Потенциал развития обычных кремниевых фотоэлектрических батарей практически исчерпан. Ближайшее будущее — за комбинациями с перовскитными элементами и за встраиваемыми панелями нового поколения.
Об этом ft рассказал специалист компании Longi, одного из крупнейших в Китае и в мире производителей солнечных панелей.
Поликристаллические элементы давно устарели
Сегодня практически все солнечные панели в мире производятся из… песка. Чистый песок содержит почти исключительно диоксид кремния (SiO2). В ходе ряда промышленных процессов из него удаляются разные примеси и атомы кислорода и в итоге остается кремний, состоящий из множества соединенных вместе кристаллов.
Не пропустите: Longi vs Trina / 182 мм vs 210 мм — рынок солнечных панелей новая битва
До недавнего времени из такого поликристаллического кремния (он с отчетливо видимой голубоватой мозаикой) изготавливались все фотоэлектрические панели. Несмотря на существенные их недостатки.
А они были, притом в количестве. Эффективность моделей первых поколений редко превышала десяток процентов, деградировали они быстро и, что еще важнее, сильно грелись , что даже приводило к возгоранию модулей.
Поэтому, хоть в 2010-х серийная панель Trina Solar показала целых 20% эффективности, эта технология уже окончательно уходит с рынка (но такие панели еще продаются).
В ходу нынче PERC и TOPCon
Сегодня все панели производятся из монокристаллического кремния. Его тоже получают из песка, но технология другая: выращенный монокристалл кремния длиной в несколько метров разрезается на тонкие пластины, которые размещаются рядом друг с другом и формируют основной слой фотоэлектрического модуля.
Такая однородная кремниевая пластина гораздо эффективнее (в сравнении с поликристаллической) улавливает солнечный свет, функционирует дольше, стабильнее и безопаснее.
Двумя самыми популярными до недавнего времени типами элементов из монокристаллического кремния были (и еще остаются) два: PERC (тоже постепенно уходит с рынка) и TOPCon (сейчас, очевидно, на пике популярности, но очень скоро начнут уступать место элементам следующего поколения).
По словам специалиста Longi, в ближайшие годы на рынке ожидаются сразу две новые технологии: с гетеропереходом (HJT) и с тыльным контактом (HPBC), а также их комбинации.
Не пропустите: Мегапрограмму по установке солнечный панелей на крышах готовит Индия
HJT, модули с гетеропереходом или кремний с кремнием
Ячейки с гетеропереходом (гетероструктурные или ГП) — это панели, у которых монокристаллические кремниевые пластины с обеих сторон поддерживаются дополнительными тонкими слоями аморфного кремния.
Аморфный кремний сам по себе имеет сравнительно низкую эффективность (отсутствие упорядоченной атомной структуры существенно затрудняет движение электронов), но в виде очень тонкого покрытия, во-первых, помогает монокристаллической пластине улавливать больше солнечных фотонов, а во-вторых, выбитые из аморфной структуры, электроны проникая через упорядоченный слой кристаллического кремния превращаются в электроэнергию проще и быстрее.
HPBC, модули с тыльным контактом или открытый кремний
Технология ячеек з гибридным пассивированным задним (тыльным) контактом (HPBC) развивается как бы параллельно. Поскольку в отличие от HJT предусматривает не нанесение дополнительного покрытия на монокристалл, а встраивание в него тонких электрических проводов. При этом разъемы проложены только на задней стороне кремниевой пластины, а вся передняя у ней полностью открыта.
В Longi технологию HPBC считают более перспективной, в том числе и потому, что именно у неё есть все шансы «завершить наконец эру фотоэлектрических элементов на основе исключительно кремния».
HPBC более эффективны, более производительные и не перегреваются от затенения (в частности, от дымохода, веток или птичьего помета), как PERC или TOPCon.
Не пропустите: Российские специалисты рассказали о недостатках перовскитных солнечных батарей
Вместе с тем, модули с тыльным контактом уже настолько близко подошли к теоретическому пределу эффективности (у модуля Longi Hi-Mo X10 она достигает 25.4% на уровне ячейки, а у новейшего Hi-Mo S10, у которого технологии HPBC и HJT скомбинированы — до 27.3%), что серьезно вкладываться в разработку модулей с эффективностью около 29% пока не считает целесообразным ни один из ведущих производителей.
Теоретическим пределом эффективности солнечной панели из монокристаллического кремния считается уровень 29.4%.
Но зато, как отмечают в Longi, технология HPBC позволяет успешно объединять кремний с перовскитами — именно в этом направлении компания активно работает сегодня.
Кремний + перовскит и рекордные 34.85%
Показатель никакой не фантастический, а вполне себе реальный. Достигается пока только в лабораторных условиях, но тем не менее.
Результат, к слову, уже официально подтвержден Американской национальной лабораторией возобновляемой энергии (NREL), как рекордный ячеек на основе кремния и перовскита.
