الخلايا الشمسية

تنقسم الخلايا الشمسية إلى السيليكون البلوري والسيليكون غير المتبلور، ومن بينها يمكن تقسيم خلايا السيليكون البلورية إلى خلايا أحادية البلورية وخلايا متعددة البلورية؛ وتختلف كفاءة السيليكون أحادي البلورية عن كفاءة السيليكون البلوري.

تصنيف:

يمكن تقسيم الخلايا السيليكونية البلورية الشمسية المستخدمة بشكل شائع في الصين إلى:

بلورة واحدة 125*125

بلورة واحدة 156*156

متعدد البلورات 156*156

بلورة واحدة 150*150

بلورة واحدة 103*103

متعدد البلورات 125*125

عملية التصنيع:

تنقسم عملية إنتاج الخلايا الشمسية إلى فحص رقاقة السيليكون - تشكيل السطح والتخليل - الوصلة الانتشارية - إزالة الفسفرة من زجاج السيليكون - النقش البلازمي والتخليل - الطلاء المضاد للانعكاس - الطباعة على الشاشة - التلبيد السريع، إلخ. والتفاصيل هي كما يلي:

1. فحص رقاقة السيليكون

رقائق السيليكون هي حاملات الخلايا الشمسية، وجودة رقائق السيليكون تحدد بشكل مباشر كفاءة تحويل الخلايا الشمسية. لذلك، من الضروري فحص رقائق السيليكون الواردة. تُستخدم هذه العملية بشكل أساسي للقياس عبر الإنترنت لبعض المعلمات التقنية لرقائق السيليكون، وتشمل هذه المعلمات بشكل أساسي عدم استواء سطح الرقاقة، وعمر الناقل الأقلية، والمقاومة، ونوع P/N والشقوق الدقيقة، وما إلى ذلك. تنقسم هذه المجموعة من المعدات إلى التحميل والتفريغ التلقائي، ونقل رقاقة السيليكون، وجزء تكامل النظام، وأربع وحدات كشف. من بينها، يكتشف كاشف رقاقة السيليكون الكهروضوئية عدم استواء سطح رقاقة السيليكون، ويكتشف في الوقت نفسه معلمات المظهر مثل حجم رقاقة السيليكون وقطرها؛ تُستخدم وحدة الكشف عن الشقوق الدقيقة للكشف عن الشقوق الدقيقة الداخلية لرقاقة السيليكون؛ بالإضافة إلى ذلك، توجد وحدتا كشف: وحدة اختبار إلكترونية تُستخدم بشكل رئيسي لاختبار المقاومة النوعية لرقائق السيليكون ونوعها، ووحدة أخرى تُستخدم للكشف عن عمر ناقلات الشحنة الأقل. قبل الكشف عن عمر ناقلات الشحنة الأقل ومقاومتها، يجب الكشف عن الشقوق القطرية والصغيرة في رقاقة السيليكون، ثم إزالة رقاقة السيليكون التالفة تلقائيًا. تستطيع معدات فحص رقائق السيليكون تحميل وتفريغ الرقائق تلقائيًا، وتثبيت المنتجات غير المؤهلة في موضع ثابت، مما يُحسّن دقة وكفاءة الفحص.

2. السطح المحكم

يتم تحضير نسيج السيليكون أحادي البلورة باستخدام عملية الحفر متباين الخواص للسيليكون لتشكيل ملايين الأهرامات رباعية السطوح، أي هياكل هرمية، على سطح كل سنتيمتر مربع من السيليكون. بفضل الانعكاس والانكسار المتكرر للضوء الساقط على السطح، يزداد امتصاص الضوء، ويتحسن تيار القصر وكفاءة تحويل البطارية. عادةً ما يكون محلول الحفر متباين الخواص للسيليكون محلولًا قلويًا ساخنًا. القلويات المتاحة هي هيدروكسيد الصوديوم، وهيدروكسيد البوتاسيوم، وهيدروكسيد الليثيوم، وإيثيلين ديامين. يُحضّر معظم سيليكون الجلد المدبوغ باستخدام محلول مخفف غير مكلف من هيدروكسيد الصوديوم بتركيز حوالي 1%، وتتراوح درجة حرارة الحفر بين 70 و85 درجة مئوية. وللحصول على جلد مدبوغ متجانس، يجب إضافة الكحولات مثل الإيثانول والأيزوبروبانول إلى المحلول كعوامل معقدة لتسريع تآكل السيليكون. قبل تحضير الجلد المدبوغ، يجب إخضاع رقاقة السيليكون لنقش سطحي تمهيدي، ثم يُنقش حوالي 20-25 ميكرومترًا بمحلول نقش قلوي أو حمضي. بعد نقش الجلد المدبوغ، يُجرى تنظيف كيميائي عام. يجب عدم تخزين رقائق السيليكون المُجهزة للسطح في الماء لفترة طويلة لمنع التلوث، ويجب نشرها في أسرع وقت ممكن.

