Черный кремний — его преимущества при производстве солнечных панелей
Солнечные панели стали значительно более эффективными за последние несколько десятилетий. В 1954 году первые коммерчески жизнеспособные панели от Bell Labs имели КПД всего 6 процентов. С тех пор эффективность панелей резко возросла, достигая одного рекорда за другим; например, в январе 2016 года Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии и Швейцарский центр электроники и микротехнологий почти достигли 30-процентной отметки.
Многие производственные усовершенствования способствовали этой долгосрочной тенденции к более полезным солнечным технологиям. Важной недавней разработкой стало масштабное использование черного кремния для увеличения поглощения солнечного света.
Что такое черный кремний?
Физики из Гарвардского университета изобрели новый материал, который может произвести настоящий прорыв в цифровой фотографии, производстве фотоэлементов, приборов ночного видения и т.д. Изобретатели назвали его чёрный кремний (black silicon) — тот же кремний, но с повышенным уровнем светопоглощения в видимом и в инфракрасном спектрах. Фактически, этот материал обладает сверхчувствительностью к свету: он в 100-500 раз более чувствителен, чем обычные кремниевые детекторы.
Такой материал получается, если обработать кремний лазерным лучом сквозь слой газа — гексафторида серы. Если посмотреть на поверхность кремния после этого, то видно, что поверхность пластины покрыта множеством тончайших частиц.
Если вы когда-либо носили полностью черный предмет одежды в особенно жаркий солнечный день, то вы, вероятно, на собственном опыте испытали, как темные материалы являются магнитами для тепла: по сравнению с более светлыми цветами, черная одежда поглощает больше света. То же самое относится и к солнечным панелям. Однако есть важное отличие: черный кремний становится «черным» в результате особого процесса травления, а не окрашивания, связанного с производством одежды. Процедура включает использование высокоэнергетических лазерных импульсов, окислителей, плавиковой кислоты и/или жидкостного травления с помощью металла для создания нанотекстур на поверхности кремниевой пластины. Напротив, традиционный кристаллический кремний имеет совершенно гладкую поверхность.
Почему эти нанотекстуры выгодны?
Что делает суперчерные солнечные элементы такими особенными, так это их способность поглощать до 99,7% солнечного света. Это означает, что только 0,3% падающего света отражается от поверхности солнечных элементов, что превосходит типичное антибликовое покрытие в традиционной технологии солнечных панелей.
Волнистые поверхности черного кремния позволяют ему поглощать солнечный свет в течение дня. В частности, кристаллический кремний имеет оптимальное поглощение только тогда, когда солнце находится в самом зените, поскольку эффективность панели выше всего, когда фотоны достигают панели перпендикулярно; черный кремний может эффективно улавливать энергию под разными углами и лучше улавливать отраженный свет и свет с более короткой длиной волны благодаря своей текстуре. Существуют значительные различия в конструкциях из черного кремния, причем выбор, связанный с балансом отражения и эффективности, особенно важен для оптимизации эффективности панели. Фотоны могут застрять в многочисленных пиках и впадинах черной панели и, соответственно, стать непригодными для преобразования энергии.
В производстве черного силикона используются сложные нанотехнологии. В последние годы нанотехнологии набирают обороты. Нанотехнология — это наука, техника и технологии, разработанные в наномасштабе, то есть от 1 до 100 нанометров. Его приложение используется для переделки почти всего, что мы знаем, от медицины до автомобильных запчастей, а теперь и солнечных батарей. Нанотехнологии открыли совершенно новый уровень того, как мы проектируем вещи.
Эффективное проектирование, начиная с уровня атома, позволяет нам быть намного более эффективными в разработке новых технологий. Поскольку все делается в наномасштабе, геометрия нанотекстуры может варьироваться. Небольшие изменения в наномасштабе оказывают большое влияние на макромасштаб. Таким образом, разные компании-производители солнечных панелей, выпускающие панели нового поколения, используют разные подходы к своим наноконструкциям. Например, плотность, конусность и длина нанопроволок влияют на оптическое отражение и поглощение модуля.
Поскольку различные слои солнечного элемента очень малы, длина световой волны воспринимает элемент как единую структуру. Следовательно, отражение небольшое. Сообщается о повышении эффективности на 0,4% при использовании нанотехнологического подхода для разработки суперчерных силиконовых элементов.
