Солнечные панели из кремния: ׸ , , . — inecoenergo.com

Тонкопленочные технологии часто рассматривают как будущее фотоэлектрической энергетики, несмотря на то, что в настоящее время более 90% всех производимых в мире солнечных модулей — кристаллические. Тем не менее, технологии тонкопленочных модулей развиваются очень быстро, причем в нескольких направлениях. Самая первая технология тонкопленочных модулей, которая получила коммерческое распространение — пленка из аморфного кремния. Первое поколение с однопереходными солнечными элементами имело малый срок службы (до 10 лет) и КПД 4-5%. Второе поколение также имело однопереходные элементы, но их срок службы уже практически сравнялся со сроком службы кристаллических элементов, а КПД составлял 6-8%. К третьему поколению можно отнести наиболее современные многопереходные тонкопленочные элементы, которые позволяют достичь еще большего КПД (до 12%) при длительном сроке службы.

Также, существуют гибридные аморфно-кристаллические модули, которые позволяют комбинировать преимущества как аморфных, так и кристаллических модулей. В России такие многопереходные гетероструктурные модули производит компания Hevel Solar.

Тонкопленочные модули бурно развивались в начале 2000-х годов, когда был дефицит производства кремния для солнечной энергетики. Тогда производители пытались уменьшить расход кремния при производстве солнечных панелей и снизить их стоимость. Однако к концу «нулевых» в мире были введены огромные мощности по производству солнечного кремния, которые закрыли все потребности производителей. Это привело к тому, что тонкопленочные модули были практически полностью вытеснены с рынка. Основной причиной был низкий КПД таких модулей (практически в 2 раза ниже, чем у кристаллических), а также необходимость двойного стекла при производстве таких паналей (одно стекло использовалось как подложка для полупроводникового перехода, а второе было защитным), что приводило к большой удельной массе солнечных панелей.

При производстве тонкоплёночных модулей расходуется примерно в 10 раз меньше кремния, чем для кристаллического. Однако рыночная ситуация сейчас (в 2021 году)  такова, что ввиду закрытия большинства производств по изготовлению тонкоплёночных модулей из аморфного кремния, они зачастую за ватт продаются дороже, чем обычные кристаллические солнечные панели.

Объёмы производства тонкоплёночных кремниевых модулей сейчас составляют несколько процентов от общего объёма рынка солнечных панелей. В основном это некремниевые солнечные модули. Они используются в рыночной нише интегрированных в здания солнечных панелей — то есть там, где в первую очередь важен аутентичный внешний вид (тонкопленочные модули похожи на затонированное стекло).

Преимущества тонкопленочных солнечных модулей

Фотоэлектрические модули из аморфного кремния имеют ряд преимуществ по сравнению с моно- и поликристаллическими панелями, а именно:

1. лучшая работа при повышении температуры. Фотоэлектрические модули из тонкой пленки аморфного кремния в течение теплого периода года производят больше электрической энергии, в то время как кристаллические модули по мере повышения температуры снижают свою эффективность. Тонкопленочные солнечные модули меньше подвержены снижению мощности при нагреве, при котором кристаллические модули теряют 15-20% мощности.
2. бОльшая удельная выработка при низкой освещенности и при рассеянном свете. Модули из аморфного кремния могут работать при освещенностях, при которых кристаллические модули уже прекращают генерацию энергии, поэтому при слабом и рассеянном солнечном свете работа фотоэлектрических модулей из аморфного кремния намного лучше, чем моно- и поликристаллических кремниевых панелей. В пасмурную и дождливую погоду тонкопленочные солнечные батареи генерируют на 10-20% больше энергии, чем кристаллические панели.
3. возможность незаметной интеграции
   в здание (замена окон, остекление стен, и т.п.)
4. меньшая вероятность производственных дефектов. Поскольку процесс производства аморфных модулей более прост, то в продукции значительно меньше дефектов. При производстве кристаллических солнечных модулей используется пайка для электрического соединения солнечных элементов между собой. Это было и остается слабым местом, где традиционные модули испытывают много гарантийных проблем. Совсем по-другому обстоит дело с тонкопленочными солнечными модулями — модуль формируется сразу практически любых размеров, пайка отдельных солнечных элементов не требуется.
5. меньшая потеря мощности при частичном затенении. Кристаллические кремниевые модули теряют 25% и более процентов своей производительности при даже незначительном затенении или грязи на модулях. Тонкопленочные модули уменьшают выработку совсем незначительно, что в результате приводит к реально лучшей производительности в течение всего срока службы модулей (примечание — падение выработки тонкопленочных модулей зависит от того, как затеняется модуль — по длине или ширине).

Недостаток у аморфных модулей один, но зачастую он перекрывает их достоинства — примерно в 2 меньший КПД по сравнению с кристаллическими модулями.

В качестве подложки для аморфных модулей можно использовать как стекло, так и другие гибкие прозрачные материалы. Есть модули на гибкой основе, которые используются в качестве гибкой черепицы, есть модули, которые можно скатывать в рулоны для транспортировки, есть интегрированные в различные бытовые предметы — одежду, сумки, головные уборы и т.п. Однако в большинстве случаев используются модули на стекле, причем для защиты задней стороны модулей также применяют стекло. Это ведет ко второму существенному недостатку аморфных модулей — большему весу за счет применения двойного стекла (как известно, у кристаллических модулей с задней стороны обычно используется защитная пленка.

Область применения аморфных модулей

Аморфные модули рекомендуется применять в следующих случаях:

• в регионах с обычно облачной погодой (рассеянный или отраженный свет)
• в жарком климате, когда модули обычно нагреваются более 50-60 градусов
• если нет ограничений по площади и максимальному весу солнечной батареи
• если нужно интегрировать фотоэлектрические модули в здание — аморфные модули практически невозможно отличить от тонированного стекла. В отличие от традиционных кристаллических, тонкопленочные модули могут быть использованы для различных дизайнерских и конструкторских решений. В дополнение к традиционной установке на крыше, прочные, стильные и изящные фотоэлектрические модули из аморфного кремния широко применяются для отделки фасадов зданий как отдельные элементы, архитектурные композиции и решения, что до последнего времени считалось невозможным.
• если нужна частичная прозрачность модулей — аморфные модули можно делать с прозрачностью от 5 до 20% (с соответствующим уменьшением вырабатываемой мощности).

Современные аморфные модули имеют такую же деградацию, как и кристаллические модули. Производитель дает гарантию на то, что мощность модулей снизится не более 10% от номинальной за 10 лет эксплуатации, и не более 20% — за 25 лет эксплуатации. Это соответствует деградации и гарантиям на модули из кристаллического кремния.

Как упоминалось выше, тонкоплёночные модули вырабатывают больше энергии на ватт установленной мощности. Это подтверждается многолетними испытаниями солнечных модулей различного типа в Институте Высоких Температур (ИВТАН) в Москве. Результаты испытаний показывают, что на кВт установленной мощности тонкоплёночные модули в условиях Москвы вырабатывают 726 кВт*ч/кВт/год, в то время как обычные монокристаллические модули — около 690 Вт*ч/кВт/год.

^{*В модуле Телеком-СТВ TSM210SB используются высокоэффективные солнечные элементы SunPower. В солнечном модуле Canadian Solar также применены высокоэффективные солнечные элементы, сделанные по проприетарной технологии ELPS
**GET AT2 — тонкопленочный модуль из аморфного кремния, второго поколения.}

См. также про Сравнение тонкопленочных и кристаллических фотоэлектрических модулей

Эта статья прочитана 16234 раз(а)!

Продолжить чтение

• 10000

  Что такое солнечные элементы, модули, инверторы, контроллеры, электростанции? Солнечная энергетика становится мейнстримом современной энергетики, и с каждым годом вызывает все больший интерес. Фотоэлектрическая энергетика — новая отрасль, которая стремительно развивается и уже сейчас современный мир невозможно представить без солнечных фотоэлектрических…

• 65

  Главные 7 мифов о солнечных батареях По разным причинам в интернете есть много неправильной информации о недостатках или проблемах солнечных батарей. Некоторые заявления о солнечной энергетике приносят вред делу борьбы с изменением климата и за уменьшение токсичных выбросов. Большая часть…

• 62

  Как работают солнечные фотоэлектрические элементы? Структура солнечного элемента Солнечные элементы (СЭ) изготавливаются из материалов, которые напрямую преобразуют солнечный свет в электричество. Большая часть из коммерчески выпускаемых в настоящее время СЭ изготавливается из кремния (химический символ Si). Кремний это полупроводник. Он…

• 59

  Фотоэлектрические модули (солнечные панели) Солнечные панели состоят из солнечных элементов. Так как один солнечный элемент не производит достаточного количества электроэнергии для большинства применений, солнечные элементы собираются в солнечных модулях для того, чтобы производить больше электричества. Модули производятся из псевдоквадратных или…

• 59

  Солнечные фотоэлектрические модули с двойным стеклом Модули с двойным остеклением (double glass) Солнечные модули с двойным стеклом  появились на рынке сравнительно недавно — 5-7 лет назад, но до недавнего времени они были дороже обычных модулей. В 2017 году они стали…

• 59

  Солнечные панели из литого монокристалла — что это? Статья дополняет нашу основную статью — «Выбор солнечных панелей: моно или поли?». Вы, наверное, слышали про монокристаллические и поликристаллические солнечные панели. Сейчас появился третий тип ‘cast-mono’ (литой монокристалл). Что же это за…

Появилась надежда на повышение КПД классических солнечных панелей из кремния

Не секрет, что популярные солнечные панели из кремния имеют ограничение по эффективности преобразования света в электричество. Это связано с тем, что каждый фотон выбивает только один электрон, хотя энергии частицы света может быть достаточно, чтобы выбить два электрона. В свежем исследовании учёные из Массачусетского технологического института показали, что это фундаментальное ограничение может быть обойдено, что открывает путь к солнечным элементам из кремния с существенно более высоким значением КПД.

