Гетероструктурные солнечные батареи что это

Гетероструктурные солнечные батареи HEVEL HJT: история технологии, предварительный обзор и сравнение с мировыми аналогами

Сизов Павел Васильевич

Образование: Чувашский Государственный Университет

им. И.Н. Ульянова, ЭТ факультет, специальность «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов»

Академическая степень: магистр техники и технологии

Опыт работы: более 8 лет

Обладатель звания «Лучший выпускник ЧГУ 2011 года»

Итак, первое, что нам необходимо сделать, это определиться с формулировками, а точнее с сокращенным обозначением данной технологии. В развернутом виде наименование ее звучит как « Heterojunction with intrinsic t hin-layer technology » — буквально «технология гетероперехода с внутренними тонкими пленками». Под упомянутыми «тонкими пленками» подразумеваются тонкие пленки аморфного кремния. Созвучно самой технологии принято называть и солнечные модули – «гетеропереходные» (в России с подачи разработчика и производителя больше прижилось название «гетероструктурные», которое мы и будем использовать далее). Довольно редко и в самом обобщенном виде можно встретить такое понятие как «гетерогенные» солнечные батареи, но пользоваться им вследствие нераспространенности данного термина применительно к данной тематике мы не будем. Внимательно рассмотрев различие в аббревиатурах, которые приняли для обозначения данной технологии различные производители, можно заключить, что у компании Panasonic (которая поглотила изначального разработчика – компанию SANYO) аббревиатура HIT складывается из следующих заглавных букв общего названия «Heterojunction with Intrinsic Thin-layer technology» (гетеропереход с интегрированными тонкими пленками), а у компании «Хевел» (Hevel) аббревиатура HJT – из «HeteroJunction with intrinsic thin-layer Technology» (технология гетероперехода). Это сделано в первую очередь потому, что соответствующие технологии и товарные знаки запатентованы своими разработчиками. Нам же это не даст запутаться в терминах – далее при упоминании технологии компании SANYO/Panasonic используем аббревиатуру HIT, компании «Хевел» — HJT, без обозначения соответствующего знака правовой охраны товарного знака ® (в виде HIT®).

Рассматривать в деталях тонкопленочные микроморфные солнечные модули Hevel мы не будем, так как продукт это не новый, и со всеми характеристиками можно ознакомиться в общедоступных источниках, в том числе на нашем сайте. На технологии аморфных солнечных модулей подробно мы не останавливаемся по следующим причинам: во-первых, данную информацию можно свободно найти на просторах интернета и, во-вторых, данный тип солнечных батарей с момента своего появления так и не получил широкого распространения, кроме того, подавляющее большинство производителей не ведут исследований в данном направлении и на сегодняшний день мы считаем данный продукт постепенно вытесняемым с рынка новыми, более перспективными решениями. Гетероструктурная технология, напротив, является абсолютной новинкой для российского рынка, так как ранее модули, выполненные на основе гетероперехода, на территории России не производились и не продавались. В целом достоин внимания тот факт, что в мире немногие компании производят солнечные модули по данной технологии, и, таким образом, компания «Хевел» в настоящее время входит в ТОП-3 мировых производителей HJT (HIT) модулей.

Остановимся подробнее на истории разработки и выхода на рынок HIT-технологии от пионера в области разработки солнечных батарей на основе аморфных пленок — компании SANYO, которая начала этот путь еще в далеком 1975 году. Отметим, что гетероструктурные солнечные модули SANYO HIT изготовлены из монокристаллических кремниевых пластин с нанесенными на них с обеих сторон чрезвычайно тонкими слоями аморфного кремния. Глубоко не вдаваясь в технические тонкости, вкратце выразим ключевую особенность HIT-технологии, обусловливающую новизну данного решения: благодаря покрытию пластин кристаллического кремния тонкими пленками аморфного кремния, в кристалле, вследствие снижения рекомбинационных центров на поверхности, ощутимо возрастает продолжительность жизни зарядов; как результат, повышается эффективность преобразования солнечного света, так как именно потерями носителей заряда на поверхности кремниевой пластины ограничен КПД традиционных солнечных элементов (см. рисунок). Необходимо добавить, что срок патентной защиты фирмы Sanyo Electric Co. Ltd. на данную технологию истек 8 августа 2011 года, и, с того момента, как патент перестал защищать своего правообладателя, другие компании-производители солнечных батарей, такие как «Хевел», получили возможность работать над дальнейшим развитием и улучшением данного способа производства солнечных ячеек.

