السيليكون البلوري
والسيليكون البلوري (c-Si) هو الأشكال البلورية للسيليكون ، إما سيليكون متعدد البلورات (متعدد Si) يتكون من بلورات صغيرة ، أو سيليكون أحادي البلورات (mono-Si) ، بلورة متواصلة. السيليكون البلوري هو المادة شبه الموصلة السائدة المستخدمة في التكنولوجيا الضوئية لإنتاج الخلايا الشمسية. يتم تجميع هذه الخلايا في الألواح الشمسية كجزء من نظام الضوئية لتوليد الطاقة الشمسية من أشعة الشمس.
في الإلكترونيات ، يكون السيليكون البلّوري عادة هو الشكل أحادي البلورة السليكوني ، ويستخدم في إنتاج الرقاقات الدقيقة. يحتوي هذا السيليكون على مستويات شائبة أقل بكثير من تلك المطلوبة للخلايا الشمسية. إنتاج السيليكون الصف أشباه الموصلات ينطوي على تنقية كيميائية لإنتاج polysilicon hyperpure تليها عملية إعادة البلورة لزراعة السيليكون أحادي البلورية. ثم يتم قطع البولينج الأسطواني إلى رقائق لمزيد من المعالجة.
تسمى الخلايا الشمسية المصنوعة من السيليكون البلوري في كثير من الأحيان الخلايا الشمسية التقليدية ، أو التقليدية ، أو الجيل الأول ، كما تم تطويرها في الخمسينيات ، وظلت أكثر الأنواع شيوعًا حتى الوقت الحاضر. ولأنها تنتج من رقائق الطاقة الشمسية السميكة 160-190 ميكرومتر ، وهي شرائح من كميات كبيرة من السليكون في الصفائح الشمسية ، فإنها تسمى أحيانًا الخلايا الشمسية المستندة إلى رقاقة.
إن الخلايا الشمسية المصنوعة من السي سي هي خلايا مفصلية وحيدة بشكل عام أكثر كفاءة من تكنولوجياتها المنافسة ، وهي الجيل الثاني من الخلايا الشمسية الرقيقة ، وأهمها CdTe ، CIGS ، والسيليكون غير المتبلور (a-Si). السليكون غير المتبلور هو متغير متغير في التآلة للسيليكون ، و “غير متبلور” يعني “بدون شكل” لوصف شكله غير البلوري.
نظرة عامة
تصنيف
وتتنوع أشكال التألق الفضائي للسيليكون من بنية بلورية واحدة إلى هيكل غير متبلور تمامًا مع أنواع عديدة وسيطة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن لكل من هذه الأشكال المختلفة امتلاك العديد من الأسماء والمزيد من الاختصارات ، وغالبا ما يسبب الارتباك لغير الخبراء ، خاصة وأن بعض المواد وتطبيقها كتكنولوجيا PV لها أهمية ثانوية ، في حين أن المواد الأخرى ذات أهمية بارزة.
صناعة الكهروضوئية
بيد أن الصناعة الفولتية الضوئية تضعها في فئتين مختلفتين:
السيليكون البلوري (c-Si) ، المستخدم في الخلايا الشمسية التقليدية والتقليدية القائمة على رقاقة:
سيليكون أحادي البلورية (أحادي سي)
السيليكون متعدد البلورات (متعدد سي)
الشريط السيليكون (الشريط سي) ، لا يوجد حاليا أي سوق
غير مصنفة كسيليكون بلوري ، وتستخدم في تقنيات الأغشية الرقيقة وغيرها من الخلايا الشمسية:
السيليكون غير المتبلور (أ – سي)
سيليكون نانويتريني (nc-Si)
السليكون المتبلور (pc-Si)
مواد أخرى غير السليكون ، مثل CdTe ، CIGS
الخلايا الكهروضوئية الناشئة
خلايا شمسية متعددة الوصلات (MJ) شائعة الاستخدام للألواح الشمسية على المركبات الفضائية للطاقة الشمسية الفضائية. كما أنها تستخدم في الخلايا الكهروضوئية المركزة (CPV ، HCPV) ، وهي تكنولوجيا ناشئة تتلاءم بشكل أفضل مع المواقع التي تتلقى الكثير من ضوء الشمس.
