Солнечные электростанции на гетероструктурных элементах: история технологии, предварительный обзор и сравнение с мировыми аналогами

история технологии, предварительный обзор и сравнение с мировыми аналогами

Статьи

Гетероструктурные солнечные батареи HEVEL HJT: история технологии, предварительный обзор и сравнение с мировыми аналогами

Итак, первое, что нам необходимо сделать, это определиться с формулировками, а точнее с сокращенным обозначением данной технологии. В развернутом виде наименование ее звучит как «Heterojunction with intrinsic thin-layer technology» — буквально «технология гетероперехода с внутренними тонкими пленками». Под упомянутыми «тонкими пленками» подразумеваются тонкие пленки аморфного кремния. Созвучно самой технологии принято называть и солнечные модули – «гетеропереходные» (в России с подачи разработчика и производителя больше прижилось название «гетероструктурные», которое мы и будем использовать далее). Довольно редко и в самом обобщенном виде можно встретить такое понятие как «гетерогенные» солнечные батареи, но пользоваться им вследствие нераспространенности данного термина применительно к данной тематике мы не будем. Внимательно рассмотрев различие в аббревиатурах, которые приняли для обозначения данной технологии различные производители, можно заключить, что у компании Panasonic (которая поглотила изначального разработчика – компанию SANYO) аббревиатура HIT складывается из следующих заглавных букв общего названия «Heterojunction with Intrinsic Thin-layer technology» (гетеропереход с интегрированными тонкими пленками), а у компании «Хевел» (Hevel) аббревиатура HJT – из «HeteroJunction with intrinsic thin-layer Technology» (технология гетероперехода). Это сделано в первую очередь потому, что соответствующие технологии и товарные знаки запатентованы своими разработчиками. Нам же это не даст запутаться в терминах – далее при упоминании технологии компании SANYO/Panasonic используем аббревиатуру HIT, компании «Хевел» — HJT, без обозначения соответствующего знака правовой охраны товарного знака ® (в виде HIT®).

Рассматривать в деталях тонкопленочные микроморфные солнечные модули Hevel мы не будем, так как продукт это не новый, и со всеми характеристиками можно ознакомиться в общедоступных источниках, в том числе на нашем сайте. На технологии аморфных солнечных модулей подробно мы не останавливаемся по следующим причинам: во-первых, данную информацию можно свободно найти на просторах интернета и, во-вторых, данный тип солнечных батарей с момента своего появления так и не получил широкого распространения, кроме того, подавляющее большинство производителей не ведут исследований в данном направлении и на сегодняшний день мы считаем данный продукт постепенно вытесняемым с рынка новыми, более перспективными решениями. Гетероструктурная технология, напротив, является абсолютной новинкой для российского рынка, так как ранее модули, выполненные на основе гетероперехода, на территории России не производились и не продавались. В целом достоин внимания тот факт, что в мире немногие компании производят солнечные модули по данной технологии, и, таким образом, компания «Хевел» в настоящее время входит в ТОП-3 мировых производителей HJT (HIT) модулей.

Остановимся подробнее на истории разработки и выхода на рынок HIT-технологии от пионера в области разработки солнечных батарей на основе аморфных пленок — компании SANYO, которая начала этот путь еще в далеком 1975 году. Отметим, что гетероструктурные солнечные модули SANYO HIT изготовлены из монокристаллических кремниевых пластин с нанесенными на них с обеих сторон чрезвычайно тонкими слоями аморфного кремния. Глубоко не вдаваясь в технические тонкости, вкратце выразим ключевую особенность HIT-технологии, обусловливающую новизну данного решения: благодаря покрытию пластин кристаллического кремния тонкими пленками аморфного кремния, в кристалле, вследствие снижения рекомбинационных центров на поверхности, ощутимо возрастает продолжительность жизни зарядов; как результат, повышается эффективность преобразования солнечного света, так как именно потерями носителей заряда на поверхности кремниевой пластины ограничен КПД традиционных солнечных элементов (см. рисунок). Необходимо добавить, что срок патентной защиты фирмы Sanyo Electric Co. Ltd. на данную технологию истек 8 августа 2011 года, и, с того момента, как патент перестал защищать своего правообладателя, другие компании-производители солнечных батарей, такие как «Хевел», получили возможность работать над дальнейшим развитием и улучшением данного способа производства солнечных ячеек.

