Гетероструктурные солнечные модули что это
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:
Таким образом достигается:
*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.
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:
Таким образом достигается:
*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.
Современные системы независимого электроснабжения дома на солнечных батареях
Солнечная электростанция: как это устроено
В общих чертах солнечная электростанция для частного дома состоит из нескольких компонентов, каждый из которых играет важную роль в получении энергии. В первую очередь это сами солнечные модули, которые непосредственно преобразуют солнечную энергию в постоянный ток, и инфраструктура, которая обеспечивает дальнейшее преобразование тока в переменный, аккумулирование и подачу к бытовым приборам. Как выглядит солнечный модуль, несложно представить: это плоская панель, состоящая из фотоэлектрических ячеек, которые под действием солнечного света вырабатывают постоянный ток. Если панелей несколько, они соединяются между собой специальными кабелями и коннекторами (МС4). Входящий в систему инвертор преобразует постоянный ток в переменный. Вспомогательные элементы системы – солнечные кабели и электрораспределительный щит. Автономные солнечные электростанции также включают в себя аккумуляторные батареи и контроллер их заряда/разряда. Сетевые электростанции не оборудуются батареями и контроллером по причинам, которые разберем ниже.
Автономные и сетевые: в чем различие
Полностью автономные солнечные электростанции, как понятно из названия, созданы для домов, не подключенных к централизованному электроснабжению. Днем, в период солнечной активности, автономная система обеспечивает текущие энергопотребности дома и заряжает аккумуляторные батареи, которые снабжают дом энергией в ночное время. Понятно, что в центральной России вряд ли найдется населенный пункт, к которому не подведено электричество. Однако «автономки» актуальны даже в благополучном Подмосковье, поскольку их можно использовать не только вместо централизованной подачи энергии, но и вместе с ней. Например, вы купили участок земли, к которому на данный момент не подведено централизованное энергоснабжение. С помощью автономной электростанции вы решаете проблему электроснабжения вашего объекта. Когда же вам подведут электричество, можно будет докупить контроллер для вашей солнечной электростанции (СЭС) и модернизировать автономную СЭС в автономно-гибридную. В дальнейшем к солнечной системе можно выборочно подключить некоторые наиболее часто используемые электроприборы — и, соответственно, не платить за электричество, которое они потребляют. Кроме того, автономная электростанция на солнечных батареях – отличный резервный источник электричества на случай его аварийного отключения, а такое в дачных и коттеджных поселках случается нередко, особенно после сильных ветров или ледяных дождей, а также вследствие перегрузки изношенных сетей из-за повышенного энергопотребления в пиковые часы.
Сетевые электростанции на солнечных батареях не накапливают электроэнергию, они работают параллельно с внешней сетью по приоритетной схеме. Дом в основном снабжается от солнечных модулей, а внешняя сеть используется только ночью, при плохой погоде или при недостатке мощности. Излишки энергии, выработанной солнечными батареями, можно даже продавать другим пользователям – подробнее об этом здесь.
Какие солнечные модули лучше? Доступно о технологиях
В Интернете постоянно идут настоящие баталии по поводу «Какие солнечные батареи лучше?!». Чтобы понять это, придется немного углубиться в технические подробности.
Фотоэлектрические элементы солнечных батарей изготавливаются на основе кремния, который может быть «организован» несколькими способами. Наибольшее распространение на рынке получили моно- и поликристаллические панели. Они состоят из пластин, которые имеют в основе один цельный или множество отдельных кремниевых кристаллов высокой чистоты. Для защиты от внешних воздействий ячейки кристаллических солнечных модулей покрывают закаленным стеклом, хорошо пропускающим свет.
КПД монокристаллических модулей выше (в среднем около 18%) – следовательно, они вырабатывают больше энергии на единицу площади в сравнении с поликристаллическими (обычно не превышает 16%); однако выше и цена. Недостатки у обеих разновидностей общие.
Нивелировать минусы кристаллических батарей пытаются разными способами – например, использованием технологии PERC (пассивация задней панели), но это удорожает производство и, как следствие, сказывается на стоимости солнечных панелей.
