نافذة عملية تجويف رقائق السيليكون الضوئية بالليزر: مقارنة المعايير لتقنيتي PERC/TOPCon

الاختلافات الأساسية في معايير الحفر بالليزر الكهروضوئي بين هندستي PERC وTOPCon

التغيرات في العتبات الحرارية وعتبات الإزالة عبر طبقات التمرير المصنوعة من الألومنيوم (Al-BSF) مقابل طبقات البولي سيليكون (Poly-Si)

تتميز خلايا PERC بما يُسمى بحقل السطح الخلفي من الألومنيوم (Al-BSF)، مع هيكل اتصال خلفي متجانس نسبيًا. ويتيح هذا الترتيب تفاعلات قابلة للتنبؤ بها إلى حدٍّ ما عند استخدام الليزر على المادة، وعادةً ما يكون عتبة الازالة حوالي 1.2 جول لكل سنتيمتر مربع. أما في تقنية TOPCon، فتختلف الأمور تمامًا. إذ يؤدي دمج طبقة أكسيد النفق مع السيليكون متعدد البلورات (poly-Si) إلى إحداث حالة أكثر تعقيدًا بكثير، حيث تتفاوت التوصيلية الحرارية عبر الطبقات المختلفة. وبما أن السيليكون متعدد البلورات يتحمل الحرارة بشكل أفضل، فإننا نلاحظ ارتفاع عتبة الازالة لتصل إلى ما بين 1.8 و2.5 جول لكل سنتيمتر مربع. ولذلك فإن تطبيق الكمية المناسبة من الطاقة هنا أمرٌ في غاية الأهمية. فالطاقة الزائدة قد تتسبب فعليًّا في تشقق طبقات السيليكون متعدد البلورات، بينما تؤدي الطاقة غير الكافية إلى ترك بقايا أكسيد غير مرغوب فيها. أما بالنسبة لخلايا PERC القياسية، فإن تجاوز عتبة 1.5 جول لكل سنتيمتر مربع قد يؤدي إلى مشاكل مثل تناثر الألومنيوم وحدوث قصر كهربائي.

تأثير تعقيد ترتيب الطبقات على جودة حافة التجويف وخطر إعادة التوصيل

الهيكل المعقد المكوَّن من خمس طبقات في تقنية TOPCon (طبقة SiNx فوق طبقة SiO2، ثم طبقة بولي سيليكون، تليها طبقة أخرى من SiO2 على السيليكون البلوري c-Si) يُحدث مخاطر أعلى بكثير من إعادة التوصيل عند الحواف أثناء عملية التخريم مقارنةً بالتركيب الأبسط المكوَّن من ثلاث طبقات المستخدم في تقنية PERC (Al2O3/SiNx/c-Si). وعندما تنتشر الطاقة الحرارية بشكل غير متساوٍ عبر طبقات البولي سيليكون أثناء المعالجة، فإن ذلك يؤدي فعليًّا إلى تشكُّل شقوق دقيقة حول الحواف المخرَّمة بمسافة تتراوح بين ٣ و٥ ميكرومتر. وهذه العيوب ترفع معدلات إعادة التوصيل السطحية بنسبة تصل إلى ٤٠٪ أكثر مما يُلاحظ في خلايا PERC. ولحل هذه المشكلة، يحتاج المصنِّعون إلى نبضات ليزر فائقة السرعة تقل مدتها عن ١٠ بيكومتر للحفاظ على تأثير الحرارة محصورًا في منطقة موضعية ضيقة. أما في تقنية PERC، فتوجد مشكلة مختلفة تمامًا: فإذا تجاوز زاوية التخريم ٧٠ درجة، فإن ذلك يميل إلى إحداث فراغات في الطلاء المعدني، ما يؤدي إلى انخفاض كفاءة الخلية بنسبة تبلغ نحو ٠,٨٪. وهذا يعني أن مصنِّعي الألواح الشمسية يجب أن يكيِّفوا تقنيات التخريم الليزري الخاصة بهم وفقًا لهيكل الخلية المحدَّد الذي يعملون عليه. وبشكل عام، تؤدي تقنية TOPCon أفضل أداءٍ باستخدام عدة نبضات ليزر متباعدة زمنيًّا لمعالجة الإجهادات الحرارية بشكل أفضل، بينما تُنتج خلايا PERC عادةً حوافًا أكثر نعومةً عند معالجتها باستخدام حزم ليزر ذات شكل غاوسي.

