Német tudósok új eljárást dolgoztak ki a cellák gyártása során a szilícium-dioxid rétegleválasztására. Amennyiben sikerül kidolgozni és ipari méretű gyártási eljárásként alkalmazni, a folyamat költségcsökkentést jelenthet a cellagyártóknak, mivel nincs szükség magas nyomásra, gyúlékony gázokra vagy vákuum biztosítására.
Az APCVD használatával a csoport képes volt igazolni, hogy az alacsony hőmérsékleten folyó SiO2 rétegleválasztási folyamat egyúttal kiküszöbölte a rendkívül gyúlékony hidroszilán prekurzor anyagként történő használatát is.
Kép: TU Ilmenau/Esmail Issa
A napelemek celláinak és a modulok gyártásának legbonyolultabb és legdrágább részei közé tartozik a napelemcellát alkotó különböző rétegek felvitele a szilíciumlapkára. Az itt alkalmazott eljárás gyakran vákuum létrehozását, gyúlékony vagy más módon veszélyes prekurzor anyagok használatát igényli, magas üzemi hőmérséklet és egyéb kihívások mellett.
A Fraunhofer Intézet (Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems, ISE) által vezetett tudódok csoportja a német Ilmenau-i Műszaki Egyetemmel folytatott együttműködése során ezeket a tényezőket tartotta szem előtt, amikor megvizsgálta a szilícium-dioxid (SiO2) rétegleválasztását, amelyet passziválást szolgáló rétegként vagy védőrétegként lehet felhasználni a különböző típusú szilícium napelem cellákban. A csoport megjegyezte, hogy a plazmával segített CVD (plasma enhanced CVD, PECVD) a leggyakoribb eljárás ennél az anyagnál, de ez magas hőmérsékletet és vákuumot igényel.
A csoport más folyamatokat vizsgált meg, például a spray pirolízist, a plazmával segített kémiai gőzfázisú rétegleválasztást (plasma enhanced CVD, PECVD), az alacsony nyomású kémiai gőzfázisú rétegleválasztást (low-pressure chemical vapor deposition, LPCVD), a szol-gél rrétegleválasztást, és az atomi rétegleválasztást (ALCVD, végül a légköri nyomáson végzett rétegleválasztás (atmospheric pressure deposition, APCVD) mellett döntöttek, mert az volt a legjobb lehetőség a további vizsgálatokra. „Az APCVD-nek megvan az az előnye, hogy folyadékok helyett gázokat használ reagens prekurzorként” – magyarázza a csoport. „Ebből kifolyólag viszonylag egyszerűen repedésektől mentes, sűrű fóliák állíthatók elő megfelelően fokozatos fedettséggel.”
3D-s nyomtatott hőre lágyuló műanyag
Az APCVD használatával a csoport képes volt igazolni, hogy az alacsony hőmérsékleten folyó SiO2 rétegleválasztási folyamat egyúttal kiküszöbölte a rendkívül gyúlékony hidroszilán prekurzor anyagként történő használatát is. Mivel a berendezésnek nem kell magas hőmérséklettel szemben ellenállónak lennie, az egész berendezés megvalósítható alacsony árú hőre lágyuló műanyagból, amelyet 3D-s nyomtatással állítottak elő, így könnyen módosítható a különböző alakú és méretű lapkákhoz.
A csoport két különböző alkalmazást vizsgált a beállításhoz a napelem cella gyártása során. Először az egyik oldal textúrájának alakításával – a lapkák egyik oldalát vonták be körülbelül 180 nanométer szilícium-dioxiddal, majd 180 Celsius fokon temperálták. Másodszor arra használták fel a folyamatot, hogy védőréteget képeztek, ami megakadályozza a fémek káros leválasztását a cellák illesztéseinek és gyűjtősíneinek elhelyezése alatt.
Az első alkalmazásban a lapkát ezt követően lúgos textúrát képző oldattal kezelték, ami körülbelül 100 nm-t mart le a SiO2 rétegből, és sima, egységes felület maradt utána. A második alkalmazás során a SiO2 réteg hatékony védelmet nyújtott a nemkívánatos fémlerakódások ellen. „A szilícium-dioxid bevonattal ellátott cellák gyakorlatilag mentesek voltak a nemkívánatos fémlerakódásoktól” – állították a tudósok. „Ugyanakkor hatalmas káros kiválások jelentek meg a kezeletlen területeken.”
A cellák hatékonyságára 19,3% és 19,8% közötti értékeket kaptak – ez alatta maradt a PERC cella előállításánál elért adattól. Azonban a csoport felhívta a figyelmet arra, hogy ezúttal a bevonatképzés folyamataira összpontosítottak, ami azt jelenti, hogy nem a cella hatékonysága volt az elsődleges prioritásuk. A tanulmányt teljes terjedelmében a Thin Solid Films című szaklapban tették közzé SiOx filmek hidroszilán-mentes, légköri nyomáson végzett rétegleválasztása kristályos szilícium napelemcellák gyártásában (Application of hydrosilane-free atmospheric pressure chemical vapor deposition of SiOx films in the manufacture of crystalline silicon solar cells) címmel.
„Az újonnan kifejlesztett APCVD beállítás egyszerű és méretezhető megközelítést biztosít a SiO2 filmek rétegleválasztásához gyakorlatilag hordozóanyagtól függetlenül, szobahőmérsékleten” – vonta le a csoport a tanulságot. „A nem gyúlékony és olcsó gázok használata miatt a rétegleválasztó berendezés és maga a művelet alacsony költséggel jár. A bemutatott egyszerű APCVD SiO2 folyamat számos alkalmazási területet találhat magának a fotovoltaikus ágazatban.”
A munka pedig folytatódik a folyamat ipari léptékűvé fejlesztésével a hannoveri székhelyű, bevonatokkal foglalkozó Alethia céggel történő együttműködés keretében, amely a jelenlegi tervek szerint 2022 májusáig fog tartani.
Ezt a cikket módosították 2021. június 9-én annak tisztázása érdekében, hogy a kutatás vezetője a Fraunhofer ISE volt, a TU Ilmenau-val együttműködésben.
Forrás: pv-magazine
