Bifacial solceller
En bifacial solcell (BSC) är en fotovoltaisk solcell som kan producera elektrisk energi när den är upplyst på båda sina ytor, fram eller bak. Istället producerar monofaciala solceller bara elektrisk energi när fotoner träffar deras framsida. Effektiviteten för bifaciala solceller, definierad som förhållandet mellan infallande ljuseffekt och genererad elektrisk effekt, mäts oberoende för de främre och bakre ytorna under en eller flera solar (1 sol = 1000W/m 2 ) . Bifacialitetsfaktorn (%) definieras som förhållandet mellan bakre verkningsgrad i förhållande till fronteffektivitet utsatt för samma bestrålning.
De allra flesta solceller tillverkas idag av kisel . Kisel är en halvledare och som sådan är dess externa elektroner i ett intervall av energier som kallas valensbandet och de fyller helt energinivåerna i detta band. Ovanför detta valensband finns det ett förbjudet band eller bandgap av energier inom vilket ingen elektron kan existera, och längre ovanför finner vi ledningsbandet . Detta ledningsband är nästan tomt på elektroner men det är där valensbandselektroner kommer att finna ackommodation, efter att ha blivit exciterade av absorptionen av fotoner. Dessa elektroner har mer energi än de vanliga elektronerna i halvledaren. Den elektriska ledningsförmågan hos Si, som hittills beskrivits, kallad intrinsic kisel, är ytterst liten. Lätt förorening med fosforatomer kommer att ge ytterligare elektroner placerade i ledningsbandet, vilket ger Si n-typen med en konduktivitet som kan konstrueras genom att modifiera tätheten av fosforatomer . Alternativt ger föroreningen med bor- eller aluminiumatomer Si p-typen , med en konduktivitet som också kan konstrueras. Dessa föroreningsatomer hämtar elektroner från valensbandet och lämnar de så kallade "hålen" i det, som beter sig som virtuella positiva laddningar. Si-solceller är vanligtvis dopade med bor, så de beter sig som en halvledare av p-typ och har en smal (~0,5 mikron) ytlig n-typ region. bildas den så kallade pn-övergången där det bildas ett elektriskt fält som delar upp elektroner och hål, elektronerna mot ytan och hålen mot insidan. Således genereras en fotoström, som extraheras av metallkontakter placerade på båda sidorna. Ljuset som faller bort från pn-övergången delas inte och de fotogenererade elektron-hålsparen slutar med att rekombineras och producerar ingen fotoström. Rollerna för p- och n-regionerna i cellen, förklaras här, kan bytas ut. Följaktligen producerar en monofacial solcell fotoström endast om ytan där korsningen har bildats är upplyst. Istället är en bifacial solcell utformad på ett sådant sätt att cellen är aktiv på båda sina ytor och kommer att producera fotoström när endera sidan, fram eller bak, är upplyst.
BSC:er och moduler (uppsättningar av BSC:er) uppfanns och producerades först för rymd- och jordtillämpningar i slutet av 1970-talet och blev mainstream solcellsteknik på 2010-talet. Det förutses att det kommer att bli den ledande metoden för tillverkning av solceller till 2030.