Возможность фотона выбивать два электрона теоретически была обоснована около 50 лет назад. Но первые удачные эксперименты удалось воспроизвести только 6 лет назад. Тогда в качестве опыта использовалась солнечная ячейка из органических материалов. Было бы заманчиво перейти к более эффективному и распространенному кремнию, с чем учёным удалось справиться только сейчас в ходе выполнения колоссального объёма работ.

В ходе последнего эксперимента удалось создать кремниевую солнечную ячейку, теоретический предел КПД которой был повышен с 29,1 % до 35 %, и это не предел. К сожалению, для этого солнечную ячейку пришлось сделать составной из трёх разных материалов, так что одним монолитным кремнием в данном случае обойтись нельзя. В собранном виде солнечный элемент представляет собой бутерброд из органического материала тетрацена в виде поверхностной плёнки, тончайшей (в несколько атомов) плёнки из оксинитрида гафния и, собственно, кремниевой пластины.

Слой тетрацена абсорбирует высокоэнергетический фотон и преобразует его энергию в два блуждающих возбуждения в слое. Это так называемые квазичастицы экситоны. Процесс разделения известен как синглетное деление экситона. В грубом приближении экситоны ведут себя как электроны, и эти возбуждения можно использовать для генерации электрического тока. Вопрос, как эти возбуждения передать в кремний и дальше?

Два электрона из одного фотона (MIT)

Своеобразным мостиком между поверхностной тетраценовой плёнкой и кремнием стал тончайший слой из оксинитрида гафния. Процессы в этом слое и поверхностные эффекты на кремнии преобразуют экситоны в электроны, а дальше всё идёт по накатанной. В эксперименте удалось показать, что таким образом повышается эффективность солнечной ячейки в синем и зелёном спектрах. По мнению учёных, это не предел повышения эффективности солнечной ячейки из кремния. Но даже для представленной технологии уйдут годы для её коммерческого воплощения.

Если вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.

Солнечные панели для дома Волгоград, солнечные панели для частного дома

Солнечные панели для дома являются генераторами постоянного тока, которые используют преобразование энергии солнца с электроэнергию. В солнечных панелях для дома используются полупроводники на основе кристаллов кремния. Солнечные панели могут использоваться для обеспечения частного дома электричеством, в том числе для отопления дома с помощью систем электрообогрева (например, теплые полы).

Солнечные панели очень часто монтируют именно на крышу загородного, частного дома. Размещение на крыше позволяет обеспечить максимальную эффективность работы. Лучше всего монтировать солнечные панели на южные склоны крыш, также нужно обращать внимание на отсутствие помех. Существуют разновидности солнечных панелей, напоминающие черепицу, но они стоят несколько дороже.

Прежде чем купить солнечные панели для частного дома, нужно определиться с параметрами и характеристиками. В зависимости от них будет различаться и цена солнечных панелей. Самый первый вопрос — это какой тип панелей Вы будете устанавливать в своем доме.

Можно выделить три типа солнечных батаре для дома: моно- и поликристаллические и аморфные.

Выбор типа батарей зависит от нескольких факторов, в том числе и от наличия места для размещения. Если пространство для размещения солнечных панелей ограничено, обратите внимание на монокристаллические панели. При той же мощности, что и поликристаллические, они занимают меньше места. Внешне монокристаллическая состоит из элементов, напоминающих квадраты, черного цвета.

В том случае, если ограничения по месту нет, и Вы хотите сэкономить, хорошим выбором станут поликристаллические панели. Внешне поликристаллические элементы также напоминают квадраты, имеют синеватый отлив.

Третий тип солнечных панелей — аморфные батареи. Такие батареи являются гибкими, поэтому они хорошо подойдут для размещения на изогнутых поверхностях. Например, на крыше дома из поликарбоната. Такие панели можно размещать на крыше дома, не обращая внимания на угол наклона и расположение относительно сторон света. Стоимость таких солнечных панелей для дома достаточно невелика.

Примерная стоимость аморфных солнечных панелей для дома — менее одного доллара за Вт.

Примерная цена поликристаллических солнечных панелей для дома — от одного доллара за Вт.

Стоимость монокристаллических солнечных панелей начинается от доллара с небольшим за 1 Вт.

Выбор мощности панелей для дома

Чтобы определиться, нужно узнать среднее суммарное энергопотребление (расход электричества) в доме за несколько месяцев. Исходя из этого, можно рассчитать величину электроэнергии, которую Вы сможете компенсировать за счет поступления от солнечных панелей.

Например, потребление составляет 300 киловатт часов за месяц, получается примерно 10 киловатт часов в день. Панель мощностью 1 кВт вырабатывает примерно 1300 киловатт часов в год или примерно 110 киловатт часов в месяц. Обратите внимание, что нормативы выработки отличаются в зависимости от региона и характеристик конкретных панелей, это нужно уточнять у производителей. Чтобы полностью компенсировать энергопотребление, нужно установить 12 солнечных панелей мощностью 250 Вт, или другое количество в случае большей или меньшей мощности. Для частичной компенсации понадобится меньшее количество панелей.

Инверторы

При отсутствии сети 220 В необходимо выбирать автономный инвертор. Мощность инвертора должна быть несколько больше, чем суммарная мощность солнечных панелей. Комплект солнечных панелей поставляется сразу с инвертором необходимой мощности.

Контроллеры заряда и аккумуляторы

Контроллеры заряда бывают двух типов — ШИМ и МРРТ. Выбор зависит от мощности батарей.

Аккумуляторы в системах солнечных панелей для дома обычно подбирают свинцово-кислотные. Их мощность выбирается исходя из необходимого времени автономной работы.

Чтобы купить солнечные панели для дома, посмотрите наш каталог и выберите продукцию с нужными параметрами. Также Вы всегда можете задать вопрос консультанту на сайте, проконсультироваться и сделать заказ по телефонам компании.

Сравнение монокристаллических и поликристаллических солнечных батарей

Итак, какая солнечная батарея лучше — монокристаллическая или поликристаллическая? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно сначала разобраться, а чем же они отличаются?

На фото ниже представлены два основных типа:

Первое, что бросается в глаза, это внешний вид. У монокристаллических элементов углы скругленные и поверхность однородная. Скругленные углы связаны с тем, что при производстве монокристаллического кремния получают цилиндрические заготовки. Однородность цвета и структуры монокристаллических элементов связана с тем, что это один выращенный кристалл кремния, а кристаллическая структура является однородной.

В свою очередь, поликристаллические элементы имеют квадратную форму из-за того, что при производстве получают прямоугольные заготовки. Неоднородность цвета и структуры поликристаллических элементов связана с тем, что они состоят из большого количества разнородных кристаллов кремния, а также включают в себя незначительное количество примесей.

Второе и наверное главное отличие — это эффективность преобразования солнечной энергии. Монокристаллические элементы и соответственно панели на их основе имеют на сегодняшний день наивысшую эффективность — до 22% среди серийно выпускаемых и до 38% у используемых в космической отрасли. Монокристаллический кремний производится из сырья высокой степени очистки (99,999%).

Серийно выпускаемые поликристаллические элементы имеют эффективность до 18%. Более низкая эффективность связана с тем, что при производстве поликристаллического кремния используют не только первичный кремний высокой степени очистки, но и вторичное сырье (например, переработанные солнечные панели или кремниевые отходы металлургической промышленности). Это приводит к появлению различных дефектов в поликристаллических элементах, таких как границы кристаллов, микродефекты, примеси углерода и кислорода.

Эффективность элементов в конечном счете отвечает за физический размер солнечных панелей. Чем выше эффективность, тем меньше будет площадь панели при одинаковой мощности.

Третье отличие — это цена солнечной батареи. Естественно, цена батареи из монокристаллических элементов немного выше в расчете на единицу мощности. Это связано с более дорогим процессом производства и применением кремния высокой степени очистки. Однако это различие незначительно и составляет в среднем около 10%.

Итак, перечислим основные отличия монокристаллических и поликристаллических солнечных батарей:

• Внешний вид.
• Эффективность.
• Цена.

Как видно из этого перечня, для солнечной электростанции не имеет никакого значения, какая солнечная панель будет использоваться в ее составе. Главные параметры — напряжение и мощность солнечной панели не зависят от типа применяемых элементов и зачастую можно найти в продаже панели обоих типов одинаковой мощности. Так что окончательный выбор остается за покупателем. И если его не смущает неоднородный цвет элементов и немного большая площадь, то вероятно он выберет более дешевые поликристаллические солнечные панели. Если же эти параметры имеют для него значение, то очевидным выбором будет немного более дорогая монокристаллическая солнечная панель.

