Гетероструктурные солнечные модули: история технологии, предварительный обзор и сравнение с мировыми аналогами

история технологии, предварительный обзор и сравнение с мировыми аналогами

Статьи

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

Сизов Павел Васильевич Технический директор Образование: Чувашский Государственный Университет им. И.Н. Ульянова, ЭТ факультет, специальность “Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов” Академическая степень: магистр техники и технологии Опыт работы: более 8 лет Обладатель звания “Лучший выпускник ЧГУ 2011 года”

Итак, первое, что нам необходимо сделать, это определиться с формулировками, а точнее с сокращенным обозначением данной технологии. В развернутом виде наименование ее звучит как «Heterojunction with intrinsic thin-layer technology» – буквально «технология гетероперехода с внутренними тонкими пленками».

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

Рассматривать в деталях тонкопленочные микроморфные солнечные модули Hevel мы не будем, так как продукт это не новый, и со всеми характеристиками можно ознакомиться в общедоступных источниках, в том числе на нашем сайте. На технологии аморфных солнечных модулей подробно мы не останавливаемся по следующим причинам: во-первых, данную информацию можно свободно найти на просторах интернета и, во-вторых, данный тип солнечных батарей с момента своего появления так и не получил широкого распространения, кроме того, подавляющее большинство производителей не ведут исследований в данном направлении и на сегодняшний день мы считаем данный продукт постепенно вытесняемым с рынка новыми, более перспективными решениями.

Гетероструктурная технология, напротив, является абсолютной новинкой для российского рынка, так как ранее модули, выполненные на основе гетероперехода, на территории России не производились и не продавались. В целом достоин внимания тот факт, что в мире немногие компании производят солнечные модули по данной технологии, и, таким образом, компания «Хевел» в настоящее время входит в ТОП-3 мировых производителей HJT (HIT) модулей.

Остановимся подробнее на истории разработки и выхода на рынок HIT-технологии от пионера в области разработки солнечных батарей на основе аморфных пленок – компании SANYO, которая начала этот путь еще в далеком 1975 году. Отметим, что гетероструктурные солнечные модули SANYO HIT изготовлены из монокристаллических кремниевых пластин с нанесенными на них с обеих сторон чрезвычайно тонкими слоями аморфного кремния. Глубоко не вдаваясь в технические тонкости, вкратце выразим ключевую особенность HIT-технологии, обусловливающую новизну данного решения: благодаря покрытию пластин кристаллического кремния тонкими пленками аморфного кремния, в кристалле, вследствие снижения рекомбинационных центров на поверхности, ощутимо возрастает продолжительность жизни зарядов; как результат, повышается эффективность преобразования солнечного света, так как именно потерями носителей заряда на поверхности кремниевой пластины ограничен КПД традиционных солнечных элементов (см.

рисунок). Необходимо добавить, что срок патентной защиты фирмы Sanyo Electric Co. Ltd. на данную технологию истек 8 августа 2011 года, и, с того момента, как патент перестал защищать своего правообладателя, другие компании-производители солнечных батарей, такие как «Хевел», получили возможность работать над дальнейшим развитием и улучшением данного способа производства солнечных ячеек.

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

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

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

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

• 2011: в феврале SANYO запускает производство модулей 240 Вт с КПД ячеек 21,6%.

  В октябре, благодаря наиболее высокой степени преобразования энергии с использованием HIT-технологии, команда токийского университета выиграла проходящий в Австралии престижный гоночный чемпионат мира среди автомобилей на солнечных батареях