Основные вехи развития HIT-технологии от тандема компаний SANYO/Panasonic:

• 1975: компания SANYO начала разработку солнечных ячеек из аморфного кремния

• 1980: SANYO становится первым в мире производителем, выпускающим солнечные ячейки из аморфного кремния на коммерческой основе
• 1997: гетеропереходные солнечные ячейки с внутренними «тонкими пленками» были внедрены SANYO в серийное производство и поступили на рынок под торговой маркой HIT®. Поступление в продажу солнечных модулей мощностью 170 Вт. КПД ячейки 16,4%, КПД модуля 14,4%1998: поступление в продажу солнечных модулей мощностью 180 Вт. КПД ячейки 17,4%, КПД модуля 15,2%
• 2002: поступление в продажу солнечных модулей мощностью 190 Вт. КПД ячейки 18,5%, КПД модуля 16,1%
• 2003: SANYO выпускает на рынок модули мощностью 200 Вт с самым высоким в мире КПД
• 2005: начало производства HIT-модулей SANYO на фабрике в Венгрии
• 2007: SANYO преодолевает планку в 100 миллионов произведенных HIT-ячеек. В лаборатории достигнута эффективность ячеек в 22,3%. Расширение фабрики в Венгрии. Поступление в продажу солнечных модулей мощностью 215 Вт. КПД ячейки 19,3%, КПД модуля 17,2%
• 2009: SANYO выпускает на европейский рынок высокоэффективные HIT-модули мощностью 220 Вт. Обладая КПД 17,4%, данные модули по-прежнему имеют самую высокую в мире эффективность

• 2010: SANYO выпускает на европейский рынок высокоэффективные HIT-модули мощностью 235 Вт. Имея КПД 18,6%, модули остаются самыми эффективными в мире

• 2011: в феврале SANYO запускает производство модулей 240 Вт с КПД ячеек 21,6%. В октябре, благодаря наиболее высокой степени преобразования энергии с использованием HIT-технологии, команда токийского университета выиграла проходящий в Австралии престижный гоночный чемпионат мира среди автомобилей на солнечных батареях

• 2012: в апреле происходит смена бренда выпускаемых солнечных модулей с SANYO на Panasonic. Изменения касаются только названия бренда – структура продаж и производственные мощности остаются без изменений
• 2014: новые, улучшенные модули мощностью 245 Вт выходят на рынок. В лаборатории достигнут новый мировой рекорд эффективности ячеек в 25,6%. Произведен 1 миллиард солнечных ячеек
• 2015: на рынок поступают новые компактные модули мощностью 285 Вт

• 2016: продление для европейского рынка гарантии на HIT-модули до 15 лет. В продажу поступают новые мощные модули с номиналами 295 и 330 Вт

• 2017: отмечается 20-летие массового производства солнечных HIT-модулей. Продление гарантийного срока на европейском рынке на HIT-модули с 15 до 25 лет

Теперь более подробно рассмотрим историю HJT-технологии от отечественного производителя солнечных модулей – компании «Хевел» (завод в г. Новочебоксарск, Чувашская Республика), с упоминанием дополнительных подробностей в виде планов компании и полученных сертификатов:

