंखला प्रतिरोध द्वारा दर्शाया जाता है। श्रृंखला प्रतिरोध में सिलिकॉन वेफर का थोक प्रतिरोध, एमिटर शीट प्रतिरोध, धातु-अर्धचालक इंटरफेस पर संपर्क प्रतिरोध, फिंगर्स और बसबार का ओमिक प्रतिरोध, और रिबन और अन्य इंटरकनेक्शन सामग्री का भौतिक प्रतिरोध शामिल है।

जैसे-जैसे मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन विकास परिपक्व हुआ है, प्रवाहकीय चांदी पेस्ट में सुधार हुआ है, और स्क्रीन-प्रिंटिंग जाल महीन हो गए हैं, वेफर प्रतिरोध और धातु-ग्रिड प्रतिरोध पहले से ही अपेक्षाकृत कम स्तर पर लाए गए हैं। वर्तमान एन-प्रकार उच्च-दक्षता कोशिकाओं में, सबसे कठिन सूक्ष्म बाधाओं में से एक धातु इलेक्ट्रोड और सिलिकॉन-आधारित संपर्क संरचना के बीच संपर्क प्रतिरोध है।

यदि क्वांटम-टनलिंग-प्रभुत्व वाला ओमिक संपर्क स्थापित नहीं होता है, तो संपर्क प्रतिरोध तेजी से बढ़ सकता है और श्रृंखला-प्रतिरोध हानि का प्रमुख स्रोत बन सकता है।

फिल फैक्टर सौर सेल के आउटपुट और आंतरिक ऊर्जा हानि का मूल्यांकन करने के लिए उपयोग किए जाने वाले सबसे महत्वपूर्ण मापदंडों में से एक है। यह अधिकतम आउटपुट पावर और ओपन-सर्किट वोल्टेज तथा शॉर्ट-सर्किट करंट के गुणनफल का अनुपात है। I-V वक्र पर, यह दर्शाता है कि वक्र कितना वर्गाकार या पूर्ण दिखाई देता है।

जब खराब संपर्क के कारण ओमिक संपर्क विफल हो जाता है, तो संपर्क प्रतिरोध में वृद्धि कुल श्रृंखला प्रतिरोध को तेजी से ऊपर धकेल देती है। I-V वक्र तब झुक जाता है और अधिकतम पावर पॉइंट के आसपास सिकुड़ जाता है। सेल अभी भी अपेक्षाकृत सामान्य ओपन-सर्किट वोल्टेज और शॉर्ट-सर्किट करंट दिखा सकता है, लेकिन बाहरी सर्किट के लिए उपलब्ध अधिकतम पावर काफी कम हो सकती है।

तकनीकी श्रृंखला सीधी है:

• एक खराब धातु-अर्धचालक इंटरफेस उचित ओमिक संपर्क को रोकता है।

• विफल संपर्क के कारण अंतरापृष्ठीय संपर्क प्रतिरोध बढ़ जाता है।

• संपर्क प्रतिरोध सेल के कुल श्रृंखला प्रतिरोध को बढ़ा देता है।

• उच्च श्रृंखला प्रतिरोध फिल फैक्टर को कम कर देता है।

• कम फिल फैक्टर रूपांतरण दक्षता को बड़े पैमाने पर उत्पादन स्वीकृति सीमा से नीचे खींच लेता है।

पैसिवेशन और संपर्क: आधुनिक सौर सेलों का आंतरिक विरोधाभास

आधुनिक उच्च-दक्षता सेल डिजाइन पैसिवेशन और विद्युत संपर्क के बीच एक भौतिक विरोधाभास का सामना करता है। उच्च ओपन-सर्किट वोल्टेज प्राप्त करने के लिए, इंजीनियरों को ऐसी डाइइलेक्ट्रिक फिल्मों की आवश्यकता होती है जो सिलिकॉन सतह को यथासंभव पूर्ण रूप से पैसिवेट करें।