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Модель	HVL HJT 310	Panasonic HIT N330
Стоимость на мировом рынке (Великобритания, США), $	—	370-380
Процент брака на основании 10 лет работы в Европе, %	—	0,0035
Количество произведенных HIT ячеек (на январь 2017), млрд	—	1
Общие характеристики
Срок службы, не менее, лет	25	25
Падение мощности через 25 лет, не более, %	20	20
Технология ячеек	монокристаллическая пластина / гетеропереход аморфного кремния	монокристаллическая пластина / гетеропереход аморфного кремния
Количество ячеек, шт	60	96
Размер ячеек, мм	156,75 х 156,75	127 х 127
Клеммная коробка, степень защиты	IP67	IP67
Сечение кабеля, кв. мм.	4	3,31 (12 AWG)
Длина проводов, см	100	102
Тип коннекторов	MC4	MC4
Температура окружающей среды, °C	-40 … +40	—
Размеры (Д х Ш х Т), мм	1671 х 1002 х 42	1590 х 1053 х 35
Вес, не более, кг	19	18,5
Площадь, кв. м.	1,675	1,674
Снеговая/ветровая нагрузка, Н/кв.м. (Па)	2400	2400
Электрические характеристики
Номинальная мощность (+ толеранс), Вт	310 (+ 5)	330 (+ 10)
Напряжение холостого хода, В	43,67	69,7
Ток короткого замыкания, А	9,35	6,07
Напряжение при максимальной мощности, В	35,22	58,0
Ток при максимальной мощности, А	8,69	5,70
КПД модуля, не менее, %	18,52	19,7
Коэффициент заполнения ВАХ	0,75	—
Встроенные байпасные диоды, шт.	3	4
Максимальное превышение тока, А	15	15
Максимальное напряжение в системе, В	1000	1000
Температурные характеристики
Температурный коэффициент номинальной мощности, %/°C	– 0,28	– 0,258
Температурный коэффициент напряжения холостого хода, %/°C	– 0,24	– 0,283
Температурный коэффициент тока короткого замыкания, %/°C	0,04	0,0586
Номинальная рабочая температура модуля, °C	38,8	44,0
Диапазон рабочей температуры модуля, °C	-40 … +85	-40 … +85

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

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

гетероструктурные солнечные батареи,

панели Hevel,

Хевел Новочебоксарск,

солнечные модули,

ВИЭ,

солнечные батареи,

альтернативные источники энергии,

фотоэлектрические модули

Рыночные перспективы гетероструктурных (HJT) модулей – интрига солнечной энергетики

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Что такое Heterojunction Solar Panels

Фотоэлектрическая промышленность постоянно исследует инновационные производственные процессы, новые материалы, солнечные элементы и конструкции модулей, чтобы максимизировать производительность устройства и снизить конечную стоимость энергии. Одной из последних технологий, которые проникают на рынок потребительских солнечных панелей, являются солнечные элементы с гетеропереходом. все больше ведущих производителей начинают внедрять эту технологию в свои продукты.

Солнечные элементы с гетеропереходом объединяют две разные технологии в одном элементе: элемент из кристаллического кремния, зажатый между двумя слоями аморфного «тонкопленочного» кремния. Это позволяет повысить эффективность панелей и легко собирать больше энергии по сравнению с обычными кремниевыми солнечными панелями. Самый распространенный тип солнечных панелей изготавливается из кристаллического кремния — монокристаллического или поликристаллического. Аморфный кремний представляет собой тонкопленочный кремний, в отличие от кристаллического кремния, аморфный кремний не имеет регулярной кристаллической структуры. Вместо этого атомы кремния упорядочены случайным образом. В результате производство этого типа солнечных элементов обходится дешевле.

Более низкая стоимость и разнообразие материалов, на которые может быть нанесен аморфный кремний, являются двумя важными преимуществами. В солнечных элементах с гетеропереходом обычная кристаллическая кремниевая пластина имеет аморфный кремний, нанесенный на ее переднюю и заднюю поверхности. В результате получается пара слоев тонкопленочного солнечного света, которые поглощают дополнительные фотоны, которые в противном случае не были бы захвачены средней кристаллической кремниевой пластиной. Концепция производства HJT была разработана компанией SANYO Electric в 1980-х (SANYO была приобретена Panasonic в 2009 году). SANYO была первой компанией, начавшей серийно производить солнечные элементы из аморфного кремния. Гетеропереходная солнечная технология использует это преимущество, создавая солнечную панель из трех разных слоев фотогальванического материала.

