پنل خورشیدی TOPCon: افزایش راندمان و کاهش هزینه تولید انرژی

در عصر تحول انرژی و رقابت برای دستیابی به بالاترین بازده در سلول های خورشیدی سیلیکونی، فناوری TOPCon (Tunnel Oxide Passivated Contact)  به عنوان یکی از نوآورانه‌ترین دستاوردهای سال‌های اخیر مطرح شده است. ساختار منحصر به فرد پنل های خورشیدی TOPCon نه تنها تلفات ناشی از بازترکیبی حامل‌های الکتریکی (Recombination) را به حداقل می‌رساند، بلکه امکان ارتقاء خطوط تولید فعلی را با کمترین هزینه سرمایه‌گذاری فراهم نموده و به سرعت در حال تبدیل شدن به استاندارد جدید صنعت فتوولتائیک است. در این مقاله، به معرفی فناوری پیشرفته و نوین تولید پنل های خورشیدی می‌پردازیم و ویژگی‌­های آن را بررسی می­‌کنیم. آینده انرژی خورشیدی با پیشرفت TOPCon روشن‌تر از همیشه به نظر می‌رسد.

تاریخچه فناوری  TOPCon

یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های پیش روی صنعت فتوولتائیک در سطح جهانی، راندمان سلول ها و پنل های خورشیدی است. پژوهشگران این حوزه به طور مکرر به بررسی و جایگزینی مواد اولیه تشکیل‌دهنده سلول‌ها پرداخته‌اند و در این مسیر به نتایج جالب و امیدوارکننده‌ای دست یافته‌اند.

با این حال، حذف سیلیکون از صنعت تولید پنل خورشیدی به دلیل وفور و دسترسی آسان آن، به نظر غیرممکن می‌رسد. بنابراین، راه‌حل مؤثرتر برای افزایش راندمان خروجی پنل‌ها، تغییر در ساختار سلول های سیلیکونی و کاهش تلفات داخلی آن‌ها به شمار می‌آید. همین رویکرد در دهه­های اخیر توانسته است به بهبود عملکرد و کارایی پنل های خورشیدی کمک شایانی کند.

فناوری TOPCon (Tunnel Oxide Passivated Contact) نقطه عطفی در توسعه سلول های خورشیدی سیلیکونی به شمار می‌رود و با هدف افزایش راندمان و کاهش تلفات بازترکیبی حامل‌های درون ساختار سلول معرفی شد. ایده اولیه این فناوری نخستین بار در سال ۲۰۱۳ توسط پژوهشگران مؤسسه Fraunhofer ISE آلمان مطرح گردید. آن‌ها با بهره‌گیری از یک لایه اکسید تونلی بسیار نازک و لایه پلی‌سیلیکون دوپ‌شده، موفق شدند راهکاری نوآورانه برای بهبود تماس‌های الکتریکی و افزایش بازده سلول های خورشیدی ارائه دهند.

در فاصله سال‌های ۲۰۱۳ تا ۲۰۱۶، پروژه‌های تحقیق و توسعه متعددی برای بهینه‌سازی این فناوری انجام شد و سرانجام در سال ۲۰۱۹ تولید انبوه سلول‌های TOPCon و کاربرد تجاری آن در دنیا رقم خورد. این دستاورد، نقطه آغاز رقابت جهانی برای بهره‌گیری از مزایای TOPCon از جمله راندمان بالاتر از 20 درصد پنل های خورشیدی، پایداری بیشتر و انعطاف‌پذیری در تولید بود.

در سال‌های بعد، پیشرفت‌های چشمگیری در فرآیند تولید و بازده  پنل های TOPCon حاصل شده است؛ به‌طوری که راندمان پنل های خورشیدی تاپکان در سطح تولید تجاری به بیش از 26 درصد رسید و این فناوری به عنوان یکی از پیشروترین نوآوری‌ها در صنعت فتوولتائیک جایگاه خود را تثبیت کرد.

