Як влаштовані сонячні фотоелектричні елементи
Переважна більшість сонячних фотоелектричних елементів, або фотоелектричних елементів, виготовляється з використанням кремнієвих кристалічних пластин . Найефективнішим типом елементів є монокристалічні, які виготовляються за допомогою відомого процесу Чохральського . Однак останнім часом гетероперехідні, або HJT-елементи, стали більш популярними завдяки підвищеній ефективності та покращеним характеристикам за високих температур, як детально пояснюється нижче. TOPCon (Tunnel Oxide Passivated Contact ) – це ще одна відносно нова технологія елементів, яка включає унікальну техніку пасивації задньої сторони для зменшення втрат та підвищення ефективності.
Як виготовляються кремнієві фотоелектричні елементи?
Кремній зазвичай виготовляють зі спеціального типу піску, відомого як кварцовий пісок , який зазвичай виготовляється з подрібненої кварцової породи та містить високий відсоток природної сполуки, яка називається кремнеземом або діоксидом кремнію (SiO2). Для виготовлення кристалічних кремнієвих сонячних елементів, починаючи з сировини кварцової породи або кварциту, потрібен ряд різних виробничих процесів. Спочатку кварцовий пісок перетворюється на кремній металургійного класу шляхом поєднання вуглецю та кварциту в дуговій печі. Цей процес відбувається за дуже високих температур і призводить до отримання кремнію з чистотою 99%. Далі кремній металургійного класу перетворюється на полікремній за допомогою або процесу хімічного очищення, який називається процесом Сіменса , або покращеного кремнію металургійного класу (UMG-Si) за допомогою низки більш економічних металургійних процесів.
На цьому етапі полікремній металургійного класу може бути легований слідовими кількостями бору або фосфору, щоб отримати полікремній P- або N-типу . У минулому полікристалічні пластини виготовляли шляхом плавлення кремнію та лиття його у великі прямокутні блоки, а потім тонко нарізали алмазним різаком для отримання полікристалічних або мультикристалічних пластин.
Для виготовлення більш ефективних монокристалічних пластин, які є домінуючим типом пластин, що використовуються сьогодні, легований кремній зазвичай формують у монокристалічний злиток за допомогою процесу Чохральського . Цей процес включає плавлення полікристалічного кремнію під високим тиском і температурою для повільного вирощування монокристалічного кристала, відомого як злиток.
Основні матеріали та етапи виготовлення монокристалічної сонячної батареї
Основні кроки для виробництва монокристалічних фотоелектричних елементів
- Кварцовий пісок очищується в дуговій печі для отримання кремнію з чистотою 99%
- 99% кремнію додатково очищується, щоб отримати майже 100% чистий кремній.
- Кремній легований бором або фосфором (P-тип або N-тип)
- Легований кремній витягується у твердий кристалічний злиток за допомогою процесу Чохральського .
- Суцільний круглий злиток нарізається алмазним дротом на тонкі квадратні пластини
- Базова пластина покрита надтонким шаром кремнію P-типу або N-типу для формування PN-переходу .
- Ззаду додається поверхневе поле з алюмінію або шари PERC .
- Додано металеві пальці та антиблікове покриття.
- Додаються плоскі стрічкові шини (показано нижче) або тонкодротяні (MBB) шини.
Крупний план звичайної монокристалічної сонячної батареї з тонкими металевими пальцями та 5 шинами.
Сонячні елементи p-типу проти n-типу
Усі кремнієві кристалічні сонячні елементи виготовляються з дуже тонкої пластини базового кремнію, причому два основні типи - P-типу та N-типу. Вони виготовляються шляхом «легування» кремнію певними хімічними елементами для створення позитивного (p-тип) або негативного (n-тип) заряду.
Хімічні елементи, що використовуються для легування, - це фосфор, який створює позитивний заряд, та бор, який призводить до негативного заряду. Залежно від типу архітектури елемента, як основа або «субстрат» елемента використовується легований кремній N-типу або P-типу. Більшість моно- та полікристалічних елементів, що використовуються сьогодні, використовують підкладку P-типу, яка має основу з легованого бором кремнію. Донедавна лише кілька преміальних виробників, таких як Panasonic, SunPower та REC, використовували більш ефективні кремнієві пластини N-типу , хоча більшість компаній зараз виробляють елементи N-типу, оскільки їх вартість значно знизилася. Елементи N-типу пропонують вищу продуктивність та нижчий рівень деградації, спричиненої світлом , а також покращений температурний коефіцієнт порівняно з елементами P-типу.
- N-тип – негативно заряджений кремній, легований фосфором
- P-тип – позитивно заряджений кремній, легований бором
Усі сонячні елементи використовують комбінацію кремнію P-типу та N-типу для формування pn-переходу, який є фундаментальним для функціонування сонячного елемента. Різниця полягає в тому, що елементи P-типу використовують кремнієву основу, леговану бором, разом з надтонким шаром кремнію N-типу, тоді як елементи N-типу використовують кремнієву основу N-типу з надтонким шаром кремнію P-типу, як показано на діаграмі нижче.
Сонячні елементи P-типу
Схема принципової схеми звичайного кремнієвого елемента P-типу
Як пояснювалося вище, кремній P-типу та N-типу об'єднуються та утворюють так званий p-n перехід . Перехід створює електричне поле, яке забезпечує потік електронів, коли сонячне випромінювання проходить через елемент. Фотоелектричний ефект полягає в тому, що світлові фотони (енергія) вивільняють електрони з кремнію, створюючи електричний струм.