Верхний и нижний слои состоят из тонкопленочных аморфных солнечных элементов, средний слой представляет собой кристаллический солнечный элемент. Тонкая пленка кремния наверху улавливает часть солнечного света до того, как он попадет на кристаллический слой, а также захватывает часть солнечного света, отражающегося от нижних слоев. Он очень тонкий, так что большая часть солнечного света проходит сквозь него, а солнечный свет проходит через середину, то есть кристаллический слой, поглощается тонким аморфным слоем, который находится ниже. Создавая панель из сэндвича из трех разных фотоэлектрических слоев, солнечная панель с гетеропереходом может достигать эффективности 21% или выше. Это сравнимо с панелями, в которых используются другие технологии для достижения высокой производительности. На рисунке ниже показан типичный солнечный элемент HJT.

 

Рисунок 1: Солнечный элемент HJT Источник: Stein et al, (2021).

 

 

Как показано на рисунке выше, это типичная ячейка HJT с кристаллической ячейкой n-типа в середине, зажатой между аморфным кремнием спереди и сзади.

 

Преимущества технологии гетероперехода

 

Основные преимущества солнечных элементов с гетеропереходом по сравнению со стандартными кристаллическими элементами:

 

1. Они обеспечивают более высокую эффективность по сравнению со стандартными кристаллическими солнечными элементами. Уже существуют ячейки HJT, эффективность которых превышает 25 % на лабораторном уровне.

 

1. Имеют низкотемпературные коэффициенты, т. е. могут лучше работать при более высоких рабочих температурах. получение низкотемпературного коэффициента действительно является решающим фактором для успеха данного типа модуля. Температурные коэффициенты, близкие к -0,3 %, означают, что ячейки HJT меньше теряют производительность в течение своих циклов.

 

3. Они уже двусторонние, так как и верх, и низ состоят из аморфных солнечных элементов.

 

КПД представленных на рынке гетеропереходных панелей колеблется от 19,9% до 21,8%. На рисунке ниже показаны различные доступные на рынке технологии ячеек. BSF относится к полю задней поверхности, которое имеет сильно легированную область на задней поверхности солнечных элементов. В настоящее время произошел переход от BSF к кристаллическим солнечным элементам PERC для повышения эффективности. Серые прямоугольники на рисунке представляют долю солнечных элементов SHJ. Согласно Международной дорожной карте технологий для фотоэлектрических систем, к 2029 г.доля рынка панелей SHJ увеличится более чем на 20 %.

Рисунок 2: Прогноз доли рынка ITRP на 2019 г. Источник: Международная технологическая дорожная карта для фотоэлектрических систем на 2019 г. к теоретической эффективности солнечной батареи. (Предел Шокли – Квайссера 30% – абсолютный фундаментальный предел для кристаллических солнечных элементов). Эта технология теперь намного более зрелая и может конкурировать с солнечными элементами PERC, которые доступны на рынке, особенно по стоимости и в жарких/влажных средах. Предполагается, что рост рынка для технологии HJT будет намного быстрее, чем для традиционных типов элементов, а солнечные элементы HJT будут легко устанавливаться на крышах благодаря их более высокой эффективности элементов. Поскольку они уже являются двусторонними, их также можно устанавливать в солнечных парках мегаваттного размера. HJT является привлекательной технологией, и эта технология уже может быть лучше, чем технологии TOPCON, PERT, PERC с точки зрения эффективности.

Как они работают и преимущества

Технология гетероперехода (HJT) долгое время оставалась незамеченной, но в последние пару лет она набирает обороты, демонстрируя свой истинный потенциал. HJT устраняет некоторые общие ограничивающие факторы для стандартных фотоэлектрических (PV) модулей, такие как сокращение процесса рекомбинации и повышение производительности в жарком климате.

Если вы хотите узнать больше о технологии HJT, эта статья для вас. Здесь вы узнаете о конструкции и принципах работы ячейки HJT, ее отличиях от популярных технологий, преимуществах, областях применения и многом другом.

Фото: WattPress

Содержание

Что такое солнечная панель с гетеропереходом?

Гетеропереходные солнечные панели собираются аналогично стандартным гомопереходным модулям, но особенность этой технологии заключается в самом солнечном элементе. Чтобы понять технологию, мы предоставляем вам глубокий анализ материалов, структуры, производства и классификации панелей HJT.