• 2014, октябрь: генеральный директор ГК «Хевел» сообщает, что на базе «НТЦ тонкопленочных технологий в энергетике» (далее по тексту – «НТЦ ТПТ») ведется разработка и подготовка к серийному производству солнечных модулей нового типа, выполненных по технологии гетероперехода, преимуществами которой являются повышенный КПД и более стабильные электрические характеристики при работе в условиях высоких температур, при которых ощутимо падает эффективность стандартных кристаллических солнечных элементов. Было сообщено, что уже вскоре после начала исследований был достигнут КПД фотоэлементов порядка 16%, и группа исследователей ставит целью довести данный показатель в ближайшей перспективе не менее чем до 22%, тем самым приблизившись к лучшим мировым достижениям в данной области
• 2014, декабрь: в «НТЦ ТПТ» на опытной технологической линии изготовлены промышленные прототипы гетероструктурных солнечных модулей по HJT-технологии на основе кристаллических кремниевых ячеек размером 156х156 мм. КПД полученных образцов составляет порядка 20%. Для дальнейшего роста производительности ведутся работы по отработке технологических процессов химической обработки поверхности пластин кристаллического кремния, режимов осаждения слоев аморфного кремния, изготовления контактной сетки
• 2015, декабрь: специалистами «НТЦ ТПТ» достигнут КПД солнечных HJT-ячеек в 22%. Типовой КПД обычных кристаллических ячеек на этот момент составляет на 4-5% меньше
• 2016, июль: «НТЦ ТПТ» был получен патент на собственную технологию изготовления гетероструктурных солнечных модулей (HJT). После модернизации конвейера на заводе «Хевел» в Новочебоксарске под выпуск нового продукта планируется рост производственных мощностей со 100 до 160 МВт в год. Промышленные образцы солнечных модулей показывают КПД 20,3%
• 2016, ноябрь: исследователям «НТЦ ТПТ» удалось получить первый образец солнечного элемента по гетероструктурной технологии на кристаллическом кремнии толщиной 90 мкм. С данным результатом это самая тонкая в России ячейка солнечного модуля. Стандартная толщина такой ячейки в два раза выше – 180 мкм. На практике положительный эффект данного достижения выражается в экономии кремния при изготовлении солнечных модулей и снижении себестоимости производства кремниевых пластин на 20%
• 2017, февраль: идет процесс поэтапного запуска основных систем модернизированной технологической линии с увеличенной почти вдвое производственной мощностью. Участок по изготовлению солнечных ячеек введен в эксплуатацию одним из первых. Участок по сборке солнечных ячеек в готовые модули проходит завершающий этап пуско-наладочных работ. Во время предварительного ввода в действие линии по изготовлению гетероструктурных солнечных модулей получена эффективность солнечных ячеек в 21,75%
• 2017, апрель: на заводе «Хевел» в г. Новочебоксарск начато производство гетероструктурных солнечных модулей по HJT-технологии с проектным годовым объемом выпуска 160 МВт. КПД ячейки составляет 22%, КПД модуля — не менее 20%
• 2017, июнь: обсуждается возможность увеличения производственной мощности завода со 160 до 220 МВт в год
• 2017, июль: получение сертификата на соответствие требованиям Технического регламента Таможенного союза «О безопасности низковольтного оборудования» (ТР ТС) дает возможность компании «Хевел» приступить к продаже новых модулей. Также пройдена добровольная сертификация фотоэлектрических модулей в АНО «Наносертифика» как продукция наноиндустрии. Дополнительно, модули успешно прошли экологическую сертификацию и получили право на международно признанную экологическую маркировку «Листок жизни» (Vitality Leaf). Требования стандартов предусматривают улучшенные показатели коэффициента полезного действия модулей по сравнению с аналогами (не менее 17%), высокие показатели стабильности работы модулей (номинальная мощность модулей на протяжении первых 25 лет не снижается более чем на 20%), применение сырья и материалов, минимизирующих негативное воздействие модулей на окружающую среду и здоровье человека при их производстве и эксплуатации
• 2017, август: по результатам проекта второго этапа модернизации, находящегося на стадии технико-экономического обоснования, планируется увеличение производственной мощности вплоть до 250 МВт в год. При текущих объемах производства продукция завода «Хевел» законтрактована на ближайшие пять лет. Обсуждаются планы по объему экспорта солнечных модулей, которые могут составить около 10% от общего объема производства
• 2017, сентябрь: начаты работы по реализации второго этапа модернизации технологической линии завода в Новочебоксарске, в рамках которого мощность производственного комплекса будет увеличена со 160 до 250 МВт солнечных модулей в год. Данный этап расширения производства позволит начать выпуск односторонних и двусторонних гетероструктурных модулей из 72 солнечных ячеек, что даст возможность увеличить среднюю мощность модуля до 400 Вт и более. Планируемый срок окончания работ – к концу 2018 года. В Майминском районе Республики Алтай введена в эксплуатацию первая солнечная электростанция мощностью 20 МВт на модулях нового поколения

• 2017, октябрь: на заводе «Хевел» в Новочебоксарске в рамках промышленного производства сошла с конвейера первая партия гетероструктурных солнечных ячеек с эффективностью 22,7%. Планируется, что достигнутые успехи в связке с дальнейшей оптимизацией производственных процессов позволят стабильно выпускать солнечные элементы со средним КПД около 23%