В заключении хочется отметить, что по данным Европейской ассоциации EPIA в 2010 году производство солнечных батарей по типу применяемого в них кремния распределилось следующим образом:

1. поликристаллические — 52,9%
2. монокристаллические — 33,2%
3. аморфные и пр. — 13,9%

Т.е. поликристаллические солнечные батареи по объему производства занимают лидирующие позиции в мире.

Надеемся, приведенные выше советы помогут Вам сделать выбор!

Обзор типов солнечных панелей. Преимущества и недостатки — Energy-Kharkov (Энерджи-Харьков)

На сегодняшний день около 90% всех устройств в мире для преобразования солнечной энергии в электрическую изготовлены из кремния. Кремний, используемый в фотоэнергетике (PV, или фотовольтаике), имеет много модификаций. Их основное различие состоит в степени чистоты кремния. Но что на самом деле означает чистота кремния? Чем чётче упорядочены молекулы кремния, тем эффективнее фотоэлектрический элемент будет преобразовывать солнечную энергию (солнечный свет) в электричество (фотоэлектрический эффект). Производительность солнечных панелей напрямую зависит от степени чистоты кремния. Хотя, следует отметить, что технологические процессы, используемые для её увеличения, достаточно дорогостоящи. Поэтому, степень чистоты кремния не должна быть решающим фактором. Экономическая эффективность и эффективность использования пространства являются основополагающими факторами в большинстве случаев, тем более, ни один производитель и поставщик солнечных панелей не указывает чистоту использованного в производстве фотоэлементов кремния.  Кристаллический кремний ― это основа фотоэлектрических элементов, которые в свою очередь бывают моно- и/или поликристаллическими.

Фотоэлектрические элементы, выполненные из монокристаллического кремния (mono-Si) очень легко выделить по внешнему однородному цвету и одинаковому внешнему виду, что свидетельствует о том, что исходный кристалл имеет одно зерно.

Монокристаллические фотоэлектрические элементы выполнены из цилиндрических кремниевых слитков. Чтобы оптимизировать эксплуатационные качества и снизить затраты на каждый монокристаллический фотоэлектрический элемент, четыре стороны цилиндрического слитка обрезаются для получения кремниевого диска. Именно он придаёт монокристаллической солнечной панели её характерный внешний вид. Самый верный способ различать моно- и поликристаллические солнечные панели: поликристаллические солнечные фотоэлементы выглядят абсолютно прямоугольными без скруглённых краёв. Монокристаллические элементы ― это псевдоквадраты.

Преимущества:

• Монокристаллические солнечные панели обладают лучшими характеристиками благодаря тому, что они выполнены из высокосортного кремния. Процент производительности монокристаллических солнечных панелей, как правило, составляет 17 ― 22%.
• Монокристаллические панели являются компактными. Они не только дают самую высокую выходную мощность, но им также требуется меньше пространства по сравнению с любыми другими типами панелей.

Недостатки:

• Монокристаллические солнечные панели являются самыми дорогими. С финансовой точки зрения, солнечная панель, которая сделана из поликристаллического кремния, (и в некоторых случаях из тонких плёнок) может быть лучшим выбором для некоторых домовладельцев.
• Если солнечная панель частично покрыта тенью, грязью или снегом ― вся цепь потеряет мощность. Подумайте об установке микроинверторов вместо центральных инверторов и стринг-инверторов, если Вы полагаете, что могут возникнуть проблемы с освещенностью всей энергосистемы одинаково. Микроинверторы позаботятся о том, чтобы вся солнечная батарея не изменяла своих характеристик из-за нахождения в тени только одной солнечной панели.

Поликристаллические панели

Первые солнечные панели, основанные на поликристаллическом кремнии (который также называется мультикристаллическим), были представлены на мировом рынке в 1981 году. В отличие от солнечных панелей, основанных на монокристаллах, для производства поликристаллических солнечных панелей не требуется применение метода Чохральского. Сырой кремний плавится и заливается в квадратную формочку, которая остужается и режется на идеально квадратные пластины.

Преимущества:

• Метод, применяемый для производства поликристаллического кремния, является более простым и менее затратным. Количество отходов кремния меньше, чем при производстве монокристаллического кремния.

 Недостатки:

• Производительность солнечных панелей, основанных на поликристаллах, как правило, составляет 14-18%. Из-за низкой чистоты кремния поликристаллические солнечные панели не так эффективны, как монокристаллические.
• Более низкая эффективность использования пространства. Как правило, необходимо покрыть бОльшую площадь, чтобы на выходе получить такую же электрическую мощность, как и от монокристаллических. Однако, это не означает, что монокристаллические панели работают лучше поликристаллических.

Подводя небольшой итог сказанному, можно предположить, что основные параметры по которым мы подбираем себе солнечные батареи для нашей солнечной электростанции, к примеру, для загородного дома – от типа применяемых в них фотоэлектрических элементов, не зависят. Если мы хотим более экономный вариант исполнения, то наш выбор падет на поликристаллические солнечные модули, которые при той же мощности, будут немного больше по площади, нежели модули монокристаллические, но зато немного их дешевле. Цвет же самой поверхности солнечных панелей, роли вообще никакой не играет при их выборе, учтите это!

Скажем еще пару слов относительно использования солнечных батарей в мире по их типам. На первом месте здесь с объемом рынка продаж в 52,9%, стоят более дешевые, поликристаллические солнечные панели. Второе место по праву, относительно продаж, принадлежит панелям из монокристаллического кремния, которых на рынке примерно 33,2%. Третье же место по продажам – за аморфными и прочими солнечными батареями, с их соотношением к общему рынку продаж в 13,9% (их мы в статье не рассматривали).

Для того, чтобы выбрать солнечные модули ― лучше всего попросить эксперта оценить Вашу конкретную ситуацию. Он сможет выяснить, какой тип солнечной панели был бы самым лучшим для Вашего дома или домашнего хозяйства.

Вы можете заказать подбор и монтаж солнечной электростанции в инженерном центре «Energy-Kharkov». Работаем по всей территории Украины. Консультация по телефонам: (057) 756-03-67, (050)954-26-90, (097)950-94-71

Аморфные солнечные батареи

Внешне панель из аморфного кремния выглядит блекло-сероватой.

Производство элементов из аморфного кремния является безотходным, что существенно уменьшает их стоимость. Несмотря на низкий КПД, элементы из аморфного кремния способны более эффективно использовать рассеянный солнечный свет, а при нагреве элементов выход электроэнергии больше, чем у кристаллических в аналогичных условиях.

Исходным материалом для производства кремниевых аморфных фотоэлементов является силан (Sih5), так называемый кремневодород, который наносится на материал подложки. Слой нанесенного кремния в 100 раз тоньше кристаллического кремниевого фотоэлемента.

В сравнении с кристаллическими кремниевыми элементами аморфные обладают рядом преимуществ, одним из которых является возможность и сравнительная простота создания элементов большой площади (более 1 м) при более низких температурах осаждения, а также наличие специфических полупроводниковых свойств, которыми можно управлять для получения требуемых характеристик, подбирая оптимальные комбинации компонентов пленки.

Аморфный кремний является гидрогенизированной формой кремния (a-Si:H), поскольку в его составе содержится водород в количестве от 5 до 20 ат. %, который изменяет электрофизические свойства аморфного кремния и придает пленке полупроводниковые свойства.

Элементы на основе пленки а-Si:H толщиной менее 1 мкм, полученной в результате разложения силана в тлеющем разряде, могут быть созданы на подложках не только из металла, но и из самых различных материалов: стекла, полимеров , керамики и т. д., поскольку температура осаждения кремния 250-400 градусов С. Однако, наиболее распространенной по-прежнему остается подложка из нержавеющей стали. Основными направлениями разработок в области аморфных гидрогенизированных элементов (a-Si:H) является повышение КПД и стабильности параметров элементов. Наиболее высокая эффективность (13%) в настоящее время получена на элементе с тройным переходом p-i-n.

Оптическое поглощение аморфного кремния в 20 раз превышает аналогичный показатель у кристаллического кремния, что позволяет использовать пленки аморфного кремния толщиной всего 0,5-1,0 мкм, вместо более дорогих пластин из кристаллического кремния толщиной 300 мкм.

Солнечные элементы из аморфного кремния

Технология, при которой тонкая пленка кремния осаждается на подложку и защищается покрытием, получила название «техники испарительной фазы». Эта технология отличается низкой энерго- и трудоемкостью, а, следовательно, и соответствующей ценой.

Для получения гибких фотоэлементов, используются гибкие подложки, такие как металлические или полимерные ленты.В этом случае осаждение происходит непрерывно при протягивании подложки через реактор. Поскольку данная технология высокоэффективна, то и пленки аморфного кремния, полученные этим способом, имеют более низкую стоимость.