Гетероструктурные солнечные панели являются новинкой российского солнечного рынка, чего не скажешь про зарубежный. Эта технология на данный момент является наиболее современной и эффективной, а где, как не в Европе, знают толк в высокой эффективности и надежности? Во всем мире пока насчитывается всего несколько производителей солнечных панелей этого типа, так как инвестиции в организацию производства такого типа довольно серьезные, но и продукция имеет совершенно иные показатели, определяющие качество продукта премиального уровня. Не без гордости стоит заметить, что одним из производителей, выпускающих гетероструктурные батареи, является российская компания «Хевел», которая разработала и внедрила собственную технологию изготовления гетероструктурных модулей. Примечательно, что Хевел является единственным производителем этих батарей не только в России, но и в Европе. Предприятие осуществило грандиозную модернизацию производственных мощностей, оснастив их самым передовым европейским оборудованием. Теперь «Хевел» может предложить современные солнечные батареи не только российскому потребителю, но и взыскательным клиентам за рубежом.
Чем же так хороши гетероструктурные батареи?
Гетероструктурные солнечные панели сочетают в себе преимущества тонкопленочных и кристаллических: по КПД они, как уже говорилось, превосходят модули на поли- и монокристаллах, отлично работают в условиях переменной облачности и менее чувствительны к жаре. Еще одно важное преимущество гетероструктурных модулей – низкий коэффициент деградации; выражаясь простым языком – они практически не подвержены «старению» и сохраняют свою высокую эффективность даже спустя десятки лет. Официальная гарантия на производительность модулей Хевел составляет 25 лет. За это время они могут потерять максимально не более 17% мощности. Таким показателем не может похвастаться ни одна из вышеописанных технологий. Важно отметить, что солнечные модули отечественного производства адаптированы под особенности российского климата, и результаты их испытаний были получены именно в тех условиях, в которых им предстоит работать.
Высокая эффективность модулей (до 22,3 % для двусторонних модулей (BiFi +20%)), в том числе в условиях слабой освещенности, низкая степень деградации и температурный коэффициент, соответствие российским стандартам и техническим требованиям, адаптированность к российскому климату – все это в целом обеспечивает высочайшие показатели по выработке (до +20% для двусторонних модулей) и высочайшее качество продукта.
Монтаж: основные моменты
В частном доме лучшее место для установки солнечных модулей – крыша. В принципе, нет никаких технических ограничений и для установки на земле, но из-за высокой стоимости земли этот вариант менее популярен.
Форма кровли может быть любой: плоская, обычная скатная, вальмовая, многощипцовая и пр. Оптимальный угол наклона крыши может разниться от региона к региону. Точный угол наклона крыши в конкретном регионе необходимо уточнять у специалистов. Важно обращаться в компании, имеющие значительный опыт в реализации проектов на рынке и зарекомендовавшие себя в качестве экспертов отрасли. Одной из таких компаний можно считать все того же российского производителя гетероструктурных панелей – компанию «Хевел». «Хевел»по праву считается брендом №1 на рынке солнечной энергетики по совокупному объему построенных в России солнечных станций.
Хорошо, когда угол наклона крыши можно предусмотреть еще на этапе проектирования дома, но чаще всего солнечные модули устанавливаются на уже готовую крышу. В этом нет ничего страшного: наклон модулей можно откорректировать с помощью опорных конструкций. Солнечные модули лучше всего устанавливать на южной стороне кровли – там они будут получать самое большое количество солнца. Хорошо себя показывает и установка с ориентацией на запад или восток, северную сторону специалисты не рекомендуют. В целом нежелательно, чтобы крышу затеняли большие деревья или другие дома – это в бОльшей или мЕньшей степени (в зависимости от типа модулей, о чем писали выше) снижает КПД солнечных элементов.
Материал кровли тоже не играет особой роли: компания «Хевел», например, подбирает опорные конструкции к конкретной кровле, ее конфигурации и материалу. Если на крыше есть мансардные окна, установлены аэраторы или система снегозадержателей, это не проблема: солнечные модули совершенно не обязательно устанавливать вплотную друг к другу.
Площадь кровли влияет на количество солнечных панелей, которые можно на ней установить. Зачастую полезная площадь ограничена, поэтому важным аспектом является коэффициент использования пространства: чем выше эффективность модулей на единицу площади, тем больше кВт вы сможете получить с одной и той же поверхности. В случае с гетероструктурными батареями, ввиду их высокой эффективности, коэффициент использования пространства максимальный. Допустим, у нас есть дом размерами 6х9 м с обычной двускатной крышей; полная полезная площадь (одного ската) будет около 30м 2 ; на таком скате можно установить около 15 гетероструктурных модулей Хевел (что составляет 4,8 кВт).