3. عقدة الانتشار

تحتاج الخلايا الشمسية إلى وصلة PN واسعة النطاق لتحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كهربائية، ويُعدّ فرن الانتشار جهازًا خاصًا لتصنيع وصلة PN للخلايا الشمسية. يتكون فرن الانتشار الأنبوبي بشكل رئيسي من أربعة أجزاء: الجزء العلوي والسفلي من قارب الكوارتز، وغرفة غاز العادم، وجزء جسم الفرن، وجزء خزانة الغاز. يستخدم الانتشار عادةً مصدر سائل أوكسي كلوريد الفوسفور كمصدر للانتشار. ضع رقاقة السيليكون من النوع P في وعاء الكوارتز بفرن الانتشار الأنبوبي، واستخدم النيتروجين لجلب أوكسي كلوريد الفوسفور إلى وعاء الكوارتز عند درجة حرارة عالية تتراوح بين 850 و900 درجة مئوية. يتفاعل أوكسي كلوريد الفوسفور مع رقاقة السيليكون للحصول على ذرة الفوسفور. بعد فترة زمنية معينة، تدخل ذرات الفوسفور الطبقة السطحية لرقاقة السيليكون من جميع الجوانب، وتخترقها وتنتشر فيها عبر الفجوات بين ذراتها، مشكلةً بذلك السطح البيني بين أشباه الموصلات من النوع N وأشباه الموصلات من النوع P، أي الوصلة PN. تتميز الوصلة PN المُنتجة بهذه الطريقة بتوحيد جيد، وتقل نسبة عدم توحيد مقاومة الصفيحة عن 10%، ويمكن أن يتجاوز عمر ناقل الأقلية 10 مللي ثانية. تُعد عملية تصنيع الوصلة PN العملية الأساسية والأكثر أهمية في إنتاج الخلايا الشمسية. ولأنها عملية تكوين الوصلة PN، فإن الإلكترونات والفجوات لا تعود إلى أماكنها الأصلية بعد التدفق، مما يؤدي إلى تكوين تيار كهربائي، يُسحب بواسطة سلك، وهو تيار مستمر.

4. إزالة الفسفرة من زجاج السيليكات

تُستخدم هذه العملية في إنتاج الخلايا الشمسية. من خلال النقش الكيميائي، تُغمر رقاقة السيليكون في محلول حمض الهيدروفلوريك لإحداث تفاعل كيميائي يُنتج مركبًا معقدًا قابلًا للذوبان، وهو حمض سداسي فلورو السيليكات، لإزالة نظام الانتشار. تتشكل طبقة من زجاج الفوسفوسيليكات على سطح رقاقة السيليكون بعد الوصلة. أثناء عملية الانتشار، يتفاعل POCL3 مع O2 لتكوين P2O5 الذي يترسب على سطح رقاقة السيليكون. يتفاعل P2O5 مع Si لتوليد SiO2 وذرات الفوسفور. بهذه الطريقة، تتشكل طبقة من SiO2 تحتوي على عناصر الفوسفور على سطح رقاقة السيليكون، والتي تُسمى زجاج الفوسفوسيليكات. تتكون معدات إزالة زجاج الفوسفور سيليكات بشكل عام من الجسم الرئيسي، وخزان التنظيف، ونظام محرك سيرفو، وذراع ميكانيكي، ونظام تحكم كهربائي، ونظام توزيع حمض أوتوماتيكي. مصادر الطاقة الرئيسية هي حمض الهيدروفلوريك، والنيتروجين، والهواء المضغوط، والماء النقي، وحرارة عادم الرياح، ومياه الصرف الصحي. يُذيب حمض الهيدروفلوريك السيليكا، إذ يتفاعل معها مُولِّدًا غاز رباعي فلوريد السيليكون المتطاير. إذا كانت كمية حمض الهيدروفلوريك كبيرة، فإن رباعي فلوريد السيليكون الناتج عن التفاعل سيتفاعل مع حمض الهيدروفلوريك مُكوِّنًا مُركَّبًا قابلًا للذوبان، وهو حمض سداسي فلورو السيليسيك.