पैसिवेशन दो तरह से काम करता है। रासायनिक पैसिवेशन क्रिस्टलीय सिलिकॉन में जालक दोषों पर लटकते बंधों को संतृप्त करने के लिए हाइड्रोजन जैसे तत्वों का उपयोग करता है, जिससे दोष-सहायता प्राप्त पुनर्संयोजन कम होता है। क्षेत्र-प्रभाव पैसिवेशन इंटरफेस पर एक मजबूत विद्युत क्षेत्र बनाता है। स्थिरवैद्युत प्रतिकर्षण समान आवेश वाले अल्पसंख्यक वाहकों को सतह से दूर रखता है, जिससे सतह-पुनर्संयोजन का एक महत्वपूर्ण मार्ग समाप्त हो जाता है।

उदाहरण के लिए, PERC सेल की P-प्रकार की पिछली सतह पर, उच्च घनत्व वाले ऋणात्मक आवेशों वाली एल्यूमीनियम ऑक्साइड फिल्म मजबूत बैंड झुकाव बना सकती है और रासायनिक तथा क्षेत्र-प्रभाव दोनों प्रकार का पैसिवेशन प्रदान कर सकती है। फिर भी यह अत्यधिक प्रभावी इन्सुलेटिंग डाइइलेक्ट्रिक फिल्म करंट निष्कर्षण में बाधा भी बन जाती है।

फोटोजनित वाहकों को एकत्र करने के लिए, धातु इलेक्ट्रोड को अभी भी सिलिकॉन सब्सट्रेट तक विद्युत पथ की आवश्यकता होती है। पारंपरिक PERC प्रसंस्करण पिछली पैसिवेशन परत में छोटे छेद बनाने के लिए लेजर का उपयोग करता है ताकि एल्यूमीनियम या सिल्वर पेस्ट सिलिकॉन के संपर्क में आ सके। हालांकि, सीधा धातु-सिलिकॉन संपर्क तीव्र अंतरापृष्ठीय पुनर्संयोजन बनाता है। ये संपर्क बिंदु पुनर्संयोजन सिंक की तरह व्यवहार कर सकते हैं।

N-टाइप युग में, जहां सेल विकास क्रिस्टलीय सिलिकॉन के लिए उद्धृत 29.43% सैद्धांतिक दक्षता सीमा के करीब पहुंच रहा है, स्थानीय संपर्क उद्घाटन से पुनर्संयोजन हानि को स्वीकार करना अधिक कठिन हो जाता है। इसलिए, TOPCon, HJT और BC प्रौद्योगिकियों को एक ही केंद्रीय समस्या का समाधान करना होगा: सतह निष्क्रियता को नष्ट किए बिना कम-प्रतिरोध, बड़े-क्षेत्र वाहक परिवहन कैसे प्राप्त करें।

TOPCon: टनल ऑक्साइड और LECO की सूक्ष्म शल्य चिकित्सा

मजबूत फोटोवोल्टिक मांग ने P-टाइप PERC के स्थान पर N-टाइप प्रौद्योगिकियों के प्रतिस्थापन को तेज कर दिया है। यहां उद्धृत उद्योग आंकड़ों के अनुसार, 2023 में N-टाइप TOPCon का सेल बाजार में केवल लगभग 23% हिस्सा था। 2024 में इसकी हिस्सेदारी 60% से अधिक हो गई, जबकि अग्रणी निर्माताओं के कुछ उपकरण-कवरेज डेटा ने N-टाइप हिस्सेदारी 71.1% जितनी अधिक होने का संकेत दिया।