Для нового типа процесса этот показатель эффективности является большим шагом вперед, но ожидается дальнейшая оптимизация по мере развития технологии. Разработка технологии заняла много времени, поскольку отрасли пришлось преодолеть ряд технических проблем. Одной из основных проблем было сохранение неповрежденной наноструктуры в процессе легирования кремния. Легирование является чрезвычайно важной частью производства кремниевых элементов. Он включает добавление примесей к собственным полупроводникам для изменения их свойств при высоких температурах.
Какие еще преимущества может дать черный кремний?
Поскольку черный кремний не нуждается в антибликовом покрытии, его обычно можно производить с меньшими затратами, чем обычные панели, для которых это требуется. Существует также множество экспериментальных вариантов использования черного кремния, которые могут повысить его удобство использования. Например, травление может быть выполнено как односторонний процесс с гладкой обратной стороной, что идеально подходит для некоторых конкретных высокоэффективных макетов. Пассивация, т. е. нанесение внешнего слоя соединения, такого как оксид алюминия, на черный кремний, — это еще один способ повысить эффективность за счет уменьшения количества областей улавливания.
Десятикратное уменьшение отражения означает, что в ячейку попадет на 3% больше полезного света, что повысит эффективность ячейки на эту величину. Солнечная панель, изготовленная из суперчерных кремниевых элементов, будет производить больше энергии, чем стандартные кремниевые солнечные панели, потому что она отражает меньше света. Она также работает лучше, когда солнце находится под низким углом, особенно утром и днем.
Как влияет черный кремний на срок службы солнечной батареи?
Преимущества дизайна и разнообразные варианты использования черных кремниевых панелей лучше всего воспринимаются как одно из многих нововведений, которые сделали технологию солнечных панелей широко распространенной. Закон Свонсона гласит, что цены на солнечные фотоэлектрические элементы снижаются на 20% при каждому удвоении производственных мощностей.
Повышение эффективности и доступности солнечных панелей имеет решающее значение для долгосрочной устойчивости рынка солнечной энергии. Trina Solar находится в авангарде создания инновационных решений для солнечных батарей из черного кремния, которые сочетают в себе превосходную эффективность с эстетичным дизайном. Такие продукты, как монокристаллические элементы глубокого черного цвета, могут обеспечить значительную мощность в небольших помещениях на крышах. Кроме того, подтвержденная реальная надежность предложений Trina, а также их поддержка и гарантии обеспечивают клиентам максимально возможную окупаемость инвестиций.
Кто производит солнечные панели из черного кремния?
Американская компания Natcore владеет лицензией на процесс разработки черного кремния. Однако их главный интерес заключается в антибликовых свойствах черного кремния. Ряд поставщиков Tier 1 инвестируют в переход на солнечные панели из черного кремния.
Одной из таких компаний является Canadian Solar, которая первой перевела все свои многоэлементные мощности на черный кремний — это более 4 ГВт! Им удалось достичь коэффициента полезного действия 19% в коммерческом производстве. Компания Canadian Solar предлагает черные кремниевые солнечные панели мощностью от 290 до 300 Вт. Панели также имеют 5 сборных шин вместо обычных 2 и производят на 9% больше мощности, чем обычные модули. КПД модуля колеблется от 17,72% до 18,33% в зависимости от выбранной панели. Каркас модуля также полностью черный, что дополняет черный вид кремниевых ячеек. Они также включили технологию PERC в конструкцию солнечной панели. PERC расшифровывается как Passivated Emitter and Rear Cell. PERC позволяет производителям солнечных панелей достигать более высокой эффективности панелей, чем при использовании стандартных солнечных элементов.
GCL — еще одна компания-производитель солнечных панелей первого уровня, которая инвестирует в движение черного кремния. Недавно компания заявила, что с помощью этой технологии они достигли эффективности панели 20,78%.
LG Energy взяла на вооружение технологию черного кремния и выпустила модуль Neon 2 Black. Neon 2 Black — один из самых продаваемых модулей LG Energy по ряду очевидных причин, поскольку он включает в себя передовые технологии для максимальной эффективности панели. Модуль Neon 2 Black имеет максимальную выходную мощность 320 Вт и КПД 18,7%.
