Гетеропереходные, Perc, перовскитные — какие фотоэлементы будут участвовать в гонке на рынке солнечной энергетики в будущем и конкурировать за наивысшую эффективность? Из многих существующих ныне типов фотоэлементов эксперты отмечают гетеропереходные, которые предлагают самую высокую эффективность, правда, наряду с Perc.
В настоящее время мы являемся одним из немногих производителей, которые уже предлагают солнечные батареи с гетеропереходными фотоэлементами, и последовательно делаем ставку на эту технологию. В этой статье я объясняю, как мы достигаем эффективности выше среднего, и какие цели мы преследуем при разработке новых фотоэлементов.
Что особенного в наших гетеропереходных элементах, так это то, что мы комбинируем кристаллическое фотоэлементы с тонкопленочной технологией. В нашем фотоэлементе «HIT» тонкая пластина из монокристаллического кремния покрыта слоем ультратонкого аморфного (= тонкопленочного) кремния. Это позволяет нам объединить преимущества двух технологий: кристаллические фотоэлементы могут преобразовывать больше прямых солнечных лучей в электричество, чем тонкопленочные. С другой стороны, у тонкопленочных лучше характеристики при слабом освещении, а еще они производят больше электроэнергии при рассеянном свете. Из-за их лучшего температурного коэффициента они также теряют меньше энергии при повышении температуры, чем кристаллические.
В то время как кристаллическая пластина в основе гетеропереходного фотоэлемента производит много солнечной энергии, аморфный слой на поверхности уменьшает потери электронов. Наши фотоэлементы достигают эффективности выше среднего в 22%. Лидером в отрасли является также эффективность таких фотоэлементов, достигнутая в лаборатории. В 2014 году она уже составляла 25,6%. То же самое относится и к солнечным батареям. Нашей солнечной батареей с самой высокой эффективностью является модель «HIT N335«. При мощности в 335 Вт, её эффективность составляет 20,0%.
Другим фактором, способствующим такой высокой эффективности, является то, что мы являемся одним из немногих производителей солнечных батарей, которые используют пластины n-типа. Обычные монокристаллические пластины основаны на p-типе, мы же используем n-тип, потому что такие пластины чище.
Свойства гетеропереходных фотоэлементов
Прежде всего, отличная пассивация поверхности обеспечивает очень высокое напряжение. Монокристаллические пластины химически полируются и постоянно улучшаются. В результате теряется значительно меньше электронов, чем в случае монокристаллических фотоэлементов с более шероховатой поверхностью. Кроме того, комбинация двух типов кремния — монокристаллического и аморфного — в гетеропереходных фотоэлементах имеет преимущество, например, по сравнению с комбинацией кремний-металл.
Еще один положительный эффект — более высокое напряжение холостого хода в наших фотоэлементах. Более высокое напряжение холостого хода приводит к тому, что инвертор раньше начинает свою работу и быстрее начинает преобразовывать постоянный ток в переменный ток. Тем самым увеличивается выработка солнечной электроэнергии и улучшается максимальная мощность солнечной батареи (Pmax).
Потенциал и цели дальнейшей разработки фотоэлементов
Постоянное улучшение свойств фотоэлементов еще больше повышает эффективность. Как уже упоминалось выше, лабораторный показатель эффективности в 2014 году уже составлял 25,6%. Для солнечных батарей, которые мы выводим на рынок, планируется повышение эффективности до 24% на уровне фотоэлементов. Для этого мы работаем над следующими свойствами:
Снижение электронно-дырочной рекомбинации
Ключом к повышению эффективности являются собственные запирающие аморфные слои (intrinsic amorphous layers), которые нанесены на монокристаллическую пластину. Оптимизируя эти слои и электронно-дырочную рекомбинацию, мы можем минимизировать потери в фотоэлементах. При электронно-дырочной рекомбинации частицы с разным зарядом, которые были разделены фотоэлементе при помощи солнечного света и теперь свободно перемещаются, переориентируются так, чтобы генерировалась электроэнергия.
Оптимизация структуры решетки и аморфных слоев
Чтобы достичь более высокой эффективности, чрезвычайно важно эффективно транспортировать электрические носители из монокристаллических пластин. Panasonic оптимизирует аморфные слои (p- и n-типа) за счет лучшей проводимости и меньшей рекомбинации. Кроме того, мы улучшаем расположение электрической структуры решетки, чтобы минимизировать электрическое сопротивление и увеличить оптически активную область. Оптически активная область увеличивается, делая контактные пальцы все тоньше и тоньше. Однако тем самым увеличивается электрическое сопротивление. Поэтому оптимизация возможна только до идеального соотношения оптически активной области и низкого сопротивления.
Улучшение фотоэлектрического эффекта на обратной стороне фотоэлементов
Благодаря симметричному расположению аморфных слоев («многослойная структура») наши гетеропереходные фотоэлементы могут генерировать солнечную электроэнергию как на передней, так и на задней стороне. Поэтому их можно даже назвать двусторонними. Мы оптимизировали заднюю сторону наших фотоэлементов, чтобы увеличить световыход. Он способствует повышению эффективности и увеличению выработки электроэнергии.
Отсутствие деградации, вызванной воздействием солнечного света
Структура фотоэлемента оказывает положительное влияние на деградацию, вызванную светом (LID). LID является типичным явлением в монокристаллических солнечных батареях, основой которых являются пластины p-типа, при первом воздействии солнечного света. Мы используем пластины n-типа в наших гетеропереходных фотоэлементах, сводя деградацию LID к минимуму.
Очень тонкий = очень гибкий
Наши фотоэлементы могут быть также очень тонкими и гибкими. Даже при толщине всего 100 микрометров они могут достичь высокой эффективности. Благодаря своей гибкости, они также подходят, например, для автомобильных крыш. Так, например, наши фотоэлементы используются в гибридном автомобиле Prius от Toyota . Наши фотоэлементы обеспечивают высокую мощность около 180 Вт на ограниченной площади на крыше автомобиля. Благодаря высокой гибкости они также лучше выдерживают снеговые нагрузки и менее подвержены воздействию микротрещин при транспортировке.
Никаких половинчатых фотоэлементов
Сейчас в моде солнечные батареи из половинчатых фотоэлементов. Мы даже не планируем производить такие солнечные батареи. У нас уже есть опыт работы с половинчатыми фотоэлементами в наших так называемых «сотовых солнечных батареях». Название связано с сотовой конструкцией фотоэлементов. Из-за царящего в то время дефицита кремния фотоэлементы изготавливали из слитков с обрезанными углами. Наш опыт показывает, что производить фотоэлементы меньшего размера намного сложнее, чем фотоэлементы нормального размера. При работе с фотоэлементами меньшего размера необходимо спаять больше фотоэлементов, а риск повреждения фотоэлементов растет с увеличением количества фотоэлементов. Если процесс пайки проходит без замечаний, то полученные половинчатые фотоэлементы действительно работают очень хорошо и достигают более высокой мощности, но их высокая подверженность повреждениям и более высокие производственные затраты находятся в непропорциональном соотношении. Поэтому мы продолжает работать только с полноразмерными фотоэлементами.
Мы убеждены, что гетеропереходная технология — это будущее, и мы будем продолжать фокусироваться на этой технологии.
Источник: https://www.pv-magazine.de/2019/01/23/heterojunction-technologie-fuer-mehr-ertrag/