أجيال
بدلا من ذلك ، يمكن تصنيف أنواع مختلفة من الخلايا الشمسية و / أو المواد شبه الموصلة بها عن طريق الأجيال:
تتكون الخلايا الشمسية من الجيل الأول من السيليكون البلوري ، وتسمى أيضا ، الخلايا الشمسية التقليدية والتقليدية ، القائمة على رقاقة ، وتشمل المواد أحادية البلورية (أحادي سي) والمواد شبه الكريستالية (متعددة سي).
تعتمد الخلايا أو الألواح الشمسية من الجيل الثاني على تقنية الأفلام الرقيقة وهي ذات أهمية تجارية كبيرة. وتشمل هذه CdTe ، CIGS والسيليكون غير متبلور.
وغالبا ما توصف الخلايا الشمسية من الجيل الثالث بأنها تكنولوجيات ناشئة ذات أهمية ضئيلة أو معدومة في السوق وتشمل مجموعة كبيرة من المواد ، معظمها عضوية ، وغالبا ما تستخدم مركبات عضوية فلزية.
يمكن القول ، يمكن تصنيف الخلايا الكهروضوئية متعددة الوصلات إلى أيا من هذه الأجيال. يتكون أشباه الموصلات الثلاثية النموذجية من InGaP / (In) GaAs / Ge.
مقارنة المواصفات الفنية
| الاقسام | تقنية | η (٪) | V OC (V) | I SC (A) | W / متر مربع | t (µm) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| خلايا شمسية رقيقة | وسي | 11.1 | 6.3 | 0.0089 | 33 | 1 |
| تيل كد | 16.5 | 0.86 | 0.029 | – | 5 | |
| CIGS | 20.5 | – | – | – |
الحصة السوقية
في عام 2013 ، سيطرت تكنولوجيا السيلكون البلورية التقليدية على إنتاج الخلايا الكهروضوئية في جميع أنحاء العالم ، مع تعدد السيول في السوق قبل أحادي سي ، وهو ما يمثل 54٪ و 36٪ على التوالي. خلال السنوات العشر الماضية ، كان نصيب السوق العالمي من تقنيات الأغشية الرقيقة راكداً دون 18 في المائة ، ويبلغ حالياً 9 في المائة. في سوق الأغشية الرقيقة ، يتصدر CdTe إنتاج سنوي قدره 2 GWp أو 5 في المائة ، يليه A-Si و CIGS ، كلاهما حوالي 2 في المائة .:4،18 قدرة PV الضوئية المنتشرة طوال الوقت بـ 139 جيجاوات (تراكمية حتى 2013) ينقسم إلى 121 جيجاوات من السيليكون البلوري (87٪) و 18 جيجا رطب (13٪).
نجاعة
كفاءة التحويل للأجهزة الكهروضوئية تصف نسبة الطاقة للقدرة الكهربائية الخارجة مقارنة بالضوء المشعع القادم. تمتلك الخلايا الشمسية الواحدة بشكل عام كفاءة أفضل أو أعلى من وحدة شمسية كاملة. كما أن كفاءة المختبر تتفوق بشكل دائم على المنتجات المتاحة تجارياً في السوق.
خلايا معملية
في عام 2013 ، كانت كفاءة خلايا المختبر القياسية أعلى بالنسبة للسيليكون البلوري. ومع ذلك ، فإن السيليكون المتعدد يتابع عن كثب الخلايا الشمسية الكادميوم تيلورايد والنحاس
25.6 ٪ – خلية أحادية سي
20.4 ٪ – متعدد سي الخلايا
21.7 ٪ – خلية CIGS
21.5 ٪ – خلية CdTe
هذه كلها خلايا شمسية أحادية التوصيل. بالنسبة للتركيز العالي ، فإن الخلايا متعددة الوصلات سجلت في عام 2014 عند 44.7٪ .6
وحدات
وزاد متوسط وحدة السيليكون البلورية التجارية من كفاءتها من حوالي 12 إلى 16 في المائة خلال السنوات العشر الماضية. وفي الفترة نفسها ، حسنت الوحدات النمطية CdTe من كفاءتها من 9 إلى 16 في المائة. تم تصنيع الوحدات التي تعمل بشكل أفضل تحت ظروف المختبر في عام 2014 من السيليكون أحادي البلورية. كانت أعلى بـ 7 نقاط مئوية من كفاءة الوحدات المنتجة تجارياً (23٪ مقابل 16٪) ، مما يشير إلى أن تكنولوجيا السيليكون التقليدية لا تزال لديها القدرة على التحسن وبالتالي تحافظ على موقعها الريادي.