• 2018, январь: с момента старта производства в апреле 2017 года было произведено более 323 тысяч модулей общей мощностью 95,25 МВт, что позволило подтвердить годовую проектную мощность в 160 МВт после первого этапа модернизации. За полгода с начала производства солнечных модулей по новой технологии удалось на 25% увеличить производительность ключевого участка – плазмохимического осаждения. Кроме того, были улучшены рецепты нанесения слоев ITO, трафаретная печать, что в итоге позволило последовательно в течение года увеличивать КПД продукции. В результате к концу 2017 года средняя эффективность ячеек была увеличена с 20 до 22,8%, а мощность модулей из 60 ячеек в серийном производстве выросла с 280 до 310 Вт. Таким образом, оптимизация ряда технологических процессов на ключевых участках линии уже в декабре 2017 года позволила превысить проектные показатели на 10%
• 2018, февраль: получен сертификат TÜV Rheinland (от независимой сторонней организации, аккредитованной для тестирования и сертификации фотоэлектрических систем и компонентов в соответствии с различными международными стандартами). Солнечные модули компании Хевел прошли испытания по стандартам МЭК (международного электротехнического комитета) IEC 61215 и IEC 61730. Получение сертификата свидетельствует об успешном прохождении различных испытаний на качество и безопасность в лаборатории TÜV в Германии
• 2018, март: в «НТЦ ТПТ» пройдены испытания солнечных модулей Hevel в условиях экстремально низких температур (-60 °C), что открывает для них перспективу арктического применения. Начат экспорт солнечных панелей «Хевел» в ряд стран Европы и Азии. Согласно коммерческим условиям контрактов, страны-покупатели на данном этапе не разглашаются

Отметим, что главным новшеством, привнесенным российскими учеными в существовавшую ранее HIT-технологию, является следующее – операции диффузии и имплантации при создании p-n перехода были заменены технологической операцией осаждения нанопленок аморфного кремния поверх кристаллического кремния плазмохимическим методом.

Более или менее разобравшись с историей развития технологии на мировом и отечественном рынках, давайте перечислим преимущества модулей Hevel HJT (и в целом технологии гетероперехода) и сравним текущего «лидера» компании «Хевел» с самым мощным модулем линейки от компании Panasonic.

Как нам уже известно, гетероструктурная технология представляет собой гибрид кристаллического и тонкопленочного типов кремниевых солнечных элементов. В результате данной комбинации удается объединить основные плюсы кристаллических и тонкопленочных аморфных модулей, что выражается в получении следующих ключевых преимуществ:

• более высокий КПД, чем у того или иного типа солнечных панелей в отдельности
• медленная световая деградация с течением времени
• более высокая эффективность при повышенных температурах эксплуатации, низкий температурный коэффициент мощности
• лучшее восприятие рассеянного света, выше производительность в отсутствие прямых солнечных лучей
• устойчивость к частичному затенению

Далее приведем сравнительную таблицу с характеристиками модулей Hevel HJT 310 Вт и Panasonic HIT 330 Вт.

Из интересных моментов, кроме прочего, можно отметить следующее — несмотря на различное соотношение сторон, размер и количество ячеек, площадь модулей совпадает почти до тысячной доли квадратного метра. Таким образом, на сегодняшний день данное соотношение площади и мощности можно считать неким промышленным стандартом для гетероструктурных модулей. Принимая во внимание такие факторы как ожидаемый в скором времени сход с конвейера завода «Хевел» солнечных панелей Hevel HJT мощностью уже 320 Вт и лидирующее положение модулей Panasonic в своей нише и в целом их наилучший среди серийно выпускаемых солнечных батарей температурный коэффициент, можно заключить, что солнечные модули Hevel в действительности приблизились по своим параметрам к лучшим мировым аналогам модулей на основе гетероперехода. В настоящее время практически вся выпускаемая заводом продукция поставляется для строительства больших сетевых солнечных электростанций, поставляющих энергию на оптовый рынок электроэнергии и мощности (ОРЭМ). Параллельно ведется работа по разработке политики розничных продаж и обоснованию цены, по которой модули смогут приобрести частные лица и организации для собственных нужд. Без сомнения, данные гетероструктурные солнечные батареи Hevel отечественного производства, обладающие весьма достойными характеристиками, сейчас являются одним из самых ожидаемых продуктов солнечной индустрии на российском рынке.