Historia om den bifaciala solcellen
Uppfinning och första enheter
En solcell av kisel patenterades första gången 1946 av Russell Ohl när han arbetade på Bell Labs och demonstrerades först offentligt vid samma forskningsinstitution av Fuller , Chapin och Pearson 1954; emellertid var dessa första förslag monofaciala celler och inte designade för att ha deras baksida aktiv. Den första bifaciala solcellen som teoretiskt föreslagits finns i ett japanskt patent med prioritetsdatum 4 oktober 1960, av Hiroshi Mori, när han arbetade för företaget Hayakawa Denki Kogyo Kabushiki Kaisha (på engelska, Hayakawa Electric Industry Co. Ltd.), som senare utvecklades in i nuförtiden Sharp Corporation . Den föreslagna cellen var en två korsningar med kontaktelektroder fästa vid två motsatta kanter. De första demonstrationerna av tvåfasade solceller och paneler genomfördes emellertid i det sovjetiska rymdprogrammet i de militära rymdstationerna Salyut 3 (1974) och Salyut 5 (1976) LEO . Dessa bifaciala solceller utvecklades och tillverkades av Bordina et al. vid VNIIT (All Union Scientific Research Institute of Energy Sources) i Moskva som 1975 blev den ryska solcellstillverkaren KVANT. 1974 lämnade detta team in ett amerikanskt patent där cellerna föreslogs med formen av mini-parallellepipeds med maximal storlek 1mmx1mmx1mm kopplade i serie så att det fanns 100 celler/cm 2 . Liksom i moderna BSC:er föreslog de användningen av isotypövergångar pp + nära en av de ljusmottagande ytorna. I Salyut 3 visade små experimentpaneler med en total cellyta på 24 cm 2 en ökning av energigenerering per satellitvarv på grund av jordens albedo med upp till 34 %, jämfört med monofaciala paneler vid den tiden. En ökning på 17–45 % på grund av användningen av bifaciala paneler (0,48m 2 – 40W) registrerades under flygningen av rymdstationen Salyut 5. Samtidigt med denna ryska forskning, på andra sidan järnridån, genomför Laboratory of Semiconductors vid School of Telecommunication Engineering vid det tekniska universitetet i Madrid , ledd av professor Antonio Luque , självständigt ett brett forskningsprogram som söker utveckling av industriellt möjliga bifaciala solceller. Medan Moris patent och VNIIT-KVANT rymdskeppsburna prototyper var baserade på små celler utan ytmetallgaller och därför intrikat sammankopplade, mer i stil med mikroelektroniska enheter som vid den tiden började, kommer Luque att lämna in två spanska patent 1976 och 1977 och en i USA 1977 som var föregångare till moderna bifacials. Luques patent var de första som föreslog BSC:er med en cell per kiselskiva, som då var fallet med monofaciala celler och så fortsätter att vara, med metallgaller på båda ytorna. De övervägde både npp+-strukturen och pnp-strukturerna. Utveckling av BSCs vid Laboratory of Semiconductors tacklades i en trefaldig ansats som resulterade i tre doktorsavhandlingar, författade av Andrés Cuevas (1980), Javier Eguren (1981) och Jesús Sangrador (1982), de två första hade Luque som doktorand rådgivare medan Dr. Gabriel Sala, från samma grupp, ledde den tredje. Cuevas avhandling bestod i att konstruera det första av Luques patent, det från 1976, som på grund av sin npn-struktur som liknar en transistor, kallades "transcellen". Egurens avhandling handlade om demonstrationen av Luques 2:a patent från 1977, med en npp + dopningsprofil, med pp + isotypövergången bredvid cellens baksida, vilket skapar vad som brukar kallas ett bakytefält (BSF) inom solcellsteknik. . Detta arbete gav plats för flera publikationer och ytterligare patent. I synnerhet den gynnsamma effekten av att minska p-doping i basen, där minskning av spänningen i emitterövergången (främre pn-övergång) kompenserades av spänningsökning i den bakre isotypövergången, samtidigt som den möjliggjorde högre diffusionslängd av minoritet bärare som ökar strömutgången under bifacial belysning. Sangradors avhandling och tredje utvecklingsväg vid det tekniska universitetet i Madrid, föreslog den så kallade vertikala multijunction kantupplysta solcellen där p + nn + var staplade och anslutna i serie och upplysta av sina kanter, detta är högspänningsceller som krävde inget ytmetallgaller för att extrahera strömmen. 1979 blev Laboratory for Semiconductors Institute for Solar Energy (IES-UPM), som med Luque som den första direktören fortsatte intensiv forskning om bifaciala solceller långt fram till 2000-talets första decennium, med anmärkningsvärda resultat. Till exempel, 1994, utvecklade och producerade två brasilianska doktorander vid Institutet för solenergi, Adriano Moehlecke och Izete Zanesco, tillsammans med Luque, en bifacial solcell som återger 18,1 % i framsidan och 19,1 % i baksidan; en rekordbifacialitet på 103 % (vid den tiden var rekordeffektiviteten för monofaciala celler något under 22 %).