Основные вехи развития HIT-технологии от тандема компаний SANYO/Panasonic:

1975 : компания SANYO начала разработку солнечных ячеек из аморфного кремния

2010 : SANYO выпускает на европейский рынок высокоэффективные HIT-модули мощностью 235 Вт. Имея КПД 18,6%, модули остаются самыми эффективными в мире

2011 : в феврале SANYO запускает производство модулей 240 Вт с КПД ячеек 21,6%. В октябре, благодаря наиболее высокой степени преобразования энергии с использованием HIT-технологии, команда токийского университета выиграла проходящий в Австралии престижный гоночный чемпионат мира среди автомобилей на солнечных батареях

2016 : продление для европейского рынка гарантии на HIT-модули до 15 лет. В продажу поступают новые мощные модули с номиналами 295 и 330 Вт

2017 : отмечается 20-летие массового производства солнечных HIT-модулей. Продление гарантийного срока на европейском рынке на HIT-модули с 15 до 25 лет

Теперь более подробно рассмотрим историю HJT-технологии от отечественного производителя солнечных модулей – компании «Хевел» (завод в г. Новочебоксарск, Чувашская Республика), с упоминанием дополнительных подробностей в виде планов компании и полученных сертификатов:

2014, октябрь : генеральный директор ГК «Хевел» сообщает, что на базе «НТЦ тонкопленочных технологий в энергетике» (далее по тексту – « НТЦ ТПТ ») ведется разработка и подготовка к серийному производству солнечных модулей нового типа, выполненных по технологии гетероперехода, преимуществами которой являются повышенный КПД и более стабильные электрические характеристики при работе в условиях высоких температур, при которых ощутимо падает эффективность стандартных кристаллических солнечных элементов. Было сообщено, что уже вскоре после начала исследований был достигнут КПД фотоэлементов порядка 16%, и группа исследователей ставит целью довести данный показатель в ближайшей перспективе не менее чем до 22%, тем самым приблизившись к лучшим мировым достижениям в данной области
2014, декабрь : в «НТЦ ТПТ » на опытной технологической линии изготовлены промышленные прототипы гетероструктурных солнечных модулей по HJT-технологии на основе кристаллических кремниевых ячеек размером 156х156 мм. КПД полученных образцов составляет порядка 20%. Для дальнейшего роста производительности ведутся работы по отработке технологических процессов химической обработки поверхности пластин кристаллического кремния, режимов осаждения слоев аморфного кремния, изготовления контактной сетки
2015, декабрь : специалистами «НТЦ ТПТ » достигнут КПД солнечных HJT-ячеек в 22%. Типовой КПД обычных кристаллических ячеек на этот момент составляет на 4-5% меньше
2016, июль : «НТЦ ТПТ » был получен патент на собственную технологию изготовления гетероструктурных солнечных модулей (HJT). После модернизации конвейера на заводе «Хевел» в Новочебоксарске под выпуск нового продукта планируется рост производственных мощностей со 100 до 160 МВт в год. Промышленные образцы солнечных модулей показывают КПД 20,3%
2016, ноябрь : исследователям «НТЦ ТПТ » удалось получить первый образец солнечного элемента по гетероструктурной технологии на кристаллическом кремнии толщиной 90 мкм. С данным результатом это самая тонкая в России ячейка солнечного модуля. Стандартная толщина такой ячейки в два раза выше – 180 мкм. На практике положительный эффект данного достижения выражается в экономии кремния при изготовлении солнечных модулей и снижении себестоимости производства кремниевых пластин на 20%
2017, февраль : идет процесс поэтапного запуска основных систем модернизированной технологической линии с увеличенной почти вдвое производственной мощностью. Участок по изготовлению солнечных ячеек введен в эксплуатацию одним из первых. Участок по сборке солнечных ячеек в готовые модули проходит завершающий этап пуско-наладочных работ. Во время предварительного ввода в действие линии по изготовлению гетероструктурных солнечных модулей получена эффективность солнечных ячеек в 21,75%
2017, апрель : на заводе «Хевел» в г. Новочебоксарск начато производство гетероструктурных солнечных модулей по HJT-технологии с проектным годовым объемом выпуска 160 МВт. КПД ячейки составляет 22%, КПД модуля — не менее 20%
2017, июнь : обсуждается возможность увеличения производственной мощности завода со 160 до 220 МВт в год
2017, июль : получение сертификата на соответствие требованиям Технического регламента Таможенного союза «О безопасности низковольтного оборудования» (ТР ТС) дает возможность компании «Хевел» приступить к продаже новых модулей. Также пройдена добровольная сертификация фотоэлектрических модулей в АНО «Наносертифика» как продукция наноиндустрии. Дополнительно, модули успешно прошли экологическую сертификацию и получили право на международно признанную экологическую маркировку «Листок жизни» (Vitality Leaf). Требования стандартов предусматривают улучшенные показатели коэффициента полезного действия модулей по сравнению с аналогами (не менее 17%), высокие показатели стабильности работы модулей (номинальная мощность модулей на протяжении первых 25 лет не снижается более чем на 20%), применение сырья и материалов, минимизирующих негативное воздействие модулей на окружающую среду и здоровье человека при их производстве и эксплуатации
2017, август : по результатам проекта второго этапа модернизации, находящегося на стадии технико-экономического обоснования, планируется увеличение производственной мощности вплоть до 250 МВт в год. При текущих объемах производства продукция завода «Хевел» законтрактована на ближайшие пять лет. Обсуждаются планы по объему экспорта солнечных модулей, которые могут составить около 10% от общего объема производства
2017, сентябрь : начаты работы по реализации второго этапа модернизации технологической линии завода в Новочебоксарске, в рамках которого мощность производственного комплекса будет увеличена со 160 до 250 МВт солнечных модулей в год. Данный этап расширения производства позволит начать выпуск односторонних и двусторонних гетероструктурных модулей из 72 солнечных ячеек, что даст возможность увеличить среднюю мощность модуля до 400 Вт и более. Планируемый срок окончания работ – к концу 2018 года. В Майминском районе Республики Алтай введена в эксплуатацию первая солнечная электростанция мощностью 20 МВт на модулях нового поколения