Несущая способность стропильной системы – важный момент, так как на кровлю будет приходиться заметный дополнительный вес. Упомянутая выше солнечная электростанция из 15 модулей весит около 285 кг, плюс некоторый дополнительный вес от крепежных элементов. Перед установкой модулей сертифицированная «Хевел» монтажная бригада проводит аудит кровельных конструкций; обычно никакое дополнительное усиление им не требуется, так как нагрузка распределенная.
Сроки монтажа составляют обычно 1-2 дня, работы не связаны с особенным дискомфортом для владельцев дома или соседей. Если установка солнечных панелей запланирована на стадии строительства дома, какое-то время может занять прокладка штроб для кабелей; в уже заселенном доме проводку можно проложить в кабель-каналах.
Эксплуатация: самые важные вопросы
Нужно ли солнечной электростанции специальное обслуживание? Практически нет. При необходимости солнечные панели можно мыть, если на поверхности скопились грязь или птичий помет. Мелкая пыль, как правило, смывается осадками. Что до периферических устройств (инвертор, контроллер, аккумуляторы), то их, как любое электрооборудование, желательно держать в отапливаемом помещении вдали от источников огня и нагревательных приборов.
Новейшие технологии солнечных элементов и модулей
Автор: Каргиев В.М., к.т.н. ©
Технологии производства солнечных элементов и панелей постоянно развиваются и совершенствуются. Производители и исследователи постоянно ищут пути увеличить эффективность солнечных панелей, повысить количество вырабатываемой энергии с единицы площади, улучшить их работы при различных уровнях освещенности, температуры и повысить стойкость к воздействию факторов окружающей среды.
За последние 15 лет мы видели прогресс в развитии технологий кристаллических солнечных элементов. Кроме улучшения качества изготовления солнечных элементов изменялась и технология их производства. Эффективность солнечных элементов существенно выросла благодаря улучшениям в технологии производства солнечных фотоэлектрических элементов.
На настоящий момент можно выделить следующие новейшие технологии солнечных элементов (поли- и монокристаллы), которые мы рассмотрим ниже или в отдельных статьях (см. наличие ссылок на названии технологии):
Split cells – разрезанные пополам и на 1/3 солнечные элементы
HJT – Heterojunction cells – гетероструктурные элементы. В России такие делает завод Хевел
IBC – Interdigitated Back Contact cells – такие элементы делает компания SunPower и некоторые другие, в них токосъем осуществляется контактными “столбиками”, соединяющими лицевую и тыльную части солнечного элемента
TOPCon – Tunnel Oxide Passivated Contact
Как изменялась технология производства солнечных элементов?
1. Размеры солнечных элементов
Развитие массового производства кремния для солнечных батарей привело к увеличению размера солнечных элементов. Если в конце прошлого века наиболее популярными были солнечные элементы размером 100 и менее миллиметров, то в конце 90-х годов стандартом стали элементы размером 125*125 мм. Примерно в середине 2000-х начался переход на солнечные элементы размером 156х156 мм. Начиная с 2018 года все больше и больше производится элементов размером 158-158 и 166*166 мм. Это стало возможным благодаря повышению стабильности параметров выращиваемых кристаллов и внедрению в производство оборудования для выращивания кристаллов таких размеров.
Увеличение размера элементов позволяет снизить удельные затраты на производство единицы мощности солнечных панелей.
2. Количество токосъемных шин солнечных ячеек
Это количество влияет на эффективность сбора свободных электронов, выбиваемых фотонами солнечного света, с поверхности солнечного элемента. Чем меньше расстояние между токосъемными шинами и чем они ýже, тем лучше эффективность сбора электронов. Это приводит к постоянному увеличению КПД солнечных элементов, который у элементов с 9 токосъемными шинами (busbars, далее bb) увеличился в 1,5-2 раза по сравнению элементами с 2bb (c примерно 11-12% до 22-24%).
Первые массово производимые солнечные элементы имели всего 2 токосъемные шины при размере 125*125 мм. До сих пор на рынке можно встретить солнечные модули из таких элементов, которые собираются из старых складских запасов. При покупке таких модулей будьте готовы к тому, что модули или произведены давно (лет 10-15 назад), или в них используются старые неэффективные солнечные элементы. Более того, недавно произведенные модули из элементов такого размера с 2 bb могут быть сделаны из отбракованных остатков, которые были проданы производителями как брак за бесценок мелким сборщикам.