حققت كفاءة وحدات المختبر الأفضل لوحدات متعددة الوصلات مع تقنية المكثف في عام 2014 كفاءة بلغت 36.7 بالمائة.
وقت رد الطاقة
يصف وقت استرداد الطاقة (EPBT) الفترة الزمنية التي يحتاج إليها النظام الكهروضوئي من أجل توليد نفس مقدار الطاقة التي تم استخدامها لتصنيعها وتركيبها. ويشار أيضًا إلى استهلاك الطاقة هذا ، والذي يُعطى بالسنوات ، على أنه وقت الاسترداد للطاقة. يعتمد EPBT بشكل كبير على الموقع حيث يتم تثبيت نظام PV (على سبيل المثال كمية ضوء الشمس المتاحة) وعلى كفاءة النظام ، وهما نوع التكنولوجيا الكهروضوئية ومكونات النظام.
في تحليل دورة الحياة (LCA) من تسعينات القرن الماضي ، كان وقت استرداد الطاقة يُستشهد به في كثير من الأحيان إلى 10 سنوات. على الرغم من أن الفترة الزمنية انخفضت بالفعل إلى أقل من 3 سنوات في أوائل 2000 ، إلا أن الأسطورة القائلة بأن “الطاقة الشمسية الكهروضوئية لا تسدد الطاقة المستخدمة في إنشائها” يبدو أنها مستمرة حتى يومنا هذا.
ترتبط EPBT بشكل وثيق بمفاهيم كسب الطاقة الصافية (NEG) والطاقة المعادة على الطاقة المستثمرة (EROI). وتستخدم كلاهما في اقتصاديات الطاقة وتشير إلى الفرق بين الطاقة المنفقة لحصاد مصدر للطاقة وكمية الطاقة المكتسبة من ذلك الحصاد. كما يأخذ نظامي NEG و EROI فترة تشغيل النظام الكهروضوئي في الحسبان ، ويُفترض عادة عمر إنتاجي فعال يتراوح بين 25 و 30 سنة ، حيث يوفر العديد من المصنعين الآن ضمانًا لمدة 25 عامًا على منتجاتهم. من هذه المقاييس ، يمكن اشتقاق وقت استرداد الطاقة من خلال الحساب.
وقت الاسترداد للطاقة بالسنوات لمواقع وتقنيات مختلفة
| موقعك أمثلة | السيليكون البلوري | رقيقة | CPV | إشعاع | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| مونو | متعدد | وسي | CIGS | تيل كد | ||||
| شمال ووسط أوروبا ، كندا | 3.3 | 2.1 | 2.4 | 1.7 | 1.1 | – | 1200 كيلووات | |
| جنوب أوروبا ، الولايات المتحدة الأمريكية ، أمريكا الجنوبية ، الهند | 1.8 | 1.2 | 1.3 | 0.9 | 0.7 | 0.8 | 1700 كيلو واط في الساعة | |
| أمريكا الجنوبية ، أستراليا ، أفريقيا ، الشرق الأوسط | 1.5 | <1.2 | 0.9 | <0.9 | <0.7 | <0.8 | 1900 كيلووات | |
| المصدر: Fraunhofer FHI، Energy Payback Time، slides presentation، and photovolatic report، p. 30-32 جدول: kWh / m² / a – كيلو واط / ساعة للمتر المربع في السنة ، مثل Global Horizontal Horizontal | ||||||||
تحسينات EPBT
لطالما كانت EPBT أطول بالنسبة للأنظمة الكهروضوئية التي تستخدم السيليكون البلوري من تكنولوجيا الأغشية الرقيقة. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن السيليكون ينتج عن طريق تقليل رمل الكوارتز عالي الجودة في الأفران الكهربائية. تحدث عملية صهر الكاربون الحراري هذه عند درجات حرارة عالية تزيد عن 1000 درجة مئوية وهي طاقة مكثفة للغاية ، وتستخدم حوالي 11 كيلو واط / ساعة (كيلووات ساعة) لكل كيلوجرام من السيليكون. ومع ذلك ، فإن وقت استرداد الطاقة قد تقلص بشكل ملحوظ خلال السنوات الأخيرة ، حيث أصبحت خلايا السيليكون البلورية أكثر كفاءة في تحويل ضوء الشمس ، في حين أن سمك المادة الرقاقية كان ينخفض باستمرار وبالتالي يتطلب كمية أقل من السيليكون لتصنيعه. في غضون السنوات العشر الماضية ، انخفضت كمية السيليكون المستخدمة للخلايا الشمسية من 16 إلى 6 غرامات لكل ذروة واط.في الفترة نفسها ، تم تخفيض سمك رقاقة سي سي من 300 ميكرومتر ، أو ميكرون ، إلى حوالي 160-190 ميكرومتر. رقائق السيليكون البلورية هي في الوقت الحاضر فقط 40 في المئة سميكة كما كانت عليه في عام 1990 ، عندما كانوا حوالي 400 ميكرومتر: 29 كما أن تقنيات النشر التي شريحة السيليكون البلورية إلى رقائق تحسنت أيضا عن طريق الحد من فقدان الشق وجعله أسهل ل إعادة تدوير نشارة السيليكون.
