Рыночные перспективы гетероструктурных (HJT) модулей – интрига солнечной энергетики

Фотоэлектрическая солнечная энергетика сегодня стала ведущим сектором мировой электроэнергетики по объемам привлекаемых ежегодно инвестиций (~$150 млрд в год) и вводимых мощностей (>100 ГВт в год).

Лидирующие позиции сектора были достигнуты благодаря, в том числе, непрерывному потоку инноваций. Учёные и промышленники ежедневно пытаются снизить материалоемкость и эффективность продукции и производственных процессов.

Неудивительно, на рынке появляются всё новые типы солнечных модулей, отличающиеся повышенной эффективностью по сравнению со среднерыночным уровнем.

Одним из типов такой эффективной продукции являются гетероструктурные модули (HJT – HeteroJunction Technology). Иногда их еще называют SHJ (Silicon heterojunction), подчеркивая, что речь идёт о кремниевых солнечных элементах. Полное название технологии: «Heterojunction with intrinsic thin-layer technology» — буквально «технология гетероперехода с внутренними тонкими пленками». Под «тонкими пленками» подразумевается слой аморфного кремния, который «добавляется» к пластинам n-типа из монокристаллического кремния.

Посмотрим на базовую тенденцию в технологиях производства солнечных модулей. Если со второй половины нулевых годов основным, занимавшим большую рыночную долю, материалом для производства модулей являлся поликристаллический (мультикристаллический) кремний, то сегодня очевиден переход к более эффективным монокристаллическим солнечным элементам, которые в ближайшее время практически полностью вытеснят конкурента с мирового рынка:

Эта тенденция подтверждается производственным планами промышленников. Например, крупнейший производитель в мире, китайская JinkoSolar, в своей презентации для инвесторов за 3 квартал 2019 года прямо указывает, что, если в 2018 году на поликристаллические модули приходилось 56% выпуска его продукции, то в 2020 году 99% будет приходиться на «высокоэффективные» монокристаллические солнечные панели.

На мировом рынке доминирующей технологией сегодня становятся PERC (passivated emitter and rear cell) солнечные элементы из монокристаллического кремния, отличающиеся повышенной эффективностью. Ещё в 2014 году годовой объем выпуска солнечных ячеек моно-PERC p-типа в мире не превышал 1 ГВт. По оценке экспертов PV-Tech, в 2019 году он превысит 60 ГВт, то есть технология станет основной (по объемам производства/продаж).

Технологии семейства PERx (включая PERC, PERT, PERL) будут господствовать на рынке в ближайшие десять лет, с этим согласно большинство специалистов. В то же время, как показано на следующем графике из ITRPV, пожалуй, основного ежегодного доклада по технологиям солнечной энергетики, рыночная доля гетероструктурных SHJ элементов будет однозначно расти:

В краткосрочной перспективе, к 2023 году, как показывает прогноз PV InfoLink, глобальные производственные мощности по выпуску HJT продуктов вырастут до 15 ГВт:

Очевидно, что HJT и PERC сегодня становятся основными массовыми эффективными технологиями, которые конкурируют по соотношению стоимости и эффективности.

Как показывает тот же ITRPV, потенциал роста эффективности у HJT ячеек однозначно выше, чем у семейства PERx:

В текущем году неоднократно отмечались всё новые и новые рекорды эффективности PERC-элементов. Поэтому одним из возможных сценариев развития рынка некоторые эксперты считают более быстрое распространение PERC-технологий и более медленное расширение рыночной доли HJT в ближайшие годы (более дешевые, но эффективные PERC снизят стимулы для инвестиций в HJT). Однако существуют некоторые технологические нюансы, которые мешают технологии PERC реализовать потенциал своей высокой эффективности на рынке. В частности, можно упомянуть так называемую LeTID деградацию (Light and elevated Temperature Induced Degradation), вызываемую светом и повышенной температурой.

Сегодня специалисты всё чаще рассуждают о технологиях «после PERC», поскольку последняя приближается к пределу возможных усовершенствований. Одной из таких «ближайших» технологий является HJT.

Одним из препятствий быстрого распространения HJT продукции считается более высокая цена кремниевых пластин n-типа. Однако, как показывают последние данные, разница в цене между пластинами p- и n-типа снизилась до всего 5% (R. Kopecek, Life after PERC, SNEC Shanghai, June 4, 2019).

Другим препятствием для расширения HJT является более высокая стоимость производственных линий. Капитальные инвестиции в фабрику на единицу выпускаемой продукции (скажем, на 100 МВт) у HJT могут быть в три раза выше, чем у PERC.

Этот недостаток отчасти смягчается тем, что процесс производства HJT элементов состоит из меньшего числа этапов:

Высокая стоимость оборудования повышает порог входа на рынок, увеличивает степень риска для инвесторов.

В то же время, по экспертным оценкам, более высокие затраты на промышленные линии лишь в незначительной степени сказываются на стоимости конечной продукции (см., например, Solving all bottlenecks for silicon heterojunction technology, Photovoltaics International Volume 42). Речь идёт о росте стоимости на приблизительно 1 американский цент за ватт.

Более высокая стоимость компенсируется рядом преимуществ гетероструктурных солнечных модулей. Их отличает низкий температурный коэффициент (при повышении температуры модуля выработка снижается в меньшей степени, чем у обычных кремниевых солнечных панелей), отсутствие деградации типов PID (Potential induced degradation) и LID (Light Induced Degradation), легко реализуемая двусторонность ячеек, обеспечивающая более высокую выработку, чем у двусторонних модулей PERC, а также уже упомянутая высокая эффективность преобразования.

По расчётам Becquerel Institute (2019), несмотря на более высокие удельные капитальные затраты, стоимость единицы энергии, вырабатываемой объектом, оснащенным модулями HJT, может быть ниже, и на приличную величину:

Поэтому HJT «cчитается ультраэффективной технологией следующего поколения с наибольшим промышленным потенциалом» (Becquerel Institute).

На мировом рынке представлено пока относительно небольшое число производителей HJT элементов и модулей (Panasonic, REC, Risen Energy…). В этом ряду стоит и российская группа компаний «Хевел», имеющая свой научно-технический центр, и выпускающая 250 МВт гетероструктурных модулей в год, которые пользуются спросом и за рубежом.

Солнечный модуль HVL-320 HJT — 16 190 руб. СПЭЙРС.RU

Солнечный модуль HVL 320 Вт

ПРИ ПОКУПКЕ ПАЛЕТАМИ (КРАТНО 25 ШТ.) ДЕЙСТВУЕТ СПЕЦЦЕНА!! В наличии на складе.

Оперативная доставка, спецусловия при заказе от 25 шт!

Российский завод «Хевел» (HEVEL) — крупнейший отечественный производитель солнечных батарей (солнечных панелей, солнечных модулей) на основе микроморфной (тонкопленочной технологии). Весной 2017 года запущено производство передовых гетероструктурных солнечных модулей по новейшей технологии, обладающей высоким КПД.

Солнечные батареи, выполненные по гетероструктурной технологии — одни из наиболее высокопроизводительных и имеющих большие перспективы на рынке. Гетероструктурная технология (HJT) является гибридом (совмещением) кристаллической и тонкопленочной технологий исполнения солнечных элементов. Результатом служит объединение ключевых преимуществ как кристаллических панелей (довольно высокий КПД, малая степень световой деградации), так и тонкопленочных (незначительное падение производительности при нагреве ячеек, более высокая эффективность в улавливании рассеянного и отраженного света). Эффективность гетеропереходных модулей HEVEL превосходит показатели классических поликристаллических модулей.

Технология производства компании базируется на применении микроморфных покрытий – «тонких пленок» на основе кремния, являющихся следующим поколением технологии, уже зарекомендовавшей себя на рынке – фотоэлектрических модулей на основе аморфного кремния. Типичная конструкция гетероструктурного солнечного элемента на основе аморфного и микроморфного кремния отличается от технологии прошлого поколения – аморфного кремния наличием наноструктурированного «микроморфного слоя», позволяющего преобразовывать более широкий спектр длин волн излучения, падающего на фотоэлектрический модуль, увеличивая тем самым КПД модуля.

Электрические характеристики при СУИ*

*СУИ — стандартные условия испытаний: освещенность – 1000 Вт/м2, атмосферная масса – АМ1.5, температура модуля – 25°С

Температурные характеристики

Эксплуатационные характеристики

Конструкция модуля

Гарантийные обязательства

Микроморфные солнечные модули Хевел | Солнечные батареи

Компания «Энергии солнца» является эксклюзивным поставщиком микроморфных фотоэлектрических солнечных модулей в Краснодарском крае, изготовленных по тонкоплёночной технологии.

Эти модули производятся компанией ООО «Хевел» на производственных мощностях безусловного лидера этой отрасли, фирмы «Oerlikon Solar» (Швейцария).

Изобретение и внедрение принципиально нового по своему строению фотоэлемента, стало возможным после изучения опыта эксплуатации солнечных элементов на основе аморфного кремния и разработке способа нанесения слоя кристаллического кремния нанометровой толщины. В результате инновационные фотоэлектрические модули представляют собой гетероструктурную конструкцию, в которой на базовый слой аморфного кремния, наносится слой кристаллического кремния, толщиной 25 нанометров. При этом, целенаправленное изменение ориентации атомов в структуре кристаллической решётки, приводит к уникальному эффекту прозрачности наноморфного кремния, для видимых лучей спектральной области света, но на порядок увеличивает его возможность преобразовывать инфракрасное излучение.

Всё вместе это приводит к повышению КПД на 30% по сравнению с моно- и поликристаллическими модулями, уменьшению нагрева самих модулей и расширению рабочих диапазонов температур.

Преимущества микроморфных солнечных модулей «Хевел»:

1. Ощутимое снижение стоимости. Фотоэлементы, созданные из аморфного кремния, по технологии «тонкой плёнки», в процессе производства используют революционные технологии 3D печати и их себестоимость при значительных объёмах существенно снижается.

2. Модули «Хевел»лишены производственного брака. Любой человек понимает, что делать такое заявление можно только имея веские аргументы. Но этот аргумент всего один. При производстве модулей «Хевел» была принципиально изменена технология самого процесса. Если остальные фотоэлементы производятся в условиях глубочайшего вакуума и космической стерильности, то для создания модулей «Хевел» применяется принципиально другая технология. Создать условия глубочайшего вакуума и идеальной стерильности крайне трудно. Но гораздо затратнее поддерживать их на должном уровне продолжительное время. Любое нарушение ведёт к браку в процессе производства. Поэтому при создании модулей «Хевел» прибегли к качественно иному методу, который можно сравнить с печатью на специальном принтере. Но вместе с принципиальным отсутствием производственного брака, революционно, на 3 (!) порядка, возросла скорость производства.

3. Растущая продолжительность эффективной эксплуатации. Дело в том, что технология, используемая при производстве модулей «Хевел» исключительно новая, прорывная. Самые первые образцы, созданные с использованием технологии «тонкой плёнки», были произведены в лабораториях НАСА 15 лет назад. По сведениям из официальных источников, эти элементы до сих пор работают в режиме повышенной эксплуатационной нагрузки и демонстрируют уникальные результаты.

4. Принципиальное изменение требований к условиям энергоэффективной эксплуатации. К этому привели новые свойства модулей созданных по технологии «тонкой плёнки»:

• Увеличение диапазона температур работы панелей «Хевел» в энергоэффективном режиме более чем на 35%. Такой невиданный прорыв позволил повысить более чем на треть выработку электроэнергии в летний период при использовании фотоэлектрических модулей «Хевел» аналогичной площади.
• Отличное поглощение крайних областей спектра видимого света повысило энергоэффективную работу модулей «Хевел» в условиях частичной и полной затенённости. По сравнению с моно- и поликристаллическими модулями, панели «Хевел» производят на 38% больше энергии при частичном затенении.

• Поверхностное загрязнение не критично снижают эффективность работы модулей «Хевел». Производство солнечных элементов по технологии «тонкой плёнки», использует принципиально новые материалы, которые способные эффективно работать при рассеянном свете. И если снижение эффективности работы моно- и поликристаллических батарей даже при малой загрязнённости было катастрофичным, то для модулей «Хевел» заметить понижение мощности можно только на приборах.

5. Использование в дизайнерских решениях. Применение при производстве фотоэлектрических модулей «Хевел» новейших материалов обладающих удивительными эксплуатационными качествами, открывает широчайшую дорогу в мир наружной отделки и уличных композиций. Модули «Хевел» можно интегрировать в любой вид отделки дома или садового участка. Есть прекрасная возможность скрытого монтажа путём встраивания их в элементы отделки здания (замена окон, остекление стен, и т.п.).
 
6. Удобство при монтаже. По сравнению с моно- и поликристаллическими модулями, панели «Хевел» не требуют соблюдения определенного угла наклона (30-50 градусов) при монтаже и могут размещаться как в вертикальной так и в горизонтальной плоскости.

7. Большая эффективность — скорейший возврат инвестиций. 