С полным ассортиментом и характеристиками солнечных модулей Hevel Вы можете ознакомиться на нашем сайте в разделе «СОЛНЕЧНЫЕ БАТАРЕИ HEVEL (РОССИЯ)». В том числе там сразу же появятся цены на новые гетероструктурные панели HVL HJT, как только они поступят в продажу. Следите за соответствующим разделом на сайте, или оставьте контактные данные, и Вы узнаете о поступлении перспективной новинки одними из первых.

гетероструктурные солнечные батареи,

панели Hevel,

Хевел Новочебоксарск,

солнечные модули,

ВИЭ,

солнечные батареи,

альтернативные источники энергии,

фотоэлектрические модули

Рыночные перспективы гетероструктурных (HJT) модулей – интрига солнечной энергетики

Фотоэлектрическая солнечная энергетика сегодня стала ведущим сектором мировой электроэнергетики по объемам привлекаемых ежегодно инвестиций (~$150 млрд в год) и вводимых мощностей (>100 ГВт в год).

Лидирующие позиции сектора были достигнуты благодаря, в том числе, непрерывному потоку инноваций. Учёные и промышленники ежедневно пытаются снизить материалоемкость и эффективность продукции и производственных процессов.

Неудивительно, на рынке появляются всё новые типы солнечных модулей, отличающиеся повышенной эффективностью по сравнению со среднерыночным уровнем.

Одним из типов такой эффективной продукции являются гетероструктурные модули (HJT – HeteroJunction Technology). Иногда их еще называют SHJ (Silicon heterojunction), подчеркивая, что речь идёт о кремниевых солнечных элементах. Полное название технологии: «Heterojunction with intrinsic thin-layer technology» — буквально «технология гетероперехода с внутренними тонкими пленками». Под «тонкими пленками» подразумевается слой аморфного кремния, который «добавляется» к пластинам n-типа из монокристаллического кремния.

Посмотрим на базовую тенденцию в технологиях производства солнечных модулей. Если со второй половины нулевых годов основным, занимавшим большую рыночную долю, материалом для производства модулей являлся поликристаллический (мультикристаллический) кремний, то сегодня очевиден переход к более эффективным монокристаллическим солнечным элементам, которые в ближайшее время практически полностью вытеснят конкурента с мирового рынка:

Эта тенденция подтверждается производственным планами промышленников. Например, крупнейший производитель в мире, китайская JinkoSolar, в своей презентации для инвесторов за 3 квартал 2019 года прямо указывает, что, если в 2018 году на поликристаллические модули приходилось 56% выпуска его продукции, то в 2020 году 99% будет приходиться на «высокоэффективные» монокристаллические солнечные панели.

На мировом рынке доминирующей технологией сегодня становятся PERC (passivated emitter and rear cell) солнечные элементы из монокристаллического кремния, отличающиеся повышенной эффективностью. Ещё в 2014 году годовой объем выпуска солнечных ячеек моно-PERC p-типа в мире не превышал 1 ГВт. По оценке экспертов PV-Tech, в 2019 году он превысит 60 ГВт, то есть технология станет основной (по объемам производства/продаж).

Технологии семейства PERx (включая PERC, PERT, PERL) будут господствовать на рынке в ближайшие десять лет, с этим согласно большинство специалистов. В то же время, как показано на следующем графике из ITRPV, пожалуй, основного ежегодного доклада по технологиям солнечной энергетики, рыночная доля гетероструктурных SHJ элементов будет однозначно расти:

В краткосрочной перспективе, к 2023 году, как показывает прогноз PV InfoLink, глобальные производственные мощности по выпуску HJT продуктов вырастут до 15 ГВт:

Очевидно, что HJT и PERC сегодня становятся основными массовыми эффективными технологиями, которые конкурируют по соотношению стоимости и эффективности.