В начале 2010-х годов стандартом стали солнечные элементы размером 156-156 мм с 3-мя, а потом и с 4-мя токосъемными шинами. Примерно в 2015 году стандартом стали солнечные элементы с 5 шинами. Они являются наиболее распространенными и сейчас (на начало 2021 года)
Однако примерно с 2017 года все больше производителей стало предлагать солнечные элементы с 7, 9, 12, 15 и даже 18 токосъемными шинами. Меняется и сама конструкция шин – если раньше они были плоскими полосками, которые затеняли часть солнечного элемента, то в мультишинных элементах шины делают круглыми и более тонкими. Т.к. длина тонких токосъемных полосок стала меньше, то и сопротивление их снизилось. Поэтому в мультишинных солнечных элементах меньше сопротивление токосъемных контактов, что повысило КПД солнечных элементов.
Еще одно преимущество MBB солнечных элементов – бóльшая стойкость к микротрещинам. Если солнечный элемент, вследствие воздействия удара или давления (например, очень большой град или на модуль наступил человек) получает микротрещину, то элемент с мультишинами будет меньше терять мощность, потому что в нем есть множество обходных путей для протекания тока по элементу.
Применение солнечных модулей с солнечными элементами с 9 токосъемными шинами по сравнению со стандартными на сегодняшний день элементами с 5 шинами помогает: уменьшить общую стоимость солнечной энергосистемы, улучшить её окупаемость, уменьшить риск микротрещин, хотспотов и LID (light induced degradation) эффекта при увеличении общего КПД и выработки энергии солнечной батареей.
На настоящий момент наиболее экономически обоснованными являются солнечные элементы с 9 bb. Стоимость таких элементов в последний год существенно снизилась и превышает стоимость стандартных солнечных элементов с 5 bb всего на 10-12%. При этом разница в КПД может доходить до 15-20%.
3. Солнечные элементы без токосъемных шин на лицевой поверхности. Еще одним методом улучшения эффективности солнечных элементов стала разработка солнечных элементов вообще без токосъемных шин на лицевой поверхности. Такие элементы производит американская компания SunPower (см. про IBC ниже). Несколько лет назад такие элементы имели самый высокий КПД (примерно 22%), при этом также стоили дороже всего. Токосъем как “+”, так и “-” происходит за счет “столбиков”, которые выходят своими вершинами на лицевую поверхность. Подробнее см. на сайте Sunpower.
В последние годы Sunpower близок к банкротству, т.к. такая технология намного дороже, но преимущества в КПД уже практически не осталось. Единственно, где еще нельзя заменить элементы Sunpower – это псевдогибкие солнечные панели. Это связано с тем, что элементы Sunpower практически нечувствительны к микротрещинам и сохраняют свою работоспособность при небольших изгибах солнечных элементов.
Стремление убрать с площади лицевой поверхности солнечных панелей токопроводящие шины и увеличить заполняемость солнечной панели солнечными элементами привело к изобретению так называемых “чешуйчатых” (shingled) солнечных панелей. На настоящий момент эти панели имеют наибольший КПД среди кристаллических солнечных панелей с шинными токосъемами. В нашем ассортименте есть такие модули мощностью 340-345 Вт в размере стандартных 60-элементных модулей. См. ниже для более подробной информации про “чешуйчатые” модули.
Разделенные (split) солнечные панели с половинными элементами
Особенности и преимущества солнечных батарей из резанных элементов
Раньше, если солнечную панель делали из нецелых элементов, это говорило о том, что эта панель сделана из отбракованных солнечных элементов со сколами и трещинами. Обычно такие панели делали мелкие производители, которые покупали отбраковку солнечных элементов, нарезали куски из неповрежденных частей и соединяли их в солнечные панели. Такие бракованные элементы также имели и другие дефекты, приводящие к снижению срока службы и эффективности. Поэтому, если вам предлагали солнечную панель с количеством элементов больше, чем стандартное (36/60/72), да еще и дешевле обычной цены, то с большой долей вероятности вы могли получить модуль из отбракованных солнечных элементов Grade C или D. Такими модулями “грешили” поставщики под одной популярной до недавнего времени российской торговой маркой. К счастью, сейчас такие модули практически не встречаются на российском рынке.