LG Energy использует свою запатентованную технологию с 12 токосъемными шинами, собирающими энергию, вырабатываемую солнечными элементами. Эта технология увеличивает выходную мощность панели и повышает надежность. Большее количество токосъемов снижает электрическое сопротивление, тем самым повышая эффективность панели за счет максимизации выходной мощности. Более тонкие шины также означают меньшее затенение панелей, а благодаря своей уникальной конструкции они отражают свет обратно на панель, еще больше повышая эффективность модуля.
Панель LG Neon 2 Black также генерирует на 2,7% больше энергии, чем мультимодули P-типа в условиях высоких температур, а также в условиях низкого облучения. Компания LG Energy настолько уверена в этом модуле, что гарантирует выходную мощность 86% после 25 лет эксплуатации.
Компания Trina Solar применила технологию черного кремния в четырех различных диапазонах солнечных модулей. Линейка Tallmax M PLus имеет максимальный КПД 18,8%, а размеры модулей варьируются от 335 Вт до 365 Вт. Эти модули также имеют черный задний лист, но доступны модели со стандартным белым задним листом. Модельный ряд Tallmax M Plus DD05A.08 (II) имеет максимальный КПД 19,2% при выходной мощности от 280 Вт до 315 Вт. Узнайте больше, посетив страницу продукции Trina solar.
Sun Power, американская компания-производитель солнечных фотоэлектрических систем, использует технологию черного кремния в своих солнечных панелях серии X. Черный кремниевый модуль X-Series имеет максимальную выходную мощность 335 Вт и КПД 21%! Эти модули также построены по лицензированной технологии Sun Power Maxeon, при этом солнечные элементы построены на прочном медном основании. Это придает панели дополнительную прочность, ограничивая коррозию и растрескивание.
Дополнительная информация
- Скачать статью про черный кремний для солнечных элементов
- Black Silicon: There’s more than meets the eye
Перовскит увеличит эффективность кремниевых солнечных батарей без ущерба для производства
Швейцарские ученые разработали технологию получения солнечного элемента, который одновременно включает в себя и кремниевую, и перовскитную части. Эффективность гибридной батареи составила 25,2 процента — это рекордный показатель для батарей такого типа. При этом стоимость технологии не сильно отличается от стоимости производства стандартных кремниевых элементов, пишут ученые в Nature Materials.
Наиболее распространенным полупроводниковым материалом, который может поглощать солнечный свет и преобразовывать его в электрическую энергию, остается кремний — именно из него сделано большинство современных солнечных батарей. Один из основных недостатков этого материала — фундаментальные ограничения в эффективности преобразования энергии: для однослойной солнечной батареи из кремния ее максимум не превышает 30 процентов. Значительно больших КПД удается добиться при использовании многослойных ячеек из других полупроводниковых материалов. Например, эффективность солнечных батарей из арсенидов галлия и индия приближается к 50 процентам, однако их производство очень дорого и в промышленных масштабах пока что не может быть реализовано.
В качестве замены кремнию именно для массового производства солнечных батарей чаще других материалов предлагают использовать соедиенения со структурой перовскита. Обычно перовскитные солнечные ячейки включают в себе органо-неорганические материалы на основе трииодида метиламмония свинца (CH3NH3PbI3), и уже сейчас их эффективность превышает 20 процентов. Дополнительно повысить КПД батарей на основе перовскитных материалов тоже можно за счет использования многослойных полупроводниковых структур, однако, как и в случае с арсенидными элементами, производство эффективных перовскитных ячеек из большого числа слоев нанометровой толщины пока остается слишком дорогим.
Для уменьшения стоимости производства многослойных перовскитных солнечных элементов и одновременного увеличения их эффективности швейцарские ученые под руководством Кентена Жангро (Quentin Jeangros) из Федеральной политехнической школы Лозанны предложили наносить тонкий слой перовскитного полупроводника на поверхность более эффективных кремниевых ячеек. Использование подобных гибридных элементов позволяет увеличить эффективность поглощения солнечного света: перовскит лучше поглощает в синей и зеленой частях спектра, а кремний — в красной и инфракрасной.
Подобные гибридные ячейки уже пытались получать, однако все они использовали плоские полированные кремниевые поверхности, которые недостаточно эффективно поглощают свет. Более эффективные кристаллы кремния, которые используются сейчас в солнечных элементах, имеют на своей поверхности текстуру, состоящую из массива пирамидок микронного размера, что сильно снижает долю отраженного света. Однако такая текстура затрудняет осаждение на нее слоев других составов с помощью традиционных методов (таких как спин-коутинг). Поэтому в данном случае ученые предложили использовать для получения перовскитного и промежуточных слоев целый комплекс методов осаждения пленок из газовой фазы после совместного испарения компонентов, в том числе термическое напыление, атомно-слоевое осаждение и магнетронное распыление.