Как показывает тот же ITRPV, потенциал роста эффективности у HJT ячеек однозначно выше, чем у семейства PERx:

В текущем году неоднократно отмечались всё новые и новые рекорды эффективности PERC-элементов. Поэтому одним из возможных сценариев развития рынка некоторые эксперты считают более быстрое распространение PERC-технологий и более медленное расширение рыночной доли HJT в ближайшие годы (более дешевые, но эффективные PERC снизят стимулы для инвестиций в HJT). Однако существуют некоторые технологические нюансы, которые мешают технологии PERC реализовать потенциал своей высокой эффективности на рынке. В частности, можно упомянуть так называемую LeTID деградацию (Light and elevated Temperature Induced Degradation), вызываемую светом и повышенной температурой.

Сегодня специалисты всё чаще рассуждают о технологиях «после PERC», поскольку последняя приближается к пределу возможных усовершенствований. Одной из таких «ближайших» технологий является HJT.

Одним из препятствий быстрого распространения HJT продукции считается более высокая цена кремниевых пластин n-типа. Однако, как показывают последние данные, разница в цене между пластинами p- и n-типа снизилась до всего 5% (R. Kopecek, Life after PERC, SNEC Shanghai, June 4, 2019).

Другим препятствием для расширения HJT является более высокая стоимость производственных линий. Капитальные инвестиции в фабрику на единицу выпускаемой продукции (скажем, на 100 МВт) у HJT могут быть в три раза выше, чем у PERC.

Этот недостаток отчасти смягчается тем, что процесс производства HJT элементов состоит из меньшего числа этапов:

Высокая стоимость оборудования повышает порог входа на рынок, увеличивает степень риска для инвесторов.

В то же время, по экспертным оценкам, более высокие затраты на промышленные линии лишь в незначительной степени сказываются на стоимости конечной продукции (см., например, Solving all bottlenecks for silicon heterojunction technology, Photovoltaics International Volume 42). Речь идёт о росте стоимости на приблизительно 1 американский цент за ватт.

Более высокая стоимость компенсируется рядом преимуществ гетероструктурных солнечных модулей. Их отличает низкий температурный коэффициент (при повышении температуры модуля выработка снижается в меньшей степени, чем у обычных кремниевых солнечных панелей), отсутствие деградации типов PID (Potential induced degradation) и LID (Light Induced Degradation), легко реализуемая двусторонность ячеек, обеспечивающая более высокую выработку, чем у двусторонних модулей PERC, а также уже упомянутая высокая эффективность преобразования.

По расчётам Becquerel Institute (2019), несмотря на более высокие удельные капитальные затраты, стоимость единицы энергии, вырабатываемой объектом, оснащенным модулями HJT, может быть ниже, и на приличную величину:

Поэтому HJT «cчитается ультраэффективной технологией следующего поколения с наибольшим промышленным потенциалом» (Becquerel Institute).

На мировом рынке представлено пока относительно небольшое число производителей HJT элементов и модулей (Panasonic, REC, Risen Energy…). В этом ряду стоит и российская группа компаний «Хевел», имеющая свой научно-технический центр, и выпускающая 250 МВт гетероструктурных модулей в год, которые пользуются спросом и за рубежом.

Предыдущая статьяУглеродно-нейтральный жилой район из 35 домов появится в ВеликобританииСледующая статьяНа Ставрополье заработала ещё одна очередь крупнейшей солнечной электростанции России

Солнечный свет, питающий солнечные панели, также повреждает их. «Легирование галлием» дает решение

Солнечная энергия уже является самой дешевой формой производства электроэнергии, и ее стоимость будет продолжать падать по мере появления новых улучшений в технологии и ее глобальном производстве. Теперь новое исследование изучает, что может стать еще одним важным поворотным моментом в производстве солнечных элементов.

В Австралии более двух миллионов крыш оборудованы солнечными панелями (больше всего на душу населения в мире). Основным материалом, используемым в панелях, является силикон. Кремний составляет большую часть отдельных компонентов солнечной батареи, необходимых для преобразования солнечного света в энергию. Но необходимы и некоторые другие элементы.

Исследования, проведенные нашей группой в Школе фотогальваники и возобновляемых источников энергии Университета Нового Южного Уэльса, показывают, что добавление галлия к кремнию элемента может привести к очень стабильным солнечным панелям, которые гораздо менее подвержены деградации в течение срока службы.