TOPCon मौजूदा PERC उत्पादन लाइनों के साथ उच्च स्तर की संगतता बनाए रखता है। एक उन्नयन के लिए आम तौर पर चार अतिरिक्त मुख्य प्रक्रियाओं की आवश्यकता होती है। उद्धृत उपकरण निवेश लगभग 50-70 मिलियन RMB प्रति GW है, जबकि एक नई HJT लाइन के लिए लगभग 350-400 मिलियन RMB प्रति GW है। TOPCon PERC पर स्पष्ट प्रदर्शन लाभ भी प्रदान करता है। इसकी सैद्धांतिक दक्षता सीमा लगभग 28.7% बताई गई है, जबकि वर्तमान बड़े पैमाने पर उत्पादन दक्षता आम तौर पर 26.5% से आगे बढ़ चुकी है और प्रयोगशाला दक्षता 27.5% से अधिक हो गई है।

TOPCon प्रदर्शन की कुंजी इसकी पिछली निष्क्रिय-संपर्क संरचना है। N-टाइप सिलिकॉन सब्सट्रेट पर एक अति-पतली सिलिकॉन ऑक्साइड परत उगाई जाती है, जिसकी मोटाई लगभग 1-2 नैनोमीटर पर कसकर नियंत्रित होती है। फिर लगभग 60-100 नैनोमीटर की आंतरिक पॉलीसिलिकॉन परत जमा की जाती है और उच्च तापमान प्रक्रिया के माध्यम से भारी फॉस्फोरस-डोप किया जाता है।

बैंड भौतिकी के दृष्टिकोण से, अति-पतली सिलिकॉन ऑक्साइड परत वेफर सतह पर लटकते बंधनों को रासायनिक रूप से संतृप्त करती है। भारी डोप किया गया पॉलीसिलिकॉन इंटरफ़ेस के पास मजबूत बैंड झुकाव पैदा करता है। यह संरचना अल्पसंख्यक वाहकों के लिए एक उच्च अवरोध पैदा करती है, जो इस मामले में छेद हैं, और बहुसंख्यक वाहकों के लिए एक बहुत छोटा प्रभावी अवरोध, जो इलेक्ट्रॉन हैं। क्योंकि ऑक्साइड अत्यंत पतला है, इलेक्ट्रॉन इसके माध्यम से पॉलीसिलिकॉन परत में सुरंग बना सकते हैं, जबकि छेद अवरुद्ध होते हैं। परिणाम वाहक-चयनात्मक परिवहन है।

ऑक्साइड के माध्यम से परिवहन की शैक्षणिक चर्चाओं में प्रत्यक्ष क्वांटम टनलिंग और पिनहोल मॉडल दोनों शामिल हैं। जब टनल-ऑक्साइड मोटाई लगभग 2 नैनोमीटर से अधिक हो जाती है, तो टनलिंग संभावना तेजी से घट जाती है। वाहक परिवहन तब उच्च तापमान एनीलिंग के दौरान बनाए गए सूक्ष्म दोषों या पिनहोल पर अधिक निर्भर हो सकता है। बहुत कम पिनहोल संपर्क प्रतिरोध बढ़ा सकते हैं। बहुत अधिक व्यापक फिल्म क्षति का संकेत दे सकते हैं और रासायनिक निष्क्रियता को कमजोर कर सकते हैं।

पैसिवेटिंग रियर कॉन्टैक्ट और सामने की ओर सेलेक्टिव एमिटर के बावजूद, TOPCon को मेटलाइज़ेशन फायरिंग के दौरान एक गंभीर विरोधाभास का सामना करना पड़ता है। सेल को उच्च तापमान फायरिंग की आवश्यकता होती है ताकि सिल्वर पेस्ट पॉलीसिलिकॉन के साथ कम-प्रतिरोध संपर्क बना सके। यदि फायरिंग बहुत आक्रामक है, तो सिल्वर क्रिस्टलाइट 1–2 नैनोमीटर टनल ऑक्साइड में प्रवेश कर सकते हैं और क्रिस्टलीय सिलिकॉन सब्सट्रेट तक पहुंच सकते हैं। पैसिवेशन संरचना तब ढह सकती है, डार्क करंट बढ़ सकता है, और ओपन-सर्किट वोल्टेज तेजी से गिर सकता है। यदि फायरिंग तापमान बहुत कम है, तो सिल्वर पेस्ट पॉलीसिलिकॉन के साथ ठीक से जुड़ने में विफल हो सकता है। संपर्क प्रतिरोध तब अत्यधिक हो जाता है और फिल फैक्टर ढह सकता है।