Den första bifaciala solcellsfabriken: Isofoton
Av de tre BSC-utvecklingsstrategier som genomfördes vid Institute of Solar Energy, var det den i Egurens avhandling, npp + , den som gav bäst resultat. Å andra sidan fann man att bifaciala solceller kunde leverera upp till 59 % mer kraft årligen när de installerades med en vit yta på baksidan, vilket förstärkte solens reflekterade strålning (albedo-strålning) som går in i cellernas baksida . Det kunde ha förväntats att detta fynd skulle ske lättare i Spanien, där hus, särskilt på landsbygden, i söder ofta är vitkalkade . Därför grundades ett spin-off-företag för att tillverka bifaciala solceller och moduler, baserade på npp + -utvecklingen, för att kommersiellt utnyttja deras ökade kraftproduktion när de är lämpligt installerade med höga albedoytor bakom, oavsett om det är mark eller väggar. Grundades 1981 och fick namnet Isofotón (eftersom dess celler enbart använde alla isotropa fotoner) och etablerades i Málaga , Luques hemstad. Dess startkapital kom från familj och vänner (t.ex. de flesta anställda och forskningspersonal vid Institute of Solar Energy) plus en del offentligt kapital från en industriell utvecklingsfond, SODIAN, som ägs av den andalusiska autonoma gemenskapen . Det satte fart med 45 aktieägare, Luque som 1:e ordförande och co-VD, tillsammans med sin bror Alberto, en rutinerad industrientreprenör, och med Javier Eguren som CTO . Eguren och Sala ledde tekniköverföringen från Institutet för solenergi till Isofoton. År 1983 hade Isofotons fabrik i Málaga en tillverkningskapacitet på 330 kW/år. av bifacial-moduler (med 15 personer netto) vid en tidpunkt då den globala marknaden för solceller var i storleksordningen 15 MW. På den tiden bestod marknaden för markbaserade fotovoltaiska kraftverk, till vilken Isofoton orienterade sin produktion, huvudsakligen av demonstrationsprojekt. Sålunda var tidiga landmärken för Isofotons produktion kraftverket på 20 kWp i San Agustín de Guadalix , byggt 1986 för Iberdrola , och en off-grid installation 1988 också på 20kWp i byn Noto Gouye Diama ( Senegal ) finansierad av den spanska internationella bistånds - och samarbetsprogram . När Isofotón mognade ersattes dess tidiga aktieägarstruktur av individer av stora teknik- och ingenjörsföretag som Abengoa eller Alcatel eller banker som BBVA . Efter Alcatels inträde som en stor aktieägare 1987 togs beslutet att byta produktion till mer konventionella solcellsceller med monofasade färger, baserade på licensierad teknologi från den amerikanska solcellstillverkaren Arco Solar, vilket är slutet på Isofoton som världens första och fram till dess enda bifaciala celltillverkare. Isofoton fortsatte dock att gå framåt med framgång och mellan 2000 och 2005 rankades det konsekvent bland världens 10 främsta solcellstillverkare. 2015 ansökte den om konkurs när den, som nästan alla andra europeiska och västerländska solcellstillverkare på sin tid, inte kunde stå emot konkurrenstrycket från den nya vågen av kinesiska solcellstillverkare.
