Kimyasal açıdan kuvars, güneş hücreleri yapmak için gerekli olan hammadde olan silisyum dioksit (SiO2) birleşik silisyum oksijen tetrahedra kristal yapılarından oluşur.

Ham kuvarstan güneş hücresine üretim süreci, silisyumun geri kazanılması ve saflaştırılması ile başlayan ve ardından, montaja hazır güneş hücrelerine daha sonra işlenen kullanılabilir yonga plakalar-silisyum Wafer (Yonga plaka/levha)- dilimlenmesiyle başlayan bir dizi adımı içerir.

Kuvarstan güneş hücresine kadar tüm değer zincirini sadece birkaç üretici kontrol etmektedir. Çoğu fotovoltaik (FV) güneş paneli üretim şirketi, çeşitli tedarikçilerden satın alınan hazır güneş hücrelerinin montaj imalatçılarından başka bir şey olmasa da, bazı fabrikaların en azından silisyum yonga plaka (wafer) şeklindeki hammaddenin daha fazla işlendiği ve rafine edildiği kendi güneş hücresi üretim hatları vardır.

Güneş Hücresi Üretim Sanayi Yapısı

Fotovoltaik (FV) endüstrisinde, silisyum kuvarstan güneş hücresine kadar olan üretim zinciri, genellikle değer zincirinin tamamına veya yalnızca bölümlerine odaklanan 3 ana şirket türünü içerir:

1.) Temel olarak tüm değer zincirini kontrol eden şirketler olan kuvarstan güneş hücresi üreticileri-Dikey entegre şirketler. (Örnek: Tongwei , Longi)

2.) Kuvarstan Wafer (Yonga Plaka) üreticileri – silisyum yonga plaka (wafer) dilimlenmesi üretim aşamasında ustalaşan ve daha sonra bu yonga plakaları kendi güneş hücresi üretim ekipmanlarıyla fabrikalara satan şirketler.

3.) Silisyum Yonga Plakadan güneş hücresi üreticileri. Temel olarak güneş hücresinin kalitesini ve fiyatını kontrol etmek için kendi Wafer (yonga plakası)’ndan hücreye üretim ekipmanlarına sahip sınırlı sayıda FV Güneş paneli üreticilileridir.

Bu yazının amacı doğrultusunda silisyum yonga plakadan kaliteli güneş hücresinin üretimi olan 3. Madde’ye bakacağız.

Silisyum Wafer (Yonga Plaka) Nasıl Üretilir?

Bir silisyum Wafer (Yonga Plaka) yapmadan önce, kuvars içindeki saf olmayan silisyum dioksitin indirgenmesi ve saflaştırılmasıyla geri kazanılması gereken saf silisyuma ihtiyaç vardır.

Bu ilk adımda, ezilmiş kuvars özel bir fırına konur ve ardından elektrot ile silisyum dioksit arasında yüksek sıcaklıkta bir elektrik arkı oluşturmak için bir karbon elektrot uygulanır.

Karbon ark kaynağı (CAW) olarak adlandırılan bu işlem, silisyum dioksitten gelen oksijeni azaltır ve elektrot ile erimiş silisyumda karbondioksit üretir.

Bu erimiş silisyum %99 saftır ve güneş hücrelerinde işlemek için hala yetersizdir, bu nedenle yüzer bölge tekniği (FTZ: floating zone technique) uygulanarak daha fazla saflaştırma yapılır.

FTZ sırasında, %99 saf silisyum, ısıtılmış bir tüp içinden tekrar tekrar aynı yönde geçirilir. Bu işlem, %1 saf olmayan kısımları bir uca iter, kalan %100 saf kısımlar ise diğer tarafta kalır. Saf olmayan kısım daha sonra kolayca kesilebilir.

Czochralski prosesi adı verilen işlemde Silisyumun kristal tohumları, Czochralski büyütme aparatının polikristal silisyum eriyiğine konur. Çektirme aparatı ile erimiş haldeki “kristal tohumları” çıkarılır, pota döndürülürken eriyikten dökülen ve monokristal silisyum hücrelerin yapımında kullanılan saf silindirik bir silisyum külçe (ingot) oluştururlar.

Polikristalli silisyum hücreler yapmak için çeşitli yöntemler mevcuttur:

1.) ısı değişim yöntemi (HEM:) heat exchange method

2.) elektro-manyeto döküm (EMC: electro-magneto casting)

3.) yönlü katılaştırma sistemi (DSS: directional solidification system)

Yönlü katılaştırma sistemi (DSS, tanınmış ekipman üreticisi GT Advanced‘in makineleriyle desteklenen en yaygın üretim yöntemdir. Bu yöntemle silisyum, DSS külçe(ingot) büyütme fırınından geçirilir ve ikinci dereceden saf silisyum bloklar halinde işlenir.

Külçelerin dökümü sırasında kullanılan silisyum genellikle dilimlemeden ve üreticilere satılmadan önce dopinglidir.