В результате правильного подбора составов всех слоев, необходимых для создания p-i-n-перехода, химикам удалось получить солнечный элемент, в котором поверхность кремния покрывала многослойная структура, включающая основной слой перовскита толщиной около 400 нанометров. Эффективность преобразования энергии солнечного элемента составила 25,2 процента — это рекордный показатель для гибридных батарей такого типа. А за счет использования именно пирамидальной кремниевой поверхности удалось добиться и высокого значения плотности тока в ячейке: она достигала 19,5 миллиампер на квадратный сантиметр.
По словам авторов работы, основное достоинство предложенного метода — это его полная совместимость с современной технологией производства кремниевых батарей. Поэтому добавление к процессу одной дополнительной стадии не сильно скажется на стоимости производства, зато значительно увеличит эффективность получаемых элементов. Ученые отмечают, что в дальнейшем с помощью такого подхода эффективность гибридных солнечных ячеек может быть увеличена и до 30 процентов.
Одна из главных недостатков современных перовскитных батарей — их химическая и физическая деградация, которая приводит к быстрому снижению эффективности. Чтобы решить эту проблему, исследователи предлагают различные подходы. Например, недавно для этого химики разработали перовскитную солнечную батарею с дополнительным слоем фторированного графена, который не дал КПД элемента упасть за месяц больше, чем на 18 процентов. Другой способ замедления деградации — снятие внутренних напряжений в кристалле, к которому может привести облучение батареи светом энергией больше ширины запрещенной зоны.
Александр Дубов
Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Гонки на тандемах
Как ученые собирают идеальную солнечную батарейку
В первый день лета 2023 года группа Стефана де Волфа объявила, что создала солнечный элемент с рекордной эффективностью — 33,7 процента. Это почти на десять процентов выше, чем у лучших коммерческих элементов. Хитрость здесь в том, что все последние элементы-рекордсмены — двухслойные. Рассказываем, почему кремниево-перовскитные тандемы начали обгонять своих предшественников-одиночек, чем они похожи на болиды Формулы-1 и кто в этой гонке фаворит. Солнце под капотом Главная метрика, которая отличает хороший солнечный элемент от элемента похуже, — его эффективность (или КПД). Эта величина показывает, какую часть всей энергии солнечного света, упавшего на поверхность батареи, удалось превратить в электрическую. Это превращение — процесс многостадийный, и потери энергии происходят на каждом этапе: от поглощения света до передачи электронов непосредственно в электрическую цепь. Поэтому суммарная эффективность элемента обычно оказывается ниже — в зависимости от количества дефектов в полупроводнике, качества контактов, толщины активного слоя и особенностей конструкции. Но есть тут и одно фундаментальное ограничение — ширина запрещенной зоны полупроводника, на котором работает солнечный элемент. От нее зависит, сколько солнечного света может в принципе поглотить элемент и сколько электронов, способных проводить ток, появится в его активном слое. Чтобы солнечный элемент работал эффективно, как можно больше фотонов должны превращать непроводящие электроны в полупроводнике в проводящие. Для этого нужно подобрать материал, у которого запрещенная зона будет подходящего размера. Если запрещенная зона слишком широкая, большая часть фотонов пройдет сквозь солнечный элемент и не поглотится. Эффективность такого элемента, конечно, высокой не будет. Но и материал со слишком маленькой запрещенной зоной не сделает элемент эффективным. От одного фотона все равно получается только одна пара электрон-дырка, а остаток энергии рассеивается в виде тепла. Кроме того, большая часть света поглощается в приповерхностной области полупроводника, поэтому эта область быстро нагревается, что может быть вредно для солнечного элемента. Получается, что с увеличением ширины запрещенной зоны доля полезной солнечной энергии сначала растет, а затем начинает уменьшаться. Для такого света, какой падает на поверхность нашей планеты (в нем больше всего фотонов обладают энергией примерно 2,5 электронвольта), максимум этой кривой (то есть оптимальное значение ширины запрещенной зоны) находится в районе 1,34 электронвольта. Но даже если удастся найти материал с запрещенной зоной именно такой ширины и построить из него солнечный элемент, его эффективность все равно не будет стопроцентной. В 1961 году нобелевский