ساختار سلول خورشیدی  TOPCon

فناوری تاپکان یا  TOPCon به معنای "تماس غیرفعال‌شده با اکسید تونلی" است و همانطور که گفتیم یکی از پیشرفته‌ترین ساختارهای سلول خورشیدی سیلیکونی به شمار می‌رود. در این فناوری، یک لایه بسیار نازک اکسید سیلیکون (SiOx) به عنوان اکسید تونلی، بین بستر سیلیکونی و یک لایه پلی‌سیلیکون دوپ‌شده (doped poly-Si)  قرار می‌گیرد. این ساختار، نقش کلیدی در کاهش بازترکیب حامل‌های (بارهای مثبت و منفی) درون ساختار سلول ایفا می‌کند و راندمان تبدیل انرژی را به طور چشمگیری بهبود می‌بخشد.

سلول های خورشیدی TOPCon معمولاً از لایه‌های زیر تشکیل می‌شوند:

• بستر سیلیکون نوع n  (crystalline silicon wafer)
• لایه فوق‌العاده نازک اکسید سیلیکون (SiO_x) با ضخامت حدود ۱ تا ۲ نانومتر که نقش اکسید تونلی را دارد
• لایه پلی‌سیلیکون دوپینگ‌شده (n+ poly-Si یا p+ )که روی اکسید قرار می‌گیرد
• لایه‌های ضدبازتاب
• اتصالات فلزی در دو طرف سلول

فرآیند تولید و قابلیت ارتقا خطوط تولید سلول خورشیدی  TOPCon

سلول های خورشیدی مبتنی بر فناوری TOPCon علاوه بر ارائه راندمان بالاتر، به دلیل  قابلیت ارتقا خطوط تولید پیشین، به سرعت در صنعت فتوولتائیک جایگاه ویژه‌ای یافته‌اند. فرآیند تولید این سلول‌ها شباهت زیادی به سلول های خورشیدی PERC دارد و همین موضوع، ارتقا خطوط تولید موجود را تسهیل می‌کند.

فرآیند تولید  TOPCon

تولید سلول‌های TOPCon شامل مراحل زیر است:

• آماده‌سازی ویفر سیلیکونی با استفاده از محلول KOH جهت حذف آسیب‌های ناشی از برش
• ایجاد امیتر در سطح جلوی سلول با روش نفوذ (diffusion) و استفاده از بورون تری‌بروماید  (BBr)
• رشد لایه نازک اکسید سیلیکون (SiOx) به عنوان لایه تونلی
• رسوب‌دهی لایه پلی‌سیلیکون به روش PECVD یا  LPCVD
• فرآیندهای متداول متالیزاسیون و پسیواسیون

این مراحل عمدتاً با فرآیندهای خطوط تولید PERC همپوشانی دارند و تنها به چند مرحله و تجهیز جدید نیاز دارند، که این موضوع هزینه و زمان ارتقا خط تولید پنل خورشیدی را به حداقل می‌رساند.

مقایسه پنل های خورشیدی TOPCon با فناوری‌های رایج (PERC، HJT، IBC)

تفاوت‌های ساختاری و عملکردی

سلول خورشیدیPERC (Passivated Emitter and Rear Cell)  از یک لایه پسیواسیون در پشت سلول استفاده می‌کند که باعث جذب بیشتر نور و بهبود راندمان می‌شود.

سلول خورشیدیTOPCon (Tunnel Oxide Passivated Contact)  با افزودن یک لایه اکسید تونلی و پلی‌سیلیکون، تلفات بازترکیب سطحی را کاهش داده و جمع‌آوری الکترون‌ها را بهبود می‌بخشد، که منجر به راندمان بالاتر و قابلیت دوطرفه بهتر نسبت به PERC می‌شود.

سلول خورشیدیHJT (Heterojunction with Intrinsic Thin Layer)  ساختاری متشکل از سیلیکون کریستالی و آمورف دارد و به دلیل طراحی دوطرفه و لایه‌های نازک، راندمان و عملکرد حرارتی بالایی دارد.

سلول خورشیدی IBC (Interdigitated Back Contact) با انتقال تمام اتصالات به پشت سلول، تلفات ناشی از سایه اندازی خطوط جلویی را حذف می‌کند و راندمان را افزایش می‌دهد، اما فرآیند تولید آن بسیار پیچیده و پرهزینه است.