Производитель гарантирует снижение мощности в течении первых 10 лет эксплуатации не более чем на 10%. И не более чем на 20% за 25 лет непрерывного использования. На все модули имеются сертификаты Евросоюза и России.

Устройство солнечной батареи. Теория

Состав и устройство солнечной батареи, ее элементов определяют эффективность выработки энергии готовым изделием. В настоящее время, для генерации электрической энергии используются солнечные панели на основе кремния (с-Si, mc-Si & кремниевые тонкопленочные батареи), теллурида кадмия CdTe, соединения медь-индий (галлий)-селен Cu(InGa)Se2, а также концентраторные батареи на основе арсенида галлия (GaAs). Ниже будут даны краткие описания каждой из них.

Солнечные батареи основе кремния

Солнечные батареи (СБ) на основе кремния составляют на сегодняшний день порядка 85% всех выпускаемых солнечных панелей. Исторически это обусловлено тем, что при производстве СБ на основе кремния использовался обширный технологический задел и инфраструктура микроэлектронной промышленности, основной «рабочей лошадкой» которой также является кремний. В результате, многие ключевые технологии микроэлектронной промышленности такие как выращивания кремния, нанесения покрытий, легирования, удалось адаптировать для производства кремниевых батарей с минимальными изменениями и инвестициями. Кроме того, кремний – один из самых распространенных элементов земной коры и составляет по разным данным 27-29% по массе. Таким образом, нет никаких физических ограничений для производства значительной доли электроэнергии Земли с имеющимися запасами Si.

Различают два основных типа кремниевых СБ – на основе монокристаллического кремния (crystalline-Si, c-Si) и на основе мультикристаллического (multicrystalline-Si, mc-Si) или поликристаллического. В первом случае используется высококачественный (и, соответственно, более дорогой) кремний выращенный по методу Чохральского, который является стандартным методом для получения кремниевых пластин-заготовок для производства микропроцессоров и микросхем. Эффективность СБ изготовленных из монокристаллического кремния составляет обычно 19-22%. Не так давно, фирма Panasonic заявила о начале промышленного выпуска СБ с эффективностью 24,5% (что вплотную приближается к максимально возможному теоретически значению ~30%).

Во втором случае для производства СБ используется более дешевый кремний произведенный по методу направленной кристаллизации в тигле (block-cast), специально разработанного для производства СБ. Получаемые в результате кремниевые пластины состоят из множества мелких разнонаправленных кристаллитов (типичные размеры 1-10мм) разделенных границами зерен. Подобные неидеальности кристаллической структуры (дефекты) приводят к снижению эффективности – типичные значения эффективности СБ из mc-Si составляют 14-18%. Снижение эффективности данных СБ компенсируется их меньшей ценой, так что цена за один ватт произведенной электроэнергии оказывается примерно одинаковой для солнечных панелей как на основе c-Siтак и mc-Si.

Тонкопленочные солнечные панели

Возникает вопрос – зачем разрабатывать другие типы модулей, если солнечные панели на основе моно- и мультикристаллического кремния уже созданы и показывают неплохие результаты? Очевидный ответ — чтобы добиться еще большего снижения стоимости и улучшения технологичности и эффективности, по сравнению с обычными c-Si и mc-Siсолнечными батареями.

Дело в том, что обычные кремниевые фотоэлектрические модули наряду с преимуществами, перечисленными выше, обладают и рядом недостатков. Кемний из-за своих особых электрофизических свойств (непрямозонный полупроводник) обладает довольно низким коэффициентом поглощения, особенно в области инфракрасных длин волн. Таким образом, толщина кремниевой пластины для эффективного поглощения солнечного излучения должна составлять довольно внушительные 100-300 мкм. Более толстые пластины означают больший расход материала, что ведет к удорожанию СБ.

В то же время, прямозонные полупроводники на вроде GaAs, CdTe, Cu(InGa)Se2, и даже некоторые модифицированные формы Si, способны поглощать требуемое количество солнечной энергии при толщине всего в несколько микрон. Открывается заманчивая перспектива сэкономить на расходных материалах, а также на электроэнергии, которой требуется значительно меньше для изготовления более тонкого слоя полупроводника. Еще одной положительной чертой СБ на основе вышеназванных полупроводников – в отличие от СБ на основе c-Si и mc-Si– является их способность не снижать эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую даже в условиях рассеянного излучения (облачный день или в тени).

Исследования СБ на основе теллурида кадмия (CdTe) начались еще в 1970х годах ввиду их потенциального использования в качестве перспективных для космических аппаратов. А первое широкое применение «на земле» подобные СБ нашли в качестве элементов питания карманных микрокалькуляторов.

Данные элементы представляют собой гетероструктуру из тонких слоев p-CdTe / n-CdS (суммарная толщина 2-8 мкм) напыленных на стеклянную подложку (основу). Эффективность современных фотоэлектрических элементов данного типа равняется 15-17%. Основным (и фактически единственным) производителем СБ на основе теллурида кадмия является американская фирма FirstSolar, которая занимает 4-5% всего рынка.

К сожалению, есть проблемы с обоими элементами входящими в состав соединения CdTe. Кадмий – это экологически вредный тяжелый метал, который требует особых методов обращения и ставит сложный вопросутилизации старых изделий. В виду этого, законодательство многих стран ограничивает свободную продажу гражданам СБ этого типа (строятся только масштабных солнечных электростанций под гарантии утилизации от фирмы производителя). Второй элемент – теллур, довольно редко встречается в земной коре. Уже в настоящее время более половины всего добываемого теллура идет на изготовление солнечных панелей, а перспективы нарастить добычу – довольно призрачны.

Солнечные батареи на основе соединения медь-индий (галлий)-селен Cu(InGa)Se2 (иногда обозначаются как CIGS) являются новичками на рынке солнечной энергетики. Несмотря на то, что начало исследований элементов этого типа было положено еще в середине 70х, в настоящее время коммерческий выпуск в боле-менее солидных масштабах ведет всего лишь фирма SolarFrontierKKиз Японии. Отчасти это связано с технически сложным и дорогим процессом изготовления, хотя в некоторых (удачных!) случаях их эффективность может достигать 20%.

Несмотря на отсутствие экологически вредных элементов в составе этого соединения, значительному расширению производства данных солнечных модулей в будущем угрожает дефицит индия. Ведутся исследования с целью заменить дорогой In на более дешевые элементы и может быть скоро появятся новые изделия на основе соединения Cu2ZnSn(S,Se)4.

Фотоэлектрические модули на основе аморфного кремния a-Si:H. Тонкопленочные солнечные батареи могут быть построены также и на основе хорошо известного кремния, если удастся каким-либо образом улучшить его способности к поглощению солнечного света. Применяются две основные методики:

— увеличить путь прохождения фотонов посредством многократного внутреннего переотражения;

— использовать аморфный кремний (a-Si), обладающий гораздо большим коэффициентом поглощения чем обычный кристаллический кремний (с-Si).

По первому пути пошла австралийская фирма CSGSolarLtd, разработавшая СБ с эффективностью 10-13% при толщине слоя кремния всего 1,5 мкм. По второму – швейцарская OerlikonSolar (которую сейчас перекупили японцы), создавшая комбинированные солнечные панели на основе слоев аморфного и кристаллического кремния a-Si / с-Si эффективность которых также составляет 11-13%. Своеобразной особенностью СБ из аморфного кремния является снижение эффективности их работы при понижении температуры окружающего воздуха (у всех остальных — наоборот). Так, фирма производитель рекомендует устанавливать данные модули в странах с жарким климатом.

Концентраторные солнечные модули

Наиболее совершенные и самые дорогие на сегодняшний день солнечные модули обладают эффективностью фотоэлектрического преобразования до 44%. Они представляют собой многослойные структуры из разных полупроводников последовательно выращенных друг на друге слой за слоем. Наиболее успешной является структура состоящая из трех слоев:  Ge (нижний полупроводник и подложка), GaAsи GaInP. Благодаря тому, что в подобной комбинации каждый отдельный полупроводниковый слой поглощает наиболее эффективно свой определенный диапазон солнечного спектра (определяемый шириной запрещенной зоны полупроводника), достигается наиболее полное поглощение солнечного света во всем диапазоне длин волн, недостижимое для СБ состоящих из одного типа полупроводника. К сожалению, процесс изготовления подобных многослойных полупроводниковых слоев очень сложен технически и, как следствие, весьма дорог.  

Если солнечные батареи стоят очень дорого, фокусировка солнечного излучения на меньшей площади СБ может применяться как эффективный способ снижения финансовых затрат. Например, собрав при помощи линзы солнечный свет с 10 см2 и сфокусировав его на 1 см2 солнечной батареи, можно получить тоже количество электроэнергии, что и от элемента площадью 10 см2 без концентратора, но экономя при этом целых 90% площади! Но при этом, набор подобных ячеек (солнечная батарея + линза) должен быть смонтирован на подвижной механической системе, которая будет ориентировать оптику в направлении солнца в то время как оно движется по небу в течении дня, что увеличивает стоимость системы.

В настоящее время экономически оправдано использовать подобные дорогие концентраторные солнечные модули только в тех странах и регионах земного шара, где круглый год имеется в достатке прямое солнечное излучение (рассеянное излучение не может быть сфокусировано линзой). Так, французская фирма-производитель концентраторных СБ SOITEC устанавливает свои СБ в Калифорнии, ЮАР, на юге Франции (Прованс), в Испании.  

Органические солнечные батареи и модули фотосенсибилизованные красителем

Но есть и новый тип тонкопленочных солнечных батарей, такой как сенсибилизированные красителем солнечные элементы, которые работают на совершенно ином принципе, чем все модули рассмотренные выше, на принципе больше напоминающем фотосинтез у растений. Но их пока нет в коммерческой продаже.

Трушин М.В. Ph.D

Да будет энергия солнца: фоторепортаж с завода «Хевел»

В интересное время мы живем: буквально на наших глазах солнечная энергетика из мифа превращается в реальность. Многие знают, в нашей республике есть предприятие, где выпускают солнечные батареи. Что с ними делают и куда девают дальше, мы сейчас вам и расскажем.

В 2009 году группа компаний «Ренова» и госкорпорация «Роснано» задумали создать завод «Хевел» на бывшей территории «Химпрома» под Новочебоксарском. На воплощение этой идеи им понадобилось шесть лет, и только в 2014 году завод начал производить первую продукцию. Солнечные батареи разрабатывают в Санкт-Петербурге (именно там расположен научно-технический центр тонкопленочных технологий в энергетике).

Всё, что выпускает «Хевел», идет на стратегическую энергетику. Прикупить пару батарей для дачи не получится. Но если вы захотите оснастить свою маленькую электростанцию по последнему слову науки и техники, то вам сюда.

Давайте попробуем разобраться, в чем преимущество таких модулей.

Энергия солнца имеет свойство восстанавливаться, что выгодно отличает ее от таких ресурсов, как уголь, газ и нефть, которые если заканчиваются, то навсегда. Небесное светило образовалось 4,5 миллиарда лет назад, и ученые прогнозируют, что оно не погаснет еще 6,4 миллиарда лет. Даже в масштабах Вселенной это очень долго. По крайней мере, на наш век точно хватит. Тем более что пока нам много и не надо – всего лишь 0,5% солнечной энергии обеспечат все потребности мировой энергетики.

Солнце доступно в любой точке планеты, правда, ночью и в дождливую и пасмурную погоду солярная энергия не может быть основным источником.

Теоретически такие модули можно применять везде, выработка ресурсов абсолютно бесшумна, в сравнении с другими источниками энергии производство очень экологично.

Конечно, солнечные батареи достаточно дорогое удовольствие, но цена на них с каждым годом падает.

Во всем мире только несколько компаний выпускают подобные модули. Завод в Новочебоксарске входит в пятерку высокоэффективных производств. Как считает гендиректор группы компаний «Хевел» Игорь Шахрай, завод конкурирует с таким монстром, как Panasonic, который производит гетероструктурные модули. И тут все зависит от того, чья прикладная наука будет быстрее и кто раньше покажет результаты. Очень много солнечных батарей выпускается в Китае – эта страна сегодня в лидерах, но таких глубоких исследований нет и у них.

Изначально эффективность кремниевых модулей, которые выпускали на заводе, составляла приблизительно 15% КПД, сейчас разработаны батареи с 22% КПД. В ближайшие полгода-год эффективность должна еще увеличиться.

В год «Хевел» производит 160 МВт гетероструктурных солнечных модулей с КПД выше 20%. Каждый день с конвейера выходит порядка полутора тысяч батарей на 400 кВт. 

Гетероструктурные солнечные модули – это новое поколение батарей, которые начали выпускать недавно. Ноу-хау вобрало в себя преимущества кремниевых технологий – тонкопленочной и кристаллической. Такие конструкции будут эффективно работать в течение 25 лет при экстремальных температурах (от -40° до +85°) и выдержат огромные нагрузки (почти 900 кг). При значительном изменении температуры этот модуль не деградирует.