تحديد نافذة عملية الحفر بالليزر للخلايا الكهروضوئية المتينة

التجاذبات الحرجة للمعاملات: مدة النبضة، والكثافة الطاقية، وسرعة المسح لتحقيق توحُّد العمق (±0.3 ميكرومتر)

يعتمد تحقيق توحُّد العمق ضمن مدى ±0.3 ميكرومتر اعتمادًا كبيرًا على إيجاد التوازن الأمثل بين مدة النبضة، ومستويات التدفُّق الطاقي (Fluence)، وسرعة الحركة عبر المادة. وعند العمل مع نبضات أقصر في المدى من ١٠ إلى ٥٠ نانوثانية، نحصل على مناطق أصغر متأثرة حراريًّا، لكننا نحتاج إلى رفع التدفُّق الطاقي إلى نحو ٢–٥ جول لكل سنتيمتر مربع لتحقيق نتائج اقتلاع (Ablation) مناسبة. أما من ناحية أخرى، فإن النبضات الأطول تنقل الطاقة بكفاءة أكبر، لكنها قد تتسبب فعليًّا في إتلاف طبقات العزل (Passivation) الدقيقة تلك بسبب التسخين المفرط. كما يجب أن تتطابق سرعة المسح بدقة مع إعدادات التدفُّق الطاقي المختارة. فالسرعة التي تتجاوز ٥ أمتار في الثانية غالبًا ما تؤدي إلى تشكُّل أخاديد مدبَّبة الشكل، بينما تؤدي السرعات الأقل من ٢ متر/ثانية عادةً إلى ظهور شقوق دقيقة مزعجة في المادة. ومن واقع خبرة معظم المصنِّعين في عملياتهم اليومية، فإن زيادة التدفُّق الطاقي بمقدار ٠.٥ جول/سم² تتيح لهم زيادة سرعة المسح بنسبة تقارب ١٥٪ دون التضحية بالتحكم في العمق. ومن الجدير بالذكر أن الحفاظ على تداخل النبضات المكاني (Pulse Spatial Overlap) عند أقل من ٣٠٪ يساعد في تجنُّب مشاكل تراكم الحرارة. وهذا يُحدث فرقًا جوهريًّا عند مقارنة تقنيتي PERC وTOPCon، إذ تحتاج طبقات البولي سيليكون (poly-Si) إلى طاقة تزيد بنحو ٤٠٪ قبل أن تبدأ في الاقتلع مقارنةً بالهياكل التقليدية القائمة على طبقة الألومنيوم-BSF (Al-BSF).

التشكيـل بنفاذة واحدة مقابل التشكيـل بعدة نفاذات: مقايضات العائد والسرعة والإستقرار في عزل الحواف

عند استخدام تقنيات التخريم ذي المرور الواحد، يحقق المصنعون أقصى إنتاجية ممكنة، لكنهم يواجهون مشكلات تتعلق بعدم انتظام الحواف وتراكم بقايا السيليكون. ويصبح هذا الأمر مزعجًا للغاية بالنسبة للعاملين مع هياكل طبقات البولي سيليكون/أكسيد السيليكون (poly-Si/SiOx) المعقدة المستخدمة في خلايا TOPCon. أما اعتماد منهجية التخريم المتعدد المرات فيُسهم في التخفيف من هذه المشكلات إلى حدٍ كبير، لأنها توزِّع تطبيق الطاقة على عدة خطوات. وتساعد هذه الطريقة في خفض درجات الحرارة القصوى بما يقارب ٦٠ درجة مئوية، كما تحسِّن استقرار عزل الحواف بشكل ملحوظ. ومع ذلك، لا بد من الإشارة إلى أن هذه المنهجية تؤدي إلى انخفاض بنسبة نحو ٥٠٪ في سرعة الإنتاج، ما يعني أن الشركات مضطرة إلى إجراء حسابات جادة جدًّا لمدى الجدوى التكلفة-الفائدة قبل الانتقال إليها. وأظهرت الأبحاث التي أُجريت العام الماضي أن الأساليب متعددة المرات لا تكون مجدية ماليًّا إلا إذا تجاوزت كفاءة الخلايا ٢٤٪. وبالنسبة لرقائق PERC على وجه التحديد، فقد اعتمدت العديد من المصانع استراتيجيات هجينة تبدأ بمرور أولي قوي، ثم تتبعه مرورات تنظيف أكثر لطفًا. وعادةً ما تحقق هذه التركيبات معدل ناتج يبلغ نحو ٩٦٪، مع معالجة حوالي سبع رقائق في الدقيقة. وفي النهاية، يجب على أي جهة تعمل على تحسين عمليتها التصنيعية أن تركِّز تركيزًا شديدًا على منع مشكلات إعادة الاتحاد عند الحواف، لأن أدنى الخسائر هنا تنعكس مباشرةً في انخفاض الكفاءة. فانخفاض عزل الحواف بنسبة ١٪ فقط يؤدي إلى انخفاض الأداء الكلي بمقدار ٠٫٣٪ تقريبًا — وهي نتيجة لا يرغب أي مصنِّع في رؤيتها تؤثر سلبًا على صافي أرباحه.