लेज़र एन्हांस्ड कॉन्टैक्ट ऑप्टिमाइज़ेशन, या LECO, इस फायरिंग विंडो को संबोधित करने के लिए पेश किया गया था। यह प्रक्रिया पहले एक विशेष रूप से तैयार, कम संक्षारक सिल्वर पेस्ट का उपयोग करती है। पारंपरिक फायरिंग इलेक्ट्रोड को सिलिकॉन नाइट्राइड परत में प्रवेश करने की अनुमति देती है, बिना नीचे के अल्ट्रा-पतले टनल ऑक्साइड को गंभीर रूप से नुकसान पहुंचाए। फायरिंग के बाद, सेल की सतह को चयनित तरंग दैर्ध्य की उच्च-तीव्रता वाले लेज़र के संपर्क में लाया जाता है, जबकि इलेक्ट्रोड के पार एक बायस वोल्टेज लगाया जाता है।

फोटोकंडक्टिव प्रभाव के माध्यम से, स्थानीय विद्युत क्षेत्र धातु-अर्धचालक इंटरफ़ेस पर एक छोटा, उच्च-तीव्रता वाला सूक्ष्म करंट उत्पन्न करता है। यह पल्स कुछ हद तक सूक्ष्म बिजली की तरह व्यवहार करता है। यह स्थानीय रूप से अवशिष्ट इंटरफ़ेसियल बाधाओं को तोड़ता है और इलेक्ट्रोथर्मल पिघलने और अत्यधिक स्थानीयकृत प्रवाहकीय क्षेत्र बनाता है। कई छोटे करंट पथ बनते हैं।

LECO उपचार के बाद, मैक्रोस्कोपिक संपर्क प्रतिरोध कई गुना कम हो सकता है और एक अधिक प्रभावी ओमिक संपर्क स्थापित होता है। ब्रेकडाउन संक्षिप्त और स्थानीयकृत होता है। यह करंट परिवहन में सुधार करता है, जबकि अधिकांश टनल-ऑक्साइड पैसिवेशन संरचना को संरक्षित करता है।

HJT: कम-तापमान सिल्वर पेस्ट और TCO के बीच एक सौम्य संपर्क

यदि TOPCon उच्च तापमान पर एक संकीर्ण रस्सी पर चलता है, तो हेटरोजंक्शन तकनीक एक सख्त कम-तापमान सीमा के तहत संचालित होती है। HJT पहली बार 1980 के दशक के अंत में जापान की सान्यो द्वारा प्रस्तावित किया गया था। यह एन-टाइप क्रिस्टलीय सिलिकॉन वेफर की दोनों सतहों पर अल्ट्रा-पतली आंतरिक हाइड्रोजनीकृत अनाकार सिलिकॉन फिल्मों का उपयोग दो तरफा पैसिवेशन के लिए करता है। फिर डोप्ड पी-टाइप और एन-टाइप अनाकार सिलिकॉन परतें जमा की जाती हैं ताकि हेटरोजंक्शन बन सकें। इसकी सैद्धांतिक दक्षता सीमा आम तौर पर लगभग 28.5% अनुमानित है, जो इसे अग्रणी दीर्घकालिक सेल आर्किटेक्चर में से एक बनाती है।

