Villanyszerelők Lapja

Napenergia

A nyomtatott áramkör

A napelemgyártás kulisszatitkai III.

2016. március 16. | Boros Viktor |  2131 | |

A nyomtatott áramkör

Miután a homokból nagy tisztaságú szilíciumot készítettünk, létrehoztuk a szilícium kristályszerkezetet, a szilíciumtömböket felszeleteltük hajszálvékony lapkákká, kémiai fürdők sorozatán keresztül megnöveltük a lapka felszínét (texturálás). Ezt követően dópoltuk, hogy a félvezető anyagunkat kizökkentsük az egyensúlyi állapotából, végül bevontuk egy visszatükröződés-csökkentő réteggel, de még mindig csak egy félkész és a napelemgyártáshoz használhatatlan szilíciumlapkával állunk a kezünkben.

Ez a félkész napelemcella a fény hatására már készen áll elektromos áram termelésére, de nincs, ami összegyűjtse és elvezesse az elektronjainkat. A napelemcellán belüli töltéskülönbség a dópolt és a dópolatlan felszínek között jön létre, ami egy p-típusú napelemcella esetében a bórral dópolt felső réteg (elektronlyukak) és a pozitív töltésű alsó réteg között megy végbe, így ezen a két felszínen kell kialakítani kapcsolódási pontokat, amelyeken keresztül elvezethetjük az elektronokat, és egyenáramot hozhatunk létre. Az elektromosságban két leggyakrabban használt vezetőanyag az előfordulásuk gyakorisága és a viszonylag olcsó előállítási költségük miatt az alumínium és a réz. Az alumínium és a szilícium között kötést kialakítani könnyebb, mint a réz és a szilícium között, de mivel az alumínium rosszabb villamos vezető, így elég nagy felületen és keresztmetszetben kellene azt a napelemcella felszínére felvinni, hogy a termelt energiát veszteség nélkül elvezessük. Éppen ezért a napelemcella felső oldalán, amelyik a napfénnyel közvetlenül érintkezik, nem lehet az alumíniumot alkalmazni, mert gyakorlatilag beárnyékolnánk vele a napelemcella felszínét.

A megoldást egy ezüst-ötvözet jelenti, amely jól kapcsolódik a szilícium felszínéhez, de egyben (az ezüst miatt) drága is. A napelemcella felszínén nem elegendő 1-1 pontot kialakítani az energia elvezetésére, mivel akkor csak a csatlakozási pontok közvetlen környezetében termelődő energiát tudnánk kinyerni, a csatlakozási ponttól távolabb keletkező energiát nem.

A könnyebb megértés végett képzeljünk el egy mezőt, amire hull az eső: a mező közepén ásunk egy gödröt, és onnan szivattyúzzuk a vizet. Amennyiben a talajunk kelően laza szerkezetű, akkor a mezőnk szélére hulló esővíz lassan a gödrünk felé szivárog, és azt egy ponton össze tudjuk gyűjteni, illetve kiszivattyúzni. Ha a talajunk agyagos, kötött – ilyen a szilíciumlapka is – akkor a távolabbi pontokon lévő esővíz sehogy sem fog a gödrünk felé szivárogni, és egy árokrendszert kell kialakítanunk, hogy a vizet a gödrünk felé vezessük.

Ezt az elvet követi a napelemcellák felszínén kialakított nyomtatott áramkör is. A központi „elvezető árkokat” busbar-nak, magyarul vezető síneknek, míg az árokrendszerünkre merőleges „kapanyomokat” finger-nek nevezik a napelemcella-gyártásban. A napelemcella gyártás kezdetén 1 db központi busbar-t alkalmaztak (ekkor még többnyire 5”-os, 125 mm átmérőjű szilíciumlapkákkal dolgoztak), és abba csatlakoztak a finger-ek. Annak érdekében, hogy a kellő mennyiségű energiát elvezessük, kellően vastag finger-eket és busbar-t kellett kialakítani a napelemcella felszínén, ami a napelemcella jelentős felszínét eltakarta, és így csökkentette az aktív felszínt, ami a napsugárzással kapcsolatba léphetett. Esetünkben a vezető anyagok ohmikus ellenállása, ami meghatározza, hogy mennyi energiát tudunk adott keresztmetszeten veszteség nélkül elvezetni, ezért kellett vastag finger-eket és busbar-t kialakítani a cella felszínén.