Ситуация кардинально изменилась в последние пару лет. Появилась технология производства, при которой солнечные элементы специально режут на 2 или даже на 3 части. При этом сам модуль тоже делится на 2 равные части, которые работают практически независимо друг от друга. Это сделано по 3 основным причинам:
Большинство крупных производителей в настоящее время перешли на изготовление солнечных панелей из разрезанных наполовину солнечных элементов (half-cut), которые пришли на замену стандартным квадратным солнечным элементам. Это позволило разделить солнечную панель на 2 независимо работающие половины. Мощность панели также разделена пополам. Это имеет несколько преимуществ, включая улучшенную производительность за счет снижения резистивных потерь в токосъемных полосках и шинах. Более того, некоторые производители стали делать экстра-большие солнечные элементы размером 210*210 мм, которые разрезаются на 3 части. Такие солнечные элементы используются в солнечных модуля высокой мощности – до 600Вт.
1. Размеры солнечного элемента больше в split солнечных модулях
Бóльшие размеры солнечного элемента увеличивают площадь солнечных элементов в солнечной панели. Это позволяет делать солнечные панели большей мощности (до 600Вт) и увеличить КПД модуля до 22%.
2. Меньше расстояние между токосъемными шинами и более тонкие шины
Уменьшение расстояние между токосъемными шинами уменьшает интенсивность тока между ними и, следовательно, потери в солнечном элементе. Площадь токосъемных шин в элементе в 9 шинами меньше на 22% по сравнению с элементов с 5 шинами. Увеличение полезной световоспринимающей площади солнечного элемента позволяет увеличить мощность и выработку энергии солнечным модулем.
Дополнительно, меньшее расстояние от краев солнечной панели до клеммной коробки, которая располагается в середине сплит-панели снижает потери в проводниках и повышает полезную мощность до 20Вт в сравнении с обычной панелью аналогичного размера.
Уникальная клеммная коробка сплит солнечной панели состоит из 3 частей для того, чтобы уменьшить эффект частичного затенения. В модуле есть 6 отдельных цепочек солнечных элементов (но только 3 шунтирующих диода), что обеспечивает меньшие потери мощности при частичном затенении модуля.
Клеммная коробка обычного и half-cut солнечного модуля
Так как каждый элемент – всего половина от стандартного элемента, то он производит в 2 раза меньший ток при том же напряжении. Это значит, что ширина токосъемных полосок может быть уменьшена в 2 раза, и это означает меньшее затенение полезной площади солнечного элемента и, как следствие, увеличенный КПД. Меньшие токи также приводят к меньшему нагреву солнечных элементов и панели в целом (а, как известно, при нагреве эффективность фотоэлектрических элементов падает). Также, меньшие температуры элементов снижают риск появления хотспотов (точек локального перегрева), которые не только снижают эффективность солнечного модуля, но и уменьшают срок его службы. Этот риск существует при частичном затенении модуля – как внешними предметами (ветки, облака), так и из-за пятен грязи на самих панелях. Резистивные потери в проводниках и шинах уменьшаются на 75%, мощность модуля возрастает на 4%.
3. Уменьшение эффектов затенения солнечных модулей
На рисунке выше показано типичное соединение солнечных элементов в солнечном модуле. Элементы в стандартных модулях по 60 и 72 шт. обычно соединяются в 3 последовательные цепочки. При затенении нижней части солнечной панели (а обычно бывает именно такое затенение, особенно если панели в солнечной батарее располагаются рядами) из работы исключается весь солнечный модуль. У модуля с половинными элементами будет продолжать работать половина модуля.
Солнечные модули с половинными элементами дороже в производстве, поэтому при их изготовлении обычно используются самые качественные элементы. В последнее время все больше модулей с половинными элементами делаются из элементов с 9 токосъемными шинами.
Резаные элементы применяются только в модулях малой мощности (в настоящее время менее 160-170Вт), потому что для получения стандартного напряжения солнечного модуля нужно определенное количество солнечных элементов (для 12В модуля – 36 шт. в последовательной цепочке).
Чешуйчатые (Shingled) солнечные модули – конструкция и преимущества
Еще одим способом увеличить эффективность солнечных модулей является уникальная технология, при которой солнечные элементы разрезаются на несколько частей и склеиваются. Такие солнечные модули дороже обычных, потому что для их производства необходимы дополнительные технологические операции. Солнечные элементы режутся на 5 частей примерно по токосъемным шинам, а затем склеиваются как черепица в ряды из 18 и более шт. “Чешуйчатые” солнечные панели обычно на 15-20% дороже стандартных с последовательно соединенными целыми солнечными элементами.