Senare framsteg fram till massproduktion
Förutom Isofoton rapporterade dock några andra solcellstillverkare, specialiserade på rymdtillämpningar, utvecklingen av BSC i laboratorieskala som COMSAT 1980, Solarex 1981 eller AEG Telefunken 1984. Under det sena 1980-talet och 1990-talet forskning och förbättring av bifacial solcellstekniken fortsatte. År 1987 producerade Jaeger och Hezel vid ISFH (Institute for Solar Energy Research in Hamelin) framgångsrikt en ny BSC-design baserad på en enda korsning n + p, där den bakre kontakten ersattes av ett metallgaller och alla intermetalliska ytor passiverades med PECVD -odlad kiselnitrid , vilket resulterar i 15 % och 13,2 % under fram- respektive bakbelysning. På detta sätt presenterade dessa enheter en främre korsning av metallisolator-semiconductor-inversion-skikt (MIS-IL). Tio år senare ersatte samma forskargrupp detta MIS-skikt med en diffus pn-övergång för att producera BSC-laboratorieenheter med 20,1 % främre och 17,2 % bakre effektivitet. 1997 producerade Glunz et al., vid Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems n + pn + 4 cm 2 enheter med 20,6 % främre och 20,2 % bakre konverteringseffektivitet. Detta var en dubbelövergångscell (en av korsningarna som inte är ansluten eller "flytande") med metallgallret endast på den bakre ytan, dvs. drivande en interdigitated back contact (IBC) solar BSC och med den flytande främre korsningen fungerade som passivering. År 1997 publicerade SunPower , då den solcellstillverkare som producerade de högsta verkningsfulla cellerna genom sin bakre kontaktdesign, forskning av ett team ledd av dess grundare, Richard Swanson , om en bakkontakt BSC med en frontverkningsgrad på 21,9 % och en bakre verkningsgrad på 13,9 %. En prototypserie av celler och moduler producerades men kom aldrig till massproduktion.
Under dessa dagar, med kostnaden för PV-moduler som nästan är den enda drivkraften mot ett bredare omfång av solel – vilket har hänt någonsin efter – och trots deras attraktivitet och den stora forskningsinsats som utförts, uteslöt den ökade komplexiteten hos BSC:er att de skulle användas för stora- produktion i skala som endast tidigare hade uppnåtts av Isofoton. Nischapplikationer där BSCs presenterade konkurrensfördelar föreslogs och demonstrerades, till och med till den grad att de involverade några pilotproduktioner. Till exempel solavskärmning bifacial PV-moduler i fasader eller carportar. En hyllad applikationsdemonstration var den av Nordmann et al. 1997, bestående av en 10 kW PV-bullerbarriär längs en nord-sydlig riktning på 120 m av motorväg A1 i Wallisellen (norr om Zürich). BSC-celler här tillverkades av tyska företag ASE (senare RWE Schott Solar GmbH) och Kohlhauer baserat på ett systempatent av TNC Energie Consulting, och denna applikation har sedan dess replikerats rikligt.
Med millennieskiftet började vägar mot industriell produktion av BSC-celler och moduler att läggas igen. År 2000 släppte den japanska tillverkaren Hitachi resultaten av sin forskning inom BSC med en annan transistorliknande n + pn + cell med 21,3 % främre och 19,8 % bakre verkningsgrad. År 2003 hade Hitachi utvecklat BSC-modulteknologi som licensierades 2006 till det amerikanska företaget Prism Solar. År 2004 publicerade ett team under ledning av prof. Andrew Blakers vid Australian National University sina första resultat om den så kallade Sliver BSC-teknologin, som hade tagit den designväg som tidigare föreslagits av Mori och även realiserats av IES-UPM av Sangrador och Sala, dvs en stapel av lateralt anslutna bifaciala celler som inte kräver några metallgaller, dock med mer avancerade medel med vilka tusentals celler mikrobearbetades ur en kiselskiva av p-typ. Tekniken överfördes senare till Origin Energy som planerade storskalig tillverkning för den australiensiska marknaden senast 2008, men slutligen inträffade detta aldrig på grund av prispress från kinesisk konkurrens. Under 2012 Sanyo (senare förvärvad av Panasonic ) framgångsrikt industriell produktion av bifacial PV-moduler, baserad på dess HIT- teknologi (Heterojunction with Intrinsic Thin layer). År 2010 släpper ECN resultat på sin forskning om BSC, baserat på det då klassiska p + nn + Back Surface Field BSC. Denna teknik, kallad n-PASHA, överfördes till den ledande kinesiska PV-tillverkaren Yingli 2012, som började kommersialisera dem under varumärket Panda. Yingli var vid den tiden den främsta PV-producenten som innehade 10 % av världens leveranser, och denna tekniköverföring från ECN kan betraktas som en milstolpe i BSCs slutgiltiga ålder, där tekniken plockas upp av, av sedan upplevde mäktiga kinesiska tillverkare som huvudsakligen var ansvariga för den kraftiga minskningen solceller sedan början av 2010-talet.