Уже две станции работают на солнечных батареях – это Бурибаевская СЭС (Башкирия) и Соль-Илецкая СЭС (Оренбургская область). В сентябре будет открыта электростанция полностью на гетеростурктурных модулях в Республике Алтай – Майминская СЭС.

А теперь покажем само производство. На «Хевеле» работает всего 400 человек, потому что большинство технологических процессов автоматизированы.

Сначала кремниевые пластины загружают, сортируют, выявляют брак, если таковой есть. Чистят, то есть готовят к тому, что в последующем на них будет нанесен специальный слой.

После плазменной химобработки на пластины напыляются слои прозрачного токопроводящего оксида. И если сначала они были черными, то теперь становятся синими.

Далее наносится трафаретом тончайшая контактная сетка из серебра. Потом фотоэлементы проверяются и тестируются, а также сортируются по мощности.

И, наконец, сам процесс сборки модулей: из ячеек формируется матрица, ламинируется с двух сторон, в нее устанавливается клемма, и уже затем матрицу монтируют в алюминиевую рамку.

Завершающий этап – измерение тока, напряжения и мощности, после чего на каждую батарею клеят этикетку с характеристиками.

Вот, собственно говоря, и всё. На производство одного модуля уходит приблизительно 50 минут и около 600 грамм кремния. Но что будет, когда закончится кремний, науке пока неизвестно.

«Зелёные технологии» | Сайт С.П. Курдюмова «Синергетика»

Для строительства солнечных электростанций (СЭС) требуются солнечные панели, эффективно преобразующие солнечный свет в электричество. И тут китайцы оказываются на острие научно-технического прогресса. Пример тому – разработка крупнейшего производителя тонкоплёночных солнечных элементов компании Hanergy, чья технология преобразования солнечной энергии побила сразу три мировых рекорда по энергоэффективности. По новой технологии дочерними компаниями Hanergy: Alta Devices, Solibro и MiaSole – были созданы три вида панелей: односегментный солнечный модуль GaAs, двойные стеклянные солнечные модули CIGS и солнечные модули CIGS на гибкой подложке, которые имеют рекордную эффективность преобразования энергии в 25,1 %, 18,72 % и 17,88 % соответственно. Эти солнечные панели могут использоваться для беспилотных летательных аппаратов, на крышах домов, в транспортных средствах на электрической тяге и различной электронике. По словам представителей компании, возможности применения их технологии бесконечны, так как она может использоваться практически во всех инновационных областях. В подтверждении своих заявлений компания Hanergy выпустила дрон на солнечных батареях. Без подзарядки он способен находиться в воздухе до 10 часов, тогда как время работы беспилотников, оснащённых только литий-ионными батареями, составляет не более двух часов.

Успехи в практическом освоении энергии солнца для нужд энергетики демонстрирует и Израиль, но несколько с другой позиции подхода к использованию излучения ближайшей к нам звезды – в пустыне Негев компанией Megalim Solar Power строится солнечная башня одной из крупнейших в мире Ашалимской гелиотермальной станции. Ашалимская станция устроена по принципу гелиоконцентратора, устройства для концентрации энергии солнца. В основе проекта станции 55000 управляемых компьютером гелиостатов (зеркал), положение которых меняется в соответствии с движением солнца. Зеркала направляют отражённый свет на солнечный парогенератор – специальный котёл, расположенный на вершине центральной башни, который производит пар для турбины, вращающей электрогенератор. Солнечная башня Ашалимской станции высотой 250 метров – самая высокая в мире. Стоимость проекта составит $773 млн. Станция будет вырабатывать 121 МВт электричества — 2 % всего потребления Израиля. Электричества, производимого в Ашалиме, хватит на обеспечение чистой энергией 120 тысяч домов. Каждый год комплекс будет помогать экономить 110 тысяч тонн выбросов углекислого газа. Всего доля производства электроэнергии из возобновляемых источников в Израиле со временем увеличится и составит 10 % в 2020 году.

Если несколько дальше посмотреть на перспективы солнечной энергетики, то следует обратить внимание на достижения исследователей из Венского технологического университета, которые работают над новым классом материалов для солнечных батарей. Новый материал австрийских учёных представляет собой гетероструктуру из нескольких одноатомных слоёв оксидов, что придаёт композиту совершенно новые свойства. По заверениям исследователей, их новый материал откроет возможность производить более эффективные солнечные элементы.

Оксиды, использованные разработчиками, являются изоляторами, но при объединении двух соответствующих типов изоляторов наблюдается удивительный и очень важный эффект: поверхности гетероструктуры становятся металлическими и начинают проводить электрический ток. Это позволяет получать солнечное электричество без проводов, как это делается, к примеру, в кремниевых солнечных элементах, где провода блокируют часть попадающего на элемент света. Остаётся только найти наиболее эффективные комбинации материалов, которые максимально поглощали бы видимую часть спектра солнечного света.

Одно из многообещающих направлений изысканий эффективных преобразователей света солнца в электричество – тонкоплёночные структуры. В этом разрезе исследовательская группа из Оксфорда предложила новый способ создания тонкоплёночных солнечных элементов, эффективность преобразования энергии в которых превышает 15 %. Устройства создаются на основе материала, известного как перовскит. Солнечные ячейки имеют простую архитектуру и легко могут воспроизводиться в коммерческих масштабах, так как процесс осаждения из парообразного состояния, используемый для их производства, по своей простоте вполне может конкурировать с традиционными методами обработки материалов, применяемыми для создания солнечных элементов.

Британские исследователи продемонстрировали, что перовскиты не только поглощают свет, но также могут обеспечивать транспорт электронов и дырок проводимости. Это значит, что использовавшаяся ранее сложная наноструктура не является необходимой для создания сенсибилизированных красителем солнечных элементов. В предложенном ими устройстве поглощающий свет слой перовскита просто зажат между чувствительными к электронам и дыркам электродами. По сути, своей простотой установка во многом напоминает обычные плоские контактные солнечные батареи. При этом устройство обеспечивает высокую эффективность преобразования солнечной энергии в электричество (до 15,4 %), несмотря на толщину всего в 330 нм. Стоит отметить, что устройство также создаёт разность потенциалов в 1,07 В (что более чем в два раза превышает разность потенциалов, создаваемую кремниевыми пластинами толщиной 0,15 мм). Это означает, что для создания солнечных батарей с отличными характеристиками необходимо совсем немного перовскита.

Устройства на основе перовскита вполне могут производиться с помощью тех же процессов, что сейчас применяются для создания коммерческих солнечных элементов, в том числе, на основе кремния. Более того, так как они поглощают свет в другой спектральной области, нежели кремний, солнечные элементы на базе перовскита и кремния могут удачно дополнять друг друга. При том, слой кремния может размещаться под слоем перовскита (поскольку последний не поглощает требуемый диапазон излучения). Это позволит создавать устройства, эффективность которых превышает возможности солнечных элементов и из кремния, и из перовскита по отдельности.

Последние достижения в области повышения эффективности и экономичности солнечных панелей осуществлены не без помощи новых окрашивающих веществ: красителей и пигментов, играющих в солнечных батареях роль антенны – эффективного поглотителя солнечного света с его последующим преобразованием в электрический ток. Красители и пигменты, являясь по химическому строению абсорбентами видимой и ультрафиолетовой части спектра, переходя под действием света в возбуждённое состояние, способны переносить избыточную энергию возбуждения посредством электронов на другие молекулы. Это их фотосенсибилизирующее свойство используют в фотоэлементах солнечных батарей.

Первоначально в качестве фотосенсибилизаторов в анодах солнечных батарей использовали синтетические очень дорогие и токсичные красители экзотической структуры, содержащие рутений. Только в последнее время появился теоретический и практический интерес к природным красителям растительного и бактериологического происхождения как фотосенсибилизаторам солнечных батарей. Это понятно и очевидно, поскольку в природе красители, как правило, играют роль абсорберов в видимой и ультрафиолетовой области солнечного спектра. Преимуществом природных красителей перед синтетическими красителями и другими неорганическими фотосенсибилизаторами, как и в других областях их применения, является нетоксичность, биологическая совместимость и биоразлагаемость, простота производства, огромный выбор в природе.

Фотоэлементы, которые поглощают свет за счёт органических красителей, име-ют тенденцию выгорать при интенсивном облучении. Эффективность таких солнечных панелей при этом падает. Инженеры из университетов Северной Каролины и Иллинойса разработали прототип биомиметического органического фотоэлемента, который способен обновляться благодаря наличию внутренней капиллярной сети. Чтобы её восстанавливать, учёные решили обновлять краситель через специальную систему капилляров. Прототип солнечной батареи состоял из двух электродов, между которыми располагался гелевый электролит. Фотоанод устройства был покрыт нанопористым оксидом титана. В геле были проделаны каналы, через которые учёные могли пропускать органический краситель. Исследование показало, что устройство способно многократно обновляться после интенсивного облучения.

Свой вклад в понимание механизма работы красителей в фотовольтаике внесли исследователи из Лундского университета (Швеция), когда объяснили, каким образом красители на основе железа работают на молекулярном уровне в солнечных элементах. Результаты шведских учёных ускорят разработку недорогих и экологически чистых солнечных панелей с красителями на основе железа. Это сделает их и «Light catcher» – более дешёвыми и экологически чистыми. В течение многих десятилетий исследователи со всего мира пытались разработать красители на основе железа для использования их в солнечных элементах, но безуспешно. Самая большая трудность – это получить нужные свойства красителей, повысить их энергоотдачу путём генерации электрического тока. Все предыдущие попытки приводили к результату, когда панель генерировала тепло вместо разности потенциалов, которая является необходимым условием для выработки электроэнергии. «Существует международный интерес к нашим исследованиям. Исследовательские группы по всему миру стремятся испытать новые красители в других областях», — заявил старший преподаватель Лундского университета Петтер Перссон.

С другой стороны к фотовольтанике подошла группа учёных под руководством Итамара Виллнера из Еврейского университета в Иерусалиме (Израиль). Они искали способы создания источников питания на базе фотосистемы II, для работы которых не требовался какой-либо химический компонент, разрушающийся в процессе использования.

Фотосистема II – функциональный комплекс электрон-транспортной цепи (ЭТЦ) хлоропластов, находящийся в мембранах тилалкоидов всех растений, водорослей и цианобактерий, где происходят реакции фотосинтеза. Поглощая энергию света в ходе первичных фотохимических реакций, он формирует сильный окислитель – димер хлорофилла α, который через цепь окислительно-восстановительных реакций способен вызвать окисление воды. Окисляя воду, фотосистема II поставляет электроны в ЭТЦ хлоропласта, где они используются для циклического фосфорилирования. Помимо этого, окисление воды приводит к образованию протонов и формированию протонного градиента, используемого в дальнейшем для синтеза аденозинтрифосфорной кислоты – источника энергии для всех биохимических процессов в живых системах. Фотохимическое окисление воды, которое осуществляет фотосистема II, сопровождается выделением молекулярного кислорода. Этот процесс (составная часть фотосинтеза растений) является основным источником кислорода на Земле.

Итамар Виллнер и его коллеги решили проблему создания источников питания на базе фотосистемы II при помощи двух «природных» компонентов на полюсах батарейки. Анод – отрицательный полюс устройства – изготовлялся следующим образом. Для начала учёными была выращена колония сине-зелёных бактерий Mastigocladus laminosus. Затем они извлекли молекулы фотосинтезирующих белков из их клеток. Потом физики изготовили небольшой золотой электрод, поверхность которого была покрыта специальным полимером, и к свободным «хвостам» прикрепили молекулы фотосистемы II. Полимер исполнял сразу две функции – удерживал молекулы фотосистемы на месте и являлся «проводом», по которому свободные электроны перетекали на золотой электрод. Положительный полюс – катод – был изготовлен из стеклоуглерода, поверхность которого была покрыта углеродными нанотрубками и ферментом «билирубин оксидазой». Это вещество захватывает свободные электроны и использует их для превращения свободного кислорода в молекулы воды. Как объясняют физики, такая реакция препятствует улетучиванию кислорода, который извлекается из молекул воды на аноде.

Фотосинтез в наше время является основой альтернативной энергетики, но он привлекает внимание исследователей и в других сферах деятельности человека, в частности при синтезе новых материалов. Существующие технологии синтеза химических соединений основаны на применении токсичных веществ (в качестве катализаторов) и чрезвычайно энергозатратны. Кроме того, синтез может проводиться только в чистых помещениях, что делает его дорогим, длительным и ограничивает возможности для работы при естественном освещении. Поэтому учёные ищут альтернативные способы катализа химических реакций, например с помощью видимого излучения.

