Гетероструктурні технології для підвищеної ефективності перетворення сонячної енергії в електричну (ККД)

У компанії Panasonic заявляють про серйозний намір використовувати гетероструктурну технологію під час виробництва сонячних елементів і прагнення досягти ефективності рівня ++. Авторитетний японський виробник високоефективних модулів HIT® пояснює, яким чином досягається більш висока ефективність елементів і висловлює цілі своїх досліджень і розробок.

Гетероструктурні елементи, PERC, перовскіт… Які сонячні (фотоелектричні) елементи виграють битву за ринок фотоелектричних батарей і перегони за досягнення найвищої ефективності? З безлічі наявних типів елементів найбільшою популярністю серед експертів з фотоелектричних систем користуються гетероструктурна й PERC (пасивація задньої поверхні сонячної панелі) технології, завдяки яким досягається більш висока ефективність. Компанія Panasonic, виробник високоефективних сонячних модулів HIT®, – одна з нечисленних компаній, що пропонують гетероструктурні панелі та роблять ставку на цю технологію. Тепер в Panasonic уперше пояснюють, як саме досягається більш висока ефективність, і які цілі ставить перед собою компанія в галузі розробки сонячних елементів.

Спочатку розглянемо технології, які використовуються під час виробництва сонячних елементів. Чим гетероструктурні елементи відрізняються від інших сонячних елементів, особливо добре відомих на ринку кристалічних і тонкоплівкових панелей?

Традиційні кристалічні або тонкоплівкові елементи, як правило, складаються з одного матеріалу, наприклад, з полікристалічних або монокристалічних кремнієвих пластин або компаунда на основі селеніду міді-індію-галію у разі тонкоплівкових елементів типу CIGS. Кожна з технологій має свої переваги. Наприклад, кристалічні елементи здатні перетворювати в електричну енергію більше прямих сонячних променів, ніж тонкоплівкові елементи.

З іншого боку, тонкоплівкові елементи краще працюють в умовах слабкої освітленості, тобто виробляють більше електроенергії в умовах розсіяного освітлення, наприклад, у хмарну погоду або під час зниження освітленості через смог, а також вранці або ввечері. Ці елементи мають обмеження з точки зору температури експлуатації, про які можна судити за температурним коефіцієнтом. Температурний коефіцієнт сонячного елемента або модуля показує, наскільки зменшується потужність і, отже, ККД під час кожного підвищення температури на один градус Цельсія. Чим нижче температурний коефіцієнт, тем менше знижується ефективність у разі підвищення температури.

Температурний коефіцієнт тонкоплівкових елементів нижче, ніж у кристалічних модулів, тому тонкоплівкові панелі забезпечують менші втрати енергії у разі підвищених температур.

Panasonic – комбінація кристалічної й тонкоплівкової технологій

Гетероструктурні елементи від Panasonic поєднують у собі переваги обох технологій, оскільки містять елементи як кристалічної, так і тонкоплівкової технологій. У сонячних елементах HIT® тонка монокристалічна кремнієва пластина покрита ультратонким шаром аморфного кремнію (= тонкоплівкова технологія).

Panasonic також є одним з нечисленних виробників модулів, що використовують кремнієві пластини n-типу. Традиційні монокристалічні панелі виконані на основі пластин p-типу, тоді як у Panasonic використовують пластини n-типу з меншим вмістом домішок.

У сонячних елементах Panasonic HIT® тонка монокристалічна кремнієва пластина укладена між ультратонкими шарами аморфного кремнію.
У сонячних елементах Panasonic HIT® тонка монокристалічна кремнієва пластина укладена між ультратонкими шарами аморфного кремнію.