лауреат Уильям Шокли и Ханс-Йоахим Квайссер рассчитали, что с учетом всех потерь эффективность однослойного солнечного элемента в принципе не может быть выше 30 процентов. Предел Шокли — Квайссера несколько раз уточняли, и на сегодняшний день общепринятое значение предела — [note=3024|33,7 процента]. Это значит, что даже в идеальном случае можно превратить в электричество чуть больше трети солнечной энергии. Остальная — потеряется: 47 процентов энергии превратится в тепло, 18 процентов не получится поглотить вообще и еще 0,2 процента уйдет за счет рекомбинации только что сгенерированных электронов и дырок. На чем поедем Одним из самых близких к идеалу оказался кремний — у него ширина запрещенной зоны от 1,12 до 1,15 электронвольта. Это немного меньше оптимальных 1,34 электронвольта, поэтому и теоретический максимум будет ниже предела Шокли — Квайссера: около 29,4 процента. Вообще, с кремнием человечеству крупно повезло. Он не только обладает запрещенной зоной нужной ширины, но еще и достаточно инертен. Кроме того, кремний и его соединения часто встречаются в земной коре. Поэтому кремниевые солнечные элементы несложно произвести, они стабильны и хорошо изучены. Рекорд эффективности, которого пока удалось добиться для кремния, — 26,1 процента, всего на три процента ниже теоретического максимума. А лучшие ячейки, которые производят серийно, уже добрались до 24 процентов. Правда, высокая эффективность стоит дорого. Кремний для солнечных элементов должен быть очень чистым — не ниже 99,9999 процента (на каждый миллион атомов кремния разрешается один примесный атом). Чтобы получить такие кристаллы, кремний нагревают до температур выше полутора тысяч градусов Цельсия, это очень долгий и дорогой процесс. По мере того, как технологии совершенствуются, а в Китае и США открываются масштабные производства, кремниевые элементы, а с ними и солнечное электричество постепенно дешевеют: в 2020 году стоимость киловатт-часа в некоторых регионах опустилась до 0,04 доллара США. Но технологии нельзя совершенствовать бесконечно, и довольно скоро солнечные элементы дешеветь перестанут. Чтобы соревноваться с кремниевыми элементами, нужно использовать или заметно более дешевый материал, или заметно более эффективный. А в идеале, конечно, — и то и то. Потенциальные соперники, впрочем, пока далеко. Например у арсенида галлия GaAs (и других соединений из группы III-V) ширина запрещенной зоны ближе к оптимальному значению, чем у кремния, и у элементов на его основе эффективность уже добралась до 29,1 процента. Но такие батарейки заметно дороже кремниевых, к тому же запасы исходных материалов для них ограничены. Органические солнечные элементы, наоборот, обходятся дешевле, но малоэффективны (менее 20 процентов), и главное — не очень устойчивы. Основной конкурент сейчас — солнечные элементы на основе перовскитов, смешанных галогенидов свинца с общей формулой APbI3. Они тоже дешевые и за десять лет догнали кремниевые по эффективности. Сейчас рекорд у этих видов одинаков — 26,1 процента. Но у перовскитных элементов пока серьезные проблемы с устойчивостью. Кроме того, они тоже приближаются к теоретическому потолку эффективности — новые рекорды появляются все реже. И даже если эффективность в 30 процентов на перовскитах в принципе достижима, добираться до нее придется еще долго. Автомобиль-гибрид Поскольку прямой замены кремнию, в общем-то, нет, а более эффективные и дешевые элементы все равно нужны, ученые предложили добавить к нему что-то, что незадорого расширит диапазон поглощаемого света. Например, дополнительный слой из второго полупроводника. В таких тандемных элементах верхний полупрозрачный слой — из полупроводника с широкой запрещенной зоной, он поглощает только самые высокоэнергетические фотоны. А фотоны с более низкой энергией проходят в нижний слой с более узкой запрещенной зоной и поглощаются уже там. Таким образом можно убить сразу двух зайцев: поглощать большую долю солнечного излучения и не давать элементу слишком сильно нагреваться. У кремния ширина запрещенной зоны меньше оптимальных 1,34 электронвольта, поэтому он отлично подходит для нижней части тандема. У полупроводника для верхнего слоя такого тандема ширина запрещенной зоны (и по теоретическим расчетам и по данным экспериментального сравнения) должна быть около 1,7 электронвольта — в этом случае каждый фотон поглотится там, где сможет дать наибольший вклад в эффективность.