المعلمات الرئيسية للمواد وكفاءة الطاقة
<table>
<TBODY>
<tr>
<ال> معلمة </ تشرين>
<ال> أحادي سي </ تشرين>
<ال> تيل كد </ تشرين>
</ tr>
<tr>
<td> كفاءة الخلية </ td>
<td> 16.5٪ </ td>
<td> 15.6٪ </ td>
</ tr>
<tr>
<td> تمدد الخلية إلى كفاءة الوحدة </ td>
<td> 8.5٪ </ td>
<td> 13.9٪ </ td>
</ tr>
<tr>
<td> كفاءة الوحدة </ td>
<td> 15.1٪ </ td>
<td> 13.4٪ </ td>
</ tr>
<tr>
<td> سمك طبقة / سماكة طبقة </ td>
<td> 190 µm </ td>
<td> 4.0 µm </ td>
</ tr>
<tr>
<td> خسارة Kerf </ td>
<td> 190 µm </ td>
<td> – </ td>
</ tr>
<tr>
<td> الفضة لكل خلية </ td>
<td> 9.6 g / m <sup> 2 </ sup> </ td>
<td> – </ td>
</ tr>
<tr>
<td> سماكة الزجاج </ td>
<td> 4.0 ملم </ td>
<td> 3.5 ملم </ td>
</ tr>
<tr>
<td> العمر التشغيلي </ td>
<td> 30 عامًا </ td>
<td> 30 عامًا </ td>
</ tr>
<tr>
<col colpan = “3”> المصدر: <i> IEA-PVPS ، تقييم دورة الحياة ، مارس 2015 </ i> </ th>
</ tr>
</ TBODY>
</ الجدول>
تسمم
وباستثناء السليكون غير المتبلور ، تستخدم معظم التكنولوجيات الكهروضوئية المنشأة تجاريا المعادن الثقيلة السامة. غالباً ما تستخدم CIGS طبقة عازلة CdS ، وتحتوي مادة أشباه الموصلات من تكنولوجيا CdTe نفسها على الكادميوم السام (Cd). في حالة وحدات السليكون البلورية ، تحتوي مادة اللحام ، التي تجمع بين الأوتار النحاسية للخلايا ، على 36٪ من الرصاص (Pb). علاوة على ذلك ، يحتوي المعجون المستخدم لطباعة جهات الاتصال الأمامية والخلفية على آثار Pb وأحيانًا Cd. وتشير التقديرات إلى أنه تم استخدام حوالي 1000 طن متري من Pb لـ 100 جيجاوات من وحدات الطاقة الشمسية C-Si. ومع ذلك ، لا توجد حاجة أساسية للرصاص في سبيكة اللحام.
تقنيات الخلايا
PERC الخلايا الشمسية
تتكون الخلايا الشمسية المشحونة الباعثة للانبعاث الخلفي (PERC) في إضافة طبقة إضافية إلى الجانب الخلفي للخلية الشمسية. تعمل هذه الطبقة المنفعلة العازلة على عكس الضوء غير القابل للامتصاص مرة أخرى إلى الخلية الشمسية لمحاولة امتصاص ثانية لزيادة كفاءة الخلايا الشمسية.