Тонкопленочные элементы, к которым относятся элементы из аморфного кремния, способны вырабатывать электричество при рассеянном излучении, что делает их востребованными в регионах, где пасмурная погода не является редкостью, а также в местах расположения промышленных предприятий, загрязняющих воздух. Несмотря на более низкую себестоимость тонкопленочных панелей, им требуется площадь в 2-2,5 раза большая, чем для моно- или мультикристаллических панелей, из-за низкого КПД.

Чаще всего тонкопленочные панели применяют для систем, вырабатывающих энергию прямо в сеть, т. к. наибольшая эффективность у тонкопленочных панелей при их использовании в мощных системах (выше 10 кВт). Для выработки электроэнергии маломощными автономными или резервными системами энергоснабжения более применимы моно- или мультикристаллические панели.

КПД солнечных батарей подбирается к верхней границе – Наука – Коммерсантъ

Совокупная установленная мощность солнечных модулей на Земле за последние десять лет возросла более чем в 15 раз, достигнув 700 ГВт. Но этот сегмент энергетики совсем небольшой — в 2020 году солнечные панели на Земле произвели всего около 3% мирового электричества. А десять лет назад было на порядок меньше — около 0,2%.

В 1883 году американский инженер Фриттс создал прототип солнечной батареи из позолоченного селена с КПД 1%.

Итальянский ученый армянского происхождения Джакомо Чамичан в 1912 году представил проект своей солнечной батареи.

В 1930-х годах в СССР сернисто-таллиевые фотоэлементы были созданы под руководством академика Абрама Иоффе.

Близкие к современным солнечные батареи на основе кремниевых полупроводников впервые изготовили в компании BellLaboratories. КПД их батарей составлял всего 4%. Тем не менее и с такими батареями в 1958 году в космос отправился американский спутник Vanguard 1. В том же году полетел в космос советский «Спутник-3» с кремниевыми солнечными батареями на борту.

Коэффициент полезного действия (КПД) серийных промышленных солнечных батарей (оснащенных электроникой кремниевых модулей) за последние 10–15 лет вырос от 16% до 20%, а в лабораторных экземплярах (не инкапсулированных элементах) — до 24–26%. Теоретический предел кремниевых монокристаллических батарей — 29,4%. Этот тип солнечных элементов по-прежнему остается самым популярным, как и десятки лет назад. Он занимает около 95% современного рынка фотовольтаических элементов для преобразования солнечной энергии.

Самые «солнечные» страны

Оценивать развитие солнечной энергетики в среднем на планете очень непросто. В одних странах ее нет совсем, в других она присутствует чисто символически, зато в некоторых уже составляет заметную долю от общей выработки энергии. Лидером в этой области, несомненно, является Китай, где с 2010 по 2020 год суммарная номинальная электрическая мощность всех модулей источников преобразования солнечной энергии составила 253 ГВт. Это в полтора раза больше, чем во всех странах ЕС, вместе взятых. Почти вчетверо меньше составляет установленная мощность солнечных элементов, появившихся за тот же период в США (73,8 ГВт) и Японии (67 ГВт). Недалеко от них Германия (53,8 ГВт), Индия (39 ГВт), Италия (21,6 ГВт), Австралия (17 ГВт), Вьетнам (16,5 ГВт), Франция (11,7 ГВт). Остальные страны, включая солнечные Бразилию и Таиланд, произвели за десять лет оборудования с номинальной мощностью солнечных электростанций менее 10 ГВт, а некоторые, например Аргентина,— менее 1 ГВт. Докладывая о развитии сектора солнечной энергетики, эксперты редко прибегают к абсолютным значениям, поскольку в большинстве государств эти цифры выглядят очень невыгодно. Чаще всего называют рекордные темпы роста, которые действительно такими являются во многих государствах. Так, например, с 2015 года Россия увеличила выработку энергии на солнечных элементах в 14 раз — с 0,1 ГВт до 1,4 ГВт. Причем только за 2020 год это значение выросло на 39% (с 1,1 ГВт до 1,4 ГВт). Цифры пока крошечные, зато темпы отличные.

Солнечные элементы монокристаллического типа (тонкие пластины из куска кремния) — надежные, «кондовые», долговечные, со своими очевидными плюсами и минусами. Недолгое время они проигрывали в цене тонкопленочным солнечным элементам, где слои из аморфного (без кристаллической структуры атомов) кремния, нанесенного на обычное стекло или другую подложку. Но КПД таких элементов составлял всего 10%, а цены на монокристаллический кремний снижались, и вскоре тонкопленочные солнечные элементы заняли свою небольшую нишу — дешевый сегмент легких мобильных батарей, например, для подзарядки телефонов на природе. Основной упор по усовершенствованию технологии в качестве перспективной зеленой альтернативы углеводородным топливам сегодня делается на монокристаллическую технологию, где центральный элемент представляет собой тонко нарезанные пластины-слайсы из цельного кремниевого «бруска».

Весь покрытый пленками

Лаборатории экспериментируют с разными соединениями, каждое со своими преимуществами и недостатками. Получая превосходный результат по одним параметрам, исследователи неизбежно проигрывают по другим, и этот бесконечный процесс борьбы за техническое превосходство при сохранении экономической целесообразности похож на мировую гонку — кто быстрее и дешевле придумает оптимальное решение. Сейчас основная ставка в этой гонке — на гетероструктуры. Они относятся к подложечным устройствам, поскольку в них в качестве подложки используется пластина монокристаллического кремния. Она покрыта с обеих сторон множественными пленками из разных материалов, у каждого из которых своя функция. Обычно с обеих сторон монокристалла тонкие пленки из аморфного кремния. Кристаллический и аморфный кремний — это два материала с различной структурой, отсюда и термин «гетеро».

«Счет в индустрии в терминах эффективности идет на единицы и даже на десятые доли процента. В качестве примера — увеличение средней эффективности солнечной панели стандартного размера с 15% до 20% привел к росту ее номинальной мощности с 250 Вт до 370 Вт, то есть в полтора раза»,— объяснил кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института теплофизики им. С. С. Кутателадзе Сибирского отделения РАН Александр Замчий взаимосвязь «небольших» побед по увеличению КПД солнечного элемента с революционными практическими результатами.

Александр работал над повышением эффективности солнечных элементов в Институте энергетических исследований исследовательского центра Юлиха в Германии в рамках стажировки по стипендии DAAD в составе большой международной группы. Работа, опубликованная в NatureEnergy, выполнена с коллегами из Нидерландов, России, Китая и Эквадора. Исследователям удалось выяснить, что слои из карбида и диоксида кремния, используемые в качестве лицевой пленки-контакта для солнечных элементов из монокристаллического кремния, могут сочетать исправление абсолютно большей части структурных дефектов, которые снижают проводимость поверхности кремниевой пластины и обеспечивают высокую оптическую прозрачность.

Прозрачнее невидимого

Пластина кремния толщиной 200 микрон (производители стараются сделать потоньше, чтобы снизить себестоимость) — это моноструктура, в которой происходит поглощение фотонов (частиц света) и рождение носителей заряда. Пока промышленность (в основном китайская) улучшает качественные характеристики серийной продукции, ведущие лаборатории мира заняты экспериментами с совершенно новыми подходами к архитектуре солнечных элементов. Три главных параметра, за которые ведется упорная борьба,— прозрачность, проводимость и пассивация лицевых тонкопленочных покрытий. Ученые подбирают сочетания материалов, покрывая ими пластину монокристалла кремния с разных сторон.

Например, за счет пленок полупроводника с обеих сторон кристалла ученые научились корректировать дефекты на поверхности кристалла кремния, где в кристаллической решетке часто не хватает атома кремния, что затрудняет протекание тока. Пленочные покрытия из различных полупроводниковых соединений прекрасно решают эту проблему — физики называют пассивацией эффект «коррекции» проводимости монокристалла с помощью пленок. Для пассивации на лицевой (верхней) стороне панели солнечного элемента исследователи использовали вместо традиционного аморфного кремния пленку из диоксида и двухслойного карбида кремния, где один слой — с высоким содержанием водорода (гидрогенизированный). Тонкий слой (1,5 нм) из диоксида кремния (стекло) отлично пассивирует контакты. Невидимая глазу пленка диоксида — это вынужденная мера, поскольку толстое стекло не проводит электричество.

Водород в слое карбида кремния выполняет функцию пассивации или связывания, то есть «ремонтирует» оборванные связи для протекания тока. Конечно, не так хорошо, как с этим справляется аморфный кремний, но в отличие от него карбидная пленка имеет еще и высокую прозрачность и проводимость. Однако водородсодержащий слой карбидной пленки не обладает требуемой электропроводимостью и прозрачностью. Для решения этой проблемы ученые сделали двухслойную структуру карбидно-кремниевой пленки. Одна, совсем тоненькая (3 нм), отвечает за хорошую пассивацию, другая (25 нм) — за сверхвысокую прозрачность и отличную электропроводимость. Для этого при выращивании слоя пленки температуру металлической нити (активатора газовой смеси, из которой осаждается пленка) поднимают с 1775 до 2000 градусов, и в итоге получается единая двухслойная структура со всеми необходимыми свойствами.