Основні етапи виробничого процесу

Перший крок – виробництво кремнієвої пластини. Злиток надчистого монокристалічного кремнію розрізається алмазними дротовими пилками на пластини, товщина яких менше, ніж товщина поштової листівки. Нарізані пластини стануть підкладкою для гетероструктурних елементів. На другому етапі відбувається обробка пластин. Кремнієві пластини очищаються від домішок, і відбувається формування структури поверхні. Потім шари аморфного кремнію утворюють гетеропереходи. Прозорі електродні шари й сітчасті електроди для збору заряду утворюють гетероструктурні елементи із найкращими у світі показниками вироблення електроенергії. Після цього виконується перевірка потужності, зовнішнього вигляду й інших властивостей кожного окремого елемента.

Тоді як кристалічний пластина в центрі елемента виробляє велику кількість сонячної енергії, аморфний шар на поверхні знижує втрати електронів. Таким чином, ефективність елемента Panasonic HIT® становить 22 %, що вище за середній показник. Ці елементи також демонструють найвищу в галузі ефективність під час роботи в лабораторних умовах, і вже в 2014 році цей показник становив 25,6 %.

Сказане вище також справедливо й щодо модулів. Найвищою ефективністю перетворення енергії серед панелей Panasonic має модуль HIT® N335. За потужності 335 Вт ККД модуля становить 20 %.

Як вбачається з графіка, найбільший вихід мають елементи HIT. Це стало можливим завдяки шару аморфного кремнію, розташованому поверх монокристалічної пластини, що дозволяє використовувати також і спектр світла, властивий батареям на основі аморфного кремнію.
Як вбачається з графіка, найбільший вихід мають елементи HIT. Це стало можливим завдяки шару аморфного кремнію, розташованому поверх монокристалічної пластини, що дозволяє використовувати також і спектр світла, властивий батареям на основі аморфного кремнію.

Нижче описуються особливі властивості панелей:

Висока напруга завдяки пасивації поверхні

Насамперед, дуже висока напруга досягається завдяки оптимальній пасивації поверхні. «Поверхня монокристалічних пластин полірується хімічним способом і поступово поліпшується. Внаслідок втрачається набагато менше електронів, ніж у монокристалічних елементах із шорсткуватою поверхнею», – пояснює Шигекі Комацу (Shigeki Komatsu), генеральний менеджер підрозділу Panasonic Solar Europe. Поєднання двох типів кремнію (монокристалічного й аморфного) у гетероструктурних елементах є кращим порівняно зі, скажімо, комбінацією кремній-метал.

Більш висока напруга без навантаження елементів Panasonic HIT® також є позитивним чинником. «Більш висока напруга без навантаження означає, що інвертор умикається раніше»,– говорить п. Комацу. Внаслідок постійний струм швидше перетворюється на змінний. Це збільшує ККД і максимальну потужність модуля (Pmax).

Мета подальшого розвитку: довести ефективність сонячних модулів, які випускаються промислово, до понад 24%

Постійно поліпшуючи властивості існуючих елементів, у компанії Panasonic прагнуть різко підвищити ефективність. Як згадувалося вище, вже в 2014 році в лабораторних умовах вдалося одержати ефективність 25,6 %. У модулях HIT®, які випускаються серійно, планується збільшити ефективність до рівня понад 24 %. Для цього основна увага приділяється такому:

Зниження електронно-діркової рекомбінації

Ключем до підвищення ефективності є шари аморфного кремнію, нанесені на монокристалічну пластину. Оптимізація цих шарів і зниження електронно-діркової рекомбінації дозволяє максимально скоротити втрати в елементах HIT®. У разі електронно-діркової рекомбінації частинки з різним зарядом, які були розділені в сонячному елементі під впливом світла, і тепер вільно переміщаються, переорієнтуються таким чином, що створюється електрична енергія.

Оптимізація структури кристалічної решітки і аморфних шарів

Для досягнення більшої ефективності важливо ефективно транспортувати електричні носії з монокристалічної пластини. Ми оптимізуємо аморфні шари (p-типу й n-типу) для досягнення максимальної провідності й зниження рекомбінації. У компанії також працюють над поліпшенням структури решітки з метою мінімізації електричного опору й збільшення оптично активної площі поверхні. Оптично активна площа збільшується за рахунок поступового зменшення товщини електрода. Однак з іншого боку, водночас збільшується електричний опір. Таким чином, необхідно знайти ідеальний баланс між величиною оптично активної області й опором.

