Технология солнечных элементов PERC: почему она будет доминировать в ближайшем будущем?

В последние годы технология солнечных батарей PERC (с англ. Passivated Emitter Rear Cell) стала одним из фаворитов исследований и разработок в фотоэлектрической промышленности. Сегодня она считается одной из топ-передовых технологий в сфере производства высокоэффективных гелиопанелей.

Что такое PERC

В производстве фотоэлементов на протяжении многих лет доминирует одна модульная технология Al-BSF с алюминиевым задним слоем. Однако она близка к своему практическому пределу, и дальнейшее повышение эффективности маловероятно. Так произошло потому, что производители много лет делали упор на разработках инноваций для лицевой стороны солнечного элемента, не уделяя должного внимания его обратной стороне. Поиск решений по улучшению эффективности побудил гелиоиндустрию использовать солнечные элементы с пассивным излучателем и задним контактом (PERC). По сути, технология PERC стала процедурой усовершенствования стандартных фотоэлементов типа Al-BSF. Фотоэлементы PERC обеспечили доступ к модулю с более высокой номинальной мощностью, например, до 370 Вт для 72-элементного модуля.

Аббревиатура PERC означает пассивацию заднего контакта эмиттера (дословно – пассивированный излучатель и задняя ячейка/модуль). Основная особенность солнечных панелей с технологией PERC состоит в том, что на обратной стороне модуля расположен диэлектрический слой. Он отражает лучи света, прошедшие через фотоэлемент, и перенаправляет их обратно внутрь слоев кремния. За счет этого генерируется больше электричества. Иначе этот процесс еще известен как пассивация на задней стороне. PERC-технология способствует повышению спектральной чувствительности фотоэлементов, что достигается благодаря возможности поглощения большего объёма солнечного света.

Технология РERC была разработана в 1980 году в Австралии группой ученых под руководством директора Австралийского центра передовой фотогальваники при UNSW (Университет Нового Южного Уэльса) профессора Мартина Грина, однако активно использоваться стала только 5–6 лет назад.

За счет своих достоинств в последние два-три года PERC-технология стала приоритетной для изготовителей как поли-, так и монокристаллических панелей.

Как работает технология PERC

Если сравнивать с традиционными панелями, модули с PERC-технологией имеют бо́льшую производительность. Использование такой инновации – хороший способ увеличить отражательную способность задней поверхности солнечного элемента, увеличив число фотонов, которые могут быть поглощены и преобразованы в большее количество произведенной электроэнергии.

Фотоэлектронная эмиссия – процесс довольно сложный. Генератор электроэнергии в фотомодулях состоит из двух частей: база и эмиттер с зоной p-n контакта –  границей между ними. Именно здесь, на пограничном участке перехода, генерируется электрический ток, электроны устремляются к эмиттеру. Аналогичную схему производства электрической энергии используют и в PERC-модулях.

Задача солнечных панелей – произвести электрический ток, а принцип его получения заключается в следующем. Фотоны (частицы света) как бы «выбивают» из кремниевой прослойки электроны (отрицательные частицы). И те, и другие частицы имеют свойство «блуждать». Чтобы начал генерироваться электрический ток, электрон, «выбитый» из кремния, должен достичь границы контакта. Но, как правило, большая часть отрицательных частиц (электронов) просто оседает в нижнем слое базы. Вот почему поэтому КПД современных гелиопанелей не превышает 20%.

Если сравнивать традиционную солнечную батарею и панель с PERC-технологией, то в первом случае задний контактор представляет собой тонкий слой алюминия, выполняющий функцию сплошного токосъемника, а во втором – фотоэлементы PERC используют слой алюминия с напылением и лазерной перфорацией. Таким образом, в дополнительном слое есть многочисленные микроотверстия, через которые происходит выход электронов. За счет диэлектрических свойств заднего слоя в фотоэлементах с технологией PERC электроны, которые оседают внизу, вновь перенаправляются вплоть до того момента, пока они не найдут отверстие в перфорации для того, чтобы перейти в эмиттер.

По сути, дополнительный диэлектрический пассивирующий слой снижает рекомбинацию электронов (процесс исчезновения пары частиц – свободных носителей противоположного заряда какой-либо среде с выделением энергии). Другими словами, это означает тенденцию электронов рекомбинировать и, в основном, блокировать электроны от свободного блуждания через солнечный элемент, из-за чего он не может достичь своей потенциальной эффективности. В случае применения дополнительного диэлектрического слоя, электроны, генерируемые вблизи задней части фотомодуля, могут свободно перемещаться вверх к излучателю и вносить свой вклад в увеличение генерации электрического тока, а значит, в эффективность гелиопанели с технологией PERC повышается.

Слой дополнительной диэлектрической пассивации может отражать длину волны выше 1180 нанометров вне фотоэлемента, который обычно выделяет тепло. В стандартных фотомодулях подобные длины волн легко поглощаются задней металлизированной стороной фотоэлемента и трансформируются в тепло, которое снижает эффективность солнечных панелей. Отражая длины волн выше 1180 нанометров, диэлектрический пассивирующий слой в PERC-модулях помогает фотоэлементу работать более эффективно, не допуская перегрева.

Также разработаны еще несколько разновидностей фотоэлементов с технологией PERC – например, PERL (пассивированный излучатель сзади локально рассеянный) и PERT (пассивированный излучатель сзади, полностью рассеянный). Однако они пока широко не применяются.

Преимущества PERC технологии

Когда дело доходит до исследований и разработок в отрасли солнечной энергетики, есть две главных цели, которых стремятся достичь производители и получить потребители: снижение затрат и повышение эффективности. У фотоэлементов с технологией PERC эффективность превышает отметку 20–22% +, тогда как у стандартных фотоэлементов этот показатель в среднем составляет около 18-19%. К примеру, повышение эффективности фотоэлементов благодаря технологии PERC приводит к увеличению мощности на 3-5 Вт для монокристаллического модуля с 60-тью элементами.