Для человеческого глаза все покрытия пластины кремния кажутся прозрачными. Но в оптике прозрачное прозрачному рознь. Чем больше фотонов от солнечного света попадет на пластину, тем больше электронов побегут по ее электродам и тем выше КПД солнечного элемента. Итак, прозрачность обеспечила максимальный захват энергии, а пассивация помогла току не оборваться и по электродам выйти из солнечного элемента без потерь.

Доля рынка устройств на основе пассивирующего контакта сегодня составляет единицы процентов, но, по прогнозу экспертов, к концу десятилетия возрастет до 20% и более. В нашей стране производством солнечных батарей занимается компания «Хевел», которая в 2009 году в Новочебоксарске запустила завод по выпуску фотоэлектрических модулей на основе гетероструктурной технологии. В 2020 году мощность завода увеличилась с 260МВт  до 340 МВт солнечных панелей в год, что примерно равно текущей совокупной мощности всех солнечных батарей Оренбургской области. Солнечные панели этого производителя покрывают обширные территории Республики Алтай, Бурятии, Башкирии, Калмыкии, Саратовской и Астраханской областей, а также Адыгеи и Казахстана. В конце 2021 года солнечная электростанция мощностью 30 МВт была открыта в Омской области, а в 2022 году планируется построить еще две солнечные электростанции, Читинскую и Черновскую, по 35 МВт в Забайкалье.

Борьба за каждый электрон

Новые прозрачные пассивирующие пленки-контакты из карбида и диоксида кремния, покрывающие солнечные элементы с фронтальной стороны, повысили КПД солнечной батареи до 24%. На графиках в статье видно, что в определенных диапазонах энергии, поступающей на солнечный элемент, уровень прозрачности пленки из карбида кремния в десять раз превышает параметры пленок из аморфного кремния, то есть при одинаковой толщине пленки она пропустит в десять раз больше солнечного света, который преобразуется в электрическую энергию. Это не повысит КПД в десять раз, разумеется, поскольку КПД складывается не только из прозрачности, но еще из пассивации и проводимости. Меняя один параметр, к сожалению, нельзя зафиксировать все остальные. У пленок из аморфного кремния пассивация выше, а с прозрачностью не очень хорошо, поэтому этот слой размещен снизу пластины.

За последние полгода со времени выхода статьи в NatureEnergy ученые провели целый ряд расчетов с различными покрытиями, пытаясь не потерять прозрачность и увеличить пассивацию пленки из карбида кремния. Проанализировав все результаты своих экспериментов, они создали целую «дорожную карту», согласно которой у них есть все шансы гарантированно повысить КПД солнечных элементов еще на 1% в ближайшие полтора года, то есть довести его до 25%.

Поверх уже имеющихся пленок ученые нанесли антиотражающие антибликовые покрытия из фторида магния, стараясь, чтобы еще меньше фотонов отразилось от поверхности солнечного элемента.

Помимо увеличения многослойности авторы работы приняли решение сократить занимаемую площадь мельчайших металлических электродов, густая сеть из которых покрывает солнечный элемент, разделяя его на узенькие сегменты. Снизу солнечного элемента электрод выглядит как сплошная серебряная пленка из термопасты, которую наносят методом трафаретной печати, раскаляя ее до 200 градусов. Тем же методом поверх всей тонкопленочной структуры наносят узенькие серебряные дорожки. Авторы статьи посчитали, что дорожки существенно затеняют панель, занимая слишком много «места под солнцем». Оптимизировав процесс металлизации, они вдвое сократят ширину проводящих серебряных контактов (от 60 до 30 микрон) и тем самым еще немного повысят КПД.

Мария Роговая

Солнце на дне океана

Проект стоимостью свыше $22 млрд предусматривает прокладку кабеля длиной 4,2 тыс. км по дну Индийского океана. Через этот кабель энергия, выработанная на солнечных станциях в Австралии, будет передаваться в Сингапур. Преодолено очередное бюрократическое препятствие на пути этого кабеля: Индонезия выдала разрешение на работу в ее территориальных водах.

Северные территории Австралии — это бескрайние просторы и жаркое солнце; в Сингапуре места мало, но ему хотелось бы перевести энергоснабжение на возобновляемые источники. Эти две страны вскоре смогут объединиться в одном из крупнейших и самых амбициозных проектов в области возобновляемых источников энергии из когда-либо предпринимавшихся.

Проект называется PowerLink, ведет его австралийская компания Sun Cable, она собирается создать гигантский энергетический парк в районе Пауэлл-Крик. Солнечные батареи займут 12 тыс. га засушливых земель примерно в 800 км к югу от города Дарвина — это одно из самых солнечных мест на Земле.

Эта солнечная станция будет на пике вырабатывать 17–20 ГВт энергии, которую можно будет накопить в аккумуляторах емкостью 36–42 ГВт.

Станция Пауэлл-Крик будет почти в десять раз больше, чем нынешний рекордсмен — солнечный парк Бхадия в Индии с мощностью всего 2,245 ГВт. А емкость будущих аккумуляторов превышает предыдущий рекордный проект более чем в 30 раз!

Австралия явно мотивирована огромным успехом гигантской батареи Tesla емкостью 150 МВт, построенной в Южной Австралии в 2017 году. Соседний штат Виктория объявил, что в конце 2021 года начнет работать установка емкостью 300 МВт. Следом штат Новый Южный Уэльс анонсировал строительство самой большой батареи — 1,2 ГВт. Но все эти аккумуляторы выглядят гномиками в сравнении с PowerLink.

Высоковольтный кабель с солнечной энергией будет удовлетворять 15% всей потребности Сингапура в электричестве. Кроме того, солнечная станция будет снабжать светом и город Дарвин, через который пройдет электропередача.

Ожидается, что в эксплуатацию кабель будет введен в 2028 году. Пока же Дэвид Гриффин, гендиректор Sun Cable, поблагодарил индонезийское руководство: «Одобрение проекта приближает нас к началу новой эпохи, когда начнутся генерация и передача доступной, управляемой возобновляемой энергии в гигантских количествах».

Это не первая, но, видимо, наиболее продвинутая идея транснациональных поставок энергии из возобновляемых источников. В частности, известны проекты генерации солнечной энергии в Северной Африке с передачей ее в Южную Европу, а также в Монголии с передачей в Японию и Южную Корею.

Достижения в технологии солнечных элементов на основе кристаллического кремния для промышленного массового производства

Монокристаллические солнечные элементы

Монокристаллические подложки p-типа, нарезанные из слитков CZ, легированных бором, уже много лет используются для стандартных промышленных фотоэлементов. В раннюю эпоху наземного производства фотоэлектрических элементов использовались небольшие слитки CZ диаметром 2–5 дюймов, небольшой размер и высокая стоимость которых препятствовали снижению стоимости монокристаллических элементов. За последние 20 лет большое количество исследований и разработок было посвящено снижению производственных затрат на слитки CZ и обработку пластин.Пластины CZ с длиной сторон 125 и 156 мм, нарезанные из слитков диаметром 6 и 8 дюймов соответственно, в настоящее время широко используются для изготовления фотоэлементов из монокристаллического кремния. Изготовление монокристаллических элементов и модулей с использованием пластин того же размера, что и для производства поликристаллических элементов, повысило конкурентоспособность монокристаллических элементов по сравнению с их поликристаллическими аналогами с точки зрения производственных затрат на выходной ватт. Монокристаллические элементы составляли 38% всех солнечных элементов, произведенных в 2008 г. ¹ .

Существуют большие различия между эффективностью лучших исследовательских кристаллических кремниевых фотоэлементов и соответствующих промышленных фотоэлементов. Эффективность стандартных промышленных монокристаллических фотоэлементов остается в диапазоне 16–18%, что значительно ниже уровня эффективности 25% лучших исследовательских элементов. Промышленные элементы ограничены экономическими факторами простыми элементами, которые подходят для высокоскоростного автоматизированного производства с использованием недорогих материалов. Простые конструктивные особенности, такие как текстурирование передней поверхности и BSF, подобные тем, которые были разработаны для наземных фотоэлементов из кристаллического кремния в начале 1980-х годов, до сих пор применяются в большинстве современных промышленных кристаллических элементов.Чтобы повысить эффективность элементов, многие производители элементов систематически пытаются внедрить в существующие производственные процессы высокоэффективные функции, такие как более тонкие линии сетки, селективные эмиттеры или более мелко легированные области n ₊ . Ячейки BC-BJ и HIT обладают исключительно высокой эффективностью для промышленных монокристаллических фотоэлементов, но имеют сложную структуру ячеек, которая требует гораздо более длительного производственного процесса и более специализированного оборудования по сравнению с другими промышленными ячейками.В результате этим передовым типам элементов и модулей трудно конкурировать на рынке с точки зрения производственных затрат на выходной ватт. Остается дилемма в балансе между повышением эффективности и снижением стоимости солнечных элементов и модулей с использованием существующих технологий производства. Поэтому необходимы инновационные и простые производственные технологии и оборудование для изготовления высокоэффективных солнечных элементов, чтобы добиться значительного снижения затрат на производство фотоэлектрических модулей из кристаллического кремния.