مزایا و معایب هر فناوری

PERC

• مزایا:
  • فرآیند تولید ساده و هزینه پایینتر
  • عملکرد مناسب در نور کم
• معایب:
  • راندمان پایین‌تر نسبت به نسل‌های جدید
  • حساسیت به سایه و پدیده LID (کاهش راندمان ناشی از نور)

TOPCon

• مزایا:
  • راندمان بالاتر (تا ۲۸٪ در شرایط آزمایشگاهی)
  • قابلیت استفاده از فناوری دوطرفه بهتر
  • عملکرد بهتر در دماهای بالا و شرایط نور کم
  • نیاز به سرمایه‌گذاری کمتر برای ارتقا خطوط  PERC
• معایب:
  • فرآیند تولید پیچیده‌تر نسبت به PERC و هزینه اولیه بالاتر
  • حساسیت به ناخالصی‌های مواد و نیاز به کنترل دقیق فرآیند

HJT

• مزایا:
  • راندمان بسیار بالا (تا ۳۰٪ برای ماژول های خورشیدی دوطرفه)
  • عملکرد عالی در دماهای بالا و قابلیت دوطرفه فوق‌العاده
  • فرآیند تولید کوتاه‌تر (۵ تا ۷ مرحله)
• معایب:
  • هزینه سرمایه‌گذاری بالا و نیاز به تجهیزات کاملاً جدید
  • ساختار شکننده و حساسیت به رطوبت
  • پیچیدگی تولید و محدودیت در مقیاس‌پذیری

IBC

• مزایا:
  • حذف تلفات ناشی از اتصالات جلویی و افزایش سطح جذب نور
  • راندمان بالا و ظاهر زیبا (مناسب برای BIPV)
• معایب:
  • فرآیند تولید بسیار پیچیده و نیاز به مواد با کیفیت بسیار بالا
  • هزینه تولید بالا و نیاز به کنترل دقیق فرآیند

به طور کلی فناوری پنل خورشیدی TOPCon با راندمان بالاتر و قابلیت ارتقا آسان خطوط تولید PERC، تعادلی مناسب بین هزینه و عملکرد ارائه می‌دهد و به عنوان گزینه‌ای آینده‌دار در صنعت خورشیدی مطرح است. در مقابل،HJT  راندمان بالاتری دارد اما هزینه و پیچیدگی تولید آن نیز بیشتر است، در حالی که PERC  در حال حاضر تنها 30درصد از سهم بازار را حفظ کرده است.

مزایای پنل های خورشیدی با فناوری  TOPCon

فناوری TOPCon  به عنوان یکی از پیشرفته‌ترین فناوری‌های سلول های خورشیدی سیلیکونی، مزایای چشمگیری نسبت به فناوری‌های قبلی مانند PERC و PERT ارائه می‌دهد که باعث شده است به سرعت در صنعت فتوولتائیک جایگاه ویژه‌ای پیدا کند. در ادامه، مهم‌ترین مزایای این فناوری را به تفصیل بررسی می‌کنیم:

• کاهش تلفات انرژی و نوترکیبی

بازترکیبی حامل‌های بار (الکترون و حفره) یکی از بزرگ‌ترین موانع در افزایش راندمان سلول های خورشیدی است. فناوری TOPCon با ایجاد لایه­های غیرفعال‌شده (passivated contacts) و استفاده از لایه اکسید تونلی بسیار نازک، میزان بازترکیبی سطحی و حجمی را به طور چشمگیری کاهش می‌دهد. این کاهش تلفات باعث می‌شود که انرژی بیشتری از نور خورشید به الکتریسیته تبدیل شود و در نتیجه بازده کلی سلول افزایش یابد. همچنین این ساختار از نظر الکترونیکی بسیار پایدار است و در طول زمان عملکرد خود را حفظ می‌کند.

• راندمان بالا و بازده انرژی

همانطور که در بخش قبل گفتیم، ساختار خاص سلول های خورشیدی TOPCon که شامل یک لایه اکسید تونلی نازک و یک لایه پلی‌سیلیکون دوپ شده است، باعث کاهش تلفات انرژی ناشی از بازترکیبی حامل‌ها می‌شود. این به معنای استفاده مؤثرتر از فوتون‌های جذب شده و تبدیل بیشتر آن‌ها به جریان الکتریکی و درنهایت افزایش راندمان سلول و پنل خورشیدی است.

