Современные солнечные панели. Что это такое.

В последние полтора года выпущено много солнечных батарей с громкими названиями новых технологий и инновациями. Эти новые решения вроде как помогают повысить эффективность, уменьшить деградацию и повысить надежность солнечных батарей. Попробуем разобраться так ли это.

Сердцем каждой солнечной батареи является солнечные элементы. Солнечный элемент поглощает часть энергии солнечного спектра и превращает ее с помощью p-n перехода в электрическую энергию. Энергия фотонов передается энергии электронов и дырок.

Анализ новых решений, полученных в последние годы в конструкции солнечного элемента, позволяет сделать вывод, что не было сделано ничего революционного. Вместе с тем уже существующие этапы изготовления солнечного элемента ФЭП вылизываются до совершенства, что позволяет поднять существующий кпд на десятые процента. Однако каждый маленький шажок позволяет поднять общее кпд солнечной панели. Кроме того, вследствие использования роботизированных линий и более прецизионного контроля параметров процессов изготовления сужается разброс параметров выпускаемых солнечных элементов.

Моно или мульти (поли)

В качестве материала солнечного элемента выступает легированный кремний. В случае моно - это кристалл с единой кристаллической решеткой, выращенный по методу Чохральского, а в случае мульти (поли) - это крупноблочная структура мульти кристаллов, выращенных по методу вертикального Бриджмена. Процесс Чохральского известен с 50х годов. Промышленное применение метода Бриджмена для солнечного производства началось в 70-80 е годы. Обе технологии развивались параллельно и в разное время занимали лидирующее положение. В настоящее время с использованием многоразовых загрузок при росте и коллективной резки тонкой алмазной проволокой кристалла на первое место вышла моно кристаллическая технология. Вопрос надолго ли? Самый актуальный вопрос при производстве ФЭП – вопрос цена/кпд. Для моно этот параметр в настоящее время выше.

N или Р тип кремния

В качестве легирующей примеси при выращивании солнечного кремния используются Бор для получения материала Р типа (дырочная проводимость) и Фосфор для получения N типа (электронная проводимость). Понятно, что материал N типа более предпочтителен для солнечных элементов так как подвижность электронов выше, чем у дырок. Этот материал дает более высокое время жизни неосновных носителей заряда что положительно сказывается на кпд солнечной панели. В настоящее время самыми эффективными являются солнечные панели, сделанные из монокристаллического материала N типа IBC достигающие уровня эффективности выше 22%. Недостатком, как всегда, при использовании материала N типа является их дороговизна в производстве. Хотя ячейки N-типа IBC на сегодняшний день являются самыми дорогими в производстве, они обладают рядом неоспоримых преимуществ: повышенной производительностью при более высоких температурах (более высоким температурным коэффициентом мощности и минимальной светоиндуцированной деградацией (LID), что означает более высокий выход энергии в течение срока службы панели.

Температурный коэффициент мощности - это величина потерь мощности при повышении температуры ячейки. Все солнечные элементы и панели оцениваются в стандартных условиях испытаний (STC - измеряется при 25°C и интенсивности света 1000 Вт/м2). По мере повышения температуры выходная мощность панели снижается.

Сравнение температурных коэффициентов мощности

• • Поликристаллические ячейки - от 0,4 до 0,43 % /°C
• • Монокристаллические клетки - от 0,35 до 0,40 % /°C
• • Монокристаллические ячейки IBC - от 0,29 до 0,31 % /°C
• • Монокристаллические клетки HJT - от 0,25 до 0,27 % /°C

LID деградация – это деградация солнечного элемента под действием солнечного света. Механизмы деградации самые различные

• • Появление структурных дефектов и дислокаций и их транспорт в кремнии под действием солнечного света.
• • Образование вредных комплексов в кремнии, затрудняющих работу солнечного элемента. Прежде всего это относится к реакции бора и кислорода с образованием их комплекса. Создавая в кремнии собственные энергетические уровни, они отрицательно влияют на фототок.
• • Влияние кислорода в кремнии, полученного в процессе роста и его реакции.
• • Миграции примесей под действием электрического поля, вызванного солнечным светом.

Относятся ли все эти находки к новейшим разработкам. Отнюдь. Когда я спрашивал инженеров Sanyo в 90-х, которые развивали сложную технологию изготовления солнечных элементов на кремнии N – типа, зачем так сложно? То получил ответ, что сложно с точки зрения технологии не означает того, что это сложно для Sanyo. Но модули у них были дорогие...