Материалы, необходимые для изготовления солнечного элемента с гетеропереходом

В элементах HJT используются три важных материала:

• Кристаллический кремний (c-Si)
• Аморфный кремний (a-Si)
• Оксид индия-олова (ITO)

Регулярно используется кристаллический кремний создать стандарт солнечные элементы с гомопереходом, видимые в обычных панелях. Существует две разновидности c-Si, поликристаллический и монокристаллический кремний, но монокристаллический — единственный, рассматриваемый для солнечных элементов HJT, поскольку он имеет более высокую чистоту и, следовательно, более эффективен.

Аморфный кремний используется в тонкопленочной фотоэлектрической технологии и является вторым наиболее важным материалом для производства солнечных элементов с гетеропереходом. Хотя a-Si сам по себе имеет дефекты плотности, применение процесса гидрирования решает их, создавая гидрогенизированный аморфный кремний (a-Si:H), который легче легировать и имеет более широкую запрещенную зону, что делает его более подходящим для создания ячеек HJT.

Оксид индия и олова является предпочтительным материалом для слоя прозрачного проводящего оксида (TCO) солнечного элемента с гетеропереходом, но исследователи изучают возможность использования материалов, не содержащих индия, что позволит снизить затраты на этот слой. Свойства отражательной способности и проводимости ITO делают его лучшим контактным и внешним слоем для солнечного элемента HJT.

Структура солнечного элемента с гетеропереходом

Стандартные (гомопереходные) солнечные элементы изготавливаются из c-Si для слоев n-типа и p-типа поглощающего слоя. Вместо этого технология HJT сочетает в себе фотоэлектрическую технологию на основе пластин (стандарт) с тонкопленочной технологией, обеспечивая солнечные элементы с гетеропереходом с их лучшими характеристиками.

Структура солнечного элемента HJT – Источник: De Wolf, S. et al.

Слой поглотителя солнечного элемента с гетеропереходом заключает в себе слой на основе пластины c-Si (синий слой), помещенный между двумя тонкими собственными (i) слоями a-Si:H (желтый слой) с легированными слоями a-Si:H ( красный и зеленый слои), помещенные поверх каждого слоя a-Si:H (i). Количество слоев TCO варьируется в зависимости от того, является ли ячейка HJT односторонней или двусторонней, при этом задний слой представляет собой металлический слой, действующий как проводник для односторонних ячеек гетероперехода.

Производство гетеропереходного солнечного элемента

Процесс производства гетеропереходного солнечного элемента состоит из нескольких этапов. К ним относятся следующие:

• Обработка пластин
• Влажная химическая обработка
• Осаждение сердцевинного слоя
• Осаждение TCO
• Металлизация

Обработка пластин включает резку ячеек c-Si с алмазная пила. Выполнение этого процесса с особой деликатностью приведет к получению высококачественных слоев c-Si, что означает более высокую эффективность.

В ходе мокро-химической обработки из пластины c-Si удаляются органические и металлические примеси. Есть два метода, которые часто используются для влажной химической обработки: метод RCA, включающий использование концентрированной серной кислоты и перекиси водорода, и экономически эффективная альтернатива, использующая процесс на основе озона, дающая аналогичные результаты.

После влажной химической обработки применяется процесс осаждения с использованием плазменно-усиленного химического испарения (PECVD), при котором слои a-Si наносятся на обе стороны слоя на основе пластины.

Вторая часть процесса осаждения использует физическое осаждение из паровой фазы (PVD) посредством распыления для нанесения ITO, формируя слой TCO гетеропереходного солнечного элемента. Альтернативный процесс использует реактивное плазменное осаждение (RPD) для нанесения слоя TCO, но этот вариант менее популярен.

Процесс металлизации отличается от обычных производственных процессов, поскольку водород в a-Si:H ограничивает максимальную температуру до 200-220ºC. Специально обработанная серебряная паста при низких температурах используется в процессе гальванического покрытия медью или трафаретной печати для размещения электродов на ячейке.

Классификация солнечных элементов с гетеропереходом

Солнечные элементы с гетеропереходом можно разделить на две категории в зависимости от легирования: n-типа или p-типа.