• عملکرد عالی در شرایط دمایی و نوری مختلف

یکی از چالش‌های مهم در کاربرد پنل های خورشیدی، افت راندمان در دماهای بالا و شرایط نوری متغیر است. سلول‌های TOPCon به دلیل ساختار ویژه خود، ضریب دمایی کمتری نسبت به فناوری‌های قدیمی‌تر دارند، به این معنی که با افزایش دما، راندمان آن‌ها کمتر کاهش می‌یابد. همچنین این سلول‌ها در شرایط نور کم یا سایه‌دار عملکرد بهتری از خود نشان می‌دهند و می‌توانند انرژی بیشتری نسبت به سلول‌های معمولی در این شرایط تولید کنند. این ویژگی‌ها باعث می‌شود پنل های خورشیدی مجهز به فناوری TOPCon در مناطق گرمسیری و با شرایط نوری متغیر بسیار مناسب باشند.

• مقاومت در برابر آسیب‌های PID و LID

آسیب‌های ناشی از تخریب پتانسیل (Potential Induced Degradation - PID) و تخریب ناشی از نور (Light Induced Degradation - LID)  از مشکلات رایج در سلول های خورشیدی سیلیکونی هستند که می‌توانند به مرور زمان باعث کاهش راندمان و طول عمر پنل‌ها شوند. فناوری TOPCon با استفاده از سیلیکون نوع n و ساختار لایه غیرفعال‌شده، مقاومت بسیار بالایی در برابر این آسیب‌ها دارد. این مزیت باعث افزایش دوام و پایداری عملکرد پنل‌ها در طول عمر مفید آن‌ها می‌شود و هزینه‌های نگهداری و تعویض را کاهش می‌دهد.

کاربردها و آینده فناوری  TOPCon

فناوری پنل های خورشیدی TOPCon به‌عنوان یکی از پیشرفته‌ترین فناوری‌های فتوولتائیک، نقش مهمی در تحول بازار انرژی خورشیدی و توسعه نیروگاه‌های پاک ایفا می‌کند. روندهای بازار نشان می‌دهد که این فناوری با راندمان بالا و کاهش هزینه‌های تولید، به سرعت در حال گسترش است.

از نظر کاربرد، پنل خورشیدیTOPCon  به دلیل بهبود بهره‌وری تبدیل انرژی و پایداری بیشتر در شرایط دمایی مختلف، گزینه‌ای ایده‌آل برای نیروگاه های خورشیدی بزرگ‌مقیاس و پروژه‌های انرژی تجدیدپذیر است. این فناوری با کاهش تلفات بازترکیب حامل‌ها، امکان تولید برق بیشتر در واحد سطح را فراهم می‌کند و به همین دلیل، در پروژه‌های توسعه انرژی پاک که نیازمند بهینه‌سازی فضای نصب و کاهش هزینه‌های عملیاتی هستند، به طور گسترده‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد.

از سوی دیگر، ترکیب پنل خورشیدی TOPCon با سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی و مدیریت هوشمند انرژی، امکان بهره‌برداری بهینه از انرژی خورشیدی را فراهم می‌آورد. این ترکیب باعث کاهش وابستگی به شبکه برق، افزایش پایداری تأمین انرژی و بهینه‌سازی هزینه‌ها می‌شود که در نهایت به تسریع گذار به اقتصاد کم‌کربن کمک می‌کند.

به طور خلاصه، مزایای پنل خورشیدی TOPCon از جمله ارائه راندمان بالا، هزینه‌های تولید کاهش‌یافته و قابلیت سازگاری با پروژه‌های بزرگ و کوچک، این تکنولوژی را به عنوان یکی از فناوری‌های کلیدی در آینده انرژی خورشیدی و توسعه پایدار مطرح نموده و انتظار می‌رود در سال‌های پیش رو سهم قابل توجهی از بازار جهانی انرژی پاک را به خود اختصاص دهد.