HJT की मजबूत पैसिवेशन आंतरिक अनाकार सिलिकॉन फिल्मों पर आधारित है। अनाकार सिलिकॉन में कई हाइड्रोजन-संबंधित Si-H बंध होते हैं। हाइड्रोजन क्रिस्टलीय सिलिकॉन सतह पर डैंगलिंग बॉन्ड को संतृप्त कर सकता है और मजबूत रासायनिक पैसिवेशन प्रदान करता है। ये बंध नाजुक भी होते हैं। एक बार बाद की प्रक्रिया का तापमान लगभग 200–250°C से अधिक हो जाता है, तो हाइड्रोजन अनाकार सिलिकॉन फिल्म से बाहर निकल सकता है। यह डीहाइड्रोजनेशन रासायनिक पैसिवेशन प्रभाव को नुकसान पहुंचाता है।

तापमान प्रतिबंध का HJT मेटलाइजेशन पर निर्णायक प्रभाव पड़ता है। PERC और TOPCon के लिए उपयोग किया जाने वाला पारंपरिक उच्च-तापमान सिल्वर पेस्ट, जिसे सामान्यतः 800°C से ऊपर फायरिंग की आवश्यकता होती है, का उपयोग नहीं किया जा सकता। HJT को एक समर्पित कम-तापमान सिल्वर-पेस्ट प्रणाली की आवश्यकता होती है।

उच्च-तापमान ग्लास-फ्रिट प्रतिक्रिया पर निर्भर रहने के बजाय, कम-तापमान पेस्ट प्रवाहकीय सिल्वर कणों के लिए बाइंडर के रूप में एक कार्बनिक पॉलिमर रेज़िन का उपयोग करता है। स्क्रीन प्रिंटिंग के बाद, सेल लगभग 200°C से नीचे चलने वाले क्योरिंग ओवन में प्रवेश करता है और अपेक्षाकृत लंबे कम-तापमान क्योरिंग चक्र के लिए वहां रहता है।

तापमान समस्या को हल करने से एक और समस्या उत्पन्न होती है: विद्युत चालन। अनाकार सिलिकॉन उत्कृष्ट पैसिवेशन प्रदान करता है, लेकिन इसकी पार्श्व चालकता खराब है। कैरियर हेटरोजंक्शन से गुजरने के बाद, वे अनाकार सिलिकॉन सतह पर लंबी दूरी तक कुशलतापूर्वक यात्रा नहीं कर सकते ताकि धातु फिंगर्स तक पहुंच सकें।

इसलिए डोप किए गए अनाकार सिलिकॉन के ऊपर एक पारदर्शी प्रवाहकीय ऑक्साइड फिल्म जमा की जाती है, आमतौर पर मैग्नेट्रॉन स्पटरिंग द्वारा। ITO एक सामान्य विकल्प है। TCO फिल्म प्रकाश संचारित करती है, अपेक्षाकृत कम संपर्क प्रतिरोधकता प्रदान करती है, और कैरियर को ग्रिड लाइनों की ओर पार्श्व रूप से संचालित करती है।

HJT स्टैक में, अंतिम मेटलाइज्ड संपर्क क्योर किए गए कम-तापमान सिल्वर पेस्ट और TCO फिल्म के बीच बनता है। यह दो श्रृंखला-प्रतिरोध चुनौतियों का परिचय देता है।

पहला, कम-तापमान पेस्ट क्योरिंग के दौरान पॉलिमर रेज़िन के संकुचन पर निर्भर करता है। संकुचन सिल्वर कणों को एक साथ और TCO सतह के खिलाफ दबाता है। यह भौतिक कण-से-कण संपर्क में उच्च-तापमान फायरिंग द्वारा उत्पन्न धातुकर्म बंधन की तुलना में काफी अधिक प्रतिरोध होता है।

दूसरा, TCO कार्य फलन अंतर्निहित डोप किए गए अनाकार सिलिकॉन और ऊपर धातु इलेक्ट्रोड दोनों के साथ संगत होना चाहिए। हल्का ऑक्सीकरण या फर्मी-स्तर पिनिंग TCO-सिल्वर इंटरफेस पर एक छोटा शॉट्की बैरियर बना सकता है। यह बैरियर श्रृंखला प्रतिरोध बढ़ाता है और फिल फैक्टर कम करता है।