5. النقش البلازمي

نظرًا لأنه أثناء عملية الانتشار، حتى لو تم اعتماد الانتشار العكسي، فسيتم نشر الفوسفور حتمًا على جميع الأسطح بما في ذلك حواف رقاقة السيليكون. ستتدفق الإلكترونات المولدة ضوئيًا والمجمعة على الجانب الأمامي من الوصلة PN على طول منطقة الحافة حيث ينتشر الفوسفور إلى الجانب الخلفي من الوصلة PN، مما يتسبب في حدوث ماس كهربائي. لذلك، يجب حفر السيليكون المشوب حول الخلية الشمسية لإزالة الوصلة PN عند حافة الخلية. تتم هذه العملية عادةً باستخدام تقنيات حفر البلازما. يكون حفر البلازما في حالة ضغط منخفض، حيث تُثار الجزيئات الأم للغاز التفاعلي CF4 بواسطة طاقة التردد اللاسلكي لتوليد التأين وتكوين البلازما. تتكون البلازما من إلكترونات وأيونات مشحونة. تحت تأثير الإلكترونات، يمكن للغاز في غرفة التفاعل أن يمتص الطاقة ويشكل عددًا كبيرًا من المجموعات النشطة بالإضافة إلى تحويله إلى أيونات. تصل المجموعات التفاعلية النشطة إلى سطح SiO2 بسبب الانتشار أو تحت تأثير المجال الكهربائي، حيث تتفاعل كيميائيًا مع سطح المادة المراد نقشها، وتشكل منتجات تفاعل متطايرة تنفصل عن سطح المادة المراد نقشها، ويتم ضخها خارج التجويف بواسطة نظام الفراغ.

6. طلاء مضاد للانعكاس

تبلغ انعكاسية سطح السيليكون المصقول 35%. لتقليل انعكاس السطح وتحسين كفاءة تحويل الخلية، يلزم ترسيب طبقة من غشاء نيتريد السيليكون المضاد للانعكاس. في الإنتاج الصناعي، تُستخدم معدات PECVD غالبًا لتحضير أغشية مضادة للانعكاس. PECVD هو ترسيب كيميائي للبخار مُحسَّن بالبلازما. يتمثل مبدأه التقني في استخدام بلازما منخفضة الحرارة كمصدر للطاقة، حيث توضع العينة على مهبط التفريغ المتوهج تحت ضغط منخفض، ويُستخدم التفريغ المتوهج لتسخين العينة إلى درجة حرارة محددة مسبقًا، ثم تُدخل كمية مناسبة من الغازات التفاعلية SiH4 وNH3. بعد سلسلة من التفاعلات الكيميائية والبلازما، يتشكل غشاء الحالة الصلبة، وهو غشاء نيتريد السيليكون، على سطح العينة. يبلغ سمك الغشاء المترسب بهذه الطريقة حوالي 70 نانومتر. تتميز هذه الأغشية بخصائص بصرية. باستخدام مبدأ تداخل الفيلم الرقيق، يمكن تقليل انعكاس الضوء بشكل كبير، وزيادة تيار الدائرة القصيرة ومخرجات البطارية بشكل كبير، كما يتم تحسين الكفاءة بشكل كبير.