В наиболее популярном легировании используются пластины c-Si n-типа. Они легированы фосфором, что дает им дополнительный электрон для их отрицательного заряда. Эти солнечные элементы невосприимчивы к бор-кислороду, который снижает чистоту и эффективность элементов.

Солнечные элементы P-типа лучше подходят для использования в космосе, поскольку они более устойчивы к уровням радиации, воспринимаемым в космосе. Пластины c-Si p-типа легированы бором, что обеспечивает ячейку на один электрон меньше, что положительно заряжает их.

Как работают гетеропереходные солнечные панели?

Гетеропереходные солнечные панели работают так же, как и другие фотоэлектрические модули, на фотоэлектрическом эффекте, с тем главным отличием, что в этой технологии используются три слоя поглощающих материалов, сочетающих тонкопленочные и традиционные фотоэлектрические технологии. Процесс включает подключение нагрузки к клеммам модуля, при этом фотоны преобразуются в электричество и генерируют электрический ток, протекающий через нагрузку

Для выработки электричества фотон воздействует на поглотитель P-N перехода и возбуждает электрон, заставляя его двигаться в зону проводимости и создавая пару электрон-дырка (e-h).

Возбужденный электрон собирается терминалом, подключенным к слою с примесью фосфора, создавая электричество, которое течет через нагрузку.

Пройдя через нагрузку, электрон возвращается к заднему контакту ячейки и рекомбинирует с дыркой, заканчивая эту конкретную пару e-h. Это происходит постоянно, поскольку модули вырабатывают электроэнергию.

В стандартных фотоэлектрических модулях c-Si происходит явление, называемое поверхностной рекомбинацией, что ограничивает их эффективность. Во время этого процесса возбужденный электрон соединяется с дыркой на поверхности материала, заставляя их рекомбинировать без сбора электрона и протекания в виде электрического тока.

Чтобы уменьшить поверхностную рекомбинацию, ячейки HJT отделяют сильно рекомбинационно-активные (омические) контакты от слоя на основе пластины с помощью пассивирующей полупроводниковой пленки с более широкой запрещенной зоной, изготовленной из a-Si:H. Этот буферный слой делает поток заряда достаточно медленным, чтобы создать высокое напряжение, но достаточно быстрым, чтобы избежать рекомбинации до того, как электроны будут собраны, что повышает эффективность ячейки HJT.

Во время процесса поглощения света все три слоя полупроводника будут поглощать фотоны и преобразовывать их в электричество.

Первые прилетевшие фотоны будут поглощены внешним слоем a-Si:H, преобразуя их в электричество. Однако большинство фотонов преобразуется слоем c-Si, который имеет самую высокую эффективность преобразования солнечной энергии среди материалов в ячейке. Оставшиеся фотоны окончательно преобразуются слоем a-Si:H на задней стороне модуля. Этот трехэтапный процесс является причиной того, что монофазные солнечные элементы HJT добились эффективности использования солнечной энергии до 26,7%.

Гетеропереход по сравнению с традиционными панелями из кристаллического кремния

Технология гетероперехода основана на традиционных панелях c-Si, улучшая процесс рекомбинации и устраняя другие серьезные недостатки. В этом разделе мы сравним, чем отличаются обе технологии, что поможет нам понять, как несколько изменений в структуре ячейки влияют на общую производительность модуля.

Солнечная панель с гетеропереходом устраняет недостатки стандартных модулей c-Si, снижая поверхностную рекомбинацию. Эта технология обеспечивает более высокую зарегистрированную эффективность и увеличивает срок службы модулей. В результате улучшений панели HJT имеют более низкий температурный коэффициент, что обеспечивает лучшую производительность при различных экстремальных температурах.

Технология HJT была впервые разработана в начале 1990-х годов, но стала популярной в последние десятилетия, что объясняет долю рынка в 5% и более высокие производственные затраты, но это лишь временный спад, который, как ожидается, будет преодолен в ближайшем будущем.

Гетеропереход против двусторонних панелей

Структура двусторонних панелей похожа на гетеропереходную солнечную панель. Оба включают пассивирующие покрытия, которые уменьшают количество комбинаций повторной обработки, повышая их эффективность.