År 2020 listar ENF Solar-katalogen över solcellsföretag 184 tillverkare av bifacial solpaneler, och enligt International Technology Roadmap for Photovoltaics hade de en andel på 20 % av den totala solcellsmarknaden och dess prognos är att denna andel kommer att stiga till 70 % till 2030. När man ser tillbaka på BSC:s utvecklingshistoria, verkar det uppenbart att en fullständig industrialisering av de monofaciala PV-solcellerna och utvecklingen av dess numera blomstrande marknad var en nödvändig förutsättning för att BSC:er skulle bli ett nästa steg i utvecklingen av PV solcellsteknik, med en solmarknad och industri som därmed kan utnyttja sina prestandafördelar på bästa sätt.
Aktuella bifaciala solceller
Flera djupgående recensioner om bifaciala solceller och deras teknologielement täcker den aktuella state-of-the-art. De sammanfattar de vanligaste BSC-designerna som för närvarande marknadsförs och ger sedan en genomgång av deras tekniska aspekter.
BSC-typer på marknaden
Olika bifacial PV-moduler med olika arkitekturer för sina BSC:er finns för närvarande tillgängliga på PV-marknaden. Dessa inkluderar Passivated Emitter Rear Contact (PERC), Passivated Emitter Rear Locally-diffused (PERL), Passivated Emitter Rear Totally diffused (PERT), Heterojunction with Intrinsic Thin-layer (HIT), Interdigitated Back Contact (IBC).
NÄSVIS
- Verkningsgrad: 19,5–22 % (fram), 17–19 % (bak)
- Bifacialitet: 80–90 %
- Mestadels kommersialiserat (t.ex. Yingli , Trina , LG ) på n-typ c-Si-skivan på grund av längre bärarlivslängd än p-typ och frånvaro av bor i bulkmaterialet, vilket undviker ljusinducerad nedbrytning (LID).
PERL
- Verkningsgrad: 19,8 % (fram)
- Bifacialitet: 80–90 %
- Huvudsakligen baserad på p-typ c-Si wafer
- Bor sprids lokalt in i kontaktområden på baksidan
PERC
- Verkningsgrad: 19,4–21,2 % (fram), 16,7–18,1 % (bak)
- Bifacialitet: 70–80 %
- Mestadels kommersialiserad (t.ex. JA Solar , LONGi , Trina ) t.ex. på p-typ c-Si wafer
IBC
- Verkningsgrad: 23,2 %
- Bifacialitet: 70–80 %
- Huvudsakligen baserad på n-typ c-Si wafer
- Ingen metallgallerkontakt på framsidan
TRÄFFA
- Verkningsgrad: 24,7 %
- Bifacialitet: 95–100 %
- Mestadels kommersialiserad (t.ex. Panasonic , Hanergy ) på n-typ c-Si wafer
Teknikaspekter
Kiselwafers har traditionellt använts som cellsubstrat, även om andra material har föreslagits och bevisats. Tjockleken på substratet har en väsentlig inverkan på materialkostnaderna; tunnare wafers innebär besparingar, men samtidigt gör de hanteringen svårare och dyrare eller påverkar genomströmningen. Även tunnare substrat kan förbättra effektiviteten på grund av minskningen av bulkrekombination .