Лучшим кандидатом в напарники кремнию оказались перовскиты. Солнечные элементы из них изготавливают методами «мокрой химии» в мягких условиях. Поэтому перовскитный слой можно наносить поверх уже готового кремниевого элемента. А меняя состав перовскита (например, замещая часть иода в его решетке на бром и хлор), можно подобрать нужное значение запрещенной зоны с точностью до сотой доли электронвольта. Тандемы идут на обгон Первые кремний-перовскитные солнечные элементы появились в 2015 году. Это были четырехтерминальные тандемы — с отдельной парой контактов для каждого полупроводникового слоя. По сути такой тандем представлял собой два отдельных солнечных элемента, изготовленных по отдельности и скрепленных только механически. При этом все слои в наружном перовскитном элементе, через который свет проходил первым, авторы старались сделать максимально прозрачными (разумеется, кроме непосредственно активного перовскитного слоя), чтобы ни один фотон не поглотился зря. Правда результаты первых экспериментов оказались неутешительны — эффективность всего 13,4 процента, что на тот момент уже было даже ниже, чем у каждой из частей по отдельности. Поэтому параллельно с четырехтерминальными тандемами ученые стали работать над альтернативной схемой — двухтерминальной ячейкой. В таких элементах два полупроводника соединены не только механически, но и электрически. Элемент имеет только одну пару контактов: с одного полупроводника в цепь идут электроны, а с другого — дырки. Соединение последовательное, так что напряжение, производимое двумя ячейками, суммируется. Для лучшей производительности ток в двух частях стараются уравнять — обычно этого добиваются, меняя толщину перовскитного слоя. Делать двухтерминальные тандемы, с одной стороны, проще: в них меньше слоев. С другой — сложнее: перовскит приходится наносить прямо поверх кремниевого элемента. А вот требования максимальной прозрачности всех вспомогательных слоев остаются такими же, как и для четырехтерминального тандема. Наибольшую популярность получили двухтерминальные тандемы, в которых электроны снимаются с перовскитной части, а дырки — с кремниевой части. Для транспорта электронов в них используют тонкие слои фуллеренов и их производных, а для облегчения экстракции электронов между перовскитом и фуллереном наносят фторид магния или фторид лития. Усовершенствованные кремний-перовскитные тандемы резко пошли на обгон: уже в 2018 году они обошли кремний, в конце 2020 — преодолели теоретический предел для кремния, а в 2022 — первыми среди солнечных батарей взяли высоту в 30 процентов эффективности. Параллельные треки Главной проблемой кремний-перовскитных тандемов остается рекомбинация электронов и дырок в перовските, и особенно — на его границе с электрон-проводящим фуллереновым слоем. В 2022 году вышло сразу две статьи, авторы которых решили эту проблему разными способами. Цинь Синь Юй и его коллеги из Федеральной Политехнической школы Лозанны (EPFL) придумали текстурировать поверхность кремния в виде пирамид. Такая поверхность позволяет улавливать больше фотонов: свет, который отразился от одного склона пирамиды, может снова поглотиться на соседнем. Перовскитный слой поверх наносили в две стадии: сначала термически напыляли основу будущего перовскита — иодид свинца с добавкой иодида цезия, затем поверх накапывали раствор иодида и бромида формамидиния. В этом случае поверхность перовскита тоже получается текстурированной. Наносить на нее стабилизирующие слои неудобно — покрытие будет очень неравномерным. Чтобы решить эту проблему, авторы добавили к прекурсорам для перовскита пентафторбензил-фосфористую кислоту: она пассивирует граничные дефекты и помогает перовскиту лучше закристаллизоваться. В результате зерна становятся крупнее, а рекомбинация носителей заряда снижается. Эффективность у такой конструкции 31,25 процента — на пять процентов выше, чем у лучших элементов из чистого кремния. А вот Сильвия Мариэтти и ее коллеги из Берлинского центра материалов и энергии имени Гельмгольца (HZB) использовали кремниевую ячейку с гладкой верхней частью. В их перовските было три типа анионов: к иоду и брому добавили пять мольных процентов хлора. Для пассивации дефектов к перовскитному слою они добавили иодид пиперазиния. Мариотти и ее коллеги нашли добавку, которая также существенно облегчает экстракцию электронов из перовскитного слоя. В результате эффективность получилась даже выше, чем у группы Циня, — 32,5 процента. Тандемы-рекордсмены из двух новых статей довольно сильно отличаются друг от друга — и по химическому составу, и по количеству вспомогательных слоев. Получается, что к