Другим недостатком технологий монокристаллических элементов является то, что монокристаллические элементы на основе кремниевых подложек p-типа CZ подвержены светоиндуцированной деградации (LID), вызванной рекомбинацией реакционноспособных бор-кислородных комплексов (B s –O 2 я ). Было предпринято много исследований в попытках устранить эффекты LID в фотоэлементах из монокристаллического кремния, и сообщалось о постоянной дезактивации комплекса при высокой температуре (> 170 ° C) ¹⁸ .Пластины CZ с магнитным полем, легированные бором, и пластины CZ, легированные галлием, также обещают устранить эффекты LID в монокристаллических солнечных элементах, а CZ-кремниевые элементы на основе пластин CZ n-типа, легированных фосфором, также свободны от эффектов LID. Высокоэффективные фотоэлементы SunPower и Sanyo изготавливаются с использованием пластин CZ-кремния n-типа.

Поликристаллические солнечные элементы

Слитки и пластины поликристаллического кремния были разработаны как средство снижения производственных затрат на слитки кремния и исследовались с середины 1970-х годов [19,20].Современные поликристаллические печи рассчитаны на максимальную производительность, отливая слитки массой около 450 кг. Поликристаллические элементы в настоящее время являются наиболее широко производимыми элементами, составляя около 48% мирового производства солнечных элементов в 2008 году ¹ . Стандартные поликристаллические промышленные элементы обеспечивают эффективность 15–17%, что примерно на 1% ниже, чем у монокристаллических элементов, изготовленных на тех же производственных линиях. Однако эффективность модулей поликристаллических ячеек почти такая же, как у монокристаллических ячеек (14%), из-за более высокого коэффициента упаковки квадратных поликристаллических ячеек; монокристаллические ячейки изготовлены из псевдоквадратных пластин CZ и имеют относительно плохой коэффициент упаковки.

Эффективность как монокристаллических, так и поликристаллических фотоэлементов в будущем будет повышена за счет внедрения высокоэффективных структур. Ожидается, что разница в эффективности между монокристаллическими и поликристаллическими ячейками станет больше с введением таких высокоэффективных структур из-за разницы в качестве кристалла (, т.е. времени жизни неосновных носителей). Лучший из текущих исследовательских поликристаллических кремниевых элементов, элемент PERL, разработанный Fraunhofer ISE ²¹ , обеспечивает эффективность преобразования энергии 20.3%. Эта ячейка PERL имеет контактную заднюю структуру с лазерным возбуждением, которая дает V _oc до 664 мВ. Однако эффективность этой поликристаллической ячейки остается примерно на 5% ниже, чем у лучших исследовательских монокристаллических ячеек PERL, в основном из-за разницы в качестве между моно- и поликристаллическими подложками. Поликристаллические подложки подвержены более высокой скорости рекомбинации неосновных носителей как на границах активных зерен, так и внутри кристаллических зерен из-за высокой плотности дислокаций и примесей по сравнению с монокристаллическими подложками FZ или CZ.В течение многих лет как в государственных, так и в промышленных лабораториях был проведен значительный объем исследований и разработок по повышению эффективности поликристаллических солнечных элементов, и последние высокоэффективные солнечные элементы из поликристаллического кремния теперь имеют характеристики, перечисленные в таблице 2. Эти характеристики в целом такие же, как и для недавних монокристаллических солнечных элементов.

Поликристаллические солнечные элементы с сотовой структурой, недавно продемонстрированные Mitsubishi Electric, демонстрируют КПД более 19.3% и поставляются в больших ячейках 15 см × 15 см ²² . Эти поликристаллические элементы имеют отчетливую переднюю сотовую поверхность для уменьшения отражения света, и введение этой передней текстурированной поверхности привело к высокому току J _sc в 37,5 мА·см _–2 для элементов с трафаретной печатью и обожженные электроды с серебряной пастой. Эта ячейка также имеет структуры PERL с пассивацией передней поверхности, пассивацией задней поверхности с локальным BSF и селективным эмиттером для повышения эффективности ячейки.

Подходы к снижению стоимости элементов также включают использование более тонких кремниевых пластин. Компания Sharp сообщила о высокоэффективных (18,1%) поликристаллических кремниевых элементах, изготовленных с использованием пластин толщиной 100 мкм, в 2009 г. ²³ . Электрические характеристики кристаллических кремниевых фотоэлементов со стандартной структурой задней поверхности BSF из алюминиевого сплава снижаются по мере того, как подложка становится тоньше. Высокоэффективные поликристаллические ячейки с пассивирующим слоем SiN _x и тонким алюминиевым отражателем на задней поверхности кремния демонстрируют меньшую деградацию производительности при уменьшении толщины подложки для подложек толщиной 100–180 мкм.Ячейки с задней пассивацией и локальным BSF на подложках толщиной 100 мкм обеспечивают дополнительное преимущество меньшего изгиба ячейки по сравнению со стандартными ячейками BSF из алюминиевого сплава на подложках той же толщины.

Новые типы поликристаллических элементов с тыльным контактом, такие как элементы со сквозной металлической оберткой (MWT) и ячейки со сквозной оболочкой излучателя (EWT) (рис. 5), также были разработаны институтами и компаниями, такими как ECN, Kyocera и Advent Solar. 24–26]. Ячейки BC-BJ без переднего p-n перехода требуют высококачественных монокристаллических подложек с большим временем жизни неосновных носителей.Однако ячейки с обратным контактом WT подходят для использования с поликристаллической подложкой, имеющей относительно короткое время жизни неосновных носителей (в зависимости от толщины ячейки). Передние p–n-переходы в этих ячейках могут собирать большинство носителей, генерируемых в области от переднего n-легированного слоя до задней поверхности подложки. Эти ячейки с тыльным контактом имеют сквозные отверстия, просверленные лазером, которые могут проходить через передние n-электроды и/или области, легированные n, к задним поверхностям. Ячейкам MWT требуется лишь относительно небольшое количество сквозных отверстий для направления фотогенерируемых электронов на заднюю поверхность через металлические электроды и эмиттеры с n-легированием, и они производят более высокие собирающие фототоки из-за отсутствия шины (основного электрода) на передней панели. поверхность как в обычных ячейках.Kyocera ²⁶ сообщила о высоком J _sc 37,3 мА см _–2 и эффективности 18,3% для ячейки MWT, а эффективность модуля для модулей ячеек MWT от ECN, 16,4%, составляет самый высокий зарегистрированный на сегодняшний день ²⁵ .

Схема структуры солнечных элементов с обратным контактом. (а) МВТ. Адаптировано из Ref. 26 (© WIP Мюнхен, 2008 г.). (б) ЭВТ. Адаптировано из Ref. 25 (© IEEE, 2008 г.). Все рисунки воспроизведены с разрешения.

Элементы EWT имеют большее количество близко расположенных сквозных отверстий, которые направляют фотогенерированные электроны на заднюю поверхность исключительно через n-легированные эмиттеры.Ячейки EWT производят еще более высокие фототоки за счет устранения затенения как шины (основной электрод), так и линии сетки (подэлектрод) на передней поверхности. Компания Q-Cells недавно сообщила о высоком уровне J _sc 37,5 мА см _–2 и эффективности 17,1% для клеток EWT. Целью промышленных поликристаллических фотоэлементов является достижение среднего КПД элемента на уровне 17% при крупномасштабном производстве ²⁴ .

Было исследовано множество методов улучшения качества поликристаллических подложек, чтобы они соответствовали более дорогим монокристаллическим пластинам CZ.Метод дендритного литья является одним из таких подходов, который позволяет контролировать ориентацию и размер зерен, что приводит к получению высококачественных дендритных кристаллов с параллельным двойникованием. Солнечные элементы на основе дендритных поликристаллических пластин демонстрируют эффективность до 17%, что сравнимо с эффективностью, обеспечиваемой монокристаллическими элементами CZ с использованием того же процесса изготовления элементов ²⁷ .

Материалы и обработка

Необработанный высокочистый поликремний, используемый для изготовления кристаллических кремниевых солнечных элементов, обычно производится по методу Сименса.Рыночная цена сырого кремния зависит от баланса спроса и предложения для производства солнечных элементов и полупроводников и может заметно колебаться. Например, в 2006–2008 годах стоимость сырого кремния как доля от общей стоимости модулей солнечных батарей подскочила с 20–30% до более чем 50% из-за нехватки кремния на рынке. Таким образом, снижение стоимости кремния в модуле элемента за счет уменьшения толщины подложки является важным аспектом достижения общего снижения стоимости модулей солнечных элементов. Нарезка пластин с помощью проволочной пилы является одной из ключевых технологий производства промышленных фотоэлементов из кристаллического кремния, а усовершенствования технологии нарезки пластин привели к уменьшению толщины необработанных пластин с 370 мкм до 180 мкм с 1997 года для промышленных поликристаллических кремниевых элементов Sharp ( Рисунок 6).Чтобы представить пластины тоньше 150 мкм, потребуются сложные производственные процессы, подходящие для сверхтонких пластин, и процессы должны будут обеспечивать высокую скорость обработки и высокую производительность на каждом из этапов процесса нарезки пластин, изготовления ячеек и сборки модулей.