Сонячні елементи N-типу
Схема принципової схеми більш ефективного кремнієвого елемента N-типу
Переваги N-типу
Завдяки самій природі та складу матеріалу, елементи N-типу пропонують вищу продуктивність завдяки більшій стійкості до домішок та меншій кількості дефектів, що підвищує загальну ефективність . Крім того, елементи n-типу мають більшу температурну стійкість порівняно з моно- та мультиелементами P-типу. Що ще важливіше, елементи n-типу не страждають від проблем LID (світлоіндукованої деградації) через дефекти бор-кисню, які є поширеною проблемою для елементів p-типу, легованих бором.
- Менше домішок у субстраті N-типу
- Покращена продуктивність за високих температур
- Нижча світлоіндукована деградація - LID
Вартість проти ефективності
Конструкція N-типу елементів є дорожчою, оскільки в ній використовується так званий процес дифузії бору для додавання тонкого шару «емітера» p-типу. Цей процес дифузії є складнішим і вимагає вищих температур порівняно з процесом дифузії фосфору в p-типі елементів. Хоча N-типу елементи дорожчі у виробництві, базовий кремній n-типу має набагато вищу чистоту, що забезпечує вищу ефективність, менші втрати та набагато меншу деградацію з часом; це призводить до вищої генерації та продуктивності, що також покращує окупність і загалом переважує додаткові початкові витрати протягом терміну служби панелі.
Гетероперехід сонячних елементів
Гетероперехідні або HJT сонячні елементи зазвичай використовують основу з високочистого кристалічного кремнію N-типу з додатковими тонкоплівковими шарами аморфного кремнію з обох боків елемента, утворюючи так званий гетероперехід . Різні фотоелектричні матеріали допомагають поглинати більше фотонів світла та зменшувати втрати на рекомбінацію, тим самим підвищуючи загальну ефективність елемента. Сучасні HJT-панелі на ринку, такі як серія REC Alpha , досягають ефективності панелей до 22,3%.
Основна схема побудови сонячного елемента з гетеропереходом N-типу або HJT
Однією з найбільш вражаючих характеристик елементів HJT є неймовірно низький температурний коефіцієнт , який становить близько 0,26%/ ° C. Це приблизно на 40% нижче порівняно зі звичайними монокристалічними елементами. Вихідна потужність сонячних панелей розрахована на температуру елемента 25 ° C або STC (стандартні випробувальні умови), тому кожен градус вище цього трохи зменшує вихідну потужність. У звичайних багато- та монокристалічних елементах температурний коефіцієнт становить близько 0,38% на ° C , що може зменшити загальну вихідну потужність до 18% у дуже спекотні безвітряні дні. Для порівняння, елементи HJT мають значно нижчий температурний коефіцієнт, близько 0,26% / ° C, що зменшує втрати в елементах приблизно до 10% у дуже спекотні дні.
Сонячні елементи TOPCon N-типу
TOPCon розшифровується як Tunnel Oxide Passivated Contact (тунельний оксидний пасивований контакт) і стосується унікальної техніки пасивації задньої сторони, вперше розробленої німецьким дослідницьким інститутом сонячної енергії Fraunhofer ISE у 2014 році. Після п'яти років розробки технологія TOPCon перейшла до великомасштабного виробництва і, як очікується, протягом наступних кількох років поступово замінить стандартну галузеву технологію елементів PERC. Архітектура елементів TOPCon по суті допомагає зменшити так звані рекомбінаційні втрати в елементі, що, у свою чергу, підвищує ефективність елементів. Через складний ряд факторів у сонячному елементі є кілька втрат, які змушують електрони рекомбінувати назад у елемент, не утворюючи електричного струму. Технологія TOPCon не тільки допомагає зменшити ці рекомбінаційні втрати, але й, будучи повноплощинним заднім контактом, також сприяє протіканню струму всередині структури елемента та може підвищити ефективність елемента понад 25%. Зверніть увагу, що ефективність сонячної панелі завжди нижча за ефективність елемента, оскільки вона враховує невикористані секції панелі та додаткові втрати через усі елементи, шини та колектори.
Схема принципової конструкції кремнієвого сонячного елемента TOPCon N-типу
Хоча технологія TOPCon зазвичай використовується разом із підкладками N-типу, вона також може ефективно працювати з більш поширеними підкладками P-типу, підвищуючи ефективність елементів до 24%.
Джерела та посилання
- Науковий світовий журнал - Досягнення в кристалічних кремнієвих сонячних елементах на основі N-типу та їх поява у фотоелектричній промисловості - Аттек ур Рехман та Су Хонг Лі*
- Електротехніка та технології - www.electrical4u.com
- PVeducation.org - https://www.pveducation.org/pvcdrom/pn-junctions/formation-of-a-pn-junction
- https://www.aleo-solar.com/perc-cell-technology-explained/
- https://www.pv-magazine.com/2021/06/02/longi-achieves-25-21-efficiency-for-topcon-solar-cell-announces-two-more-records/
Як виготовляються сонячні панелі?
У нашій детальній статті ми описуємо, як виробляються та переробляються сонячні панелі. Сонячні панелі виготовляються з шести основних компонентів на сучасних виробничих потужностях, де використовуються точні оптичні датчики для позиціонування кожного компонента, а також спеціалізоване обладнання для випробувань та контролю якості.
Натисніть на зображення вище, щоб перейти до детальної статті про будівництво сонячних панелей.