Солнечные элементы: классификация и поколения
Тематика солнечных элементов обширна и сложна. С момента открытия фотоэлектрического эффекта было разработано множество технологий производства, и существующие концепции постоянно совершенствуются.
Эта статья предоставляет обзор различных поколений солнечных элементов и объясняет разницу между элементами P-типа и N-типа.
Четыре поколения солнечных элементов
В науке технологии солнечных элементов делятся на четыре последовательных поколения:
1-е поколение: Кристаллические кремниевые элементы
| Технология | Макс. эффективность (в лаборатории) | Рыночная зрелость |
|---|---|---|
| Монокристаллические | 26–27% | Установившаяся |
| Поликристаллические | 22–23% | Установившаяся |
- Самая старая и широко распространенная технология
- 97% доля рынка в глобальном производстве элементов (2023)
- Проверенная техника с долгим сроком службы
2-е поколение: Тонкопленочные элементы
| Технология | Макс. эффективность (в лаборатории) | Особенность |
|---|---|---|
| Аморфный кремний (a-Si) | 13–14% | Гибкие, недорогие |
| Кадмий-теллурид (CdTe) | 22–23% | Дешевое производство |
| CIGS | 22–23% | Гибкие, тонкие |
- Значительно тоньше (несколько микрометров)
- Меньше расход материалов
- Возможны более гибкие применения
3-е поколение: Новые технологии
| Технология | Макс. эффективность (в лаборатории) | Статус |
|---|---|---|
| Перовскит | 25–26% | Исследования |
| Органические элементы (OPV) | 18–19% | Исследования |
| Тандемные элементы | 45% | Лаборатория |
- Наивысший потенциал эффективности
- Еще не полностью готовы к рынку
- Интенсивные исследования по всему миру
4-е поколение: Гибридные технологии
| Технология | Макс. эффективность (в лаборатории) | Особенность |
|---|---|---|
| Графеновые элементы | ~26% | Комбинирует несколько методов |
- Объединяет преимущества различных поколений
- Еще на ранней стадии разработки
P-тип против N-типа солнечных элементов
Помимо технологии, солнечные элементы можно различать по их типу конструкции:
Что означают P и N?
Буквы относятся к легированию базового материала:
| Тип | Легирование | Основные носители заряда | Базовый материал |
|---|---|---|---|
| P-тип | P-легирование (например, бор) | "Дыры" (недостаток электронов) | Более толстый P-слой |
| N-тип | N-легирование (например, фосфор) | Электроны (избыток) | Более толстый N-слой |
Солнечные элементы P-типа
Преимущества:
- Установившиеся производственные процессы
- Более дешевое производство
- Широкая доступность
Недостатки:
- Светоиндуцированная деградация (LID)
- Меньшая эффективность
- Более чувствительны к температуре
Солнечные элементы N-типа
Преимущества:
- Более высокая эффективность
- Меньшая деградация
- Лучшее поведение при слабом освещении
- Более длительный срок службы
Недостатки:
- Более сложное производство
- Более высокая стоимость
- Меньшая рыночная проникновенность (пока)
Тренд: Элементы N-типа набирают долю рынка. Более высокая эффективность оправдывает дополнительные затраты, особенно при ограниченной площади крыши.
Сравнение эффективности
| Технология | Лаборатория | Коммерческая | Тренд |
|---|---|---|---|
| Монокристаллические (P-тип) | 26% | 20–22% | Стабильно |
| Монокристаллические (N-тип) | 27% | 22–24% | ↑ Растет |
| Поликристаллические | 23% | 17–19% | ↓ Снижается |
| PERC | 24% | 21–23% | Стабильно |
| TOPCon | 26% | 22–24% | ↑ Сильно растет |
| HIT/SHJ | 27% | 22–24% | ↑ Растет |
| CdTe | 22% | 17–19% | Стабильно |
| CIGS | 23% | 15–18% | Стабильно |
| Перевскит | 26% | - | Исследования |
| Тандем | 45% | - | Исследования |
Какая технология для какого применения?
| Применение | Рекомендуемая технология | Причина |
|---|---|---|
| Крыша дома | Моно N-тип (TOPCon/HJT) | Максимальная отдача на ограниченной площади |
| Большая открытая площадь | Моно P-тип, CdTe | Экономическая эффективность |
| Балконная электростанция | Моно P-тип (PERC) | Цена-качество |
| Фасад/BIPV | Тонкопленочные, перовскит | Гибкость, эстетика |
| Мобильные приложения | Тонкопленочные, OPV | Легкие, гибкие |
Развитие рынка
Солнечная индустрия быстро растет:
- 2009 → 2024: Количество PV-установок в Германии увеличилось в пять раз
- 2023: 52.250 ГВтч солнечной электроэнергии произведено в Германии
- Доля в энергосистеме: около 12% (2023)
Тренды технологий
- N-тип обгоняет P-тип: Элементы TOPCon и HJT набирают долю рынка
- Двухсторонние модули: Могут использовать свет с обеих сторон
- Большие пластины: 182 мм и 210 мм становятся стандартом
- Перовскит-тандем: Ожидаются наибольшие приросты эффективности
Заключение
Резюме: Кристаллические кремниевые элементы доминируют на рынке с 97% долей. Тренд идет от P-типа к N-типу с более высокой эффективностью. Тонкопленочные технологии имеют нишевые применения, в то время как перовскит и тандемные элементы предлагают наибольший потенциал на будущее. Для домовладельцев монокристаллические N-тип модули (TOPCon/HJT) являются лучшим выбором для максимальной отдачи.
Интересно узнать больше? → Кристаллические кремниевые солнечные элементы в деталях
Источники
- Pastuszak, J.; Węgierek, P.: Поколения фотоэлектрических элементов и текущие направления исследований. Материалы 2022
- ITRPV: Международная технологическая дорожная карта для фотоэлектрики
- Fraunhofer ISE: Отчет по фотоэлектрике