2017, октябрь : на заводе «Хевел» в Новочебоксарске в рамках промышленного производства сошла с конвейера первая партия гетероструктурных солнечных ячеек с эффективностью 22,7%. Планируется, что достигнутые успехи в связке с дальнейшей оптимизацией производственных процессов позволят стабильно выпускать солнечные элементы со средним КПД около 23%

2018, январь : с момента старта производства в апреле 2017 года было произведено более 323 тысяч модулей общей мощностью 95,25 МВт, что позволило подтвердить годовую проектную мощность в 160 МВт после первого этапа модернизации. За полгода с начала производства солнечных модулей по новой технологии удалось на 25% увеличить производительность ключевого участка – плазмохимического осаждения. Кроме того, были улучшены рецепты нанесения слоев ITO, трафаретная печать, что в итоге позволило последовательно в течение года увеличивать КПД продукции. В результате к концу 2017 года средняя эффективность ячеек была увеличена с 20 до 22,8%, а мощность модулей из 60 ячеек в серийном производстве выросла с 280 до 310 Вт. Таким образом, оптимизация ряда технологических процессов на ключевых участках линии уже в декабре 2017 года позволила превысить проектные показатели на 10%

2018, февраль : получен сертификат TÜV Rheinland (от независимой сторонней организации, аккредитованной для тестирования и сертификации фотоэлектрических систем и компонентов в соответствии с различными международными стандартами). Солнечные модули компании Хевел прошли испытания по стандартам МЭК (международного электротехнического комитета) IEC 61215 и IEC 61730. Получение сертификата свидетельствует об успешном прохождении различных испытаний на качество и безопасность в лаборатории TÜV в Германии

2018, март : в «НТЦ ТПТ » пройдены испытания солнечных модулей Hevel в условиях экстремально низких температур (-60 °C), что открывает для них перспективу арктического применения. Начат экспорт солнечных панелей «Хевел» в ряд стран Европы и Азии. Согласно коммерческим условиям контрактов, страны-покупатели на данном этапе не разглашаются

Отметим, что главным новшеством, привнесенным российскими учеными в существовавшую ранее HIT-технологию, является следующее – операции диффузии и имплантации при создании p-n перехода были заменены технологической операцией осаждения нанопленок аморфного кремния поверх кристаллического кремния плазмохимическим методом.

Более или менее разобравшись с историей развития технологии на мировом и отечественном рынках, давайте перечислим преимущества модулей Hevel HJT (и в целом технологии гетероперехода) и сравним текущего «лидера» компании «Хевел» с самым мощным модулем линейки от компании Panasonic.

Как нам уже известно, гетероструктурная технология представляет собой гибрид кристаллического и тонкопленочного типов кремниевых солнечных элементов. В результате данной комбинации удается объединить основные плюсы кристаллических и тонкопленочных аморфных модулей, что выражается в получении следующих ключевых преимуществ:

более высокий КПД, чем у того или иного типа солнечных панелей в отдельности
медленная световая деградация с течением времени
более высокая эффективность при повышенных температурах эксплуатации, низкий температурный коэффициент мощности
лучшее восприятие рассеянного света, выше производительность в отсутствие прямых солнечных лучей
устойчивость к частичному затенению

Далее приведем сравнительную таблицу с характеристиками модулей Hevel HJT 310 Вт и Panasonic HIT 330 Вт .