يتم إنشاء PERC من خلال ترسيب فيلم إضافي ونقش عملية. يمكن أن يتم الحفر إما عن طريق المعالجة الكيميائية أو بالليزر.
الخلية الشمسية HIT
تتكون الخلية الشمسية HIT من رقاقة السيليكون البلورية الرقيقة أحادية المحاطة بطبقات السليكون رقيقة جدا غير متبلور. يرمز اختصار HIT إلى Heterojunction مع طبقة رقيقة Intrinsic. يتم إنتاج الخلايا HIT من قبل شركة الإلكترونيات اليابانية متعددة الجنسيات باناسونيك (انظر أيضا سانيو § الخلايا الشمسية والنباتات). أبلغت باناسونيك وعدة مجموعات أخرى عن مزايا عديدة لتصميم HIT على نظيره التقليدي c-Si ، فهي:
1. يمكن لطبقة a-Si الذاتية أن تكون بمثابة طبقة تخميل سطحية فعالة لسيكل-سي.
2. إن p + / n + تعمل على تخدير الدوال Si-Si كفاعل باعث / BSF فعال للخلية.
3. ترسب طبقات السي-سي بدرجة حرارة أقل بكثير ، مقارنة بدرجات حرارة المعالجة لتقنية سي-سي التقليدية المنتشرة.
4. لخلية HIT معامل درجة حرارة أقل مقارنة بتقنية خلايا c-Si.
وبفضل كل هذه المزايا ، تعتبر هذه الخلية الشمسية غير المتجانسة الجديدة بديلاً واعدًا منخفض التكلفة للخلايا الشمسية التقليدية المعتمدة على السي سي.
تصنيع خلايا HIT
تفاصيل تسلسل تلفيق تختلف من مجموعة إلى أخرى. عادة ، يتم استخدام نوعية جيدة ، تشيكوسلوفاكيا / FZ نمت c- سي رقاقة (مع ~ 1ms عمر) كطبقة امتصاص الخلايا HIT. باستخدام خاليا قاعدية ، مثل NaOH أو (CH3) 4NOH تم تشكيل السطح (100) من الرقاقة لتشكيل الأهرامات بارتفاع 5-10μm. بعد ذلك ، يتم تنظيف الرقاقة باستخدام محاليل بيروكسيد و HF. ويتبع ذلك ترسيب طبقة تخميل أسي الذاتية ، عادة من خلال PECVD أو CVD السلك الساخن. يتم استخدام غاز سيلاني (SiH4) المخفف باستخدام H2 كسلائف. يتم الحفاظ على درجة حرارة الترسيب والضغط عند 200 درجة مئوية و 0.1-1 عربة. التحكم الدقيق في هذه الخطوة أمر ضروري لتجنب تشكيل Si الفوقي المعيبة. تبين أن دورات الترسيب والتليين والمعالجة بالبلازما H2 قد أعطت تخميل سطح ممتاز. يتم استخدام غاز الديبوراين أو تريميثيلبورون الممزوج مع SiH4 لإيداع طبقة من النوع- Si ، بينما يستخدم غاز الفوسفين الممزوج مع SiH4 لإيداع طبقة من النوع a-Si. وتجدر الإشارة إلى أن الترسب المباشر لطبقات السي-سي المبلطة على رقاقة سي-سي يظهر أن له خصائص تخميل سيئة للغاية. هذا على الأرجح بسبب توليد عيوب المستحثة المنشط في طبقات سي. يستخدم أكسيد القصدير الإنديوم (ITO) بشكل شائع كطبقة أكسيد موصل شفاف (TCO) أعلى الطبقة الأمامية والظهرية للسيليكون في تصميم ثنائي الوجه ، حيث يتمتع Si-Si بمقاومة جانبية عالية. عادة ما يتم ترسيبه على الجانب الخلفي وكذلك الخلية الممعدنة بالكامل لتجنب انتشار المعادن الخلفية وأيضاً لمطابقة المعاوقة للضوء المنعكس. يتم ترسيخ شبكة الفضة / الألومنيوم بسماكة 50-100μm من خلال طباعة الاستنسل لجهة الاتصال الأمامية والاتصال الخلفي للتصميم ثنائي الوجه. يمكن العثور على الوصف التفصيلي لعملية التصنيع في.
