Кристаллические кремниевые солнечные элементы
Кремниевые элементы относятся к первому и самому старому поколению солнечных элементов. С долей мирового производства 97% (2023) они полностью доминируют на рынке.
Почему кремний?
Кремний особенно подходит для солнечных элементов:
| Свойство | Преимущество |
|---|---|
| Распространенность | Второй по распространенности элемент в земной коре |
| Полупроводниковые свойства | Идеален для фотовольтаического эффекта |
| Стабильность | Долгий срок службы (25+ лет) |
| Опыт производства | Десятилетия оптимизации |
Монокристаллический vs. Поликристаллический
Основное различие заключается в кристаллической структуре:
Монокристаллический кремний
Процесс Чохральского: из одного кристалла нарезаются пластины
| Свойство | Значение |
|---|---|
| Структура | Один непрерывный кристалл |
| Цвет | Темно-синий до черного |
| КПД | 20–24% (коммерчески) |
| Производство | Процесс Чохральского |
Преимущества:
- Высочайший КПД
- Долгий срок службы
- Лучшая эффективность использования площади
Недостатки:
- Более высокие производственные затраты
- Сложный производственный процесс
Поликристаллический кремний
| Свойство | Значение |
|---|---|
| Структура | Множество маленьких кристаллов |
| Цвет | Светло-синий, блестящий |
| КПД | 17–19% (коммерчески) |
| Производство | Литьевой метод |
Преимущества:
- Дешевле в производстве
- Более простой производственный процесс
Недостатки:
- Более низкий КПД
- Доля на рынке снижается
Тренд на рынке: Поликристаллические модули все чаще заменяются монокристаллическими. Разница в цене минимальна, в то время как разница в эффективности остается значительной.
Технологии производства в деталях
AL-BSF: Классический стандарт
AL-BSF означает "Алюминиевое заднее поле" – многолетний стандарт.
Слоистая структура классического AL-BSF солнечного элемента
| Слой | Функция |
|---|---|
| N-контакт | Отрицательный полюс, отвод тока |
| N-легированный кремний | Избыток электронов |
| PN-переход | Разделение зарядов |
| P-легированный кремний | Основной материал |
| Алюминиевый слой | Снижает рекомбинацию |
| P-контакт | Положительный полюс |
КПД: 18–20% (коммерчески)
PERC: Дальнейшее развитие
PERC = "Пассивированный эмиттер и задняя ячейка" – дальнейшее развитие AL-BSF.
Улучшения по сравнению с AL-BSF:
- Дополнительный пассивирующий слой
- Локальные задние контакты
- Меньше рекомбинации
| Аспект | AL-BSF | PERC |
|---|---|---|
| КПД | 18–20% | 21–23% |
| Рекомбинация | Выше | Ниже |
| Затраты | Низкие | Умеренные |
| Доля на рынке | Снижается | Доминирует |
PERC в настоящее время является самой продаваемой технологией.
HIT/SHJ: Технология гетероперехода
HIT = "Гетеропереход с внутренним тонким слоем" (также SHJ = Кремниевый гетеропереход)
Комбинация кристаллического и аморфного кремния
| Слой | Материал |
|---|---|
| N-контакт | Металлическая сетка |
| PN-переход | Гетеропереход |
| Кристаллический Si | N-легированный (основа) |
| Аморфный Si | Нелегированный + P-легированный |
| TCO | Прозрачный оксидный слой |
| P-контакт | Металлический слой |
Преимущества HIT/SHJ:
- Очень высокий КПД (22–24%)
- Низкий температурный коэффициент
- Возможность двустороннего использования
- Долгий срок службы
Недостатки:
- Более сложное производство
- Более высокие затраты
TOPCon: Новый лидер
TOPCon = "Туннельный оксидный пассивированный контакт" – восходящий лидер рынка.
TOPCon: Туннельный оксидный слой для максимальной эффективности
| Слой | Функция |
|---|---|
| N-контакт | Отвод тока |
| Пассивирующий слой | Снижает рекомбинацию |
| N-легированный кремний | Основа (N-тип ячейки!) |
| PN-переход | Разделение зарядов |
| Туннельный оксидный слой | Обеспечивает туннельный эффект |
| P-легированный кремний | Тонкий |
| P-контакт | Отвод тока |
Особенность: Туннельный оксидный слой использует квантово-физический туннельный эффект – электроны проходят, а дырки нет.
Преимущества TOPCon:
- Высочайший коммерческий КПД (22–24%)
- Основан на производственных линиях PERC (возможна модернизация)
- N-тип: Нет световой деградации
- Хорошее поведение при слабом освещении
Сравнение технологий
Оценка: ++ очень хорошо, + хорошо, - плохо, -- очень плохо
Резюме
| Технология | КПД | Затраты | Тренд |
|---|---|---|---|
| AL-BSF | 18–20% | Низкие | ↓ Устаревает |
| PERC | 21–23% | Умеренные | → Стабильно |
| HIT/SHJ | 22–24% | Высокие | ↑ Премиум |
| TOPCon | 22–24% | Умеренные | ↑↑ Быстро растет |
Какую технологию выбрать?
| Ситуация | Рекомендация | Причина |
|---|---|---|
| Ориентирован на бюджет | PERC | Лучшее соотношение цены и качества |
| Максимальная эффективность | TOPCon или HJT | Высочайшие КПД |
| Ограниченная площадь крыши | N-тип (TOPCon/HJT) | Больше энергии на м² |
| Балконная электростанция | PERC | Дешево и достаточно |
| Долгосрочные инвестиции | N-тип | Меньшая деградация |
Заключение
Главное: Кристаллические кремниевые элементы доминируют на рынке солнечных панелей с долей 97%. Тренд явно идет в сторону N-тип ячеек: TOPCon, вероятно, заменит PERC как стандартную технологию. Для новых установок рекомендуются модули TOPCon – они предлагают лучший компромисс между эффективностью, долговечностью и ценой.
Для более глубокого изучения: Тонкопленочные и новые технологии
Источники
- Pastuszak, J.; Węgierek, P.: Photovoltaic Cell Generations and Current Research Directions. Materials 2022
- ITRPV: International Technology Roadmap for Photovoltaic 2024
- D. Pan, T. Guo, X. Chen: Silicon-based solar cell: Materials, fabrication and applications. ISCTIS 2021
- Lindroos, J.; Savin, H.: Review of light-induced degradation in crystalline silicon solar cells. Solar Energy Materials and Solar Cells 2016