Это долгосрочная цель для следующего поколения солнечных панелей: чтобы они производили больше энергии в течение всего срока службы, а это означает, что электроэнергия, производимая системой, в долгосрочной перспективе будет дешевле.

Поскольку для достижения этой цели все больше и больше используется галлий, наши результаты дают надежные данные, которые могут позволить производителям принимать решения, которые в конечном итоге будут иметь глобальное влияние.

Процесс «легирования» солнечных элементов

Солнечный элемент преобразует солнечный свет в электричество, используя энергию солнечного света для «отрыва» отрицательных зарядов, или электронов, в кремнии. Затем электроны собираются в виде электричества.

Однако свет, падающий на простой кусок кремния, не генерирует электричество, так как электроны, испускаемые светом, не все движутся в одном направлении. Чтобы электричество текло в одном направлении, нам нужно создать электрическое поле.

Читать далее:
Любознательные дети: как работают солнечные батареи?

В кремниевых солнечных элементах, которые в настоящее время производят электроэнергию для миллионов австралийских домов, это делается путем добавления в кремний различных примесных атомов, чтобы создать область с большим количеством отрицательных зарядов, чем у обычного кремния (кремний n-типа) и область с меньшим количеством отрицательных зарядов (кремний р-типа).

Когда мы соединяем две части кремния вместе, мы образуем так называемый «p-n переход». Это позволяет солнечной батарее работать. А добавление примесных атомов в кремний называется «легированием».

Неудачный побочный эффект солнечного света

Наиболее часто используемый атом для формирования части кремния р-типа с меньшим отрицательным зарядом, чем обычный кремний, — это бор.

Бор — отличный атом для использования, так как он имеет точное количество электронов, необходимое для выполнения задачи. Он также может очень равномерно распределяться по кремнию при производстве кристаллов высокой чистоты, необходимых для солнечных элементов.

Но, как ни странно, попадание света на кремний, наполненный бором, может привести к ухудшению качества кремния. Это часто называют «световой деградацией», и это было горячей темой в исследованиях солнечной активности за последнее десятилетие.

Причина такой деградации относительно хорошо понятна: когда мы делаем чистый кремниевый материал, мы должны целенаправленно добавлять некоторые примеси, такие как бор, для создания электрического поля, которое управляет электричеством. Однако в результате в кремний включаются и другие нежелательные атомы.

Одним из таких атомов является кислород, который встраивается в кремний из тигля — большого горячего котла, в котором очищается кремний.

Когда свет попадает на кремний, содержащий как бор, так и кислород, они связываются друг с другом, вызывая дефект, который может задерживать электричество и уменьшать количество энергии, вырабатываемой солнечной панелью.

К сожалению, это означает, что солнечный свет, питающий солнечные панели, также повреждает их в течение срока службы. Похоже, что элемент под названием галлий может стать решением этой проблемы.

Разумный подход

Бор — не единственный элемент, который мы можем использовать для производства кремния p-типа. Беглое прочтение периодической таблицы показывает целый столбец элементов, у которых на один отрицательный заряд меньше, чем у кремния.

Добавление одного из этих атомов к кремнию нарушает баланс между отрицательным и положительным зарядом, который необходим для создания нашего электрического поля. Из этих атомов наиболее подходящим является галлий.

Галлий — очень подходящий элемент для получения кремния р-типа. Фактически, многочисленные исследования показали, что он не связывается с кислородом, чтобы вызвать деградацию. Итак, вам может быть интересно, почему мы все это время не использовали галлий?

Причина, по которой мы застряли на использовании бора вместо галлия в течение последних 20 лет, заключается в том, что процесс легирования кремния галлием был запатентован. Это помешало производителям использовать этот подход.

Гетеропереходный солнечный элемент из кремния, легированного галлием.
Роберт Андервуд/UNSW

Но срок действия этих патентов окончательно истек в мае 2020 года. С тех пор отрасль быстро перешла с бора на галлий для производства кремния p-типа.

На самом деле, в начале 2021 года ведущий производитель фотоэлектрических элементов Hanwha Q Cells подсчитал, что около 80% всех солнечных панелей, произведенных в 2021 году, использовали легирование галлия, а не бора — масштабный переход за такое короткое время!

Действительно ли галлий повышает стабильность солнечных батарей?