पेस्ट आपूर्तिकर्ता सिल्वर-कण आकार, कण-आकार वितरण और कार्बनिक रेज़िन प्रणालियों को अनुकूलित करके प्रतिक्रिया दे रहे हैं। HJT उद्योग कम तापमान वाले सिल्वर पेस्ट की लागत और भौतिक संपर्क सीमाओं से आगे बढ़ने के लिए सिल्वर-मुक्त कॉपर इलेक्ट्रोप्लेटिंग की भी खोज कर रहा है। इलेक्ट्रोप्लेटिंग सीधे TCO पर या समर्पित सीड परत पर घने, शुद्ध कॉपर ग्रिड लाइनें विकसित कर सकती है, जिससे कम-प्रतिरोध धातुकर्म संपर्क बनता है जो आदर्श स्थिति के बहुत करीब है।

BC: रियर इलेक्ट्रोड का एक माइक्रोमीटर-स्तरीय नृत्य

सौर सेल आर्किटेक्चर की सीमा के भीतर, बैक-कॉन्टैक्ट तकनीक अत्यधिक आकर्षक है लेकिन निर्माण करना कठिन है। BC कोई विशिष्ट सब्सट्रेट सामग्री नहीं है। यह एक आर्किटेक्चरल अवधारणा है, जिसमें इंटरडिजिटेटेड बैक-कॉन्टैक्ट सेल, या IBC, इसका मूल रूप है।

चाहे यह P-प्रकार वेफर, TOPCon-आधारित संपर्क संरचना, या HJT संरचना का उपयोग करता है, मूल सिद्धांत समान है: एमिटर, बैक-सरफेस फील्ड, और सभी सकारात्मक और नकारात्मक धातु ग्रिड लाइनें सेल के पीछे स्थानांतरित कर दी जाती हैं।

प्रकाशित सतह से सभी इलेक्ट्रोड हटाने से एक स्पष्ट ऑप्टिकल लाभ बनता है: शून्य फ्रंट-साइड धातु छायांकन। आने वाले प्रकाश को अवरुद्ध करने वाली कोई उंगलियां या बसबार नहीं होने से, अधिक फोटॉन सेल में प्रवेश कर सकते हैं। पारंपरिक बिफेशियल सेल की तुलना में, BC सेल की शॉर्ट-सर्किट वर्तमान घनत्व लगभग 7% बढ़ सकती है।

मॉड्यूल निर्माण और एनकैप्सुलेशन चरण में, BC सेल पारंपरिक Z-आकार के फ्रंट-टू-रियर इंटरकनेक्शन पथ को एक सपाट रियर-साइड कनेक्शन के साथ बदल सकते हैं। यह सामने और पीछे की सतहों के बीच यांत्रिक तनाव को कम करता है और माइक्रोक्रैक के प्रतिरोध में सुधार कर सकता है। उदाहरण के लिए, LONGi HPBC सेल के किनारे के तनाव को पारंपरिक गैर-BC सेल की तुलना में 48% कम बताया गया है, जो बेहतर दीर्घकालिक विश्वसनीयता का समर्थन करता है।

फ्रंट-साइड ऑप्टिकल लाभ के लिए अधिक जटिल रियर-साइड विद्युत डिजाइन के माध्यम से भुगतान करना पड़ता है। सीमित पीछे की सतह पर, P-प्रकार एमिटर क्षेत्र और N-प्रकार बैक-सरफेस-फील्ड क्षेत्र घनी रूप से वैकल्पिक उंगलियों में व्यवस्थित होते हैं। उच्च परिशुद्धता के साथ अलग-अलग इलेक्ट्रोड बनाए जाने चाहिए। सकारात्मक धातु को भारी डोप किए गए P-प्रकार क्षेत्र के साथ ओमिक संपर्क बनाना चाहिए, जबकि नकारात्मक धातु को भारी डोप किए गए N-प्रकार क्षेत्र के संपर्क में होना चाहिए।

