Negli ultimi anni, la domanda di celle solari ad alta efficienza è aumentata costantemente poiché il mondo si rivolge sempre più alle fonti di energia rinnovabile. Tra i vari tipi di celle solari, le celle All Back Contact (celle ABC) sono emerse come una tecnologia promettente. In qualità di fornitore leader di All Back Contact Cells, sono entusiasta di approfondire le caratteristiche chimiche che rendono queste celle uniche e altamente efficienti.
Composizione chimica di tutte le cellule del contatto posteriore
Tutte le celle a contatto posteriore sono fabbricate principalmente utilizzando silicio cristallino, che è il materiale più comune nel settore delle celle solari grazie alle sue eccellenti proprietà semiconduttrici. L'elemento chimico principale di queste celle è il silicio (Si). Il silicio puro è un metalloide dalla caratteristica lucentezza grigio-metallica. Ha un punto di fusione relativamente alto di circa 1414 °C e una struttura cristallina fondamentale per il suo comportamento a semiconduttore.
Nel contesto delle celle All Back Contact, il silicio monocristallino è spesso preferito per le sue migliori proprietà elettriche rispetto al silicio policristallino. Il silicio monocristallino ha una struttura reticolare cristallina uniforme, che consente un movimento più efficiente dei portatori di carica (elettroni e lacune). Questo è essenziale per la conversione dell’energia solare in energia elettrica.
Per migliorare la conduttività elettrica del silicio, il drogaggio è un processo chimico chiave. Il drogaggio comporta l'introduzione di piccole quantità di impurità nel reticolo di silicio. Per tutte le celle a contatto posteriore, vengono comunemente utilizzati due tipi di drogaggio: drogaggio di tipo n e tipo p.
Il drogaggio di tipo N si ottiene aggiungendo elementi come il fosforo (P). Il fosforo ha cinque elettroni di valenza, mentre il silicio ne ha quattro. Quando gli atomi di fosforo vengono incorporati nel reticolo di silicio, l'elettrone in più diventa un elettrone libero, aumentando la concentrazione di elettroni nel materiale. Ciò crea un eccesso di portatori di carica negativa, da qui il nome tipo n (tipo negativo).
D'altra parte, il drogaggio di tipo p viene effettuato aggiungendo elementi come il boro (B). Il boro ha solo tre elettroni di valenza. Quando gli atomi di boro sostituiscono gli atomi di silicio nel reticolo, si verifica una carenza di elettroni, creando "buchi". I buchi possono essere considerati come portatori di carica positiva e il materiale risultante è noto come tipo p (tipo positivo).
In una cella a contatto tutto posteriore, le regioni di tipo p e di tipo n sono disposte con cura sul lato posteriore della cella. Ciò consente la separazione efficiente dei portatori di carica generati quando la luce solare viene assorbita dal silicio. Le coppie elettrone-lacuna create dall'assorbimento dei fotoni vengono poi raccolte presso gli appositi elettrodi, convertendo l'energia luminosa in energia elettrica.
Reazioni chimiche in tutte le operazioni con celle a contatto posteriore
Il funzionamento di una All Back Contact Cell si basa su una serie di processi chimici e fisici. Quando la luce solare colpisce la superficie anteriore della cella, i fotoni con sufficiente energia vengono assorbiti dal silicio. Questo processo di assorbimento eccita gli elettroni dalla banda di valenza alla banda di conduzione, creando coppie elettrone-lacuna.
Gli elettroni eccitati nella banda di conduzione e le lacune nella banda di valenza vengono quindi separati a causa del campo elettrico creato dalla giunzione p-n. La giunzione p-n si forma all'interfaccia tra le regioni di tipo p e di tipo n. Il campo elettrico spinge gli elettroni verso la regione di tipo n e le lacune verso la regione di tipo p.
Una volta che i portatori di carica raggiungono le rispettive regioni, vengono raccolti dai contatti metallici sul lato posteriore della cella. I contatti metallici, solitamente realizzati con materiali come alluminio o argento, forniscono un percorso a bassa resistenza per il flusso di elettroni. L'interazione chimica tra i contatti metallici e il silicio è fondamentale per un'efficace raccolta della carica.
Ad esempio, è essenziale la formazione di un buon contatto ohmico tra il metallo e il silicio. Un contatto ohmico consente un facile flusso di corrente in entrambe le direzioni senza significative cadute di tensione. Ciò comporta spesso un processo chiamato lega metallo-silicio, in cui gli atomi di metallo reagiscono con gli atomi di silicio all'interfaccia per formare un nuovo composto con proprietà elettriche favorevoli.
Altro aspetto importante è la protezione della superficie del silicio. La superficie anteriore della cella All Back Contact è spesso rivestita con un sottile strato di materiale antiriflesso, come il nitruro di silicio (Si₃N₄). Questo strato riduce la riflessione della luce solare, consentendo a più fotoni di essere assorbiti dal silicio. La deposizione dello strato antiriflesso è un processo chimico che tipicamente comporta la deposizione chimica da fase vapore (CVD). Nella CVD, i precursori gassosi reagiscono sulla superficie del silicio per formare la pellicola sottile desiderata.
Stabilità chimica e durata
In qualità di fornitore di All Back Contact Cells, comprendiamo l'importanza della stabilità chimica e della durata. Tutte le celle a contatto posteriore sono progettate per funzionare in una varietà di condizioni ambientali e devono mantenere le loro prestazioni per lunghi periodi.
Il materiale di silicio nella cella è relativamente stabile in condizioni operative normali. Tuttavia, può essere suscettibile al degrado nel tempo a causa di fattori quali ossidazione e umidità. Per prevenire l'ossidazione, sulla superficie del silicio viene spesso applicato uno strato di passivazione. Questo strato, che può essere costituito da materiali come il biossido di silicio (SiO₂), funge da barriera tra il silicio e l'ambiente circostante, riducendo il tasso di ossidazione.
L'umidità può anche causare problemi alle celle solari. Le molecole d'acqua possono reagire con il silicio e i contatti metallici, provocando corrosione e una diminuzione delle prestazioni. Per risolvere questo problema, tutte le celle a contatto posteriore sono spesso incapsulate in materiali come etilene-vinilacetato (EVA) e un backsheet. L'EVA fornisce uno strato protettivo che sigilla la cella e impedisce l'ingresso di umidità, mentre il backsheet fornisce ulteriore supporto meccanico e protezione.
Vantaggi del design chimico di tutte le celle a contatto posteriore
Il design chimico unico di All Back Contact Cells offre numerosi vantaggi. Innanzitutto, posizionando tutti i contatti elettrici sul retro della cella, la superficie frontale risulta libera da qualsiasi ombreggiatura causata dai contatti. Ciò consente il massimo assorbimento della luce solare, portando a maggiori efficienze di conversione.
In secondo luogo, la separazione delle regioni di tipo p e di tipo n sul lato posteriore consente una raccolta della carica più efficiente. I profili di drogaggio e i modelli di contatto attentamente progettati riducono al minimo la ricombinazione dei portatori di carica, che rappresenta uno dei principali meccanismi di perdita nelle celle solari.
Anche la stabilità chimica e la durata di All Back Contact Cells contribuiscono alle loro prestazioni a lungo termine. Con un adeguato incapsulamento e passivazione, queste celle possono mantenere la loro efficienza per più di 25 anni, rendendole una scelta affidabile per i sistemi di energia solare.
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Riferimenti
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