Мы исследовали, действительно ли солнечные элементы, изготовленные из кремния, легированного галлием, более стабильны, чем солнечные элементы, изготовленные из кремния, легированного бором.

Чтобы выяснить это, мы изготовили солнечные элементы, используя конструкцию «кремниевого гетероперехода», которая на сегодняшний день является подходом, позволившим создать самые эффективные кремниевые солнечные элементы. Эта работа была выполнена в сотрудничестве с Hevel Solar в России.

Мы измерили напряжение солнечных элементов, легированных бором и галлием, во время теста на пропитывание светом в течение 300 000 секунд. Солнечный элемент, легированный бором, подвергся значительной деградации из-за связи бора с кислородом.

Между тем, солнечный элемент, легированный галлием, имел гораздо более высокое напряжение. Наш результат также показал, что кремний p-типа, изготовленный с использованием галлия, очень стабилен и может помочь сэкономить средства для этого типа солнечных элементов.

Мысль о том, что производители смогут работать с галлием в больших масштабах, производя более стабильные и потенциально более дешевые солнечные элементы, является чрезвычайно захватывающей перспективой.

Самое приятное то, что наши выводы могут оказать непосредственное влияние на промышленность. Более дешевая солнечная электроэнергия для наших домов означает светлое будущее и для нашей планеты.

Читать далее:
Это может звучать как «безумие», но Австралия вскоре сможет экспортировать солнечный свет в Азию по кабелю длиной 3800 км.

Теллурид кадмия | Министерство энергетики

Перейти к основному содержанию

Изображение

Управление технологий солнечной энергии (SETO) Министерства энергетики США (DOE) поддерживает инновационные исследования, направленные на преодоление существующих технологических и коммерческих барьеров для солнечных элементов на основе теллурида кадмия (CdTe). Ниже приведен список текущих проектов, краткое изложение преимуществ и обсуждение технологий производства, используемых для этой солнечной технологии.

Исходная информация

Солнечные элементы CdTe являются второй наиболее распространенной фотоэлектрической (PV) технологией на мировом рынке после кристаллического кремния, на которую в настоящее время приходится 5% мирового рынка. Тонкопленочные солнечные элементы CdTe могут производиться быстро и недорого, обеспечивая альтернативу традиционным технологиям на основе кремния. Рекордная эффективность лабораторного солнечного элемента CdTe составляет 22,1% от First Solar. Компания First Solar также сообщила, что средний КПД ее коммерческих модулей на конец 2020 года составлял примерно 18 %. 

Преимущества

Тонкопленочные солнечные элементы CdTe имеют следующие преимущества:

• Высокое поглощение: теллурид кадмия представляет собой прямозонный материал с шириной запрещенной зоны, которую можно регулировать от 1,4 до 1,5 (эВ), что является почти оптимальным для преобразования солнечного света в электричество с помощью одного перехода.
• Недорогое производство: Солнечные элементы на основе теллурида кадмия используют высокопроизводительные методы производства для производства готовых модулей из исходных материалов за считанные часы.

Производство

Наиболее распространенные солнечные элементы CdTe состоят из структуры p-n-гетероперехода, содержащей p-легированный слой CdTe, согласованный с n-легированным оконным слоем сульфида кадмия (CdS) или оксида цинка-магния (MZO). Типичные методы осаждения тонких пленок CdTe включают осаждение с переносом пара и сублимацию на близком расстоянии. Слои поглотителя CdTe обычно выращивают поверх слоя высококачественного прозрачного проводящего оксида (TCO) — обычно оксида олова, легированного фтором (SnO _{2 9).0109:Ф). Ячейки комплектуются задним электрическим контактом — обычно это слой теллурида цинка (ZnTe), за которым следует металлический слой или углеродная паста, которая также вводит медь (Cu) в заднюю часть ячейки.}

Направления исследований

Текущие проекты направлены на повышение эффективности ячеек за счет повышения качества кристаллов, улучшения допингового контроля и увеличения срока службы неосновных носителей. Производители также работают над улучшением повторного использования и переработки материалов, чтобы уменьшить опасения по поводу токсичности и нехватки материалов.

Солнечные электростанции на гетероструктурных элементах: история технологии, предварительный обзор и сравнение с мировыми аналогами