Dopingleme İşlemi, temel olarak, elektriksel olarak iletken hale getirmek için kristal silisyum yonga plakaya (wafer) yabancı maddeler (bor,fosfor)  ekleme işlemidir.

Bu pozitif (p-tipi) ve negatif (n-tipi) doping malzemeleri çoğunlukla p-tipi dopingleme için kullanılan 3 elektronlu (3 değerlikli) bor ve  n-tipi doping için kullanılan 5 elektronlu (5 değerlikli) fosfordur. Silisyum yonga plakalar genellikle önceden bor ile katkılıdır.

Külçelerimizi(ingot) hazır hale getirdikten sonra, çok telli bir testere kullanılarak genellikle 125 mm veya 156 mm – geometrik şekil gereksinimlerine bağlı olarak, güneş hücreleri için genellikle yerden tasarruf sağlayan sekizgen veya dikdörtgen şekiller- silisyum yonga plakalar (wafer) halinde dilimlenebilirler.

Silisyum Yonga Plakaların Güneş Hücresine Dönüşümü

Silisyum Yonga’lardan (Wafer) güneş hücresi üretmenin standart proses akışı, silisyum Wafer ilk kalite kontrolünden, güneş hücresinin son kalite kontrol testine kadar 9 adımdan oluşur.

Adım 1: Ön Kontrol ve Ön Arıtma

Ham silisyum yonga plakalar (wafer) önce bir ön kontrolden geçirilir ve bu sırada geometrik şekil ve kalınlık uygunluğu ve çatlak, kırılma, çizik veya diğer anormallikler gibi hasarlar kontrol edilir.

Bu ön kontrolün ardından, yonga plakalar (wafer) aksi takdirde o yonganın verimliliğini etkileyecek herhangi bir metal kalıntısı, sıvı veya diğer üretim kalıntılarını yüzeyden çıkarmak için endüstriyel sabunlarla ayrılır ve temizlenir.

2. Adım: Tekstüre (Dokulama) İşlemi

İlk ön kontrolün ardından, gelen ışığın yansıma kayıplarını azaltmak için silisyum yonga plakaların (wafer) ön yüzeyi dokulandırılır (tekstüre edilir).

Monokristal silisyum Yonga plakalar (wafer) için en yaygın teknik, yüzeyin hizalanmış yukarı dönük piramit yapılarıyla kaplanmasını içeren rastgele piramit dokusudur.

Bu, ön yüzeyden yukarıyı gösteren aşındırma (etching) ile elde edilir. Oyulmuş piramitlerin düzgün hizalanması, monokristal silisyumun düzenli, düzgün atomik yapısının bir sonucudur.

Monokristal silisyumun düzenli, düzgün atomik yapısı, elektronların hücre içinden akışına da yarar sağlar, çünkü daha az sınırla elektronlar çok daha iyi akar. Bu nedenle, monokristal silisyum, çok kristalli silisyumun taneli atomik yapılarına göre daha fazla verimlilik sunan bir elektrokimyasal yapısal avantaja sahiptir.

Bu tür piramit yapısı varken, gelen ışık geri yansımaz ve sürekli kırılmalarla yüzeye geri döner.

Daha az yaygın olan bir diğer tekstüre etme tekniği, ters piramit tekstüre etmedir. Ön yüzeyden yukarıyı işaret etmek yerine, piramitler yonga levha (wafer) yüzeyine kazınmıştır. Benzer şekilde ters çevrilmiş piramit deliklerinde sıkışan ışığın yansıma kayıplarına ulaşılır.

Çok kristalli silisyum yongaların (wafer) tekstüre edilmesi, ışık kullanılarak bir alt tabaka üzerine geometrik bir şeklin oyulmasını içeren bir teknik olan fotolitografi veya lazer ya da özel testereler ile yüzeyin mekanik olarak kesilmesini gerektirir.

3. Adım: Asit Temizleme

Tekstüre (dokulandırma) işleminden sonra, yongalar asidik durulamaya (veya: asitle temizlemeye) tabi tutulur. Bu adımda, dokulandırma sonrası herhangi bir partikül kalıntısı yüzeyden uzaklaştırılır.

Hidroflorik asit (HF) buharı kullanılarak, substrat üzerindeki oksitlenmiş silisyum tabakalar, yonga plaka yüzeyinden aşındırılarak uzaklaştırılabilir. Sonuç, kolayca kurutulabilen ıslak bir yüzeydir.

Hidrojen klorür (HCl) kullanılarak, yüzeydeki metalik kalıntılar klorür tarafından emilebilir ve böylece yonga plakadan çıkarılabilir.

4.Adım: Difüzyon

Difüzyon, temel olarak silisyum yonga plakayı (Wafer) elektriksel olarak daha iletken hale getirmek için katkı(doping) maddesi ekleme işlemidir. Temel olarak 2 difüzyon yöntemi vardır: katı hal difüzyonu ve emitör difüzyonu.