В природе фотокатализ используется растениями – солнечный свет при участии хлорофилла обеспечивает фотосинтез. Однако до недавнего времени фотокатализ не мог быть воспроизведён искусственно из-за отсутствия подходящих материалов. Американские исследователи разработали такой материал ‒ люминесцентный солнечный концентратор (LCS). С помощью люминесцентных объектов устройство поглощало солнечный свет и перенаправляло его на фотоэлектрические элементы. В своей работе ученые из Технического университета Эйндховена использовали LCSs (в форме листьев), которые были легированы флуоресцентным красителем полидиметилсилоксаном. Поверхность объекта включала в себя сеть микроканалов для ввода жидкости с нужными химическими веществами, и под действием солнечного света молекулы вступали в реакцию. Таким образом, устройство повторяло принцип работы антенн фотосинтезирующих организмов.

Тесты показали, что новое устройство ускоряет синтез химических соединений при солнечном свете: даже в облачную погоду скорость реакций в микрореакторе на 40 процентов превышала показатель контрольных систем. Потенциально технология может не только снизить стоимость и упростить химический синтез, но и сделать возможным создание препаратов в условиях, где оборудовать чистое помещение затруднительно.

Совместить фотосинтез и получение экологически чистого топлива удалось профессору химии Фернандо Урибе-Ромо из Университета Центральной Флориды, который вместе со своими студентами разработал новый синтетический материал, преобразующий углекислый газ в топливо под воздействием фотонов света. Такой материал решает сразу две проблемы: снижает количество парникового газа и даёт экологически чистое топливо. И самое главное, что для его изготовления не нужны драгоценные металлы. Здесь используется титан, который продаётся килограммами и почти в тысячу раз дешевле, чем платина или иридий. Уже много лет учёные бьются над проблемой экономически рентабельного искусственного фотосинтеза. Цель в том, чтобы эффективно использовать бесплатную энергию солнечного света для проведения химических реакций. До настоящего времени удалось использовать с этой целью высокоэнергетические ультрафиолетовые лучи, но они составляют всего 4 % спектра солнечного света. Для других частей спектра пока найдено лишь несколько эффективных материалов, но они требуют дорогостоящих добавок: платины ($31 за грамм), рения ($1000 за грамм) или иридия ($35 за грамм). Синтетический материал представляет собой металл-органическую каркасную структуру (metal-organic framework, MOF). Похожие MOF из Zr6O4(OH)4, используются для конденсации воды из воздуха, тоже при помощи одного лишь солнечного света. Представьте, даже в самой сухой пустыне вы ставите на улицу пустую бутылку – и она сама наполняется водой.

В последние годы удалось разработать несколько путей, позволяющие серьёзно утончить фотоячейки, используя вспомогательные структуры с размером, не превышающим длину волны видимого света. «Главная цель – найти пути применения столь малого количества материала для абсорбции света», – уверен адъюнкт-профессор Стэнфордского университета (США) Шанхай Фан. Высокоэффективные материалы, такие как полупроводники на основе оксидов элементов III-IV групп, а также кристаллический кремний, очень дороги. В случае других материалов, например аморфного кремния, цена может быть не столь критична, но несущие заряд электроны и дырки не успевают пройти достаточное расстояние, прежде чем «потеряться» в виде тепла. Очевидно, что чем тоньше будет рабочая среда, тем легче носители заряда достигнут его границ. При этом, чем тоньше солнечная батарея, тем выше вероятность того, что фотон пройдёт сквозь неё, не успев абсорбироваться.

Коммерчески доступные батареи на кристаллическом кремнии могут иметь толщину около 180 мкм. В то же время рынок уже высказывает серьёзный спрос на 50 мкм. Поэтому, не размениваясь по мелочам, лаборатория Шанхая Фана взяла курс сразу на создание солнечных батарей толщиной в 1-2 мкм. В теории специальные методики, такие как нанесение случайных текстур на поверхность фотоячеек, способны в 50 раз увеличить уровень абсорбции света ввиду изменение углов прохождения фотонов сквозь ячейку. При этом методы нанофотоники могут улучшить этот показатель ещё в 10 раз.

Один из таких методов – плазмоника. Фотоны, сталкиваясь с небольшими металлическими структурами, могут образовывать плазмоны – коллективные колебания свободного электронного газа в металле. Эффект способен резко увеличить рассеяние света внутри батареи, увеличивая вероятность того, что фотон все-таки будет абсорбирован. Вивиан Ферри, аспирантка Калифорнийского технологического университета (США), сообщила, что её группа создаёт плазмоны, используя полусферические выпуклости на контактах солнечной батареи (90 мкм) из аморфного кремния. Фивиан Ферри утверждает, что такой наноструктурированный продукт производит на 15 % больше тока, чем коммерческая солнечная батарея той же площади, покрытая случайными текстурами.

Еще один любопытный нанофотонный трюк заключается в использовании фотонных кристаллов для создания рефлектора. Благодаря периодическому изменению коэффициента преломления фотонные кристаллы позволяют получить разрешённые и запрещённые зоны для фотонов с разной энергией. Другими словами, такой кристалл способен выполнять функцию оптического фильтра или рефлектора. При попадании на него фотона с длиной волны, которая не соответствует разрешённой зоне, фотон не может распространяться в кристалле и отражается обратно (в рефлектор). Миро Зееман, глава исследовательской группы фотонных материалов и приборов Делфтского технологического университета (Нидерланды), рассказал, что его группа разместила фотонные рефлекторы как в середине батареи, так и на её задней стороне. Постоянные переотражения света на рефлекторах приводят к световым колебаниям внутри кремния, многократно повышая вероятность конвертации фотонов света в электрический ток. Другая фотонно-кристаллическая схема базируется на использовании микрометровых структур кристаллического кремния, слой которого может быть затем легко соединён со слоем аморфного кремния. По словам Оунси Эль-Дейфа, исследователя из микроэлектронного центра IMEC в Леувене (Бельгия), теоретически такой фотонно-кристаллический слой способен увеличить эффективность абсорбции фотонов до 37 %.

Пока что фотовольтаика продолжает оставаться дорогой технологией. Более или менее дешёвой альтернативой традиционным полупроводниковым солнечным батареям являются фотоэлементы, в которых в качестве фотосенсибилизаторов используются красители – цветосенсибилизированные солнечные батареи (DSSC – Dye-Sensitized Solar Cell) или ячейки Гретцеля по имени их изобретателя.

К основным достоинствам солнечных батарей на красителях следует отнести их лёгкость, гибкость при формоустойчивости, простоту производства, низкую цену, возможность встраиваться в различные материалы и изделия, широкий выбор цвета, способность работать при невысокой освещённости и внутри помещения. Недостатки DSSC: экзотичность химического строения красителей, недостаточная долговечность, относительно невысокий КПД. Но тут следует сказать, что международная группа учёных смогла резко повысить эффективность цветосенсибилизированных солнечных батарей, заменив самую консервативную часть системы – йодсодержащий электролит – на комплекс кобальта с органическим лигандом.

Исследователям из университета Монаша (Австралия) и их коллегам из Ульмского университета (Германия) удалось значительно увеличить эффективность цветосенсибилизированной солнечной батареи p-типа, использующей электролит на основе комплекса кобальта с органическим лигандом. Обычная цветосенсибилизированная солнечная батарея n-типа использует краситель и фотоанод – положительный электрод, покрытый полупроводником электронного типа, таким как диоксид титана. Под лучами солнца молекулы красителя переходят в возбуждённое состояние и передают электроны с валентного HOMO-уровня полупроводнику. Молекулы электролита, свободно двигающиеся в этой системе между отдельными её участниками, восстанавливают краситель, передавая ему электроны с противоположного электрода. В случае же ячейки p-типа процесс протекает как бы в противоположную сторону: специальный краситель и полупроводник p-типа находятся теперь на фотокатоде. Активируемый светом краситель стягивает электроны с валентного уровня полупроводника р-типа, такого как оксид никеля, на свой самый нижний незанятый молекулярный уровень LUMO. Затем молекулы электролита забирают лишние электроны с красителя и передают их противоположному электроду.

Исследователи довели конверсию солнечного света в ячейке р-типа до рекордного значения 1,3 % при напряжении в разомкнутой цепи до 709 мВ. Они добились этого за счет замены традиционного электролита на основе йодидов и трийодидов на хорошо известный комплекс кобальта трис (этилендиамин) кобальт (II)/(III), в котором кобальт может переключаться между состояниями окисления +2 и +3. Основным достоинством такой системы назван значительно более низкий окислительно-восстановительный потенциал. В результате напряжение в разомкнутой цепи, представляющее собой критический параметр любой солнечной батареи, удвоилось.

Разработка новых эффективных синтетических красителей для цвето-сенсибилизированных солнечных батарей продолжается с большим или меньшим успехом. Но следует иметь в виду, что всегда в этом случае остаётся проблема токсичности производства синтетических красителей и дороговизна технологического процесса. В определённой степени эти недостатки синтетических красителей, как и в других областях применения, преодолеваются использованием природных красителей.

Изучение природных красителей в качестве фотосенсибилизаторов в DSSC-фотоэлементах началось в конце прошлого века и продолжается в настоящее время. Эти исследования отличаются исключительной широтой, поскольку природа предоставляет в этом отношении изумительные возможности – красители и пигменты необыкновенно богато представлены в природе, особенно в растительном мире, они содержатся практически во всех частях растений: в листьях, коре, корнях, ягодах, семенах. Окрашенные вещества в растительном мире выполняют широкий круг защитных функций, обусловленных прежде всего их фотоактивностью.

Поиск эффективных фотосенсибилизаторов среди природных красителей сосредоточился в основном на многочисленных окрашенных веществах растительного происхождения. Эффективность этих окрашенных веществ оценивается по отношению к комплексам рутения и цинка, которые являются рекордсменами по эффективности, но имеют недостатки в части токсичности и дороговизны. Фотоячейки на основе природных красителей растительного происхождения пока уступают по эффективности конверсии света солнечным батареям традиционного типа, кроме того они неустойчивы к солнечному свету, попросту говоря, выцветают: если кремниевые солнечные батареи эффективно работают более 10 лет, то фотоячейки на природных красителях – около года. Но солнечные батареи на основе природных красителей дешевле в производстве, у них ниже стоимость производства электроэнергии, они работают в более широком диапазоне спектра. И конечно, природные красители в фотонике более предпочтительны с позиций зелёных технологий, нежели синтетические. Но тут им надо жёстко конкурировать с привычными для нынешних инженеров материалами, в первую очередь по части эффективности преобразования света солнца в электричество. Мысль научная и инженерная на месте не стоит, и традиционные материалы обретают второе дыхание, когда глаз инженера и учёного что-то необычное подмечает, а голова воплощает подмеченное в новые технологии, материалы или устройства.

Физики из Великобритании смогли улучшить максимальный КПД солнечных батарей и почти в 17 раз уменьшить их вес, благодаря наблюдениям за тем, как бабочки разогревают свои крылья перед полётом, и изучению их внутренней структуры. «Наше исследование показало, что непритязательная капустница-белянка является не просто вредителем, угрожающим урожаю, но и настоящим экспертом в области сбора солнечной энергии и использования её для своих нужд», – рассказывает Ричард Френч-Констант из университета Эксетера (Великобритания). Френч-Констант, эксперт в области биологии бабочек, помог коллегам по университету под руководством Тапаса Маллика найти способы радикально улучшить конструкцию, КПД и снизить себестоимость солнечных батарей, опираясь на то, как устроены крылья белянок и других чешуекрылых насекомых. Как рассказывает биолог, бабочки, как и другие насекомые, не являются теплокровными существами, и они могут летать только тогда, когда двигательные мускулы их крыльев будут хорошо прогреты солнцем. Белянки привлекли коллективное внимание учёных по той причине, что этот вид насекомых просыпается и начинает летать гораздо раньше, чем другие виды бабочек, что в особенности заметно в облачные дни, когда солнце скрыто за тучами. Это наблюдение натолкнуло физиков на мысль, что крылья белянок могут быть устроены таким образом, что они лучше поглощают энергию солнечных лучей, чем у других насекомых. Руководствуясь этой идеей, Тапас Маллик и его коллеги проследили за тем, как свет отражается от крыльев бабочек и расположенных на них чешуек. Эти наблюдения раскрыли несколько любопытных вещей. К примеру, белянки держат крылья по отношению друг к другу под определённым углом, что позволяет особым отражательным чешуйкам на поверхности крыльев перенаправлять практически весь отражаемый свет на ту часть брюшка насекомого, где находятся двигательные мускулы. Используя эти чешуйки в качестве образца, физики смогли создать такое покрытие для солнечных батарей, которое заметно увеличило долю поглощаемого ими света и позволило уменьшить их толщину. Что интересно, подобного же эффекта можно добиться, просто прикрепив крылья белянок к поверхности солнечных батарей, не меняя и не обрабатывая их поверхности. Как заявили исследователи его коллеги, их версия солнечной батареи поглощает в среднем на 41-50 % больше света, чем классические фотоэлементы, и при этом она может обладать в 17 раз меньшей массой при аналогичной мощности. По словам исследователей, КПД их солнечных батарей и соотношение их массы и мощности можно будет сделать ещё более привлекательными, если им удастся улучшить свойства искусственных аналогов чешуек белянок. Такие солнечные батареи, как предполагают британские учёные, будут в первую очередь интересны не только энергетикам, но и разработчикам космических кораблей и зондов, где вес источника питания играет критическую роль.