तीन इंजीनियरिंग समस्याएं स्पष्ट हैं।

पहला, क्योंकि सामने की सतह अब करंट एकत्र नहीं करती, सभी फोटोजनित वाहकों को वेफर की मोटाई से गुजरना पड़ता है और फिर उचित पीछे के संपर्क की ओर त्रि-आयामी रूप से पार्श्व में यात्रा करनी पड़ती है। यदि सकारात्मक और नकारात्मक पीछे के इलेक्ट्रोड के बीच की दूरी बहुत अधिक है, तो वाहक परिवहन पथ लंबे हो जाते हैं। पुनर्संयोजन की संभावना बढ़ जाती है और पार्श्व थोक प्रतिरोध बढ़ जाता है।

दूसरा, पार्श्व परिवहन दूरी को छोटा करने के लिए सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोड को बहुत कसकर दूरी पर रखना आवश्यक है। लेजर उद्घाटन के साथ स्क्रीन प्रिंटिंग, या इन्सुलेटिंग-मास्क और फोटोलिथोग्राफिक धातुकरण, को माइक्रोमीटर-स्तर की सटीकता के साथ संरेखित किया जाना चाहिए। थोड़ा सा पेस्ट अतिप्रवाह या केवल कुछ माइक्रोमीटर का लेजर-उद्घाटन विचलन P-पक्ष और N-पक्ष धातुओं को सीधे जोड़ सकता है, जिससे गंभीर शंटिंग हो सकती है।

तीसरा, सभी सकारात्मक और नकारात्मक संपर्क पीछे की सतह पर स्थानीय क्षेत्रों में केंद्रित हैं। कुल प्रभावी धातु-अर्धचालक संपर्क क्षेत्र दोनों तरफ संपर्कों का उपयोग करने वाले पारंपरिक सेल की तुलना में छोटा हो सकता है। जैसे-जैसे फोटोजनित करंट इन स्थानीय संपर्क बिंदुओं में परिवर्तित होता है, करंट घनत्व बहुत अधिक हो जाता है। यहां तक कि एक छोटा संपर्क दोष भी महत्वपूर्ण प्रतिरोधक और तापीय हानि में बढ़ सकता है।

अंतिम खेल: ऑप्टिकल कैप्चर से कैरियर प्रबंधन तक

ओमिक संपर्क और संपर्क प्रतिरोध पर उद्योग का ध्यान फोटोवोल्टिक विकास में एक गहरा बदलाव दर्शाता है। प्राथमिकता स्थूल फोटॉन कैप्चर से सूक्ष्म कैरियर गतिशीलता के सटीक नियंत्रण की ओर बढ़ रही है।

PERC के प्रभुत्व वाले दशक के दौरान, अधिकांश शोध प्रयास पीछे की ऑप्टिकल परावर्तनशीलता बढ़ाने और एल्यूमीनियम ऑक्साइड जैसी सामग्रियों के साथ पैसिवेशन में सुधार पर केंद्रित थे। N-प्रकार के युग में, सामग्री विज्ञान में प्रगति ने सतह रासायनिक पैसिवेशन को इसकी व्यावहारिक सीमा के करीब धकेल दिया है। सबसे कमजोर कड़ी स्थानांतरित हो गई है। चयनात्मक कैरियर निष्कर्षण और इंटरफेशियल परिवहन अब अंतिम प्रदर्शन निर्धारित करने में बड़ी भूमिका निभाते हैं।

जो कंपनियां और प्रौद्योगिकी प्लेटफॉर्म धातु-इंटरफेस संपर्क प्रतिरोध को अधिक प्रभावी ढंग से हल करते हैं, वे कम श्रृंखला प्रतिरोध और उच्च फिल फैक्टर के माध्यम से एक सार्थक दक्षता और लागत लाभ बना सकते हैं।