Источник

Гетероструктурная технология

Гетероструктурная технология предусматривает формирование солнечных элементов на основе контакта двух типов полупроводников: легированных слоев аморфного кремния с положительными носителями заряда (p) и кристаллического кремния с отрицательными носителями зарядом (n) – так называемый p-n переход – базовый элемент современной электроники. При попадании солнечного света на p-n переход, подключенный к потребителю, через электрическую цепь протекает ток – солнечный элемент вырабатывает электроэнергию.
Ключевыми преимуществами технологии гетероперехода являются: высокий КПД и стабильность параметров, что позволяет обеспечивать высокое качество конечной продукции.
Это достигается за счёт ряда технологических особенностей при производстве, а именно:

Напыление легированных слоёв аморфного кремния позволяет повысить эффективность работы при экстремально высоких и низких температурах, а также в условиях низкой освещенности.
Пассивация задней поверхности уменьшает рекомбинацию (потери при переходе), что в свою очередь обеспечивает увеличение напряжения холостого хода и снижение температурного коэфициента.
Использование антиотражающих покрытий позволяет снизить отражение от поверхности с 30 до 10%.
Используется специальное стекло повышенной проницаемости.
Металлические контакты на поверхности расположены максимально близко друг к другу для минимизации поперечных резистивных потерь и в то же время очень тонкие, чтобы уменьшить затеняемую площадь поверхности.

Таким образом достигается:

до 10%* повышенной выработки на 1 кв. м площади за счёт низкого температурного коэффициента
до 13%* более эффективное использование площади и экономия на комплектующих
до 21%* прироста совокупной выработки на протяжении всей жизни модуля за счёт низкой деградации

*По сравнению с монокремниевыми модулями аналогичной мощности

ЭТАПЫ ПРОИЗВОДСТВА ГЕТЕРОСТРУКТУРНЫХ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

1. УЧАСТОК ВХОДНОГО КОНТРОЛЯ И СОРТИРОВКИ ИСХОДНЫХ ПЛАСТИН КРЕМНИЯ (WIS)
Исходные пластины кристаллического кремния поступают на участок входного контроля.
Здесь пластины сортируются по типам дефектов, проходят разбраковку. Годные пластины кремния автоматически загружаются в кассеты и подаются на участок химобработки.

2. УЧАСТОК ХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ И ТЕКСТУРИРОВАНИЯ ПЛАСТИН КРЕМНИЯ
Первой операцией на данном участке является химическая обработка – удаление нарушенного слоя при резке пластин. Следующая задача – создать текстурированную поверхность пластины с целью максимального поглощения падающего света. Формирование пирамидальной светопоглощающей текстуры на поверхности пластины монокристаллического кремния происходит путем селективного анизотропного (медленного) травления. Процесс происходит в специальных ваннах с раствором щелочи при температуре 850 С.

3. ЛИНИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ГЕТЕРОПЕРЕХОДНЫХ СТРУКТУР
Далее на подготовленные пластины монокристаллического кремния (на лицевую и тыльную стороны) в установках KAI по технологии плазмохимического осаждения синтезируются (наносятся) тонкие наноразмерные слои (пленки) аморфного гидрогенизированного кремния.
Создание гетеропереходов на обеих сторонах пластины монокристаллического кремния происходит в несколько этапов: линия автоматизации подает кассеты с подготовленными пластинами в установки KAI первого напыления, где наносится аморфный кремний на лицевую часть пластины, после выполнения операции, автоматически, через зону ISO 7 пластины возвращаются на участок автоматизации, переворачиваются и направляются в KAI второго напыления для нанесения пленок на тыльную сторону.

4. УЧАСТОК НАНЕСЕНИЯ КОНТАКТОВ
После создания гетероструктуры ячейки подаются на участок формирования антиотражающего и металлических контактных слоев. Здесь на них наносятся слои ITO – оксида индий олова и другие пленки, после чего пластины приобретают оттенки синего и фиолетового цвета.

5. ЛИНИЯ МЕТАЛЛИЗАЦИИ
Далее на пластины методом трафаретной печати наносится токосъемная сетка, что обеспечивает эффективный сбор и передачу генерируемой солнечной ячейкой электрической энергии.
Токосъемная сетка формируется путем продавливания серебросодержащей пасты через сетчатый трафарет и последующего процесса термообработки (впекания) при температуре около 2000С.

6. УЧАСТОК ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК И СОРТИРОВКИ ГОТОВЫХ ФЭП (CIS)
Завершает процесс производства фотоэлектрических преобразователей участок измерения характеристик и сортировки. Здесь замеряются все электрофизические характеристики солнечных ячеек: ток, напряжение, мощность и т.д. и сортируются по параметрам.

Источник