Уменьшение толщины кремниевой пластины компанией Sharp (© Sharp, 2010)

За последние четыре десятилетия было предложено несколько альтернативных методов выращивания для производства поликристаллических подложек непосредственно из расплавленного кремния, в том числе с пленочной подачей по краям. рост (EFG), рост ленты-струны (SRG) и рост ленты на подложке (RGS) [28–30].Эти методы потенциально позволяют уменьшить количество кремния, используемого при производстве фотоэлементов. Методы EFG и SRG используются в промышленных масштабах компаниями SCHOTT Solar и Evergreen Solar соответственно ³¹ . Эти два метода имеют преимущества низкого расхода кремния в соответствии с W _p и высокой эффективности ячейки по сравнению с методом RGS. Эти методы позволяют получить недорогие, но слегка волнистые поликристаллические подложки по сравнению со стандартными поликристаллическими подложками.Недавно изготовленные элементы на основе подложек прямого выращивания имеют почти такую ​​же эффективность, как и стандартные поликристаллические элементы из литого кремния. Однако меньшие ячейки на основе EFG и SRG, которые примерно вдвое меньше стандартных промышленных ячеек, требуют более высоких затрат на обработку ячеек и модулей. Sharp ³² недавно предложил метод кристаллизации на погруженной подложке, который можно использовать для производства пластин стандартного размера (156 мм × 156 мм) непосредственно из расплавленного кремния в тигле.

Передний эмиттерный слой фотоэлементов из кристаллического кремния формируется методом диффузии фосфора в кварцевой трубке или ленточной печи. В качестве источника диффузии фосфора используется твердый P ₂ O ₅ или жидкий POCl ₃ . Методы диффузии фосфора, использующие геттерные эффекты для снижения плотности примесей в кремниевой пластине и, таким образом, увеличения времени жизни неосновных носителей, продемонстрировали свою эффективность при условии, что диффузия проводится в условиях пересыщения фосфором (уровень легирования выше твердой растворимости в кремнии) [33–35]. .

Слои BSF в промышленных элементах формируются путем сплавления алюминиевой пасты методом трафаретной печати в ленточной печи. Этот процесс обеспечивает высокую производительность и относительно низкую стоимость процесса формирования ЧФ. Легирование алюминиевой пастой имеет дополнительное преимущество, заключающееся в том, что оно вызывает геттерные эффекты пластин как в поликристаллических, так и в монокристаллических кремниевых фотоэлементах, аналогичных технологиям диффузии фосфора [36,37]. Металлические примеси, такие как железо или медь, могут быть удалены из объемного кремния за счет геттерных эффектов алюминия, что может улучшить длину диффузии неосновных носителей заряда.

Трафаретная печать и обжиг серебряной пасты для обеспечения контакта с объемной поверхностью кремния путем проникновения дуги представляет собой хорошо зарекомендовавший себя, простой и быстрый процесс формирования переднего и заднего электродов. Это также наиболее широко используемый и недорогой метод формирования электродов в промышленных фотоэлементах из кристаллического кремния. Передние линии сетки разработаны таким образом, чтобы оптимизировать компромисс между потерями в тени и последовательным сопротивлением. В качестве альтернативы серебряной пасте методом трафаретной печати исследователи из Университета Нового Южного Уэльса разработали покрытые электроды из слоистого никеля, меди и серебра для использования в ячейках со скрытым контактом (BC) [38,39].Ячейка BC, изготовленная компанией BP Solar, показана на рисунке 4(e) ⁴⁰ . Фотоэлементы из кристаллического кремния с покрытыми электродами имеют превосходные электрические характеристики благодаря низкому последовательному сопротивлению и тонким линиям сетки, что приводит к значительно меньшей площади тени. Однако электроды с гальванопокрытием, которые формируются мокрым способом, еще не получили такого широкого применения, как электроды с серебряной пастой, нанесенные трафаретной печатью. Серебро, используемое в качестве электродного материала в кристаллических кремниевых элементах, станет критическим материальным ресурсом, когда производство кристаллических кремниевых солнечных элементов достигнет больших объемов, прогнозируемых в будущем.Поэтому медь и алюминий рассматривались как заменители серебра в кремниевых фотоэлектрических контактах.

кремниевые солнечные панели: Кремниевые солнечные панели: они могут стать источником бесплатного электричества

Что такое фотогальванические элементы?
Преобразование солнечной энергии в электрическую осуществляется по принципу фотогальванического (ФЭ) эффекта. Фотоэлектрический эффект — это процесс преобразования солнечной энергии в электрическую через фотоэлементы, состоящие из полупроводников, таких как кремний. Когда солнечный свет падает на фотоэлемент, его составляющие, известные как фотоны, поглощают полученную световую энергию и передают эту энергию электронам в полупроводниковом материале, который затем течет в виде электрического тока.Этот электрический ток становится источником электроэнергии. Одним из наиболее популярных полупроводниковых материалов, используемых в фотоэлектрических элементах, является кремний, обладающий свойствами, позволяющими производить электроэнергию из солнечной энергии.

Кремниевые солнечные панели бывают разных размеров для различных применений. Кремниевые солнечные панели обычно содержат 32, 36, 48, 60, 72 и 96 фотоэлементов. Некоторые из этих панелей могут быть соединены последовательно или параллельно, чтобы получить более высокую электрическую мощность, подходящую для приложений с высокими требованиями к мощности.

Типы кремниевых солнечных панелей
По сути, существует три типа кремниевых солнечных панелей, в первую очередь классифицируемых на основе типа фотоэлементов в них.Их можно разделить на монокристаллические, поликристаллические и аморфные или тонкопленочные солнечные панели. Каждый из них имеет различные свойства, которые могут влиять на выход вырабатываемой электроэнергии.

Монокристаллические солнечные панели
Монокристаллические солнечные панели изготовлены из фотоэлементов, вырезанных из слитка кремния, выращенного из чистого монокристалла кремния. Когда цилиндрический слиток разрезается, его круглая форма становится квадратной, что придает ячейке уникальную восьмиугольную форму.Эта форма отличает ячейки от ячеек из поликристаллического кремния. Кроме того, монокристаллические солнечные элементы имеют равномерный черный цвет для всех элементов. Фотоэлементы в панели обеспечивают лучшую собирающую поверхность из-за пирамидальной формы кристалла. При надлежащей обработке и добавлении других материалов эти элементы служат до 30 лет или даже больше и обеспечивают более высокую эффективность, чем два других типа кремниевых солнечных панелей. Эффективность монокристаллических солнечных панелей, составляющая 15-20%, является самой высокой среди всех солнечных панелей на основе кремния.Эти элементы также эффективны с точки зрения занимаемой площади при одинаковой производительности среди всех элементов на основе кремния.

Поликристаллические солнечные панели
Поликристаллические солнечные панели изготавливаются из фотоэлементов, вырезанных из нескольких кристаллов кремния. Расплавленный кремний заливают в квадратные формы. После остывания кремния в формах его разрезают на квадраты. Правильная квадратная форма отличает поликристаллическую ячейку от монокристаллической (восьмиугольной формы). Они обладают теми же свойствами, что и монокристаллические солнечные панели, но обеспечивают меньшую эффективность при преобразовании солнечной энергии в электрическую.Эти элементы дешевле в производстве, чем монокристаллические элементы, поскольку потери кремния меньше.

Тонкопленочные или аморфные солнечные панели
Тонкопленочные или аморфные солнечные панели содержат подложку, на которую нанесены тонкие слои аморфного кремния. Они становятся популярными из-за возможности массового производства и использования там, где площадь поверхности для развертывания панелей не является ограничением. Аморфные солнечные панели имеют низкую эффективность и поэтому используются в небольших приложениях, таких как карманные калькуляторы.Но с новой техникой «укладки» слои можно комбинировать для повышения эффективности (6-8%). Поскольку аморфные солнечные панели являются гибкими, их можно использовать инновационными способами и на искривленных поверхностях.

Применение кремниевых солнечных панелей
Почти 90% приложений солнечной энергетики используют кремниевые солнечные панели для выработки электроэнергии. Многие области применения кремниевых солнечных панелей заключаются в следующем:

• На электростанциях кремниевые солнечные панели обеспечивают необходимую энергию для кипячения воды и производства пара, который может вращать турбины для производства электроэнергии.Они могут заменить другие виды энергии, которые не являются возобновляемыми.
• В домашних хозяйствах кремниевые солнечные панели, размещенные на крышах, могут служить автономной системой, используемой для нагрева воды для домашнего потребления. Эти панели также могут стать источником бесплатного электричества, если они заряжают перезаряжаемую батарею, которую затем можно использовать для подачи электроэнергии в дома.
• В коммерческих учреждениях, как и в домах, кремниевые солнечные панели, размещенные на крышах или во дворах, могут служить в качестве основного или резервного источника питания.
• В сельскохозяйственных полях или домах автономные системы солнечной энергии используют кремниевые солнечные панели для питания водяного насоса, который перекачивает воду в поле или в верхний резервуар.
• В плавательных бассейнах кремниевые солнечные панели могут поддерживать температуру воды в бассейне зимой.
• Для освещения автономные системы, использующие кремниевые солнечные панели, могут обеспечить электроэнергией улицу, тротуар, дорожку или задний двор. Они также могут служить переносными фонарями.