PERC технология

PERC – технология переводится как “пассивированный эмиттер задней стороны”. Более подробно Вы можете ознакомиться с технологией здесь (Что такое технология PERC для солнечных батарей? | Солнечные электростанции). той или иной вариацией этой технологии обладают все солнечные элементы, выпускаемые в последнее время. Эта технология создана профессором Мартином Грином в 90х годах. Массовое распространение эта технология получила в 2014 -2015 годах. Что удобно, она независима от технологии передней стороны солнечного элемента и заключается в добавлении двух единиц оборудования в технологическую линейку. Так что, если производитель не включает в рекламный проспект слово PERC эта технология в той или иной модификации присутствует при изготовлении солнечного элемента.

МВВ- Multi bus bar

На рисунке изображены солнечный элемент с 5 ВВ и солнечный элемент с 12 ВВ.

В солнечном элементе под действием света возникает напряжение между его верхом и низом приблизительно 0,6 В. Если соединить этот элемент с нагрузкой, то по нему начнет протекать ток размер которого пропорционален площади этого солнечного элемента. Для современных элементов это 9-10 А. Требуется эффективно собрать этот ток с поверхности и передать этот ток без потерь. С этой точки зрения чем больше токопроводов тем лучше, но негативным последствием данного решения будет затенение рабочей стороны солнечного элемента и ухудшение его характеристик. Кроме того, контакт металл – полупроводник не является полезным для солнечного элемента.

Ищут другую форму, меньший размер токопроводящей шинки. Но всегда есть ограничения накладываемые на этот выбор: величина тока солнечного элемента, площадь затенения.

Встречаются в последнее время следующие картинки инноваций

Мульти-шина по сравнению со стандартной ленточной шиной

Из рисунка видно, что использование круглого токосъёмника приводит к лучшему отражению во внутренние слои модуля солнечного, что должно приводить к лучшему его поглощению в сравнение с плоской шинкой. Но авторы умалчивают о том, что ситуация, когда свет падает строго перпендикулярно солнечному модулю маловероятна, а если и вероятна, то занимает столь малый промежуток времени что не может оказать какого-либо влияния. Вместе с тем обеспечить контакт между поверхностью круглого проводника сложнее чем плоского.

В качестве дополнительного преимущества большего количества токосъёмных шинок указывают то что, если микротрещина в солнечном элементе возникает из-за удара, тяжелых нагрузок или людей, идущих по панелям, большее количество шинок помогает снизить вероятность того, что трещины разовьются в горячую точку, поскольку они обеспечивают альтернативные пути для течения тока. Как-то малоубедительно. Что там может развиться зависит от силы удара и зачем ходить по модулям.

Half cut солнечные элементы и модули

В последнее время появились модули, выполненные по так называемой технологии half-cut. Что это? Если взять обычный солнечный элемент и разрезать его пополам лазером, то мы и получим искомый half cut солнечный элемент. Дальше эти элементы коммутируются и ламинируются в модуль, фактически состоящий из двух модулей в каждом из которых располагаются половинки солнечных элементов. В стандартном модуле 60 или 72 элемента соответственно в half cut модуле 120 и 144 элемента. Конечно, от разрезания солнечного элемента мощность модуля собранного из этих элементов не изменится.

В чем тогда выигрыш. Солнечный элемент вырабатывает напряжение около 0,6 В и это свойство p-n перехода. А вот ток солнечного элемента зависит от площади. Соединяя последовательно две половинки солнечного элемента, мы получим ту же мощность что и цельного солнечного элемента, но напряжение такой сборки будет в 2 раза выше, а сила тока в два раза ниже. Но если ниже ток, то ниже и резистивные потери. Солнечные элементы меньше нагреваются… НО… Инвертор имеет ограничения по напряжению, силе тока и мощности. Набрав быстро предельное напряжение цепочки модулей, соединенных последовательно, Вы будете вынуждены ставить в параллель следующую цепочку, чтобы набрать необходимую мощность. А это то же самое если взять обычные модули.

Одним из самых больших преимуществ half cut панелей называют то, что они могут быть частично затенены. Если верхняя или нижняя часть панели затенена, это не влияет на производительность незатененной секции. Это связано с тем, что две секции, или группы ячеек, соединены параллельно и действуют так же, как две небольшие отдельные панели. Фактически это два независимых модуля.

Однако эта идея имеет значение для модулей, установленных под наклоном рядами, друг за другом, когда один ряд затеняет определенное время дня другой ряд. Но чем это отличается, как если бы на столах обычные модули закрепить не вертикально, а горизонтально в два ряда. Ничем. И для модулей, смонтированных на крыше разницы нет никакой…

Когда вы смотрите на солнечную батарею то четко видите солнечные элементы, уложенные на некотором расстоянии друг от друга. Это пустое пространство никак не участвует в выработке электричества. Оно служит для безопасной коммутации солнечных элементов друг с другом. Это не дает покоя конструкторам и рождает причудливые решения.