النمذجة البصرية الكهربائية وتوصيف خلايا HIT
تناقش الأدبيات العديد من الدراسات لتفسير اختناقات نقل الحامل في هذه الخلايا. تمت دراسة الضوء التقليدي والرابع الداكن على نطاق واسع ولوحظ أن لهما العديد من السمات غير التافهة ، والتي لا يمكن تفسيرها باستخدام نظرية الصمام الثنائي للشبكة الشمسية التقليدية. ويرجع ذلك إلى وجود تقاطع غير مغاير بين طبقة الأي-سي الجوهرية وبين رقاقة سي-سي التي تقدم تعقيدات إضافية للتدفق الحالي. بالإضافة إلى ذلك ، كانت هناك جهود كبيرة لتمييز هذه الخلية الشمسية باستخدام السيرة الذاتية ، التحليل الطيفي للمقاومة ، جهد فلز السطح ، الشموس Voc لإنتاج معلومات تكميلية.
وعلاوة على ذلك ، يجري العمل بنشاط على تنفيذ عدد من التحسينات في التصميم ، مثل استخدام أجهزة بث جديدة ، تكوين ثنائي الوجوه ، تكوين تباين ثنائي الأوجه للوصلات الخلفية (IBC).
أحادية السليكون
السيليكون أحادي البلورية (أحادي السي سي) هو شكل يكون فيه البلورة متجانسة في جميع أنحاء المادة ؛ الاتجاه ، المعلمة شعرية ، والخصائص الإلكترونية ثابتة في جميع أنحاء المواد. غالبًا ما يتم دمج الذرات المسببة للإشعاع مثل الفوسفور والبورون في الفيلم لتصنيع السيليكون من النوع n أو النوع p على التوالي. يتم تصنيع السيليكون أحادي البلورية في شكل رقائق السليكون ، عادة عن طريق طريقة Czochralski Growth ، ويمكن أن يكون مكلفًا جدًا اعتمادًا على الحجم الشعاعي للرقاقة وحيدة الكريستال المرغوبة (حوالي 200 دولار للرقاقة بحجم 300 مم Si). هذه المادة أحادية البلورية ، على الرغم من كونها مفيدة ، هي واحدة من النفقات الرئيسية المرتبطة بإنتاج الخلايا الكهروضوئية حيث أن ما يقرب من 40 ٪ من السعر النهائي للمنتج يعزى إلى تكلفة رقاقات السيليكون الأولية المستخدمة في تصنيع الخلايا.
متعددة السيليكون
يتألف السيليكون متعدد البلورات (متعدد سي سي) من العديد من حبيبات السليكون الصغيرة ذات التوجه البلوري المتنوع ، ويبلغ حجمها عادة 1 مم. يمكن تركيب هذه المادة بسهولة عن طريق السماح للسائل السليكون بالتبريد باستخدام بلورة بذرة بنية البلورة المرغوبة. بالإضافة إلى ذلك ، توجد طرق أخرى لتشكيل سيليكون متعدد البلورات أصغر حجماً (بولي سي) مثل ترسب البخار الكيميائي بدرجة حرارة مرتفعة (CVD).
غير مصنفة كسيليكون بلوري
لا يتم تصنيف هذه الأشكال المقتبسة من السيليكون على أنها سيليكون بلوري. ينتمون إلى مجموعة الخلايا الشمسية الرقيقة.
السيليكون غير المتبلور
لا يحتوي السليكون غير المتبلور (أي سي) على أي ترتيب دوري بعيد المدى. إن استخدام السيليكون غير المتبلور في الخلايا الكهروضوئية كمواد مستقلة محدود إلى حد ما من خلال خصائصه الإلكترونية المنخفضة. ومع ذلك ، فعند إقرانه بالسيليكون الجريزوفولفين في خلايا شمسية ترادفية ثلاثية الوصلات ، يمكن تحقيق كفاءة أعلى من الخلايا الشمسية أحادية التوصيل. تسمح هذه المجموعة الترادفية للخلايا الشمسية للمرء بالحصول على مادة غشاء رقيق ذي فجوة فجائية تبلغ حوالي 1.12 eV (نفس السليكون أحادي البلورة) مقارنة مع فجوة نطاق السليكون غير المتبلور ذات فجوة نطاق 1.7-1.8 eV. ثم تصبح الخلايا الشمسية الترادفية جذابة حيث يمكن تصنيعها باستخدام فجوة نطاقية مشابهة للسيليكون أحادي البلورة ولكن مع سهولة السيليكون غير المتبلور.