Внесли свой вклад в развитие путей повышения эффективности солнечных электростанций и учёные из Технологического института Джорджии, которые провели исследования свойств углеродных нанотрубок. Результатом их работы стало создание выпрямляющих антенн, преобразовывающих свет непосредственно в постоянный электрический ток, что может стать революционным прорывом, который позволит увеличить эффективность систем солнечной энергетики. Современные технологии позволили исследователям вырастить миллиарды вертикально расположенных углеродных нанотрубок на кремниевом основании. Каждая из нанотрубок была покрыта защитной плёнкой из оксида алюминия, обладающего диэлектрическими свойствами, и весь этот «лес» был покрыт монолитным слоем прозрачного кальция. После чего на тонкий слой кальция был напылён слой алюминия, который выступал в качестве анода. Углеродные нанотрубки, заключённые в защитные оболочки, начинают колебаться, когда на них попадают фотоны света. Эти колебания производят высокочастотный переменный электрический ток, который пройдя через выпрямитель, превращается в постоянный ток. Быстродействие выпрямителей (туннельных диодов из углеродных нанотрубок) очень велико, они способны работать на частотах порядка ПетаГерц. Электроны, из которых состоит выпрямленный ток, туннелируются на внешний алюминиевый электрод, откуда этот ток можно направить в любом необходимом направлении. Пока эффективность работы выпрямляющей антенны оставляет желать лучшего: опытный образец способен преобразовать в электрический ток около одного процента от энергии падающего света. Однако учёные и инженеры, задействованные в этом проекте, уже имеют некоторые планы насчёт оптимизации структуры антенны, что открывает возможности поднять её эффективность до уровня, который позволит использовать их в устройствах получения электрической энергии.

Солнечные панели, расположенные на крышах, выглядят так, будто покрыты какой-то сеткой. Линии, которые мы видим, на самом деле представляют собой металлические контакты. Они необходимы для снятия электрического тока, генерируемого солнечными элементами, но при этом уменьшают количество солнечного света, попадающего на полупроводниковый слой. Хотя верхний слой металлических контактов относительно тонкий, он может покрывать 5-10 % площади поверхности солнечной панели. Это означает, что 5-10 % солнечного света, которые могли бы использоваться для выработки электроэнергии, отражаются.

Команда исследователей из Стэнфордского университета разработала способ сделать эти отражающие металлические контакты почти невидимыми для падающего света, что может существенно увеличить эффективность солнечных батарей. В ходе экспериментальной работы учёные поместили плёнку из золота толщиной 16 нанометров на плоский лист кремния. Золотая плёнка похожа на монолитную при взгляде невооружённым глазом, но на самом деле она содержит массив наноразмерных квадратных отверстий. После обработки золотой плёнки и кремния раствором плавиковой кислоты и перекиси водорода золотая плёнка погрузилась в кремниевую подложку, а наностолбцы из кремния вышли в отверстия в золотой плёнке и поднялись над её поверхностью. «Наши наностолбцы выступают в качестве воронок, захватывающих свет и направляющих его в кремниевую подложку через отверстия в металлической сетке», — пояснил смысл технологии ведущий автор исследования Виджай Нарасимхан. Результатом этого химического процесса стали так называемые потайные контакты высотой всего в 330 нанометров. После серии экспериментов и моделирований исследовательская группа дополнительно оптимизировала конструкцию солнечных панелей: теперь они могут покрыть металлом две трети поверхности с потерей отражательной способности всего в 3 %. Виджай Нарасимхан утверждает, что это увеличит эффективность обычного фотоэлемента на 20-22 %. Технология может использоваться не только с золотом, но и с серебром, платиной, никелем и другими металлами.и с другими полупроводниками, что позволит усовершенствовать фотодатчики, светодиоды, дисплеи и прозрачные батареи.

В том же Стэнфордском университете группа учёных под руководством И Цуя разработала технологию создания прозрачных и в то же время гибких литий-ионных батарей. Они «напечатали» электроды батареи при помощи микроканальной технологии – базового принципа работы современных струйных принтеров. Суть метода заключается в том, что вместо одного большого электрода используется сетка из тонких проводников толщиной в 30-40 микрон. Человеческий глаз не может зафиксировать такие небольшие объекты, и поэтому сетка будет казаться прозрачной. «Печать» батареи производится в несколько этапов. Основой для сетки электродов служит кремниевая форма, которая заливается кремний-органическим (силиконовым) гелем. Застывший гель снимают с формы и покрывают тонкой плёнкой золота. В результате образуются микроканалы, которые «заливают» раствором наночастиц из соединений лития, марганца и кобальта. После высыхания раствора золотая плёнка аккуратно снимается и производится сборка «сэндвича» из двух таких пластинок и вещества-электролита. Электрический «бутерброд» не только прозрачен, но и достаточно гибок – устройство потеряло только 5 % своей ёмкости после 100 свертываний в трубочку. Кроме того, данный источник питания можно многократно перезаряжать, как и обычный литий-ионный аккумулятор.

Другая стезя зелёных технологий, сулящая человечеству светлое и чистое будущее – транспорт, точнее электротранспорт, взамен нынешних автомобилей, теплоходов, самолётов и прочих средств передвижения на углеводородном ходу. В этой области первоочередные работы ведутся над созданием мощных лёгких недорогих автономных источников электричества.

В частности, продолжаются интенсивные исследования по повышению эффективности литий-ионных аккумуляторов. Новый материал, разработанный японской компанией Sumitomo Electric может существенно увеличить ёмкость литий-ионных аккумуляторов. Материал японцев называется Aluminum-Celmet, он имеет микропористую структуру, сформированную из множества сферических, связанных между собой, полостей. Компания Sumitomo Electric уже изготавливала микропористый материал из никеля и сплава хрома и никеля. За счёт пористости такой материал обладает высокоразвитой активной поверхностью и при достаточном его заполнении активным веществом может с высокой эффективностью использоваться в качестве электрода водородно-никелевой аккумуляторной батареи. Такому материалу легко придать любую форму, он замечательно поддаётся механической обработке. Используя технологический процесс, такой же, какой был использован для производства никелевого микропористого материала, компания Sumitomo Electric успешно произвела микропористый алюминиевый материал, который помимо развитой активной поверхности обладает ещё и небольшим весом, малым удельным электрическим сопротивлением и превосходной устойчивостью к коррозии. Все эти черты нового алюминиевого материала делают его весьма привлекательным для использования в литий-ионных аккумуляторных батареях электрических автомобилей, и везде, где происходят частые циклы зарядки-разряда. Представители Sumitomo Electric утверждают, что замена алюминиевой фольги, используемой в качестве положительного электрода литий-ионных аккумуляторов, новым микропористым материалом позволит значительно увеличить показатель количества энергии на единицу объёма аккумуляторных батарей. Это даст прирост ёмкости аккумуляторов в 1,5-3 раза, что увеличит дальность поездки электромобиля без подзарядки на 200 % или позволит сократить объем и вес аккумуляторных батарей на 2/3 при неизменной дальности передвижения. Помимо электромобилей, аккумуляторные батареи которых являются самым очевидным применением нового микропористого материала, этот материал может быть успешно использован и в аккумуляторных батареях, предназначенных для запасов энергии при солнечных и ветряных электростанциях.

Аналитики Wall Street Journal рассмотрели ситуацию в области перспективных аккумуляторов, благодаря которым сотовые телефоны смогут «жить» месяцами без зарядки, электромобили проезжать больше 800 км на одной подзарядке аккумуляторной батареи, а здания хранить достаточно энергии, получаемой от солнечных батарей или других альтернативных источников, чтобы отказаться от традиционной электроэнергетики.

Ими были выделены пять перспективных проектов, близких к коммерческой реализации:

— Батареи, в которых вместо графитовых анодов используются кремниевые нанопровода диаметром 100 нм и длиной в несколько микрон. Учёные из Южно-Калифорнийского университета доказали, что для воплощения данного проекта в коммерческий продукт не нужно пять или десять лет. Уже сейчас учёным удалось увеличить ёмкость батарей втрое и сократить время зарядки до 10 минут.

— Батареи, в которых используются покрытые серой пористые углеродные нанопровода с электролитическими добавками. Учёные из Стэнфордского университета разработали новый тип анодов из кремниевых нанопроводов. Изначально исследователи столкнулись с быстрым выходом батарей из строя по причине разрушения материала в результате расширения и сжатия во время перезарядки, но они нашли выход из ситуации путём покрытия пористых углеродных нанопроводов серой и улучшения другой составной Li-ion аккумуляторов – катода – электролитическими добавками. В результате ёмкость батарей удалось увеличить в четыре-пять раз.

— Литий-воздушные батареи. Компания IBM в сотрудничестве с исследователями, государственными лабораториями и лидерами в отрасли работает над проектом Project 500. Компания IBM называет данные батареи литий-воздушными. Их работу можно описать следующим образом: вместо оксидов металла в позитивном электроде используется углерод, вступающий в реакцию с воздухом для создания электрического тока. Использование углерода делает батареи данного типа заметно легче по сравнению с графитовыми аналогами. По словам IBM, данные батареи позволят поставить электромобили в один ряд с бензиновыми авто, хотя на автомобильной индустрии их применение не закончится. По словам IBM, первый стабильный и полностью рабочий прототип батареи данного типа появится уже в этом году.

— Батареи, в которых применены аноды из олова. Учёные из Вашингтонского университета разработали технологию, которая поможет утроить ёмкость Li-ion аккумуляторов, сократить время зарядки и продлить срок службы. Данная технология, которая была запатентована учёными под руководством профессора Гранта Нортона, описана следующим образом: графитовые электроды были заменены анодами из олова. Коммерческие Li-ion аккумуляторы, в которых применены аноды из олова, с виду не отличаются от графитовых аналогов и не требуют дополнительных затрат на внесение изменений в конструкции устройств.

— Батареи, в которых применены кристаллы магнетита из зубов моллюсков. Дэвид Кизайлус из Калифорнийского университета в Риверсайде установил, что идеальным материалом для создания дешёвых наноматериалов, которые смогут в разы повысить эффективность солнечных элементов и литий-ионных батарей, является самый твёрдый биоминерал на Земле – магнетит. Примечательно то, что он содержится в радуле панцирного моллюска (радула – аппарат, служащий для соскребания и измельчения пищи у моллюсков, состоит из хитиновой пластины с рядами хитиновых зубов). Разработки Дэвида Кизайлуса смогут обеспечить производство более дешёвых солнечных и литий-ионных батарей, на подзарядку которых будет уходить намного меньше времени. Дэвид Кизайлус выяснил, что моллюски из группы хитонов пользуются нанотехнологиями при создании новых зубов. И для этого им вовсе не нужны какие-то особые условия, а также много энергии. Учёный исследовал строение зубов у моллюска Cryptochiton stelleri, который является обычным жителем тихоокеанского побережья США. Он выяснил, что радулы этого существа имеют покрытие из магнетита (FeO•Fe2O3), который является одним из самых твёрдых биоминералов. Исследователь проследил, каким образом образуется это покрытие. Процесс формирования нового зуба происходит в три этапа: сначала гидратированный оксид железа осаждается на волокноподобных хитиновых органических «заготовках», потом из оксида образуется магнетит, а это, в свою очередь, приводит к изменению формы зуба, и он из весьма аморфного образования становится конусом с острой верхушкой. Самым интересным является то, что при образовании магнетита хитиновая основа изменяет свои свойства: рыхлый и пористый материал, связываясь с частичками покрытия, меняет свою структуру. Но это ещё не все – сам магнетит в процессе затвердевания зуба тоже упорядочивается.

Если подходить к аккумуляторным батареям со стороны зелёных технологий, то, альтернативой литий-ионным батареям являются литий-полимерные, которые появились в середине 1990-х годов. Особенно предпочтительны в экологическом разрезе гибкие полимерные батареи, элементы которых в 2009 году продемонстрировали исследователи немецкого Исследовательского института электронных наносистем Фраунгофера. Гибкие литий-полимерные батареи экологически значительно чище, дешевле в производстве и легче утилизируется в сравнении с конвенциональными литиевыми батареями, содержащими органические растворители.

Как было отмечено в начале данной главы, одна из целей «зелёных технологий» – исключение использования вредных синтетических химикатов в сельском хозяйстве, внедрение биотехнологий в земледелие, животноводство и переработку сельхозпродукции. Пришло время в рамках нашей книги рассказать про зелёные технологии в сельском хозяйстве.

Химизация сельского хозяйства. Борьба за урожайность сельскохозяйственных культур и повышение производительности животноводства, включая яйценоскость кур. Достижения очевидны. Провалы тоже: вырождение плодородия почв, вследствие передозировки удобрений в погоне за все более и более высокими урожаями; переизбыток химии в сельхозпродуктах; загрязнение окружающей среды, для которой рукотворные химические удобрения – инородные тела.