Солнечные элементы, уложенные как черепица

Солнечные элементы, уложенные как черепица — это технология, в которой используются перекрывающиеся тонкие полосы ячеек, которые могут быть собраны горизонтально или вертикально поперек панели. Эти элементы изготавливаются путем лазерной резки обычной полноразмерной ячейки на 5 или 6 полос и наложения их в одной конфигурации с использованием специального клея для соединения с задней стороны. Небольшое перекрытие каждой полосы ячеек скрывает единственную шину, которая соединяет полосы ячеек. Эта конструкция покрывает большую площадь поверхности панели, так как не требует соединений с шинами на передней стороне. Надо отметить, что основой солнечного элемента является кремниевая пластина толщиной около 150 микрон. Она очень хрупкая и в процессе ламинации панели, когда происходит сдавливания пакета никто не даст гарантию появления микротрещин. Да и процесс эксплуатации, когда минусовые температуры сменяются плюсовыми причем в широком диапазоне, может повлиять на качество контакта вследствие температурных расширений…

Другим преимуществом является то, что длинные черепичные клетки обычно соединяются параллельно, что снижает эффекты затенения, когда каждая длинная клетка эффективно работает независимо. Заметим, что параллельно соединенные ряды приводят к сложению токов каждой черепичной клетки что, в свою очередь сказывается на эффективности.

Плотная укладка солнечных элементов в панели

Следующим решением более плотной укладки солнечных элементов в панели является уменьшение зазора между элементами. Стандартный зазор 2-3 мм нужен для устранения давления токопроводящих шинок на края пластины при температурном расширении. Изменение расстояния конечно увеличит плотность заполнения солнечных панелей. Но какие это может принести последствия. Покажет только многолетняя эксплуатация.

Солнечные элементы по технологии IBC

Солнечные элементы, сделанные по технологии или Interdigitated Back Contact имеют сетку из 30 или более проводников, интегрированных в заднюю сторону элемента. Кремниевые элементы IBC позволяют более эффективно собирать ток с задней стороны солнечного элемента заодно и укрепляя ее что помогает предотвратить образование микротрещин. Некоторые производители используют высококачественный твердый медный задний базовый слой IBC, который обладает высоко отражающими свойствами, чтобы отражать свет обратно в ячейку.

Солнечные элементы TOPCon

TOPCon расшифровывается как Tunnel Oxide Passivated Contact и, по сути, является более продвинутой технологией солнечных элементов, выполненных на базе кремния N-типа. Эта технология помогает уменьшить так называемые потери рекомбинации в элементе, что, в свою очередь, повышает эффективность ячейки. Из-за большого числа факторов в солнечном элементе есть потери, обусловленные электронами диффундирующими и рекомбинирующими обратно в кремний без образования электрического тока. Ультратонкий слой TOPCon помогает уменьшить эти потери. Концепция TOPCon не нова и была впервые предложена немецким солнечным исследовательским институтом Fraunhofer ISE еще в 2014 году.

Гетероструктурные солнечные элементы HJT

Технология гетероструктурных солнечных элементов начала свое развитие в 60 х годах и в ее основе лежит идея увеличения поглощающей способности p-n перехода солнечного света. Солнечные элементы HJT используют основу обычного кристаллического кремния с дополнительными ультратонкими пленочными слоями аморфного кремния с обеих сторон, образующими то, что известно как гетеропереход. Дополнительные аморфные слои кремния уменьшают так называемую рекомбинацию на N-P переходе, что по существу означает, что он уменьшает потери и повышает эффективность ячейки.

Наиболее важной характеристикой элементов HJT является низкий температурный коэффициент, который примерно на 30% ниже по сравнению с обычными много- и монокремниевыми кристаллическими элементами.

Конечно, температура панели зависит от многих факторов таких как цвет крыши, угол ее наклона и вентиляции панели. И зачастую эти факторы гораздо важнее для производительности солнечной батареи. К существенным недостаткам HJT относится их высокая цена и повышенная деградация в процессе эксплуатации.

Обзор современных технологий при производстве солнечных батарей показывает, что они, по сути, не являются чем-то новым и во многом служат в рекламных целях показывая отличия одних производителей от других. Вместе с тем качественный стандартный модуль прослужит надежно и долго. Использование качественных компонентов при изготовлении солнечной батареи зачастую важнее громких терминов.