идеальной батарейке ученые пока двигаются разными путями. И эти пути, вероятно, не единственные возможные. В июне 2023 года Стефан де Волф из Научно-технологического университета имени короля Абдаллы заявил, что продвинулся еще дальше: его тандем сработал с эффективностью 33,7 процента. Правда, как именно он этого добился, пока неизвестно. Финишная прямая? Гонка разных групп за новыми рекордами от NREL чем-то напоминает соревнования Формулы-1. Очень красиво и эффектно, но имеет мало общего с реальной жизнью. Все ячейки-рекордсмены маленькие (площадью порядка одного квадратного сантиметра), а манипуляции с ними производятся вручную и в сухом боксе. Выпускать такие устройства для массового использования — все равно что продавать болиды Формулы-1 в качестве семейного авто. Эффективность, конечно, высокая, но кто же их купит? Чтобы выйти на рынок, нужно собрать из них модули большого размера, которые можно производить в промышленных условиях — без сухого бокса и других сложных приспособлений. И хорошо бы, чтобы эффективность при этом не потерялась. Автор свежего рекорда Стефан де Волф считает, что промышленные кремний-перовскитные модули должны показывать эффективность хотя бы на три процента выше, чем чистый кремний, — только в этом случае их серийное производство будет экономически оправдано. Впрочем, эту планку тандемы скорее всего преодолеют без проблем. Уже сейчас существуют тандемные модули большой площади с эффективностью 28,6 процента. Главной трудностью остается стабильность. Слабое звено в тандеме — конечно, перовскит. Если кремниевые солнечные элементы работают десятилетиями, почти не теряя эффективности, то перовскиты только недавно преодолели порог в пять тысяч часов (около семи месяцев) непрерывной работы. А ведь стабильность тандемов изучена даже меньше, чем стабильность чисто перовскитных ячеек. Впрочем, первые позитивные результаты уже появились. Например, ученые из группы Стефана де Волфа научились эффективно инкапсулировать тандемы с помощью стекла и полиуретана. В результате их элемент проработал целый год под открытым небом — в условиях высокой температуры и влажности — и сохранил 80 процентов своей начальной эффективности. А пока двухтерминальные тандемы гоняются друг с другом, у четырехтерминальных может снова появиться шанс: в них меньше требований к перовскитной ячейке, например, нет запрета на использования диоксида титана. Поэтому у ученых больше возможностей для стабилизации. А поскольку два полупроводника не связаны друг с другом, то, если перовскитная ячейка через несколько лет все же выйдет из строя, ее можно будет просто заменить новой. Так что со временем фаворит в этой гонке может смениться. И ждать этого, возможно, осталось недолго: уже сейчас четырехтерминальные тандемы показывают эффективность в 26 процентов и выше, до своих двухтерминальных соперников им остались считанные проценты.
Методы производства солнечных элементов
Более 85% солнечных батарей производятся на основе моно и поли кремния. Технология их производства достаточно трудная, длительная и энергоемкая. Но обо всем по порядку.
Основные этапы изготовления солнечных монокристаллических элементов:
Получение «солнечного» кремния.
Выращивание кристаллов.
Обработка.
Создание фотоэлектрического элемента.
Сборка модулей.
Соединение самих солнечных батарей тоже может быть последовательным, параллельным или последовательно-параллельным для получения требуемых силы тока и напряжения.
Наглядное видео о этапах автоматической сборки, включая: пайку, ламинирование, коммутацию ячеек, установку распределительной коробки, стекла и алюминиевой рамы:
| Производство поликристаллических батарей отличается только выращиванием кристалла. Есть несколько способов производства, но самый популярный сейчас и занимающий 75% всего производства это Сименс — процесс. Суть метода заключается в восстановлении силана и осаждении свободного кремния в результате взаимодействия парогазовой смеси из водорода и силана с поверхностью кремниевых слитков, разогретой до 650-1300°C. Освободившиеся атомы кремния, образовывают кристалл с древовидной (дендритной) структурой. |
Тонкопленочные батареи производятся в основном по технике испарительной фазы. Сырьем для аморфных фотопреобразователей является кремневодород (силан, SinH2n+2). Он напыляется на материал подложки (стекло, керамика, металлические или полимерные ленты и пр.) слоем менее 1 мкм. Водород в составе аморфного кремния (5-20%) меняет его электрофизические свойства и придает ему полупроводниковые качества.