Загрузите приложение The Economic Times News News, чтобы получать ежедневные обновления рынка и деловые новости в прямом эфире.

Почему при изготовлении большинства солнечных панелей обычно используется кремний?

ПОЧЕМУ КРЕМНИЙ ИСПОЛЬЗУЕТСЯ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ СОЛНЕЧНЫХ ПАНЕЛЕЙ?

Почти 90% фотоэлектрических или солнечных панелей в мире основаны на той или иной разновидности кремния.

Раньше кремниевые элементы были очень дорогими. Они были доступны только тем, у кого были деньги на отправку вещей в космос. Развитие со временем позволило кремниевым солнечным элементам стать более доступными.

ПРИЧИНЫ, ПОЧЕМУ КРЕМНИЙ ИСПОЛЬЗУЕТСЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Солнечные панели состоят из солнечных фотоэлектрических (PV) элементов. Работа системы солнечной энергии зависит от эффективности фотоэлектрических элементов. Эти фотоэлектрические элементы сделаны с использованием кремния. Вот несколько причин, по которым используется кремний:

1. Кремний — это полупроводник. Полупроводники обладают свойствами, которые занимают промежуточное положение между свойствами проводника и изолятора. Он обладает электрическим свойством, которое делает его проводящим в одном направлении и изолирующим в другом.
2. Полупроводники светочувствительны.
3. Кремниевые солнечные элементы показали КПД более 20%.
4. Когда кремний легирован такими примесями, как атомы галлия и мышьяка, его способность улавливать солнечную энергию и преобразовывать ее в электричество значительно повышается.
5. Кремний не токсичен.
6. Кристаллический кремний является стабильным материалом.
Кремний
7. имеет ширину запрещенной зоны 1,1 эВ, что недалеко от оптимального значения 1,34 эВ для получения энергии от солнечного света.Существуют и другие полупроводники с идеальной шириной запрещенной зоны, такие как CdTe — 1,49 эВ, но их производство дороже.
8. Кремний — второй по распространенности элемент в земной коре после кислорода.
9. Кремний дешев и легко доступен.

В заключение следует отметить, что солнечные элементы, изготовленные из кристаллического кремния, обеспечивают сочетание высокой эффективности, низкой стоимости и длительного срока службы. Ожидается, что модули прослужат 25 и более лет, по истечении этого времени производя более 80% своей первоначальной мощности.

Заинтересованы в использовании солнечной энергии? Хотите получить лучшую солнечную панель для дома или бизнеса? Сохранять спокойствие! Свяжитесь с Havenhill Synergy Limited сегодня.

Улучшение кремниевых солнечных панелей — ScienceDaily

Исследователи из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) Министерства энергетики США и Школы горного дела Колорадо применяют новый метод для выявления дефектов кремниевых солнечных элементов, которые вызывают снижение эффективности. Уроки, извлеченные на атомарном уровне, могут привести к усовершенствованию способов, с помощью которых производители защищают свои продукты от так называемой деградации, вызванной светом.

Деградация, вызванная светом, или LID, снижает эффективность кремниевых солнечных элементов примерно на 2%, что приводит к значительному снижению выходной мощности в течение 30–40 лет срока службы технологии, развернутой в полевых условиях. Солнечные элементы, изготовленные из кремния, составляют более 96% мирового рынка, и наиболее часто используемый полупроводник, используемый в производстве этих элементов, изготовлен из кремния, легированного бором. Но кремний, легированный бором, подвержен СИД, поэтому производители разработали методы стабилизации солнечных модулей.

Исследователи заявили, что без понимания дефектов на атомном уровне невозможно предсказать стабильность этих модулей.

«Некоторые модули полностью стабилизированы. Некоторые из них стабилизированы только наполовину», — сказала Эбигейл Мейер, доктор философии. кандидат горнодобывающей промышленности и научный сотрудник NREL. Она является ведущим автором новой статьи, в которой подробно описаны усилия по определению источника феномена LID. В журнале Energy & Environmental Science опубликована статья «Атомная структура индуцированного светом дефекта, снижающего эффективность в легированных бором кремниевых солнечных элементах Чохральского».

Ее соавторами являются Винченцо ЛаСальвиа, Уильям Немет, Мэтью Пейдж, Дэвид Янг, Пол Страдинс, все из NREL; Сумит Агарвал, Майкл Венути и Серена Эли из Майнса; и П. Крейг Тейлор, профессор горного дела на пенсии, который консультировал исследование.

Страдыньш, главный научный сотрудник и руководитель проекта по исследованию кремниевой фотоэлектрической энергии в NREL, сказал, что проблема LID изучается в течение десятилетий, но точная микроскопическая природа того, что вызывает деградацию, не установлена.Исследователи путем косвенных экспериментов и теории пришли к выводу, что проблема уменьшается, когда используется меньше бора или когда в кремнии присутствует меньше кислорода.

Сотрудничество между исследователями NREL и Mines основывалось на электронном парамагнитном резонансе (ЭПР) для выявления дефектов, ответственных за LID. Впервые микроскопическое исследование выявило четкую сигнатуру дефекта, поскольку образцы солнечных элементов стали более деградировать под действием света. Сигнатура дефекта исчезла, когда ученые применили эмпирический процесс «регенерации» для лечения LID, принятый в промышленности.К своему удивлению, исследователи также обнаружили вторую, «широкую» сигнатуру ЭПР, подверженную воздействию света, включающую гораздо больше атомов легирующей примеси, чем дефектов СИД. Они предположили, что не все атомные изменения, вызванные светом, приводят к СИД.

Методы, разработанные для изучения LID, могут быть расширены для выявления других типов деградирующих дефектов в кремниевых солнечных элементах и ​​других полупроводниковых материалах, используемых в фотоэлектрической энергетике, включая теллурид кадмия и перовскиты, отметили ученые.

Управление технологий солнечной энергии Министерства энергетики финансировало исследование.

Источник истории:

Материалы предоставлены DOE/Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии . Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

Какой из них лучший выбор?

Большинство представленных сегодня на рынке солнечных панелей для бытовых систем солнечной энергии можно разделить на три категории: монокристаллические солнечные панели, поликристаллические солнечные панели и тонкопленочные солнечные панели.

Солнечные элементы, входящие в состав панели, определяют ее тип. Каждый тип солнечных элементов имеет разные характеристики, что делает определенные панели более подходящими для разных ситуаций.

Мы создали полное руководство по монокристаллическим, поликристаллическим и тонкопленочным солнечным панелям, чтобы помочь вам решить, какой тип подходит для вашего дома.

Ключевые блюда на вынос

• Существует три различных типа солнечных панелей: монокристаллические, поликристаллические и тонкопленочные.
Монокристаллические солнечные панели
• отличаются высокой эффективностью и стильным дизайном, но имеют более высокую цену, чем другие солнечные панели.
• Поликристаллические солнечные панели дешевле, чем монокристаллические, однако они менее эффективны и не так эстетичны.
• Тонкопленочные солнечные панели являются самыми дешевыми, но имеют самый низкий рейтинг эффективности и требуют много места для удовлетворения ваших потребностей в энергии.
• Марка солнечных панелей и выбранная вами компания по установке гораздо важнее, чем тип устанавливаемой вами солнечной панели.

Узнайте, сколько вы можете сэкономить ежемесячно, установив солнечные панели на крыше

Три типа солнечных панелей

Монокристаллический

Монокристаллические солнечные панели являются наиболее популярными солнечными панелями, используемыми сегодня в солнечных панелях на крыше .

из монокристаллического кремния изготавливаются с использованием так называемого метода Чохральского, в котором «затравочный» кристалл кремния помещается в расплавленный чан с чистым кремнием при высокой температуре.

Этот процесс формирует единый кристалл кремния, называемый слитком, который нарезается на тонкие кремниевые пластины, которые затем используются в солнечных модулях.

Забавный факт! Существует несколько типов монокристаллических солнечных панелей

В настоящее время на рынке представлено несколько разновидностей монокристаллических солнечных панелей на выбор.Пассивированные эмиттерные и задние контактные ячейки, чаще называемые ячейками PERC, становятся все более популярными монокристаллическими вариантами. Ячейки PERC проходят другой процесс производства и сборки, который увеличивает количество электроэнергии, которую могут производить ячейки.

Двусторонние солнечные панели, еще одна монокристаллическая технология, могут генерировать электричество как на передней, так и на задней стороне модуля, и набирают обороты в коммерческих наземных приложениях.

Поликристаллический

Поликристаллические панели, иногда называемые «мультикристаллическими панелями», популярны среди домовладельцев, желающих установить солнечные панели с ограниченным бюджетом .

Подобно монокристаллическим панелям, поликристаллические панели состоят из кремниевых солнечных элементов. Однако процесс охлаждения отличается, что приводит к образованию нескольких кристаллов, а не одного.

Поликристаллические панели, используемые в жилых домах, обычно содержат 60 солнечных элементов.

Тонкая пленка

Тонкопленочные солнечные элементы в основном используются в крупных коммунальных и промышленных солнечных установках из-за их более низкого рейтинга эффективности .