A cella felszínére a nyomtatott áramkört szitanyomással viszik fel (illetve vannak már a tintasugaras nyomtatókhoz hasonló megoldások is), így az ezüstpaszták és a nyomdai technika fejlődésére, nagyobb pontosságára volt szükség ahhoz, hogy több busbar-os napelemcellákat alakítsanak ki. A több busbar előnye, hogy a busbar-ok közötti távolság kisebb, így a finger-eken az ellenállásból adódó veszteség kisebb, illetve azonos veszteség mellett vékonyabb finger-eket lehet kialakítani, amivel csökkenthető a cella felszínének beárnyékolása.

Az optimális megoldásnak sokáig a 2 busbar-os kialakítást tűnt, majd a forrasztó robotok fejlődésével 2011-2012-től megnyílt az út a 3 busbar-os napelemcella-kialakítások előtt (1. ábra). A 3 busbar-os cellák esetében még vékonyabb (90-100 mikron szélességű) finger-eket tudtak kialakítani, amelyek 3 db 1,5 mm széles busbar-ba csatlakoznak. Ezzel a kialakítással mindössze a napelemcella felszínének 2,9%-át árnyékolják le, és nagyobb teljesítmény kinyerése vált lehetővé. A 3 busbar-os kialakítás akadályát nem is annyira a cella kialakítása, mint a feldolgozása adta, mivel a forrasztórobotok a keskenyebb rézhuzalokat nehezen tudták megfelelően pozicionálni a busbar-okon. Sokáig 2 mm széles rézhuzalokat alkalmaztak, hogy kellő kontaktus jöjjön létre az 1,5 mm-es busbar és a rézhuzal között, majd később sikerült 1,7 mm-re levinni a szélességet a huzal magasságának növelésével 0,2-ről 0,25 mm-re, hogy a kellő keresztmetszet megmaradjon.


1. ábra: Hagyományos és HJT-cella busbar

Miután rányomtatták a napelemcellákra az első és a hátsó érintkezőket, a paszta a cella felszínén még nedves és képlékeny, azért ismét egy kb. 200 °C hőmérsékletű szárítóba, majd egy 350-450 °C közötti beégető kemencébe kerülnek a napelemcellák, hogy az ezüst busbar-ok és finger-ek, illetve a szilícium között kötés alakuljon ki: a szilícium rácsszerkezetébe be kell, hogy épüljön/olvadjon az ezüst, illetve az alumínium hátsó réteg. A beégetés végeztével el is készült a napelemcellánk, amely a legvégső lépésben egy ellenőrzésen megy át. Ellenőrzik, hogy nem keletkeztek-e a gyártás során mikrorepedések a cellákban (EL-Electro Luminescence), szín szerint válogatják őket (attól függően, hogy mennyire egyenletesen sikerült a PECVD eljárással a fényvisszatükröződés-csökkentő réteget a szilíciumlapka felszínére felvinni, más-más árnyalatot kapunk). 

Ezt követően egy napfényszimulátorba helyezik a kész napelemcellákat, ahol a napfénnyel azonos spektrumú fénnyel megvilágítják őket, és megmérik az elektromos paramétereiket, és a kapott teljesítményadatok szerint tovább osztályozzák a cellákat. Az előző részben már említettem, hogy az egyes kémiai folyamatok nem kontrollálhatók 100%-osan, illetve a PECVD eljárás és a nyomtatott áramkörök beégetése során is eltérő vastagságú, minőségű bevonatokat, illetve kötéseket érünk el a közel azonos minőségű szilícium lapkáknál, így 0,6-0,8%-os szórás figyelhető meg a kész napelemcellák teljesítményénél, amit 0,2 Wp-es toleranciájú teljesítményosztályokba sorolnak.