7. الطباعة على الشاشة

بعد خضوع الخلية الشمسية لعمليات التشكيل والانتشار وPECVD، تتشكل وصلة PN، قادرة على توليد تيار كهربائي تحت الإضاءة. ولتصدير التيار الكهربائي، يلزم صنع أقطاب موجبة وسالبة على سطح البطارية. هناك طرق عديدة لصنع الأقطاب، وتُعد طباعة الشاشة العملية الأكثر شيوعًا لإنتاج أقطاب الخلايا الشمسية. طباعة الشاشة هي طباعة نقش مُحدد مسبقًا على السطح باستخدام النقش البارز. تتكون هذه الآلة من ثلاثة أجزاء: طباعة معجون الفضة والألومنيوم على ظهر البطارية، وطباعة معجون الألومنيوم على ظهرها، وطباعة معجون الفضة على واجهتها. مبدأ عملها هو: استخدام شبكة نمط الشاشة لاختراق المادة السائلة، وتطبيق ضغط معين على الجزء السائل من الشاشة باستخدام مكشطة، ثم تحريكها نحو الطرف الآخر من الشاشة في نفس الوقت. يتم ضغط الحبر من شبكة الجزء الرسومي على السطح بواسطة الممسحة أثناء حركتها. بسبب التأثير اللزج للمعجون، يتم تثبيت الطبعة ضمن نطاق معين، وتكون الممسحة دائمًا على اتصال خطي مع لوحة الطباعة على الشاشة والركيزة أثناء الطباعة، ويتحرك خط الاتصال مع حركة الممسحة لإكمال ضربة الطباعة.

8. التلبيد السريع

لا يمكن استخدام رقاقة السيليكون المطبوعة بتقنية الشاشة مباشرةً. بل يجب تلبيدها بسرعة في فرن تلبيد لحرق رابط الراتنج العضوي، تاركةً أقطابًا فضية شبه نقية ملتصقة برقاقة السيليكون بفضل تأثير الزجاج. عندما تصل درجة حرارة قطب الفضة والسيليكون البلوري إلى درجة حرارة الانصهار، تندمج ذرات السيليكون البلوري في مادة قطب الفضة المنصهر بنسبة معينة، مما يُشكل التلامس الأومي بين القطبين العلوي والسفلي، ويحسّن جهد الدائرة المفتوحة ومعامل ملء الخلية. المعيار الرئيسي هو جعلها تتمتع بخصائص مقاومة لتحسين كفاءة التحويل في الخلية.

ينقسم فرن التلبيد إلى ثلاث مراحل: التلبيد المسبق، والتلبيد، والتبريد. تهدف مرحلة التلبيد المسبق إلى تحلل وحرق رابط البوليمر في الملاط، وترتفع درجة الحرارة تدريجيًا في هذه المرحلة. في مرحلة التلبيد، تكتمل تفاعلات فيزيائية وكيميائية مختلفة في الجسم الملبد لتكوين بنية غشاء مقاوم، مما يجعله مقاومًا فعليًا. تصل درجة الحرارة إلى ذروتها في هذه المرحلة. في مرحلة التبريد، يُبرّد الزجاج ويُصلّب ويُصلّب، بحيث يلتصق الغشاء المقاوم بالركيزة بإحكام.

9. الأجهزة الطرفية

في عملية إنتاج الخلايا، يلزم أيضًا توفير مرافق محيطية مثل مصدر الطاقة، وإمدادات الطاقة، وإمدادات المياه، والصرف الصحي، وتكييف الهواء، والتفريغ، والبخار الخاص. كما تُعد معدات الحماية من الحرائق وحماية البيئة ذات أهمية خاصة لضمان السلامة والتنمية المستدامة. بالنسبة لخط إنتاج الخلايا الشمسية الذي يبلغ إنتاجه السنوي 50 ميجاوات، يبلغ استهلاك الطاقة للعملية ومعدات الطاقة وحدها حوالي 1800 كيلووات. تبلغ كمية المياه النقية المستخدمة في العملية حوالي 15 طنًا في الساعة، وتتوافق متطلبات جودة المياه مع المعيار الفني EW-1 للمياه الإلكترونية الصينية GB/T11446.1-1997. تبلغ كمية مياه التبريد المستخدمة في العملية أيضًا حوالي 15 طنًا في الساعة، ويجب ألا يزيد حجم الجسيمات في جودة المياه عن 10 ميكرون، ويجب أن تكون درجة حرارة مصدر المياه 15-20 درجة مئوية. يبلغ حجم عادم التفريغ حوالي 300 متر مكعب في الساعة. وفي الوقت نفسه، يلزم أيضًا حوالي 20 مترًا مكعبًا من خزانات تخزين النيتروجين و10 أمتار مكعبة من خزانات تخزين الأكسجين. مع مراعاة عوامل السلامة الخاصة بالغازات الخاصة، مثل السيلان، من الضروري أيضًا إنشاء غرفة غاز خاصة لضمان سلامة الإنتاج بشكل كامل. كما تُعد أبراج احتراق السيلان ومحطات معالجة مياه الصرف الصحي مرافق ضرورية لإنتاج الخلايا.