التحقق من معايير حفر القنوات بالليزر في الخلايا الكهروضوئية وقياسها في الإنتاج عالي الإنتاجية

مقارنة القياسات أثناء التصنيع: التصوير المقطعي البصري مقابل المجهر التداخلّي للحصول على عدم يقين عمق القناة ضمن نطاق ±50 نانومتر

يتطلب الحصول على قياسات العمق التي تقل عن ٥٠ نانومترًا في الإنتاج الضخم اليوم تقنيات قياس متقدمة جدًّا مُدمَجة في خط الإنتاج. وتؤدي تقنية التصوير المقطعي التماسكي البصري (OCT) أداءً جيدًا جدًّا في هذا المجال، حيث توفر إمكانات تصوير ثلاثي الأبعاد سريعة وغير التماسكية، ويمكنها معالجة نحو ٢٠٠ رقاقة في الساعة. ولهذا السبب تُعدُّ هذه التقنية مناسبة جدًّا لخطوط إنتاج خلايا PERC وTOPCon عالية الحجم التي نراها منتشرة في كل مكان حاليًّا. ويعتمد أسلوب عمل تقنية OCT على أنماط التداخل، ما يسمح لها باكتشاف التغيرات الطفيفة جدًّا في العمق حتى مستوى الميكرونات، رغم أنها تبدأ في مواجهة صعوبات عند التعامل مع الجدران شديدة الانحدار التي تتجاوز زاوية ميلها ٨٠ درجة. ومن ناحية أخرى، تتبع المجهرية البؤرية نهجًا مختلفًا باستخدام ليزر مُرشَّح عبر فتحة دبوسية لمسح الأسطح. وهذه الطريقة توفر في الواقع دقة أعلى في القياس العمودي، وقد تم التحقق منها لتصل إلى ±٢٠ نانومترًا، وهي مفيدة بشكل خاص عند تحليل أشكال الأخاديد المعقدة. ومع ذلك فهي أبطأ نسبيًّا، ما يؤدي إلى خفض سرعة الإنتاج بنسبة تقارب ٣٠٪، لكن الدقة والتفاصيل التي تمنحها تعوِّض هذه العيوب. إذ تتمكن أنظمة المجهرية البؤرية من اكتشاف الشقوق المجهرية المزعجة وبقايا مادة الابلاشن التي قد تسبب مشكلات لاحقًا في طبقات تمرير السيليكون. وعندما يحتاج المصنِّعون إلى تحقيق توازن بين السرعة المطلوبة ودرجة الدقة المطلوبة، فإن تقنية OCT عادةً ما تكون الأنسب للخصائص السطحية الضحلة التي لا يتجاوز عمقها ٣ ميكرومترات. أما بالنسبة للهياكل الأعمق في تصاميم TOPCon، حيث يُشكِّل تلف الحرارة مصدر قلق كبير، فإن معظم المهندسين ذوي الخبرة يفضِّلون استخدام المجهرية البؤرية بدلًا من ذلك.

أسئلة شائعة

ما الفرق الرئيسي بين تقنيتي الخلايا الشمسية PERC وTOPCon؟

تستخدم خلايا PERC بنية مجال سطح خلفي من الألومنيوم (Al-BSF)، بينما تتضمّن خلايا TOPCon طبقةً أكثر تعقيدًا تشمل السيليكون متعدد البلورات (poly-Si) وأكاسيد النفق، مما يسمح بزيادة عتبة الازالة بالليزر لكنه يضيف أيضًا تعقيدًا في عملية التصنيع.

لماذا تُعدّ الحفر بالليزر مهمةً في إنتاج الخلايا الكهروضوئية؟

يُعدّ الحفر بالليزر أمرًا حاسمًا لقطع الطبقات بدقة في تصنيع الخلايا الشمسية، ويؤثر ذلك على الكفاءة وجودة الحواف وخطر إعادة الاتحاد (recombination)، وبالتالي يؤثر في الأداء العام للخلايا.

كيف تؤثر مدة النبضة على عملية الحفر؟

تلعب مدة النبضة دورًا كبيرًا في التحكم في مناطق التأثير الحراري وتوحيد العمق. فالمدد القصيرة تقلّل من انتشار الحرارة، لكنها تتطلب كثافة طاقة أعلى لتحقيق ازالة فعّالة، أما المدد الأطول فقد تؤدي إلى تراكم مفرط للحرارة، ما قد يتسبب في تلف الطبقات الحساسة.

ما المزايا التي توفرها تقنيات الحفر المتعدد المرات؟

تُوزِّع تقنيات الحفر المتعدد المرورات تطبيق الطاقة، مما يقلل من درجات الحرارة القصوى ويعزِّز استقرار عزل الحواف. ومع ذلك، فإنها تقلل من سرعة الإنتاج، ما يستدعي إجراء تحليلٍ لمقارنة التكاليف بالفوائد لتحديد الجدوى المالية.

كيف تُستخدم تقنية التصوير المقطعي البصري (OCT) والمجهر التآلفي في القياس على خط الإنتاج؟

توفر تقنية التصوير المقطعي البصري (OCT) تصويرًا ثلاثي الأبعاد سريعًا وغير متصلٍ بالعينة لميزات سطحية ضحلة، وهي مناسبة للبيئات ذات معدل الإنتاج العالي. أما المجهر التآلفي فيقدِّم دقةً أعلى في التصوير للأشكال المعقدة ويكتشف الشقوق المجهرية، وإن كان ذلك بوتيرة أبطأ، مما يجعله مفيدًا في عمليات الفحص التفصيلية للهياكل الطباقية المعقدة.