Решение проблемы найдено. И, как это обычно бывает, когда упираются в тупик, решение оказывается за спиной. В данном случае – возврат к природе: биотехнологии. Восстановление природного баланса микроорганизмов в почве, использование микроорганизмов для борьбы с болезнями сельхозкультур и домашних животных, применение микроорганизмов для повышения урожайности, яйценоскости, удоев и прочих потребностей гомо сапиенс в белках, жирах и углеводах.

Микроморфные солнечные модули: подключить гетероэлектрик своими руками

Современные тенденции в развитии технологий направлены на сохранение природной среды, экономию ресурсов, безопасность для окружения. В условиях постоянно повышающихся цен на основные энергоносители как никогда остро стоит вопрос о поиске дешевой и эффективной альтернативы. На таких принципах как раз и созданы микроморфные солнечные модули. Энергия солнца – это бесплатный и мощный ресурс, опираясь на который разрабатываются современные энергетические технологии.

Как устроены батареи

Работа солнечных батарей основана на модифицировании энергии прямых солнечных лучей в электрическую. Главной составляющей являются фотоэлементы, которые и выполняют функцию преобразователя.

Для производства фотоэлементов пользуются кремнием. Это вещество находится в земных недрах и его там достаточно большое количество (около 30%). Кремний перерабатывает солнечный свет, позволяя применять его в энергоснабжении.

Гетероструктурные солнечные батареи – это технологии нового поколения. До того как стать такими, они прошли долгий путь и все продолжают совершенствоваться:

1. Первоначально панели для получения энергии из солнечных лучей изготовляли, применяя кремний в чистом виде. Такие батареи получили название монокристаллических. Чтобы получить чистый химический элемент, требуются большие трудозатраты и материальные вложения. Эти факторы отразились и на стоимости изделий. После плавления жидкого кремния и дальнейшего его отвердения материал разрезали на тонкие листы, которые оборудовали тонкими электродами, расположенными на поверхности в виде сетки. Стоимость такой гелиевой батареи высока, но ее КПД достигает 22%, и поэтому расходы на изготовление окупают себя.
2. Для поликристаллических батарей используется поликристаллический кремний. Расходы на производство их значительно меньше, но меньше и КПД таких панелей (18%).
3. Более совершенные панели стали производить с аморфным кремнием, изготавливая тончайшие пленки. В данном случае кристаллический кремний заменили силаном или кремневодородом. Их КПД измеряется 6%, но производство стоит намного дешевле предыдущих вариантов. Также эти батареи очень гибкие и хорошо работают в облачных погодных условиях.
4. Самая современная технология – это микроморфные разработки на солнечные модули. Толщина применяемого кремния составляет 1 нанометр. Он наделен редкими характеристиками прозрачности для инфракрасного и видимого спектра волн. Этого удалось достичь переменой направлений структурных элементов в кремниевой кристаллической решетке.

Читайте также:
О характеристиках солнечных батарей

Технологический процесс

Чтобы сделать гетеростуктурный солнечный модуль, используются тонкие пленочные пластины в несколько слоев. Для их получения берут разные полупроводники, у которых имеется разница по широте, там, где находится «запрещенная зона». В результате внутри двух близлежащих слоев возникают переходы. Возникновение гетеропереходов позволяет получать повышенное сосредоточение носителей, нежели это возможно в структурах с одним слоем.

Микроморфный тонкопленочный солнечный модуль состоит из двух слоев полупроводников. В этом и заключается основное отличие от предшествующих моделей, в которых был только аморфный кремний. Благодаря микроморфному кремнию появилась возможность задействовать для преобразования в электричество больший охват световых лучей, что повышает его КПД.

Другими словами, электричество будет вырабатываться солнечными батареями не только в ясную солнечную погоду, но и при рассеянных лучах при облачности неба. Это положительно сказывается на увеличении деятельности панелей. Из приятных моментов стоит отметить их небольшую стоимость и безопасность для окружающей среды. А еще эти солнечные модули являются красивым наружным элементом для отделки строений и при этом служат дополнительным источником энергии.

Выпускаются энергопреобразующие панели компанией Hevel Solar по швейцарским технологиям. При номинальной мощности в 125 Вт батарея выдает напряжение 96,2 В. Температурный режим, при котором она активна, от -40°С до +90°С. Весит модуль около 26 кг.

Как подключать батареи

При установке солнечных батарей своими руками для получения максимальной мощности нужно подготовить провод достаточной длины, чтобы соединить панели с контроллерами.

Соединение панелей друг с другом должно быть последовательным, при этом нужно следить, чтобы они были одной мощности и напряжения. Нельзя допускать скручивания и спаивания проводов, чтобы в данных точках не произошло потерь энергии. При таком виде подключения не применяют соединение панелей, имеющих разное напряжение и мощности.

При параллельном подсоединении нельзя использовать несколько панелей с разными напряжениями, но с разными мощностями разрешается.

Правильно подобранные солнечные батареи, контроллеры, аккумуляторные кислотные батареи (АКБ) для токов панелей, корректно соединенные, даже при небольшом входном напряжении (12 вольт) будут выдавать высокий КПД.

Гетероэлектрик – отечественная инновация

Российские ученые несколько лет назад сделали открытие – гетероэлектрик, который составляет основу «звездной батареи». В ней объединены гетероэлектрический конденсатор с гетероэлектрическим фотоэлементом, работают они в видимых и инфракрасных излучениях. Разница в их работе по сравнению с солнечными модулями в возможности преобразовывать энергию не только при солнечном и рассеянном свете, но и в ночной период.

Гетероэлектрик помогает при управлении магнитным полем, а также при его трансформировании для производства оборудования с различными физическими свойствами.

Что такое солнечные панели с гетеропереходной технологией (HJT)?

Технология гетероперехода (HJT) — это не совсем новый метод производства солнечных панелей, который действительно набирает обороты в последнее десятилетие. В настоящее время эта технология является лучшим вариантом для солнечной энергетики, позволяющим повысить эффективность и выходную мощность до наивысшего уровня. HJT сочетает в себе лучшие качества кристаллического кремния с качествами тонкой пленки аморфного кремния для создания мощного гибридного элемента, который превосходит по характеристикам передовую отраслевую технологию PERC.

Модуль из 60 ячеек серии Alpha серии

REC с HJT

Последний заголовок

HJT пришелся на май, когда REC Group анонсировала самую мощную в отрасли 60-элементную солнечную панель мощностью 380 Вт, что стало возможным благодаря процессам HJT, усовершенствованным производителем оборудования Meyer Burger, лидером рынка HJT с 2010 года. Поставщик, предлагающий производственный процесс HJT под ключ, Meyer Burger настраивает механизм — компания поставила оборудование для строящейся линии EkoRE 1-GW HJT в Турции, а также линии панелей HJT SolarTech Universal, производимых во Флориде, и неназванной североамериканской Стартап по производству солнечных батарей планирует использовать технологию HJT Мейера Бургера по мере ее наращивания.

Другие крупные азиатские компании идут олл-ин на HJT самостоятельно. Jinergy была одной из первых компаний, которые начали коммерциализацию модулей HJT в Китае, и в марте 2019 года объявила, что достигла эффективности 23,79% на своих элементах HJT, а его 72-элементный модуль JNHM72 достиг 452,5 Вт. Risen Energy открыла путь к 2,5-ГВт. Завод по производству элементов и модулей HJT в Китае в августе 2019 года, который должен быть завершен в 2021 году.

В отчете «Международная технологическая дорожная карта для фотоэлектрических» за 2019 год ожидается, что ячейки HJT получат долю рынка в 12% в 2026 году и 15% к 2029 году — устойчивый рост для технологии, которая всего десять лет назад использовалась только Panasonic.

Серые части столбиков показывают долю рынка технологии гетероперехода. Источник: Международная дорожная карта развития технологий фотоэлектрической

на 2019 год.

Концепция производства HJT была разработана SANYO Electric в 1980-х годах (SANYO была приобретена Panasonic в 2009 году). SANYO была первой компанией, которая начала коммерчески производить солнечные элементы из аморфного кремния (a-Si). Эта тонкопленочная технология, наиболее часто встречающаяся в карманных калькуляторах, поглощает широкий диапазон светового спектра, но имеет низкую эффективность преобразования (максимальная эффективность для a-Si составляет 13.6%). Итак, SANYO поигралась с элементами a-Si, в конечном итоге ламинировав их пластинами из кристаллического кремния и прозрачным проводящим оксидным слоем (TCO). Компонент c-Si обеспечивает повышенную стабильность эффективности, в то время как сторона a-Si обеспечивает повышенное поглощение света. Так родилась технология гетероперехода.

SANYO продавала свои модули HJT под торговой маркой HIT (гетеропереход с внутренней тонкослойной технологией), которую Panasonic использует до сих пор. Первых модулей HIT, выпущенных в 1997 году, было 14.КПД 4% и мощность 170 Вт. Последние модели Panasonic с 96 ячейками HIT в среднем КПД около 20% и производят более 330 Вт.

Meyer Burger и другие поставщики солнечного оборудования поддержали HJT после того, как в 2010 году истек срок действия патентов SANYO / Panasonic на технологию HIT. Дэн Глейзер, инженер Panasonic Life Solutions of America, сказал, что Panasonic поддерживает отраслевую поддержку его оригинальной технологии.

Panasonic серии HIT + N340 модуль с HJT

«Увеличение производственных мощностей и ресурсов для исследований и разработок в области технологии гетеропереходов будет отличным решением для всех последующих клиентов.Это только поможет снизить затраты, повысить эффективность и надежность », — сказал Глейзер. «Мы приветствуем и поощряем других использовать технологию гетероперехода из-за ее потенциала для создания лучшей жизни для отдельных клиентов, а также лучшего мира».

Meyer Burger стал лидером HJT благодаря непрерывно тестируемому производственному процессу. Его производственное оборудование HJT использует более низкие температуры и меньше энергии, чем традиционные производственные линии, что является важным критерием для получения идеальных конечных продуктов HJT.Утонченность заключается в слое TCO, который по существу связывает пластины a-Si и c-Si. Осаждение TCO не должно быть слишком горячим, чтобы повлиять на чувствительный слой a-Si.

Ожидайте, что все больше компаний присоединятся к HJT, поскольку они взвешивают решение обновить существующие линии PERC или пойти в совершенно другом направлении. В производственном процессе HJT используется на четыре этапа меньше, чем в традиционном PERC, поэтому после первоначального запуска можно значительно сэкономить. А потенциальный выигрыш в мощности и эффективности еще больше.

Глейзер из Panasonic сказал, что компания придерживается технологии гетероперехода, потому что она часто приводит к более низкой нормированной стоимости электроэнергии, что означает более высокую степень удовлетворенности потребителей.

«Одним из преимуществ HIT является низкий температурный коэффициент. «Имея более низкий температурный коэффициент, чем у других модулей, мы обнаруживаем, что HIT может производить больше энергии в течение срока службы системы, чем модуль с аналогичной мощностью, указанной на паспортной табличке», — сказал он. «Это в конечном итоге может сэкономить потребителю тысячи долларов в течение срока службы системы.”

Гетеропереход будет революцией в области повышения эффективности использования солнечной энергии — pv magazine USA

REC Group объявила о выпуске в четвертом квартале 2019 года 60-элементного кремниевого модуля с гетеропереходом мощностью 380 Вт. Панель будет изготавливаться на производственной линии Meyer Burger, разработанной совместно с REC Group, и будет работать с расчетной эффективностью более 22,4%.

30 апреля 2019 г. John Fitzgerald Weaver

REC Group запускает новый солнечный модуль мощностью 380 Вт с эффективностью (по оценке автора) не менее 22.4% на основе сопоставимых размеров — и, похоже, это первый продукт нового поколения, появившийся на рынке.

Мы довольно часто получаем хорошие заголовки в нашей области — рекордно низкие цены, большие деньги на новые технологии, летающие солнечные батареи и даже один или два с далеко идущими, меняющими мир идеями. Но большинство из них далеки от того, чтобы повлиять на большинство из нас, хотя есть одна непрерывная революция, в которой мы все находимся, — повышение эффективности солнечных модулей (и их влияние на ценообразование системы).

REC представляет собой новый модуль на базе гетероперехода монокристаллический кремний / аморфный кремний, созданный в результате совместной разработки REC и Meyer Burger (продажа, вероятно, будет объявлена ​​еще в декабре). Мейер Бургер уже давно предполагает, что гетеропереход — это солнечная батарея будущего (pdf), которая имеет гораздо более высокий потенциал эффективности — до 25% ячеек, при этом уже достигнуто более 24,2% — чем у нынешнего лидера массового рынка моно PERC.

Может, скоро мы прикоснемся к чему-нибудь блестящему?

Испытательное оборудование REC, испытание под нагрузкой, Сингапур

Испытательное оборудование REC, испытание града, Сингапур

Хотя страница технических характеристик нового модуля не будет опубликована до Intersolar Europe в мае, президент REC Americas Кэри Хейз нашел время с журналом pv. USA , чтобы поделиться некоторыми приблизительными подробностями.