Medan monofaciala celler endast kräver ett diffusionssteg när de bildar sin enda pn-övergång, kräver BSC:er två pn-övergångar med olika dopämnen , vilket ökar antalet högtemperaturprocesser i tillverkningen och därmed dess kostnad. Samdiffusion är ett alternativ för att förenkla denna process, som består av förutfällning och dopning av bor och fosfor på båda sidor av cellen samtidigt; det kräver dock att det inte blir någon korsdopning. Ett annat kostnadsbesparande alternativ är att bygga pn-övergångarna med jonimplantation istället för diffusion.
Precis som i monofaciala celler är frontkontakterna i BSCs celler huvudsakligen silverscreentryckta som på grund av silverinnehållet blir en av dess viktiga kostnadselement. Forskning bedrivs för att ersätta screentryckta silverkontakter med kopparpläterade kontakter, TCO:er eller aluminium. Det mest möjliga hittills har dock varit att minska mängden screentryckpasta genom att använda främre skenlösa solceller med mycket tunna kontaktledningar.
I BSC:er reduceras rekombination vid metall-halvledargränssnittet i den bakre ytan jämfört med monofaciala celler, på grund av att de förstnämnda begränsar detta gränssnitt till det för det bakre ytans metallgaller. Emellertid behövs fortfarande passivering av silikonytor och dess yta utökas med den bakre ytan. Återigen är målet att sänka temperaturen i de inblandade tillverkningsprocesserna. Traditionellt erhölls passivering genom termisk oxidation ( SiO2 ) ; detta kräver dock över 1000C temperatur. För närvarande uppnås passivering av kiselyt genom att sätta kiselnitrid ( SiN x ) på båda sidor av cellen med hjälp av plasmaförstärkt kemisk ångdeposition ( PECVD ), vilket kräver 400C. Lägre deponeringstemperaturer på ~225C kan uppnås genom passivering med hydrerat amorft kisel , a-Si:H.
Bifacial solcellsprestandaparametrar
Effektiviteten hos BSC:er bestäms vanligtvis med hjälp av oberoende effektivitetsmätningar av fram- och baksidorna under en sol. Ibland karakteriseras också BSC:n genom att använda dess ekvivalenta effektivitet definierad som effektiviteten hos en monofacial cell som kan ge samma effekt per ytenhet som den bifaciala cellen vid samma testförhållanden. Alternativt har den ekvivalenta verkningsgraden definierats som summan av verkningsgraden på fram- och baksidan viktad av de relativa mängderna av irradians på båda sidor.
En annan relaterad parameter är Bifaciality Factor, definierad som förhållandet mellan främre och bakre verkningsgrad när den belyses och mäts oberoende av varandra.
Också specifik för BSCs är Separationshastigheten , som avser att mäta den bifaciala belysningseffekten som förutspåtts av McIntosh et al. 1997, då den elektriska uteffekten från BSC:er som arbetar under bifacial belysning inte nödvändigtvis skulle vara lika med summan av den främre och endast bakre elektriska uteffekten, dvs. det är inte bara en linjär kombination av monofaciala egenskaper:
Typiskt representerar X en av cellkarakteristiska parametrar såsom kortslutningsströmmen Jsc n , toppeffekten Pmax eller verkningsgraden . Dessutom, för att karakterisera BSC-drift under samtidig främre och bakre bestrålning, definieras bestrålningsförstärkningen, g , som:
så att
och en bifacial 1.x effektivitet kan definieras som effektiviteten som erhålls under en samtidig bestrålning av en viss mängd på framsidan och x gånger denna mängd på baksidan av BSC. Sedan kan den faktiska förstärkningen av en BSC med avseende på en monofacial uttryckas genom Gain-Efficiency Product, som är produkten av bestrålningsförstärkningen g och den bifaciala 1.x-effektiviteten.