Производство аморфных преобразователей значительно проще кристаллических: без труда создаются пластины площадью более 1 м при температурах осаждения всего 250-400°C. К тому же их полупроводниковыми свойствами можно управлять, подбирая соединения компонентов пленки для получения требуемых параметров.
Технология производства солнечных CIGS батарей тоже заключается в напылении полупроводников. Делается это с помощью вакуумных камер и электронных пушек. Медь (Cu), индий (In) или галлий (Ga) напыляются путем последовательного осаждения на подложку из стекла, покрытой молибденом слоем в 1 мкм. Полученная структура обрабатывается парами селена (Se).
Есть еще один способ изготовления CIGS батарей – метод трафаретной печати или струйного напыления. Основан он на использовании суспензии из частиц металлических оксидов. Ее вязкость позволяет получать как бы чернила для печати. «Бумагой» же могут быть разные материалы: стекло, фольга, пластик.
Метод трафаретной печати для изготовления тонкопленочных батарей используется только известными «солнечными» производителями. Имеет такие преимущества, как высокий коэффициент использования материалов (от 90%), сравнительная дешевизна оборудования, приличный КПД готового продукта – 14%.
Производство кристаллов арсенид галлия, может осуществляться, как и монокристаллов кремния, методом Чохральского — горизонтальной или вертикальной направленной кристаллизации. Кристаллы получаются путем вытягивания их вверх от свободной поверхности большого объёма расплава с инициацией начала кристаллизации путём приведения затравочного кристалла. На картинке приведены схемы выращивания.
Кремниевые солнечные батареи: виды
Идея использования солнечной энергии в качестве альтернативы электрической появилась еще в XIX веке. Однако свое практическое воплощение она получила только в середине прошлого столетия. Многолетнее «тестирование» солнечных батарей в отдаленных местностях показало перспективность дальнейшего развития этого технологического направления. Сейчас «бесплатная» энергия достаточно активно используется в разных сферах: от космической до бытовой (например, установка фонарей освещения на солнечных батареях).
Типы солнечных батарей из кремния
Солнечные модули — это система многочисленных преобразователей, генерирующих электрический ток. Их устройство может отличаться как по используемому материалу, так и по технологии изготовления. В настоящее время наиболее популярны батареи с использованием кремния, дешевого и высокопроизводительного материала. В зависимости от расположения и упорядоченности его молекул в кристаллическом элементе можно выделить следующие виды солнечных батарей:
- Монокристаллические. Их легко узнать по срезанным углам квадратиков, из которых они состоят. В изготовлении используется чистый кремний (mono-Si). К основным достоинствам можно отнести их высокую эффективность: коэффициент полезного действия монопанелей составляет около двадцати процентов. В сравнении со своими аналогами, они более компактны и легки. При соблюдении всех условий эксплуатации долговечны — срок активной службы может составлять не менее двадцати пяти лет. Достаточно эффективны в использовании при низкой температуре. Однако чувствительны к солнечным лучам: загрязненность панели или продолжительная облачность может вызвать прекращение работы.
- Поликристаллические. В отличие от моно, технология их изготовления более проста, не подразумевает больших энергозатрат, что делает панели более дешевыми. Но и производительность поликристаллических батарей гораздо ниже — 17-18%. Однако такие системы достаточно хорошо зарекомендовали себя, работая в условиях повышенной облачности и неустойчивых температур.
- Аморфные, тонкопленочные. Основой производства является аморфный кремний. Испаряясь, он не кристаллизуется, а попросту оседает на пленке-подложке в виде тонкого кремниевого слоя. Благодаря особенностям технологического процесса может принять любую форму. Аморфные батареи прекрасно работают в условиях рассеянного солнечного света, дождливой погоды, однако их КПД почти вдвое ниже, чем у кристаллических.
Кремниевые батареи, работающие от энергии солнца, высоко экологичны и просты в монтаже. Мобильны: могут быть установлены в труднодоступных местах. Их использование исключает затраты на электроэнергию.
