Najbardziej popularne obecnie ogniwa fotowoltaiczne na bazie krzemu krystalicznego są z fizycznego punktu widzenia odmianą wielkopowierzchniowej diody. Podstawowym elementem takiej struktury jest złącze półprzewodnikowe n-p.
Właśnie to złącze pozwala na wykorzystanie efektu fotowoltaicznego do konwersji energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną. Najczęściej produkowane obecnie ogniwa fotowoltaiczne omówiono w artykule: Rodzaje ogniw w najnowszych modułach PV – technologie przyszłości. Aby wytworzyć obszary o przeciwnym typie przewodnictwa należy przeprowadzić proces dyfuzji. Tak powstałą warstwę nazywamy warstwą emiterową lub emiterem (rys. 1). Jeśli warstwa, ma być typu n, do dyfuzji należy użyć pierwiastków z piątej grupy okresowej, takich jak na przykład fosfor. Wówczas atomy fosforu będą domieszką donorową. Jeśli natomiast konieczne jest wytworzenie warstwy typu p, domieszką muszą być atomy z trzeciej grupy, takie jak bor, aby po procesie dyfuzji pełniły rolę domieszki akceptorowej.
Natomiast płytka bazowa (do której wykonywana jest dyfuzja) musi mieć przeciwny typ przewodnictwa.
Rys. 1. Struktura typowego jednozłączowego krystalicznego krzemowego ogniwa fotowoltaicznego (przekrój poprzeczny)
Zdecydowana większość obecnie produkowanych ogniw typu PERC jest wykonywana na płytkach typu p. Do wytworzenia warstwy emiterowej typu p potrzebna jest domieszka donorowa. Najczęściej stosowną domieszką tego rodzaju jest fosfor, a źródłem tej domieszki tlenochlorek fosforu – POCl3. Dyfuzja wymaga wysokiej temperatury sięgającej około 900 °C oraz czasu liczonego od kilkunastu do kilkudziesięciu minut. W przypadku domieszkowania płytek typu n źródłem domieszki najczęściej jest tribromek boru BBr3.
Obecne trendy w technologii formowania warstwy emiterowej koncentrują się wokół:
- urządzeń do prowadzenia tego procesu (pieców dyfuzyjnych)
- źródeł domieszki
- procesów formowania selektywnego emitera
W ostatnim czasie zmiany obejmują każdy z tych elementów.
Piece dyfuzyjne z rurą kwarcową pracujące przy ciśnieniu atmosferycznym zastępują piece pracujące przy obniżonym ciśnieniu. Niskociśnieniowe piece dyfuzyjne opracowała francuska firma Semco [2]. Technologia przyjęła się na rynku i obecnie oferuje ją każdy dostawca tego typu sprzętu. Niskie ciśnienie ułatwia tworzenie emiterów o wysokiej rezystancji powierzchniowej, w tym dla ogniw nowej generacji, takich jak TOPCon. Typowy zakres rezystancji powierzchniowej wynosi od 160 do 170 omów/kwadrat. Można śmiało powiedzieć, że przemysł produkujący najnowsze ogniwa PV przeszedł definitywnie na dyfuzję niskociśnieniową.
Źródła domieszki takie jak POCl3 i BBr3 może zastąpić trójchlorek boru – BCl3.
W odniesieniu do POCl3 związane jest to z faktem, iż technologię PERC wypiera technologia TOPCon (rys. 2). Szacuje się, że do 2030 roku będzie to dominująca technologia produkcji ogniw PV na świecie [1]. Ogniwa tego typu wytwarza się na płytkach typu n, dlatego właśnie potrzebne jest źródło domieszki atomów boru. W konsekwencji POCl3 w tym konkretnym przypadku nie będzie w ogóle potrzebny.
Rys. 2. Prognoza udziału w rynku różnych rodzajów ogniw PV. Źródło ITPV 2023 [1]
Natomiast w przypadku domieszki akceptorowej, jaką jest BBr3, chodzi o problemy jakie stwarza jej stosowanie w procesie dyfuzji. Największym wydaje się ten, że podczas dyfuzji z BBr3 powstają produkty uboczne, które zanieczyszczają rurę kwarcową, gdyż się do niej przyklejają. Pomimo dopracowania przez producentów procesu dyfuzji z BBr3, rury kwarcowe wymagają częstego mycia. W przypadku stosowania BCl3 problem ten nie występuje. Obecność chloru utrzymuje rurę kwarcową pieca w czystości. Ponadto BCl3 jest dostarczany w formie gazowej, a to eliminuje konieczność stosowania kłopotliwych saturatorów. Natomiast wadą stosowania trójchlorku boru jest jego żrący charakter i związane z nim obawy dotyczące bezpieczeństwa [2]. To jednak nie zmienia faktu, iż wypiera on z rynku BBr3 (rys. 3). Szacuje się, że już w 2027 roku będzie dominującym źródłem domieszki do wytwarzania warstwy emiterowej na płytkach typu n. Alternatywą jest jeszcze proces implantacji jonów, ale jest on bardzo kosztowy oraz nie pozwala obecnie na takie przepustowości, jak proces dyfuzji z użyciem pieca z rurą kwarcową. Ponadto implantacja jonów jest bardzo trudna, gdy chodzi o wytwarzanie płytkich złącz o ostrym profilu rozkładu domieszki [3].
Rys. 3. Prognoza udziału w rynku różnych źródeł domieszki boru. Źródło ITPV 2023 [1]
W obszarze technologii formowania selektywnego emitera stały trend jest taki, aby proces ten realizować przy pomocy technik laserowych. Selektywny emiter jest konieczny, aby możliwe było wykonanie metalizacji elektrody przedniej, podczas której uformowane zostanie połącznie pomiędzy metalem elektrody i warstwą emiterową. Obecnie około 60% rynku to dyfuzja z użyciem lasera, kiedy jeszcze w 2018 roku było to zaledwie 10% [3].
Firma HAN’S PV przedstawiła niedawno przemysłowe urządzenia do prowadzenia procesu selektywnego domieszkowania z użyciem lasera zielonego (532 nm). Imponująca jest przepustowość wynosząca 8200 płytek M10 na godzinę oraz fakt, że jak zapewnia producent, urządzenie zostało już przetestowane na linii produkcyjnej [4].
Można zatem już dzisiaj przyjąć założenie, że przyszłość procesów dyfuzji to techniki laserowe oraz warstwy emiterowe typu p.
W publikacji wykorzystano powszechnie dostępne materiały w tym publikacje:
1. Raport ITRPV – “International Technology Roadmap for Phtovoltaic” (ITRPV) 14 edycja, kwiecień 2023, www.itrpv.org
2. Raport „ Market Survey: Solar Cell Production Equipment 2023 The Latest Tools for Solar Cell Processing – From PERC To TOPCon”, Authors: Shravan K. Chunduri, Michael Schmela, TaiyangNews 2023
3. Michelle Vaqueiro-Contreras , Brett Hallam, Catherine Chan, “Review of Laser Doping and its Applications in Silicon Solar Cells”, IEEE JOURNAL OF PHOTOVOLTAICS, VOL. 13, NO. 3, MAY 2023
4. Wang Zhenhua, HANS PV: Role of Thermal Process & Use of Laser Technology in Solar Cell Production