По сравнению с продуктом REC N-Peak на 60 ячеек, новый модуль будет иметь размер в пределах дюйма на длинной стороне, с немного меньшей шириной (редактирование: продукт был немного больше дюйма на длинной стороне, и примерно на полдюйма больше по ширине — что дает официальную эффективность 21,7%). Половинчатый солнечный элемент будет упакован в стандартный алюминий; Кроме того, будет очень эстетичная модель полностью в черном цвете, пиковая производительность которой примерно на класс мощности (~ 5 Вт) ниже (оценка> 22.1% эффективности).

Продукт будет нацелен на первопроходцев на рынке жилой недвижимости премиум-класса, который в мире является наиболее ограниченным по площади при самой высокой цене на электроэнергию. В рамках рыночной ответственности Hayes особо отмечается то, что клиенты из США продемонстрировали сильное желание сохранить ограниченную привлекательность своих домов — поэтому мы стремимся максимально повысить эффективность за счет высокой эффективности гетероперехода ультра-премиум-класса, чтобы ограничить общий размер системы. , при этом немного жертвуя эффективностью благодаря черным задним панелям и черной алюминиевой рамке.

Модуль будет производиться в новом здании, которое в настоящее время строится на территории кампуса группы в Сингапуре. Хейс предположил, что сейчас над сооружением работают 250-300 подрядчиков.

REC нацелена на ежегодную производственную мощность 600 МВт и выделила 150 миллионов долларов инвестиционного капитала. Планируется, что первая готовность появится в 4 квартале 2019 года, а полная производственная мощность будет достигнута в 2020 году.

Документация Meyer Burger (сделанная несколько лет назад) предполагает, что продукт с гетеропереходом может быть изготовлен с меньшим количеством машин (изображение выше) , что означает потенциальную экономию затрат в долгосрочной перспективе по мере масштабирования типа продукта.В пресс-релизе REC упоминается низкотемпературный процесс — технология соединения ячеек SmartWire Connection Technology (SWCT) компании Meyer Burger отвечает всем требованиям (которую REC выбрал Meyer Burger в начале 2018 года). Поскольку соединение с гетеропереходом не подходит для высокотемпературных производственных процессов, низкотемпературные требования технологии SWCT прекрасно подходят.

Еще больше, чем было объявлено сегодня, Мейер Бургер предположил, что линия по производству модулей SWCT — с использованием ячеек с гетеропереходом — может производить модули с уровнем эффективности до 26% (с исследованиями, предполагающими теоретический пик этой технологии выше 29%).

Использование кремния в качестве основного слоя гетероперехода также рассматривается кажущимся лидером перовскита Oxford PV — и, что интересно, Мейер Бургер тоже участвует в этом. За исключением того, что цель Оксфорда по эффективности ячеек превышает 30% в 2020 году.

Также весьма интересно предположить, что метод гетероперехода может позволить существующей в настоящее время цепочке поставок для производства кремния перейти в решение кремний плюс тонкая пленка (или перовскит) с производственной линией. модернизации по сравнению с заменой полной линии.

Каким бы ни был этот путь, несомненно, что этот модуль — только первый из того, что будет большим скачком в продукте, доступном для массового рынка.

Изменить: продукт был немного больше дюйма по длинной стороне и примерно на полдюйма больше по ширине, что привело к официальной эффективности 21,7%.

Этот контент защищен авторским правом и не может быть использован повторно. Если вы хотите сотрудничать с нами и хотели бы повторно использовать часть нашего контента, свяжитесь с нами: editors @ pv-magazine.com.

Гетероструктурные солнечные элементы | SpringerLink

Meyer Burger начнет производство эксклюзивных солнечных модулей с гетеропереходом в первой половине 2021 года

Обновлено: Meyer Burger Technology официально приступила к реализации своих планов стать специализированным производителем солнечных модулей с гетеропереходом (HJT) в Европе и США и использовать свои технологии исключительно внутри компании, отказавшись от поставщика фотоэлектрического оборудования и совместного бизнеса. модели.

Компания заявила, что планирует привлечь 165 миллионов швейцарских франков (173,4 миллиона долларов США) для начала сборки элементов и модулей HJT в первой половине 2021 года с начальной годовой производственной мощностью 400 МВт. Meyer Burger будет нацелена на европейские и американские рынки жилья с высокоэффективными модулями, в отношении которых, по ее словам, уже получены письма о намерениях от потенциальных клиентов, работающих в этих двух областях.

Второй этап увеличения производственных мощностей запланирован на начало 2022 года за счет дальнейшего вливания капитала в размере около 180 миллионов швейцарских франков (189 миллионов долларов США).Компания планирует увеличить мощность ячеек HJT до 1,4 ГВт и удвоить сборку модулей до 800 МВт.

Планируются дальнейшие этапы расширения, которые позволят увеличить годовую производственную мощность ячеек как минимум до 4,2 ГВт к 2025 году и, возможно, до 7 ГВт в 2027 году, хотя эти более высокие уровни мощности будут зависеть от рыночного спроса.

Мейер Бургер также отметил, что в какой-то момент на уровнях мощности в несколько гигаватт будут созданы другие дополнительные заводы по сборке модулей в Европе и Северной Америке, которые будут снабжаться солнечными элементами HJT из единого центрального производственного объекта.

В то время, пока не определено, Meyer Burger заявила, что планирует постепенно увеличивать свою долю рынка в сегменте коммунальных услуг.

Meyer Burger в последние годы изо всех сил пыталась вернуться к прибыльности и претерпела несколько этапов реструктуризации и продажи активов. Высококонкурентный рынок оборудования для производства фотоэлектрических систем и значительный перенос производства в Азию означали тяжелые времена для многих поставщиков за пределами Азии.

Что касается беспокойных инвесторов, Мейер Бургер отметил, что причиной фундаментального изменения направления бизнеса было «осознание того, что Компания не была в состоянии получать прибыль от своего технологического лидерства в последние годы», далее заявив об этом; «Однако, продав свое производственное оборудование, Meyer Burger отказалась от контроля над своей технологией и в значительной степени оставила реализацию создания добавленной стоимости своим клиентам.”

Франц Рихтер, председатель совета директоров Meyer Burger Technology, сказал: «Изменение нашей бизнес-стратегии от поставщика оборудования к вертикально интегрированному производителю ячеек и модулей является правильным и логичным следующим шагом для обеспечения соответствующей доли пула добавленной стоимости. то, что генерирует наша ведущая в мире технология ».

Объявив о двух начальных этапах расширения производственных мощностей, Meyer Burger заявила, что ожидает «достичь годового объема продаж в размере 400–450 млн швейцарских франков и рентабельности по EBITDA на уровне 25–30% в течение трех лет.”

Чистый объем продаж компании в 2019 году составил 262,0 млн швейцарских франков, а чистый убыток — 39,7 млн ​​швейцарских франков.

Франц Рихтер, председатель совета директоров Meyer Burger Technology, сказал: «Изменение нашей бизнес-стратегии от поставщика оборудования к вертикально интегрированному производителю ячеек и модулей является правильным и логичным следующим шагом для обеспечения соответствующей доли пула добавленной стоимости. то, что генерирует наша ведущая в мире технология ».

Объявив о двух начальных этапах расширения производственных мощностей, Meyer Burger заявила, что ожидает «достичь годового объема продаж в размере 400–450 млн швейцарских франков и рентабельности по EBITDA на уровне 25–30% в течение трех лет.”

Решение полностью трансформировать свою историческую бизнес-модель означает, что бывшие клиенты ее оборудования HJT, такие как REC Group, у которой 600 МВт действующего производства HJT в Сингапуре, не получат доступа к дополнительному оборудованию для расширения мощностей или технологического развития, инициированного Мейером. Burger в рамках продолжающихся переговоров с обеими компаниями о разделении прибыли на следующем этапе расширения REC Group.

Мейер Бургер отметил, что он «не смог договориться о взаимовыгодном сотрудничестве с REC Group в отведенное время, поскольку условия Меморандума о взаимопонимании (МоВ) между сторонами в конечном итоге не были выполнены REC Group до настоящего времени.В результате совет директоров Meyer Burger решил больше не использовать этот стратегический вариант ».

PV Tech сообщила еще в марте 2020 года, что Мейер Бургер отметил, что расширение REC Group будет в диапазоне гигаватт, и соглашение о распределении прибыли было на карте.

Хотя это и не упоминается в последнем заявлении Мейера Бургера, производитель ячеек и модулей HJT, российская группа компаний Хевел, также был клиентом компании, использовав часть своего оборудования и технологий для перехода с аморфных тонкопленочных модулей и расширения производства на будучи преданным игроком HJT в последние годы.

Meyer Burger также не упомянул о своих инвестициях в Oxford PV и их текущих планах начать массовое производство перовскитных тандемных солнечных элементов HJ в Германии. Это также относится к турецкой компании EkoRE, занимающейся возобновляемыми источниками энергии, которая открыла первый в мире завод по производству вертикально интегрированных модулей с гетеропереходом (HJT) в Турции с ожидаемой первоначальной паспортной мощностью 1 ГВт, и которая также была основным заказчиком Meyer Burger, заключив сделку по технологической дорожной карте для HJT.

PV Tech недавно осветила объявления о значительном расширении производственных мощностей, в основном в Китае, в отношении новых заводов по производству HJT, некоторые из которых, как ожидается, станут клиентами Meyer Burger. Как правило, расширение кремниевых солнечных элементов (500 МВт) или анонсы новых заводов уступили место (в 2018 и 2019 годах) плановым планам мощности в 5000 МВт и выше. Действительно, планы расширения на 10 000 МВт были отмечены в отчете PV Tech о расширении мощностей за 2019 год.

Что касается новых производственных планов HJT, объявленных только в июле 2019 года, их общая мощность превысила 7500 МВт, включая планы Jiangsu Akcome Science & Technology Co по строительству завода HJT мощностью 5000 МВт в Чансин, провинция Чжэцзян, Китай, с Risen Energy также объявляет о планах строительства электростанции HJT мощностью 2500 МВт в Нинхае, провинция Хэцзян, Китай.

В первом квартале 2020 года деятельность HJT в результате крупных среднесрочных расширений такими компаниями, как GCL-SI, Aiko Solar и Tongwei, включала производственные линии HJT на будущих этапах расширения, которые охватывают несколько лет.

Многие из этих и других заявленных планов начинаются с мелкосерийного производства, аналогично новым планам Meyer Burger. Тем не менее, производственные затраты остаются высокими и ограничивают проникновение на рынок, прежде всего, на рынки жилья в Европе, США и Японии.

Несмотря на то, что они не насыщены модулями HJT, многие новые участники, конечно же, нацелятся на эти рынки.Действительно, REC Group, производящая 600 МВт ГТС, уже является ключевым игроком.

Хотя Meyer Burger заявила, что заказала экспертное заключение Института систем солнечной энергии Фраунгофера (Fraunhofer ISE), которое подтвердило, что компания имеет глобальное технологическое лидерство в области HJT как минимум на три года над своими потенциальными конкурентами, масштабируется при скорости и надежные технологии и план снижения затрат станут определяющими вехами для Meyer Burger.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности.Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г.,
  браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie
потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт
не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к
остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Анализ солнечной батареи с гетероструктурой Si / SiGe

Солнечный свет является крупнейшим источником углеродно-нейтральной энергии.Большое количество энергии, около 4,3 × 10 ²⁰ Дж / час (Lewis, 2005), излучается из-за реакции ядерного синтеза Солнцем, но, к сожалению, оно не используется на максимальном уровне. Различные фотоэлектрические исследования продолжаются, чтобы найти недорогие и высокоэффективные солнечные элементы для преодоления надвигающегося энергетического кризиса во всем мире. Лучше всего подойдут тонкопленочные солнечные элементы с улучшенными абсорбционными свойствами, поэтому рассматривается комбинация сплава SiGe. Представленная здесь статья представляет собой численную модель гетероструктуры солнечного элемента.В ходе исследования были изучены такие характеристики, как плотность тока короткого замыкания (), скорость генерации (), коэффициент поглощения ( α ) и напряжение холостого хода () с оптимальной концентрацией Ge. Добавление Ge в слой Si повлияет на свойства материала и может быть рассчитано с использованием закона Вегарда. За счет этого увеличивается плотность тока короткого замыкания.