Оптимізований фотоелектричний ефект на задній поверхні елемента

Симетричне розташування аморфних шарів (багатошарова структура) означає, що гетероструктурні елементи Panasonic можуть виробляти енергію як на передній, так і на задній поверхнях, що дозволяє характеризувати їх як двосторонні. Ми оптимізували задню частину гетероструктурних елементів для поліпшення світловіддачі. Це допомагає підвищити ефективність модулів і кількість електроенергії, що виробляється.

Відсутність світлової деградації (LID)

Структура елемента впливає на ефект світлової деградації. Світлова деградація – типове явище для монокристалічних модулів, виконаних на основі пластин типу p, під час першого впливу сонячного світла. Граничне зниження ефекту деградації під впливом сонячного світла досягається завдяки тому, що в гетероструктурних елементах використовуються пластини типу n.

Дуже тонкий = дуже гнучкий

Ще одну перевагу гетероструктурних елементів Panasonic становить їхня висока гнучкість. Елементи HIT®можуть бути дуже тонкими й гнучкими.

Висока ефективність досягається навіть при товщині всього 100 мікрон. Завдяки гнучкості ці елементи підходять для таких застосувань, як дахи легкових автомобілів. Елементи Panasonic HIT® використовуються в гібриді Prius PHV (з можливістю підзарядки від зовнішньої електромережі), представленому компанією Toyota в 2017 р.

Сонячні елементи Panasonic забезпечують високу потужність (близько 180 Вт) на обмеженій поверхні даху автомобіля. Висока гнучкість також дозволяє краще витримувати снігові навантаження й припускає меншу схильність до утворення мікротріщин під час транспортування.

Випуск модулів за технологією half-cell не планується

Здається, про елементи half-cell зараз не говорить тільки ледачий. Panasonic не планує пропонувати такі модулі. «У нас є досвід застосування технології half-cell з нашими «стільниковими» елементами, – пояснює це рішення п. Комацу. Назва цих елементів походить від їхньої конструкції – вони виконані у формі стільника. Через нестачу кремнію в той час елементи виготовляли зі злитків з обрізаними кутами. «Виходячи з нашого досвіду, виготовити елементи меншого розміру набагато складніше, ніж елементи стандартного розміру. У разі менших розмірів необхідно спаювати ще більшу кількість елементів, і ризик відмови модуля збільшується зі зростанням числа елементів. Якщо все працює ідеально, то елементи за технологією half-cell дійсно виробляють більше енергії, але це не компенсує велику частоту відмов і підвищену собівартість виробництва».

Переваги на рівні модуля

Panasonic HIT® також мають безліч переваг на рівні модуля. Наприклад, продумана конструкція рами поліпшує стабільність і зменшує забруднення. Каркас скріплюється без застосування болтових з’єднань. Дренажна система Panasonic у кутах рами модуля надійно відводить воду з поверхні скла модуля. Це поліпшує функцію самоочищення модулів, одночасно підвищуючи тривалість ефективної роботи за рахунок зниження забруднення й накопичування пилу.

Крім того, товщина рами модулів HIT® нового покоління становить 40 мм. Завдяки більш міцній рамі модуль може витримувати вітрові й снігові навантаження до 5400 Па. Є офіційний дозвіл на установку монтажних кронштейнів на коротких сторонах модуля. З 1 червня 2018 року компанія Panasonic почала пропонувати «лінійну» гарантію (з гарантованим максимальним рівнем погіршення робочих характеристик щороку) для декількох моделей модулів серії HIT®. Ще в 2017 році компанія збільшила гарантійний строк для своїх високоефективних фотоелектричних модулів HIT® у Європі до 25 років.

За матеріалами: https://www.panasonic.com/ua/