2024 में TOPCon का तेजी से बाजार विस्तार केवल मौजूदा PERC लाइनों के साथ संगतता से प्रेरित नहीं था। उपकरण निर्माताओं और पेस्ट आपूर्तिकर्ताओं ने भी LECO जैसी लेजर-सहायता प्राप्त संपर्क प्रक्रियाओं में सुधार किया, स्थानीय विद्युत और तापीय प्रभावों का उपयोग करके टनल-ऑक्साइड पैसिवेशन को कम-प्रतिरोध मिश्र धातु संपर्क गठन के साथ संतुलित किया।

आगे देखते हुए, लगातार उच्च चांदी की लागत और कम तापमान वाले चांदी पेस्ट की भौतिक प्रतिरोध सीमाएं चांदी में कमी और तांबा प्लेटिंग को ध्यान में ला रही हैं। एक प्रवाहकीय फिल्म या बीज परत पर घने तांबे की विद्युत रासायनिक वृद्धि लगभग धातुकर्म ओमिक संपर्क बना सकती है, साथ ही ग्रिड के विद्युत प्रतिरोध को भी कम कर सकती है।

माइक्रोमीटर-स्केल इंटरफेस पर अंतिम लड़ाई

सौर सेल खराब संपर्क के प्रति इतने संवेदनशील हैं क्योंकि इलेक्ट्रोड इंटरफेस फोटोवोल्टिक ऊर्जा-रूपांतरण लूप में अंतिम और सबसे कठिन चरण है।

TOPCon केवल 1–2 नैनोमीटर मोटी सुरंग ऑक्साइड की अखंडता के विरुद्ध फायरिंग स्थितियों को संतुलित करता है, जिसमें LECO अत्यधिक स्थानीयकृत संपर्क-अनुकूलन प्रक्रिया के रूप में कार्य करता है। HJT को सख्त 200°C-श्रेणी की तापीय सीमा के भीतर रहते हुए कम तापमान वाले प्रवाहकीय पेस्ट और पारदर्शी प्रवाहकीय ऑक्साइड के बीच एक विश्वसनीय संबंध बनाना होगा। BC सेल दोनों ध्रुवताओं को पिछली सतह पर रखते हैं और माइक्रोमीटर-स्केल पैटर्निंग की मांग करते हैं जो शंटिंग से केवल एक छोटी संरेखण त्रुटि दूर रहती है।

ये बड़े पैमाने पर औद्योगिक प्रयास एक ही अर्धचालक उद्देश्य की ओर इशारा करते हैं: शोट्की बाधा को दबाना, एक प्रभावी ओमिक संपर्क स्थापित करना, और संपर्क प्रतिरोध को व्यावहारिक रूप से शून्य के करीब कम करना।

जैसे-जैसे क्रिस्टलीय सिलिकॉन सेल तकनीक 29.43% सैद्धांतिक सीमा की ओर अपने लंबे दृष्टिकोण को जारी रखती है, एक नियम को नजरअंदाज करना कठिन रहता है: संपर्क इंटरफेस को नियंत्रित करें, और आप दक्षता की सीमा को नियंत्रित करते हैं।

Ooitech का दृष्टिकोण

वास्तविक उत्पादन चुनौती केवल संकरी ग्रिड लाइनें छापना या एक और पैसिवेशन परत जोड़ना नहीं है। धातुकरण को पूर्ण सेल और मॉड्यूल प्रक्रिया के भाग के रूप में अनुकूलित करना होगा, क्योंकि संपर्क प्रतिरोधकता में एक छोटा सा परिवर्तन फिल फैक्टर, तापीय व्यवहार, सोल्डरिंग स्थिरता और अंतिम मॉड्यूल शक्ति को प्रभावित कर सकता है। जैसे-जैसे TOPCon, HJT और BC डिजाइन विकसित होते हैं, संपर्क-प्रक्रिया नियंत्रण और विश्वसनीय विद्युत निरीक्षण उतना ही महत्वपूर्ण होगा जितना कि शीर्षक सेल दक्षता।