1. Введение

Развитие новых источников энергии постоянно усиливается из-за критической ситуации с невозобновляемыми ресурсами.Таким образом, возобновляемые источники энергии стали более важным источником энергии, потребляемой в мире. Солнце обеспечивает огромное количество энергии, питая океаны, а также атмосферные потоки и цикл испарения. Электроэнергия от солнечной энергии — один из самых беспрецедентно рентабельных методов производства электроэнергии. Япония лидирует с производством 64% электроэнергии с использованием фотоэлектрических солнечных элементов, как показано на Рисунке 1. Солнечные элементы значительно снизили стоимость / ватт производимой электроэнергии в 5-10 раз, чтобы конкурировать с ископаемым и ядерным электричеством, а также в 1 раз. 25–50, чтобы конкурировать с первичной ископаемой энергией [1].Таким образом, солнечная энергия является одним из привлекательных видов возобновляемых источников энергии, заменяющих ископаемое топливо из-за своего обилия. Фактически, спрос на солнечную энергию увеличился за последние 20 лет. Рынок фотоэлектрических систем растет во всем мире. Фактически, в настоящее время солнечные фотоэлектрические системы обеспечивают около 4800 ГВт. Солнце непрерывно поставляет около 1,2 × 10 ²⁵ [1] тераватт энергии, что больше, чем любые другие возобновляемые или невозобновляемые источники энергии. Солнечные элементы обычно конструируются из кристаллического кремния (c-Si), который имеет абсолютно низкий коэффициент поглощения из-за его непрямой зонной структуры; поэтому он менее предпочтителен для солнечной техники.Здесь сплав SiGe рассматривается из-за его малой ширины запрещенной зоны и увеличения коэффициента поглощения по сравнению с Si. На рисунке 2 показано среднее солнечное излучение около Джамму, Индия. Путь солнца относительно его высоты над поверхностью показан синим цветом, а часовая кривая — красным.

В разделе 2 обсуждается полная вероятность генерации фотона. В разделе 3 представлены параметры моделирования n-на-p перехода. В разделе 4 подробно описана конфигурация численной модели.Результаты моделирования представлены в разделе 5 с данными моделирования.

2. Анализ вероятностей

Кривые солнечной освещенности показаны на рисунке 3, причем самая верхняя кривая представляет солнечный спектр за пределами земной атмосферы, также известный как состояние нулевой воздушной массы (AM0), которое непосредственно достигает земной поверхности. Глобальная освещенность — это неконцентрирующая система, которая использует рассеянную, диффузную и отраженную от земли освещенность. Земля получает от Солнца больше энергии всего за час, чем мир потребляет за год [4].Эффективность солнечного элемента зависит от полной вероятности генерации фотонов в устройстве.

Распределение фиксированного количества энергии зависит от плотности доступных энергетических состояний и вероятности занятия этого состояния. Эта вероятность задается функцией распределения, но если в данном интервале энергий имеется больше доступных энергетических состояний, тогда это даст больший вес вероятности для этого интервала энергий.

Из функции распределения Ферми-Дирака [5] при определенной температуре вероятность того, что электроны займут определенный уровень энергии, определяется выражением

Вероятность найти конкретное состояние определяется уровнем Ферми, потому что он находится посередине между и, как показано на рисунке 4.Будем считать, что распределение энергии однородно, тогда вероятность нахождения электрона в зоне проводимости) пропорциональна

где — заполненность энергией зоны проводимости. Вероятность появления дыр в балансовой ленте пропорциональна

где — заполненность энергией валентной зоны. Полная вероятность генерации фотона пропорциональна, поэтому из (2) и (3) мы получаем

где разница между валентной зоной и энергией зоны проводимости называется запрещенной зоной, а другая экспоненциальная часть является постоянной для данного легирования.

3. Параметры моделирования

3.1. Диэлектрическая проницаемость

Диэлектрическая проницаемость или относительная диэлектрическая проницаемость — важное свойство материала, которое варьируется в зависимости от слоя, то есть разная мольная доля Ge, которая обычно определяется формулой

где и — относительная диэлектрическая проницаемость кремния и германия соответственно. Мольная доля Ge определяется как.

3.2. Energy Gap

Из-за разной толщины сплавов Si и Ge образуются многослойные слои, которые относятся к разным энергетическим порогам, поглощая разные полосы солнечного спектра в широком диапазоне от кремния (1.12 эВ) до германия (0,66 эВ). Энергетическая щель комбинации рассчитывается по закону Вегарда:

где и — запрещенная зона для чистых материалов Si и Ge. Для гетероструктуры I типа используется следующее соотношение:

3.3. Плотность состояний

Используя приближение Максвелла-Больцмана в состоянии равновесия для концентраций носителей заряда как функции уровня Ферми, концентрации носителей могут быть представлены как [6, 7]

где и — эффективная плотность состояний в валентной зоне и зоне проводимости соответственно.- уровень Ферми, — уровень энергии валентной зоны и зоны проводимости соответственно. — температура, — постоянная Больцмана.

3.4. Коэффициент поглощения

Расчет коэффициента поглощения является важным фактором для анализа солнечного элемента, поскольку он определяет долю фотона, поглощенного на поверхности. В полупроводниках это реализуется как передача энергии от фотонов к электронам, в результате чего электроны переходят из валентной зоны в зону проводимости и создают электронно-дырочные пары.Рассматривать

где и — коэффициент поглощения кремниевым и германиевым материалом. Коэффициенты поглощения для Si и Ge n-типа взяты из [5] и [8] соответственно для расчета.

4. Конфигурация модели

Выбор полупроводника для создания солнечного элемента следует выбирать на основе поглощения солнечного спектра, то есть в максимально возможной степени. Следовательно, желательна малая запрещенная зона. Однако это уравновешивается желанием иметь большое встроенное напряжение, которое требует большей ширины запрещенной зоны.Длинноволновый отклик можно улучшить за счет уменьшения ширины запрещенной зоны, а это можно сделать путем включения Ge в слой SiGe.

Модель включает слой, где — мольная доля Ge [8]. С изменениями содержания Ge изменяются свойства материала слоя Si с включением Ge. Закон Вегарда используется для аппроксимации некоторых материальных параметров сплава, например, коэффициента диффузии, относительной диэлектрической проницаемости и коэффициентов поглощения для различного содержания Ge (). Мы рассмотрели типичную слоистую структуру солнечного элемента Si / гетеропереход, как показано на рисунке 5; это n-p-модель, в которой слой SiGe n-типа отвечает за поглощение, то есть действует как активный базовый слой.Очень тонкий (~ 5 нм) слой высоколегированного n-Si действует как закрывающий слой, увеличивая эффективность люминесценции. Эта схема представляет собой солнечный элемент, состоящий из передних омических контактных пальцев, полосы и пленки оксида индия и олова в качестве антиотражающего покрытия. Обратный омический контакт формировался путем нанесения пасты Al на всю обратную сторону поверхности. Оксид индия и олова (ITO), прозрачный контактный слой и просветляющее покрытие на верхнем слое структуры позволяют свету проходить через этот слой.Внутри активного базового слоя электронно-дырочные пары генерируются падающим светом подходящей длины волны. Эти фотогенерированные дырки и электроны разделяются процессами диффузии и дрейфа, что приводит к возникновению фототока.

В темноте дрейф термически генерируемых неосновных носителей через переход составляет обратный ток насыщения, и при нулевом смещении он уравновешивается небольшим потоком основной несущей в противоположном направлении; то есть чистый ток равен нулю. При освещении, когда падает монохроматический свет с длиной волны и если переход освещается фотоном, количество носителей, собранных на падающий фотон на каждой длине волны [9], рассчитывается следующим образом: на расстоянии от поверхности скорость генерации () определяется выражением

Здесь мы сначала рассмотрим случай дырок.Из рисунка 6 видно, что координата направлена ​​от n-SiGe к p-Si, и мы предположили начало координат () между закрывающим слоем n ⁺ Si и переходом между слоями n-SiGe, пренебрегая толщиной тонкого закрывающего слоя. . Одномерное стационарное уравнение неразрывности для дырок на n-стороне при малом инжектировании можно записать как

где — скорость генерации дырок, — время жизни рекомбинации неосновных дырок, — плотности дырок в равновесии и при освещении, соответственно, — плотность тока проводимости, обусловленная дырками.Уравнение плотности тока для дырок на n-стороне, исключая обедненную область, можно записать как

где относится к коэффициенту диффузии дырок в слое SiGe. Каждая сторона перехода постоянно легирована.

Эти уравнения решаются с учетом скорости генерации с соответствующими граничными условиями, чтобы получить выражение для плотности дырок. На поверхности скорость рекомбинации дырок равна, а на границе обеднения из-за избыточного электрического поля плотность носителей мала [9].Следовательно, зависящая от длины волны плотность диффузионного тока для дырок задается как

где — количество фотонов, падающих на площадь в секунду, (отражательная способность) — это доля этих фотонов, отраженных от поверхности, и — коэффициент поглощения слоя SiGe. — диффузионная длина неосновных дырок в n-SiGe. Если предположить, что передняя сторона перехода n-на-p однородна в течение срока службы, то можно будет наблюдать подвижность и уровень легирования на конкретной длине волны этого фототока. Точно так же, решая уравнения непрерывности и плотности тока для электрона, можно получить плотность диффузионного тока, обусловленную неосновными электронами () в p-Si:

где, как показано на рисунке 6, это нейтральная область p-базы,,, и — соответствующие параметры для электронов в Si-подобных дырках в SiGe.

Некоторые токи фотогенерации имеют место в области истощения. Электрическое поле в регионе высокое; фотогенерированные носители ускоряются из области обеднения, прежде чем они рекомбинируют. Следовательно, плотность дрейфового тока можно выразить как

где и — ширина вставки обедненной области вглубь областей n-SiGe и p-Si соответственно. по сравнению с диффузионной составляющей пренебрежимо мала. Расчеты производятся без учета треппинга. Общая плотность генерируемого фототока может быть выражена как

Путем интегрирования всего диапазона солнечного излучения получаем полный фототок:

Общий ток можно определить как

где — плотность тока насыщения.

5. Результат моделирования

Численное моделирование и моделирование выполняются с помощью программного обеспечения MATLAB с использованием различных параметрических значений [8, 10], как показано в таблице 2.

Время жизни рекомбинации электронно-дырочной пары в n-типе . С помощью численного решения вышеуказанной системы уравнений было выполнено моделирование солнечного элемента с использованием программного обеспечения. Для целей моделирования требуются параметры устройства для расчета всех свойств, таких как подвижность дырки / электрона, легирование, толщина, ширина запрещенной зоны, собственная концентрация и т. Д. немногие из них представлены в таблице 2.

5.1. Скорость генерации

Количество электронов, генерируемых в каждой точке солнечной пластины из-за поглощения фотонов, называется скоростью генерации. График построен с использованием (11) для двух разных длин волн с помощью различных параметров из таблицы 2. Скорость генерации материала SiGe на разных длинах волн показана на рисунке 7.

Начальная рабочая температура зафиксирована на уровне 300 К. Скорость генерации моделировалась с помощью численной модели.Из наблюдений можно сделать вывод, что свет состоит из волн разной длины; поэтому скорость генерации различна для разных длин волн [11]. Это экспоненциально убывающая кривая по всему материалу, и генерация является максимальной на поверхности материала.

5.2. Ширина запрещенной зоны и ток насыщения

Обычный солнечный элемент с p-n-переходом имеет одну запрещенную зону. Фотон с энергией больше, чем способствует выходу ячейки при воздействии солнечного спектра.Для преобразования длины волны в энергию фотона мы использовали соотношение,

Зависимость плотности тока насыщения от ширины запрещенной зоны SiGe с различным содержанием Ge показана на рисунке 8. Ток насыщения можно рассчитать по следующей формуле:

где и — плотность акцепторных и донорных атомов. — абсолютная величина заряда электрона. Из рисунка 8 можно заметить, что солнечные элементы SiGe с меньшей концентрацией Ge приводят к высоким.Чтобы сделать тонкопленочный солнечный элемент, который поглощает более 90% солнечного света, необходимо разработать материалы с малой шириной запрещенной зоны [10].

Поэтому для регулировки спектрального отклика выбран германий как материал с малой шириной запрещенной зоны с шириной запрещенной зоны 0,66 ~ 1,1 эВ. После смешивания германия с тонкопленочными материалами SiGe может значительно отрегулировать материал для перехода к малой ширине запрещенной зоны в зависимости от мольной доли Ge, как показано на рисунке 8, тем самым увеличивая скорость поглощения света и, в конечном итоге, повышая эффективность преобразования новых солнечных элементов. .

5.3. Коэффициент поглощения и длина волны

С увеличением содержания Ge вместе с меньшей энергией запрещенной зоны тонкой пленки SiGe скорость поглощения становится высокой, и из-за падающего света может образовываться больше пар электронов-дырок. Генерация большего количества электронно-дырочных пар подразумевает более высокую плотность тока короткого замыкания и эффективность солнечного элемента SiGe [7].

На рисунке 9 показан коэффициент поглощения как функция длины волны для стандартного глобального AM1.5 спектр. Согласно Фиг.9, внутри слоя изменяется от 1,12 до 0,66 эВ, как указано в Таблице 1 для структуры слоя сплава, что увеличивает вероятность поглощения фотонов в этом слое. Добавляя Ge в солнечную батарею, можно уменьшить ширину запрещенной зоны и усилить отклик на большой длине волны [8].

904 23