Eski yöntem temel olarak yonga plakaların p tipi ve n tipi malzemelerle önceden bahsedilen tekdüze dopingini içerirken, emitör difüzyon, yonga plakaları bir difüzyon kaplama fırınından geçirerek yonga plakası üzerine ince bir dopant malzeme içeren kaplama yerleştirilmesini ifade eder.

Döküm işlemi sırasında p tipi bor ile önceden dopinglenmiş olan yonga plakası, yüksek sıcaklıkta fosforlu bir kaynakla dağıtılarak negatif (n tipi) bir yüzey verilen difüzyon işlemi sırasında pozitif-negatif (p-n) kavşağını oluşturur.

Neden Yonga Plakası difüze edilir? P tipindeki elektron eksikliğinin bu kavşağı ve n tipindeki yüksek elektron konsantrasyonu, n tipinden fazla elektronların p tipine geçmesini sağlar, bu da kavşakta bir elektron alanı oluşturan bir akıştır.

5.Adım: Dağlama (Etching) ve Kenar İzolasyonu

Difüzyon sırasında, n tipi fosfor sadece istenen yonga plakası(wafer) yüzeyine değil, aynı zamanda yonga plakası (wafer) kenarlarına ve arka tarafına da yayılır, ön ve arka taraf arasında bir elektrik yolu oluşturur ve bu şekilde iki taraf arasında elektriksel izolasyonu önler.

Gravür(dağlama) ve kenar izolasyonu işleminin amacı, hücreleri üst üste yığarak ve daha sonra maruz kalan kenarları kazımak için tetraflorometan (CF4) kullanarak ve plazma gravür odasına maruz bırakarak yonga plakası (wafer) kenarının etrafındaki bu elektrik yolunu kaldırmaktır.

6. Adım: Aşındırma Sonrası Yıkama

Dağlama (etching) işleminden sonra, parçacık kalıntıları potansiyeli yonga plakası (wafer) ve yonga plakası (wafer) kenarlarında kalır. Bu nedenle, önceki aşındırma işleminin kalıntılarını gidermek için yonga plakaların (wafer) ikinci bir yıkamadan geçmesi gerekir.

Bu ikinci yıkamadan sonra, yonga plakaları (wafer) yansıma önleyici (AR) kaplamanın birikmesi için ayrıca işlenebilir.

7.Adım: Yansıma Önleyici (AR) Kaplama Biriktirme

Yüzey dokulamasına (tekstürlemesine) ek olarak, yansımayı daha da azaltmak ve hücre tarafından absorbe edilen ışık miktarını artırmak için genellikle yüzeye AR kaplama uygulanır. Hücreye renk verilen işlemdir.

Çıplak silisyum güneş hücrelerinin yansıma oranı %30’un üzerinde olduğu için bu yansıma önleyici kaplamaya çok ihtiyaç vardır. İnce AR (Anti Reflektif) kaplama için silisyum nitrür (Si3N4) veya titanyum oksit (TiO2) kullanılır. Güneş hücresinin rengi, yansıma önleyici kaplamanın kalınlığı ayarlanarak değiştirilebilir.

Yarı iletken endüstrisinde, katmanları hücreler üzerine yerleştirmek için temel olarak üç yöntem vardır:

1.) Atmosferik Basınçlı Kimyasal Buhar Biriktirme (APCVD), Sadece birkaç uygulama için kullanılır ve yüksek sıcaklıklar gerektirir.

2.) Düşük Basınçlı Kimyasal Buhar Biriktirme (LPCVD), Tüp fırınlarda yapılacak biriktirme işlemini içerir ve APCVD yöntemi gibi yüksek sıcaklıklar gerektirir.

3.) Plazmayla Geliştirilmiş Kimyasal Buhar Biriktirme (PECVD), Yonga plaka üzerinde AR kaplamanın biriktirilmesi için en yaygın yöntemdir.

PECVD işleminde, ince kaplama gaz halindedir ve yonga plaka üzerinde katılaşmaya dayalı bir kimyasal reaksiyon işlemiyle gerçekleşir.

8.Adım: İletken Basımı ve Kurutma (Metalizasyon-Serigrafik Baskı)

Resim 7: Hücre Üretiminde metal macunların sürülmesi

Bir sonraki adım olarak, ohmik kontaklar oluşturmak amacıyla yonga plaka üzerine metal hatlar yazdırılır. Bu metal hatlar, yonga plakanın arka yüz yazdırması olarak isimlendirilen sırt yüzüne yazdırılır.

Arka taraf kuruduktan sonra, bu işlemi ön taraf kontaklarının baskısı takip eder, ardından yonga plaka (wafer) bir kez daha kurutulur.

Tüm kontaklar arka ve ön taraflara basıldıktan sonra, serigrafi baskılı yonga plakalar (wafer) üzerindeki kuru metal macunları katılaştırmak için bir sinterleme fırınından geçirilir. Ardından, yonga plakalar soğutulur ve artık fotovoltaik güneş hücresi olarak adlandırılabilir.

Çeviri: Murat Güven, 05.09.2021.