سيليكون نانويتري
السليكون النانوي (nc-Si) ، والذي يعرف أحيانا باسم السليكون البلوري microcrystalline (μc-Si) ، هو شكل من أشكال السيليكون المسامي. وهو عبارة عن شكل من أشكال التآزر في السليكون مع بنية باراكريستال – يشبه السليكون غير المتبلور (أ – سي) ، في أنه يحتوي على طور غير متبلور. ومع ذلك ، فإن الاختلاف بين هذه الجزيئات هو أن nc-Si يحتوي على حبيبات صغيرة من السيليكون البلوري داخل الطور غير المتبلور. وهذا على النقيض من السيليكون متعدد البلورات (بولي سي) الذي يتكون فقط من حبوب السيليكون البلورية ، مفصولة حدود الحبوب. الفرق يأتي فقط من حجم الحبوب من الحبوب البلورية. معظم المواد التي تحتوي على الحبوب في نطاق الميكرومتر هي في الواقع بولي سيليكون دقيق ، لذا فإن السيليكون النانوي هو مصطلح أفضل. يشير مصطلح سيليكون البلورة النانوية إلى مجموعة من المواد حول المنطقة الانتقالية من مرحلة غير متبلور إلى جريزوفولفين في فيلم السيليكون الرفيع.
سيليكون سليكوني
السيليكون السليكوني لديه كفاءة أعلى من السيليكون غير المتبلور (أ – سي) وقد ثبت أيضا أنه يحسن الاستقرار ، ولكن ليس القضاء عليه.المرحلة البروتستوارية هي مرحلة مميزة تحدث أثناء نمو البلورة وتتطور إلى شكل ميكروكريستاليني.
يمتلك البروتوكريستاليني Si أيضًا امتصاصًا منخفضًا نسبيًا بالقرب من فجوة النطاق نظرًا لتركيبه البلوري الأكثر مرتبة. وهكذا ، يمكن الجمع بين السليكون المتبلور والسيليكون غير المتبلور في خلية شمسية ترادفية حيث تمتص الطبقة العليا من السليكون المتبلور الرقيق الضوء القصير الموجي بينما تمتص الأطوال الموجية الأطول بواسطة الركيزة الأساسية للسيليوم.
تحويل غير متبلور إلى السيليكون البلوري
يمكن تحويل السيليكون غير المتبلور إلى السيليكون المتبلور باستخدام عمليات التلدين ذات درجة الحرارة العالية المفهومة والمنفذة على نطاق واسع. تتطلب الطريقة النموذجية المستخدمة في الصناعة مواد متوافقة بدرجة الحرارة العالية ، مثل زجاج درجة الحرارة العالية الخاصة التي تكون مكلفة في الإنتاج. ومع ذلك ، هناك العديد من التطبيقات التي تعتبر هذه طريقة إنتاج غير جذابة بطبيعتها.
انخفاض درجة الحرارة المستحثة التبلور
لقد كانت الخلايا الشمسية المرنة موضوع اهتمام بالنسبة لتوليد الطاقة الأقل ظهوراً من مزارع الطاقة الشمسية. يمكن وضع هذه الوحدات في مناطق لا يمكن أن تكون فيها الخلايا التقليدية مجدية ، مثل الالتفاف حول عمود الهاتف أو برج الهاتف الخلوي. في هذا التطبيق ، يمكن تطبيق مادة فلطائية ضوئية على ركيزة مرنة ، غالباً ما تكون بوليمر. لا يمكن لهذه الركائز البقاء على قيد الحياة في درجات الحرارة المرتفعة التي مرت خلال التلدين التقليدي. بدلا من ذلك ، تمت دراسة طرق جديدة في بلورة السيليكون دون إزعاج الركيزة الأساسية على نطاق واسع.التبلور الناتج عن الألومنيوم (AIC) وتبلور الليزر المحلي شائعان في الأدبيات ، ولكن لا يستخدمان على نطاق واسع في الصناعة.