MWT, HIT/HIJ és a társaik

Azt hihetjük, hogy ezzel mindent el is mondtunk a napelemcellákról, de a valóságban ez csak a felszín kapargatása volt és leginkább a nyomtatott áramkör területén számos olyan megoldás létezik, ami a napelemcella teljesítmény-optimalizálásában segít.

Az egyik olyan tényező, ami a napelemcella teljesítményének a növeléséhez vezet, a finger-ek és a busbar-ok által leárnyékolt területek csökkentése. Az a fény, amely merőlegesen érkezik a busbar-ok felületére, visszatükröződik és elvész, illetve bizonyos fénybeesési szög mellett a kitüremkedő busbar akár árnyékot is vethet a busbar közvetlen közelében a napelemcella felületére. Az adott energia-mennyiség veszteség nélküli továbbításához megfelelő keresztmetszetű busbar-okra, illetve finger-ekre van szükségünk, és hiába próbáljuk meg a busbar-ok magasságát növelni és szélességét csökkenteni, azzal sokszor növeljük a beárnyékolt területet (2. ábra).

Az egyik megoldás, ami a beárnyékolás csökkentésére született a MWT napelemcella-dizájn (Metal Wrap Through), amelynek a lényege, hogy a busbar-okat átviszik a napelemcella hátoldalára. Ezt úgy érik el, hogy lézerrel apró, hajszálnyi lyukakat égetnek a szilíciumlapkába, amit kitöltenek ezüst ötvözettel, és a finger-ek ezekbe a pontokba futnak össze (a pozitív csatlakozási pontokat átvezetik a napelemcella hátuljára). Ez elviekben egy járható út volna, de a napelem cellák sorba forrasztása egyedi forrasztórobotokat igényel, és egyben lassítja is a napelemgyártás folyamatát (3. ábra).

2. ábra: 3 busbar-os napelemcella 3. ábra: MWT napelemcella. Látható, hogy az elektromos vezetősínek/busbar-ok eltűntek a napelemcella felszínéről. A finger-ek egy-egy pontba futnak össze, ezeken a pontokon a cella át van lyukasztva, és azokon keresztül csatlakoznak a finger-ek a hátlapon kialakított busbar-okkal.

Létezik egy másik megoldás is az árnyékolás csökkentésére, ez az úgynevezett Burried Busbar, vagyis beágyazott busbar kialakítás. Ez is elviekben megoldást kínál az árnyék problémájára, de plusz 5-6 egyedi eljárást és lépést tesz szükségessé a gyártás során, ami szintén lassítja és drágítja a gyártási folyamatot. A beágyazott busbar-ok lényege, hogy a dópolást követően kialakítanak egy védőréteget a szilíciumlapka felszínén, majd lézerrel vagy egy speciális fűrésszel a busbar-ok helyén 30-50 mikron mélységben mélyedéseket alakítanak ki, majd ismételten szükség van a dópolásra (ezúttal egy erősebb dópolásra, hogy a busbar-ok környékén csökkentsék az ellenállást és megkönnyítsék az elektronok mozgását). Mivel az árkok miatt nem lehetséges a szitanyomás, így egy rézötvözetből álló speciális fürdőben merítik meg a cellákat, és így töltik ki az árkokat (4-5. ábra). A busbar-ok kialakítása után le kell mosni a maszkoló/védőréteget a szilíciumlapka felületéről.


4. ábra: beágyazott busbar elektronmikroszkóp alatt. Jól kivehető a lézerrel kialakított árok
a szilíciumlapka felszínén, és abban a rézötvözetből készült busbar. Sokkal kevésbé emelkedik ki
a cella síkjából a busbar, így kisebb az árnyék, és egyben nagyobb felületen érintkezik
a szilíciummal, ami megkönnyíti az elektronok mozgását a busbar irányába.