Среди основных преимуществ PERC-модулей следующие.

  1. Технология PERC может использоваться как в моно-, так и в поликристаллических панелях.
  2. Использование технологии PERC повышает КПД солнечных модулей до 25% за счет роста поглощающей способности фотоэлемента, уменьшения в нем нежелательного перегрева, отражения уже сгенерированных электронов в зону p-n перехода, что признано одним из наиболее высоких значений в отрасли.
  3. Производство фотоэлектрических модулей по технологии PERC сильно отличается от производства обычных фотоэлементов, так как модифицируется только задняя поверхность путем простого добавления диэлектрического слоя и использования лазеров для отверстий (перфорации). Таким образом, не требуется установка какого-то специального сложного оборудования, достаточно модернизации существующих производственных линий. То есть гелиопанели с технологией PERC имеют более высокую выходную мощность при минимальных инвестициях и небольшом количестве рисков. 
  4. При работе фотоэлементов с технологией PERC увеличиваются токи короткого замыкания, в результате чего растет сила тока, что одновременно увеличивает напряжение и как результат, выходную мощность солнечной панели.
  5. Отражательная способность панелей с технологией PERC увеличивается до 90–95% в сравнении с 65% у панелей типичных конфигураций.
  6. Элементы PERC хорошо работают в условиях высокой температуры или слабого освещения.
  7. За счет более привлекательных температурных коэффициентов, солнечные панели с технологией PERC являются лучшим решением для использования в жарком климате, способствуют снижению тепловых потерь. В итоге конечные потребители получают максимальную эффективность от своих гелиосистем в течение всего года.
  8. Устанавливать солнечные панели с технологией PERC экономически выгоднее, чем традиционные. Сама инновация влияет на стоимость готовой гелиоустановки незначительно, но при этом существенно увеличивает её эффективность. Кроме того, получения такого же количества электроэнергии, как и от стандартной солнечной панели, при использовании технологии PERC, как правило, требуется меньшее количество фотоэлементов.

Почему технологию PERC выбирают производители солнечных батарей и панелей?

Инвестиции для перехода на технологическую линию PERC требуют минимальных модификаций существующих линий по производству ячеек. Производители могут легко перейти к производству качественного и эффективного продукта, не делая больших капитальных вложений в полную замену существующего оборудования. На мировом рынке наблюдается бум в направлении увеличения мощностей для производства модулей с PERC-технологией. Эксперты прогнозируют, что этот процесс будет развиваться быстрыми темпами в течение следующих нескольких лет. Кроме того, производители панелей теперь могут производить более энергоемкий модуль без значительного увеличения стоимости сборки.

Почему технологию PERC предпочитают инженеры и установщики панелей?

Панели с технологией PERC дают больше свободы установщикам панелей, особенно когда речь идет о пространствах или местах, которые раньше считались недостаточно подходящими для размещения объектов солнечной энергетики. Панели PERC имеют более высокую плотность энергии в расчете на 1 кв. м и хорошо работают в условиях слабого освещения и высоких температур. Очевидно, что при генерации энергии панели PERC превосходят стандартные аналоги. Конструкторы гелиоустановок могут использовать меньшее количество панелей для достижения общих «выходных» энергетических целей, когда занимаемая ими площадь ограничена. Также панели с технологией PERC без потери эффективности можно устанавливать в местах и пространствах, которые ранее считались неподходящими для размещения объектов солнечной энергетики. Это позволяет инженерам и установщикам быть более гибкими и лучше подстраиваться под цели проекта.

Почему технология PERC выгодна экономически?

Поскольку производство панелей с технологией PERC не является радикально отличающимся от производства стандартных панелей, снижается риск вложений, которые часто связаны с любыми ноу-хау. Используя проверенную технологию и модифицируя стандартные панели, практически нет рисков, что при внедрении технологии PERC кардинально изменится структура и внутренняя часть фотоэлемента. То есть средства не будут «выброшены на ветер».

Производство панелей по технологии PERC имеет своей конечной целью создание надежного и экономически эффективного способа генерации энергии для жилых, коммерческих и коммунальных проектов. При использовании солнечных панелей с технологией PERC общая выработка электроэнергии в течение срока службы всей гелиоустановки увеличивается без существенного роста стоимости за ватт.

Почему PERC будет доминирующей технологией солнечных батарей?

Перспективы PERC-модулей кажутся многообещающими, а современный уровень научно-технического прогресса дает возможность поставить производство таких солнечных панелей на конвейер. Сегодня многие признанные бренды-производители солнечных панелей уже внедрили PERC технологию в производство. Среди них Canadian Solar, LG, REC Solar, Winaico, Trina Solar, Jinko Solar, Solar World и др.

Технология PERC будет доминировать в ближайшие годы не только за счет своих преимуществ, а главным образом потому, что не требует полного переоснащения производства. К примеру, производители могут легко модернизировать имеющиеся производственные линии, так как PERC совместим с существующим оборудованием для трафаретной печати. И таких инженерных решений много.

Как предполагают специалисты, уже в ближайшие годы солнечные панели с технологией PERC будут гораздо привлекательнее по цене для массового потребителя, чем традиционные солнечные батареи. Но пока такие фотомодули (PERC) стоят на порядок дороже стандартных аналогов. Значительное снижение цены можно будет заметить лишь на фоне массового производства и все большей популяризации PERC-технологии. Поэтому уже сейчас, понимая перспективы и преимущества таких солнечных панелей, все большее число производителей солнечных панелей перестраивают свои производственные мощности для внедрения PERC-технологии.

Оставьте комментарий