في كلا هاتين الطريقتين ، يزرع السيليكون غير المتبلور باستخدام تقنيات تقليدية مثل ترسب البخار الكيميائي المحسن البلازما (PECVD).تتباعد طرق التبلور أثناء معالجة ما بعد الترسب.
في التبلور الذي يحدثه الألومنيوم ، يتم ترسيب طبقة رقيقة من الألومنيوم (50 نانومتر أو أقل) بترسب البخار الفيزيائي على سطح السيليكون غير المتبلور. ثم يتم تلويث هذه الرصة من المواد عند درجة حرارة منخفضة نسبيا بين 140 درجة مئوية و 200 درجة مئوية في الفراغ.ويعتقد أن الألمنيوم الذي ينتشر في السيليكون غير المتبلور يضعف الروابط الهيدروجينية الموجودة ، مما يسمح للتنوي البلوري والنمو. وقد أظهرت التجارب أن السليكون متعدد البلورات مع الحبوب حسب الطلب من 0.2 إلى 0.3 ميكرومتر يمكن إنتاجه عند درجات حرارة منخفضة تصل إلى 150 درجة مئوية. يعتمد جزء الحجم للفيلم الذي يتبلور على طول عملية التلدين.
ينتج التبلور الناجم عن الألمنيوم السيليكون متعدد البلورات مع خصائص البلورات والإلكترونات المناسبة التي تجعله مرشحًا لإنتاج أغشية رقيقة متعددة البلورات للألواح الضوئية. يمكن استخدام AIC لتوليد أسلاك نانوية متبلورة وبنى أخرى ذات نطاق نانوي.
طريقة أخرى لتحقيق نفس النتيجة هي استخدام ليزر لتسخين السليكون محليا دون تسخين الركيزة الأساسية وراء بعض حدود درجة الحرارة العليا. يتم استخدام ليزر excimer أو ، بدلا من ذلك ، ليزر أخضر مثل Nd: YAG ليزر مضاعف التردد لتسخين السيليكون غير المتبلور ، وتوفير الطاقة اللازمة لنمو الحبوب nucleate. يجب التحكم بعناية في فلز الليزر من أجل التحريض على التبلور دون التسبب في ذوبان واسع النطاق. يحدث تبلور الفيلم عندما يتم ذوبان جزء صغير جدا من غشاء السليكون ويسمح له بالتبريد. من الناحية المثالية ، يجب أن يذوب الليزر فيلم السليكون من خلال سماكة كاملة ، ولكن لا ضرر على الركيزة. لتحقيق هذه الغاية ، يتم إضافة طبقة من ثاني أكسيد السيليكون في بعض الأحيان للعمل كحاجز حراري. هذا يسمح باستخدام الركائز التي لا يمكن أن تتعرض لدرجات حرارة عالية من الصلب القياسية ، والبوليمرات على سبيل المثال. الخلايا الشمسية المدعومة بالبوليمرات هي موضع اهتمام لخطط إنتاج الطاقة المتكاملة بسلاسة والتي تنطوي على وضع الخلايا الفولتية على الأسطح اليومية.
وهناك طريقة ثالثة لبلور السيليكون غير متبلور هو استخدام طائرة البلازما الحرارية. هذه الاستراتيجية هي محاولة للتخفيف من بعض المشاكل المرتبطة بمعالجة الليزر – وبالتحديد منطقة التبلور الصغيرة والتكلفة العالية للعملية على نطاق الإنتاج. شعلة البلازما عبارة عن قطعة بسيطة من المعدات التي تستخدم لصلب السيليكون غير المتبلور حرارياً. بالمقارنة مع طريقة الليزر ، هذه التقنية أبسط وأكثر فعالية من حيث التكلفة.
يعد تعجيل شعلة البلازما أمرًا جذابًا نظرًا لأن معلمات العملية وبُعدها يمكن تغييرهما بسهولة لإعطاء مستويات مختلفة من الأداء. يمكن الحصول على مستوى عال من التبلور (~ 90٪) بهذه الطريقة. وتشمل عيوب صعوبة تحقيق التوحيد في تبلور الفيلم. في حين يتم تطبيق هذه الطريقة بشكل متكرر على السيليكون على ركيزة زجاجية ، قد تكون درجات حرارة المعالجة مرتفعة للغاية بالنسبة للبوليمرات.