9Технология 0002 HJT имеет высокую зарегистрированную эффективность 26,7%, но двусторонняя технология превосходит ее с эффективностью более 30%. Любопытная сторона этого заключается в том, что двусторонний фотоэлектрический модуль, используемый для достижения этой эффективности, сочетает в себе технологию HJT с двусторонними и другими технологиями.

Ячейки HJT могут быть разработаны для одностороннего или двустороннего использования, что уменьшает количество причин для сравнения их друг с другом, поскольку их можно комбинировать для создания превосходных двусторонних солнечных панелей HJT. Основное отличие состоит в том, что bifacial может использовать другие базовые технологии, отличные от технологии HJT.

Подведение итогов: Какие преимущества предлагают гетеропереходные панели?

Солнечные панели с гетеропереходом могут быть очень полезными, поскольку они имеют усовершенствованную технологию с большим потенциалом в солнечной промышленности. Это основные преимущества технологии.

Высокая эффективность

С эффективностью преобразования 26,07 % для однофазных модулей и более 30 % для двусторонних модулей гетеропереход позиционирует себя как одну из самых эффективных солнечных технологий в отрасли . Это делает его удобным для приложений с ограниченным пространством, областей, требующих больших генерирующих мощностей, и других.

Хороший температурный коэффициент

Технология солнечных элементов с гетеропереходом менее подвержена влиянию изменений температуры . Это делает его идеальным для применения в местах с высокими температурами, что может негативно сказаться на производительности стандартных модулей c-Si.

Высокая двусторонность

Ячейка HJT имеет высокий коэффициент двусторонности 92%, благодаря чему HJT обеспечивает отличную производительность, когда он разработан как двусторонний модуль. Эта технология становится все более популярной для приложений служебного масштаба, которые стремятся использовать ресурс альбедо.

Простой производственный процесс

Солнечные элементы с гетеропереходом имеют дополнительные этапы производственного процесса, но это не сильно увеличивает стоимость. Эта технология включает всего 5-7 шагов во время производства, а цена на необходимое оборудование постоянно снижается, что показывает большие перспективы для будущего HJT.

Типичные области применения солнечной технологии с гетеропереходом

Солнечные панели с гетеропереходом чрезвычайно универсальны, открывая путь для солнечной промышленности к дальнейшему расширению применения солнечной энергии. Вот некоторые из наиболее распространенных применений этой технологии.

Применение в ограниченном пространстве (солнечная черепица и BIPV)

Высокая эффективность преобразования HJT позволяет использовать его в ограниченном пространстве. Двумя популярными сферами применения являются производство солнечной черепицы и продуктов для интегрированных фотоэлектрических систем (BIPV). Крыши Tesla являются одними из самых популярных гонтов, использующих эту технологию, которая значительно повышает солнечную эффективность для дома с фотоэлектрическими элементами.

Источник питания для носимых устройств

Уменьшение размера слоев на основе пластины может открыть путь для интеграции технологии HJT с носимыми устройствами. Это обеспечит устройства источником питания для продления их автономности в течение дня.

Коммунальные приложения

Обычные односторонние солнечные панели с гетеропереходом могут использоваться в коммунальных приложениях, что особенно полезно для двусторонних солнечных панелей с гетеропереходом. Это приведет к созданию солнечных ферм со средней эффективностью более 30%, которые используют не только прямой солнечный свет, но и ресурс альбедо.

Глядя в будущее технологии гетероперехода

Гетеропереход представляет собой многообещающую технологию с высокой зарегистрированной эффективностью. Эта технология позволяет солнечной промышленности повысить эффективность повседневных фотоэлектрических модулей и снизить нормированную стоимость энергии (LCOE) в отношении солнечной энергии.

Солнечная промышленность произвела 5 ГВт солнечных панелей с гетеропереходом в 2019 году, благодаря чему технология HJT занимает около 5% розничного рынка, при этом крупнейшими производителями являются Tesla в США и Panasonic в Малайе и Японии, но ожидается, что этот показатель будет расти в будущее.