5. ábra: beágyazott busbar séma

Megint csak egy másik technológiai megoldás a busbar-ok által okozott árnyékolás csökkentésére a HJT (heterojunction) napelemcella-dizájn. A HJT cellák lényege, hogy mind az első, mind a hátsó oldalon teljesen megszüntették a központi áramgyűjtő síneket (busbar-okat), és helyettük egy vékony rácshálózatot alakítottak ki a cellák felszínén. A hagyományos busbar–finger áramkör helyett, egy 18 vagy 30 vékony rézhuzalból álló (0,2 mm átmérőjű) rácshálót alakítanak ki a napelemcella felszínén (6. ábra), ezzel csökkentve a leárnyékolt cellafelületet, illetve csökkentve a finger-ek hosszát.


6. ábra: HJT napelemcella. A napelemcella felszínéről teljesen eltűntek a busbar-ok,
helyette több tucat kisebb huzallal történik az energia elvezetése.

Amíg egy 3 busbar-os napelemcella esetében a finger-ek hossza 26 mm, addig egy 18×18 huzalos rácsháló esetén a finger-ek hossza már csak 4,3 mm, míg a 30×30 huzalos rácsháló esetében a finger-ek hossza csupán 2,6 mm. Mivel rövidebb távolságon kell az energiát továbbítani, így kisebb az ohmikus ellenállásból eredő veszteség, és akár 4-5%-kal nagyobb teljesítményt lehet azonos felszínű napelemcellából kinyerni. 

A HJT cellák esetében az egyik legjelentősebb eltérés, hogy a napelemcellák összekapcsolása nem hagyományos forrasztás útján történik, hanem a cellák egymáshoz egy átlátszó polimerlapra erősített rézhuzalhálón keresztül csatlakoznak, illetve a cellák hátsó oldala a hátlapfóliába integrált rézhuzalhálón keresztül továbbítja az energiát. Ezeknél a HJT napelemeknél a cellák összekapcsolása nem forrasztórobotokáltal történik (a forrasztásos technológiára van a napelemgyártók 99%-a felkészülve), hanem a cellák és a polimerlapokon elhelyezkedő rézhuzalok a laminálás során kerülnek „összeforrasztásra”. A rézhuzalok felülete 3-5 mikron vastagságban speciális, alacsony hőfokon (160 °C alatt) olvadó fémötvözettel van bevonva, amelynek 50%-a indium. Ebből a pár mondatból is lehet látni, hogy akármennyire ígéretes a HJT napelemcella-dizájn, egy kicsit még űrtechnológiának hangzik, és egyelőre néhány gyártó drága játékszerének tekintik.

Amíg az MWT, Burried Busbar vagy éppen a HJT technológiák jelentős gyártósori átalakításokat igényelnek, és mindaddig, amíg a napelemgyártók nem amortizálják le jelenlegi befektetéseiket, addig nem várható ezen új technológiák tömeges elterjedése. A napelemcellák teljesítményének növelése természetesen addig sem állhat meg, így az olyan megoldások jelentik a fejlődés útját az elkövetkező 1-2 évben, amelyek nem igényelnek teljes technológiaváltást, csupán a jelenlegi berendezések kisebb átalakítását. Ilyen teljesítménynövelő megoldás a busbar-ok számának növelése, a busbar-ok szélességének csökkentése mellett. Az elkövetkező években egyre több 4 vagy 5 busbar-os napelemcellával szerelt napelemet fogunk látni a gyártók kínálatában. Az 5 BB celladizájn esetében a busbar-ok szélességét 1,5-ről 0,8-1 mm-re csökkentették a gyártók, és bár ezzel nem lett kisebb a busbar-ok által okozott árnyékolás, de a finger-ek hossza 26-ról 16 mm-re csökkent. A rövidebb finger-eken kisebb lett a veszteség, és ennek köszönhetően kb. 2%-os teljesítménynövekedést sikerült elérni a napelemcelláknál. Ezzel még nem érünk el 300-330 Wp közötti teljesítményt egy 60 cellás napelem esetében, mint a HJT cellák esetében, de az 5 busbar-os cellákkal is elérhető a 270-290 Wp teljesítmény különösebb beruházások nélkül.

A következő részben szót szeretnék ejteni a piaci folyamatokról és arról, hogy mi gátolja a modernebb, nagyobb teljesítményre képes cellatechnológiák gyors elterjedését.

ElektronikaNapelemNapenergia