Разумеется, первые серийные кремниево-перовскитные солнечные панели стоить будут заметно дороже, чем даже нынешние новейшие HPBC.
Но несмотря на это, Longi, разработавшая новый тандемный модуль, планирует с его помощью получить существенные преимущества над конкурентами, прежде всего над основной массой китайских производителей низкобюджетных фотоэлектрических систем, которые работают с нулевой или даже отрицательной доходностью.
Не пропустите: Balkonkraftwerke-бум: спрос на домашние мини-СЭС в Германии растет
Проблема переработки солнечных панелей нового поколения
Фактически таковой ее не существует, но возникнет сразу же с началом крупносерийного производства тандемных, кремниево-перовскитны панелей.
Дело в том, что по современным технологиям перовскиты обычно изготавливаются на основе свинца. И хотя поиск вариантов его замены ведется уже давно, на промышленном уровне альтернативные технологии еще не применяются.
С другой стороны, проблема переработки стандартных кремниевых фотоэлектрических не так давно тоже казалась очень сложной и затратной. Но по мере вывода из эксплуатации первых крупных партий старых солнечных панелей и роста спроса на их переработку постепенно начал образовываться и рынок соответствующих услуг.
И сегодня переработке подлежит почти вся масса фотоэлектрической панели (стекло, алюминий, кремний, медь и серебро), притом экономически эффективными способами. А отходы, или, скорее, топливо в процессе переработки, в основном представляют собой тонкую пластиковую фольгу.
Не пропустите: Металлов в старых смартфонах хватит на 10 лет производства новых
BIPV, как продолжение идеи «солнечной черепицы«
BIPV, технология солнечных панелей, которые встроены в строительные элементы и конструкции, к примеру, в фасадные панели.
Данное направление наряду с развитием технологии кремниево-перовскитных панелей тоже считается весьма перспективным.
Как отметил специалист Longi в интервью, «по уровню эффективности встроенные солнечные панели всегда будут уступать обычным, потому их не заменят, но вместе с тем в ряде ситуаций, в частности для решения проблемы обеспечения энергетической независимость зданий представляются решением более практичным».
Не пропустите: Tesla начала прием предзаказов на солнечную черепицу [архивъ]
47% эффективности уже тоже достигнуты, но…
Хоть и несколько в стороне от основных трендов рынка, но тоже весьма активно развивается технология так называемых «многопереходных ячеек», которые функционируют на основе элементов из групп III и V периодической таблицы (кремний относится к группе IV).
По сути это полупроводники, которые сегодня применяются в производстве современной электроники, радаров, лазеров и оптоволокна: GaAs (арсенид галлия), InP (фосфид индия), GaInP (фосфид галлия-индия), InGaAs (арсенид галлия-индия) и пр.
Будучи наложенными друг на друга они тоже способны улавливать очень широкий спектр волн, излучаемых Солнцем. Более того теоретическая эффективность панели, состоящей из 6 различных слоев таких полупроводников, может превышать 60%, а в сочетании с линзами, фокусирующими солнечные лучи — даже 70%.
На практике же (и в лабораторных условиях) «многопереходный модуль» длиной в несколько сантиметров показал эффективность более 47% (несколько лет назад, но с тех пор рекорд так не был побит).
В 2020 году упомянутая американская NREL официально зафиксировала 47.1% на 6-контактной ячейке с линзой, дающей 143-кратную концентрацию лучей, и 39.2% без линзы.
Но уже в 2022 году немецкая компания Fraunhofer ISE побила этот рекорд, достигнув эффективности в 47.6% на 4-контактной ячейке, но с 665-кратной концентрацией (дальнейшее увеличение концентрации лучей привело к снижению эффективности этой ячейки).
![Орбита космического мусора отдалилась от орбиты МКС [видео]](https://www.gadget-style.ru/wp-content/uploads/2021/11/74058-1.jpg)
Кремний все равно надолго
Главные препятствием началу массового производства высокоэффективных многопереходных солнечных панелей была и будет стоимость сырья.
Галлий, мышьяк и индий — это редкоземельные элементы, которых на нашей планете в тысячи раз меньше, чем обычного кремния (второго по распространенности элемента в земной коре после кислорода — кора Земли на 28% состоит из кремния). А мышьяк еще и токсичен, что автоматически усложняет и удорожает последующую переработку панелей.
Сложен и сам процесс производства многопереходных панелей (слоев у них несколько и все надо наносить с чрезвычайной точностью).
Так что на ближайшие годы такие панели будут кратно дороже, чем кремниевые, перовскитные или даже на основе квантовых точек. Да, в космической отрасли, где в приоритете — не стоимость, а эффективность — многопереходные ячейки используются давно и успешно. Но на Земле, солнечные панели еще очень и очень долго будут из кремния. via