Analisi delle celle solari - Applicazioni di microscopia elettronica a scansione (SEM).

August 16, 2022

Recentemente, i prezzi globali del petrolio sono aumentati notevolmente e il settore delle energie rinnovabili, rappresentato dalla produzione di energia solare fotovoltaica (PV), ha ricevuto ampia attenzione. In quanto componente centrale della produzione di energia fotovoltaica, le prospettive di sviluppo e il valore di mercato delle celle solari fotovoltaiche sono al centro dell'attenzione. Nel mercato globale delle batterie, le celle fotovoltaiche rappresentano circa il 27%[1]. Il microscopio elettronico a scansione svolge un ruolo importante nel migliorare il processo di produzione e la relativa ricerca delle celle fotovoltaiche.

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La cella fotovoltaica è un sottile foglio di semiconduttore optoelettronico che converte l'energia solare direttamente in energia elettrica. Le attuali celle fotovoltaiche commerciali prodotte in serie sono principalmente celle in silicio, che si dividono in celle in silicio monocristallino, celle in silicio policristallino e celle in silicio amorfo.

Metodi di testurizzazione superficiale per il miglioramento dell'efficienza delle celle solari

Nell'attuale processo di produzione delle celle fotovoltaiche, al fine di migliorare ulteriormente l'efficienza di conversione energetica, sulla superficie della cella viene solitamente realizzata una speciale struttura testurizzata e tali celle sono chiamate celle "non riflettenti". Nello specifico, la struttura strutturata sulla superficie di queste celle solari migliora l'assorbimento della luce aumentando il numero di riflessioni della luce irradiata sulla superficie del wafer di silicio, il che non solo riduce la riflettività della superficie, ma crea anche trappole di luce all'interno della cella, aumentando così in modo significativo l’efficienza di conversione delle celle solari, il che è importante per migliorare l’efficienza e ridurre il costo delle celle fotovoltaiche in silicio esistenti[2].

Confronto tra superficie piana e superficie con struttura piramidale

Rispetto ad una superficie piana, un wafer di silicio con struttura piramidale ha una maggiore probabilità che la luce riflessa dalla luce incidente agisca nuovamente sulla superficie del wafer anziché riflettersi direttamente nell'aria, aumentando così il numero di luce diffusa e riflesso sulla superficie della struttura, consentendo l'assorbimento di più fotoni e fornendo più coppie elettrone-lacuna.

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Percorsi luminosi per diversi angoli di incidenza della luce che colpiscono la struttura piramidale

I metodi comunemente utilizzati per la testurizzazione superficiale includono l'attacco chimico, l'attacco con ioni reattivi, la fotolitografia e la scanalatura meccanica. Tra questi, il metodo dell'attacco chimico è ampiamente utilizzato nel settore a causa del suo basso costo, dell'elevata produttività e del metodo semplice [3] . Per le celle fotovoltaiche in silicio monocristallino, l'attacco anisotropo prodotto dalla soluzione alcalina su diversi strati cristallini di silicio cristallino viene solitamente utilizzato per formare una struttura simile alla formazione "piramidale" che è il risultato dell'anisotropia della soluzione alcalina su diversi strati cristallini di silicio cristallino. La formazione della struttura piramidale è causata dalla reazione anisotropa degli alcali con il silicio [4] . In una certa concentrazione di soluzione alcalina, la velocità di reazione di OH- con la superficie di Si(100) è molte volte o addirittura una dozzina di volte superiore a quella della superficie di Si(111), ed è questa differenza nella velocità di reazione che porta alla formazione della struttura piramidale.

I microscopi elettronici a scansione contribuiscono al miglioramento della qualità delle celle solari

Nel processo di incisione chimica, la concentrazione della soluzione di incisione, la temperatura, il tempo di reazione e altri fattori influenzeranno la preparazione della superficie del vello delle cellule di cristallo di silicio, determinando una diversa riflettività. Utilizzando il microscopio elettronico a scansione di filamenti di tungsteno CIQTEK SEM3100 è possibile osservare efficacemente la dimensione dell'area incisa e la struttura piramidale superficiale durante il processo di fabbricazione.

Grazie ai vantaggi del vano campioni di grande capacità del microscopio elettronico CIQTEK SEM3100, gli utenti possono inserire campioni fino a 370 mm di diametro senza tagliarli e il tavolino portacampioni completamente automatizzato a cinque assi del microscopio elettronico può essere inclinato da -10° a 75 °, consentendo l'osservazione multiangolo di diverse posizioni del campione.

Tavolo campione inclinato a 45°

Tavolo campione inclinato a 45°

Tavolo portacampioni inclinato a 30°

Tavolo portacampioni inclinato a 30°

Campione posizionato orizzontalmente

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La tensione di accelerazione inferiore di 3 ~ 5 kV viene utilizzata per osservare la struttura piramidale superficiale delle celle fotovoltaiche nel microscopio elettronico SEM3100, che può ridurre la profondità di penetrazione del fascio di elettroni sulla superficie del campione e rendere più ricchi i dettagli della superficie osservata e caratterizzare meglio la superficie difetti e forma della struttura, aiutando così gli utenti a confrontare e analizzare i diversi processi di produzione del velluto.

Secondo la ricerca GIR (Global Info Research), il fatturato globale delle apparecchiature per celle solari (PV) sarà pari a circa 44,7 miliardi di dollari nel 2021 e si prevede che raggiungerà i 55,57 miliardi di dollari nel 2028. Tra i tipi di prodotto, il silicio monocristallino continuerà a occupare una posizione posizione importante. Essendo un potente strumento per l'analisi microscopica, CIQTEK SEM3100 sarà un potente strumento per migliorare il processo di produzione delle celle fotovoltaiche e la ricerca correlata.

Riferimenti:

[1]Wu Jiejie, et al. Ricerca e prospettive nel settore delle batterie[J]. Chimica moderna, 2017, 37(9):5.

[2]Li Jiayuan. Studio della superficie del vello delle celle solari [D]. Università della Tecnologia di Dalian, 2009.

[3] Li HL, Zhao L, Diao HW et al. Analisi dei fattori che influenzano la struttura piramidale nella produzione del flusso di silicio monocristallino[J]. Giornale dei cristalli artificiali, 2010, 39(4):5.

[4]Nishimoto Y, Namba K. Indagine sulla testurizzazione per celle solari in silicio cristallino con soluzioni di carbonato di sodio[J]. Materiali per l'energia solare e celle solari, 2000, 61(4):393-402.

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