Для “склеивания” цепочек солнечных элементов применяются ECAs (electrically conductive adhesives) – специальные токопроводящие клеи. Такая технология позволила полностью отказаться от токосъемных шин. Внешний вид такого модуля показан на фотографии ниже.
Цепочки из склееных кусочков солнечных элементов могут располагаться как вдоль, так и поперек модуля (обычно). Солнечные элементы разрезаются при помощи лазера и затем склеиваются с небольшим перекрытием (отсюда еще одно их название – Overlapping cells), под которым скрываются токосъемные шины. При таком расположении можно использовать практически всю площадь солнечной панели, токосъемные шины не забирают полезную площадь модуля и не затеняют его, что приводит к увеличению КПД. Это очень похоже на эффект, которые достигается в другой технологии солнечных элементов IBC (см. ниже).
Другое преимущество – длинные цепочки склеенных элементов обычно соединяются параллельно, и это сильно снижает эффект от затенения части солнечного модуля. Каждая цепочка работает независимо, и поэтому в этом отношении “чешуйчатые” солнечные модули гораздо лучше даже по сравнению с half-cut (половинными) модулями, потому что в них в 2 раза больше независимых по напряжению цепочек (12 против 6 у half-cut и 3 у модулей из целых элементов).
Напряжение у “чешуйчатых” солнечных модулей выше, чем у стандартных, поэтому их можно соединять в солнечной батарее как последовательно, так и параллельно. Это также снижает эффект затенения уже на уровне солнечной батареи (см. тут, если вы не знаете, чем отличаются солнечные модули и панели от солнечной батареи).
Преимущества shingled солнечных модулей
3 основные преимущества “чешуйчатых” модулей следующие:Essentially the three key advantages of the shingled solar panel design are they produce more power, improve reliability and are aesthetically pleasing.
1. Увеличение выработки электроэнергии на единицу площади
Чешуйчатые солнечные элементы не имеют токосъемных шин, нет токопроводящих шин, почти нет пустых от солнечных элементов участков на поверхности модуля. Наглядная демонстрация показана на фотографии ниже.
Преимущества чешуйчатых солнечных элементов в заполнении площади солнечного модуля
2. Меньше потери вследствие частичного затенения
В обычных солнечных модулях солнечные элементы соединены все последовательно, поэтому при частичном затенении их мощность очень сильно падает. В “чешуйчатом” солнечном модуле есть от 9 до 12 параллельных цепочек, и при частичном затенении солнечная панель практически теряет мощность только затененной части. Это в несколько раз снижает потери мощности солнечной батареи от частичного затенения модулей.
Распределение путей для тока в стандартном и “чешуйчатом” солнечном модуле
На рисунке ниже показаны различные случаи частичного затенения солнечного модуля и примерные потери мощности от затенения. Серым обозначена – обычная панель, зеленым – “чешуйчатая”. У чешуйчатого модуля эффект гораздо ниже в большинстве случаев, исключение составляет вертикальное затенение модуля.
Практическая эксплуатация солнечных батарей из чешуйчатых модулей показала, что они вырабатывают на 37-45% больше энергии по сравнению с обычными солнечными модулями (см. ссылку №2 списка источников ниже).
3. Надежность лучше
Shingled модули имеют низкую вероятность выхода из строя токопроводящей шины. У обычных модулей есть около 30 метров токопроводящих шин и множество точек спайки, которые являются потенциальным местом повреждения при длительной эксплуатации в тяжелых климатических условиях.
Лучшее механическое исполнение. Статические и динамические тесты показали, что чешуйчатые модули лучше противостоят поломкам вследствие приложения внешней силы, по сравнению с обычными солнечными панелями.
4. Привлекательный внешний вид
Технологии солнечных элементов и модулей улучшаются, и чешуйчатые модули в настоящее время представляют из себя одну из наиболее продвинутых технологих изготовления солнечных модулей.
В нашем ассортименте представлены несколько моделей чешуйчатых солнечных панелей. Производители – Tongwei Solar и Seraphim.
Модули с высокой плотностью заполнения
Еще одним способом повысить полезное использование площади модулей стало технология “уплотнения” солнечных элементов. Такие модули получили название High-Density. В стандартном модуле расстояние между элементами составляет до 2 мм. Современные производители добились уменьшения этого расстояния до 0,5мм. Это может показаться довольно простым улучшением, но оно позволило уменьшить расстояние между солнечными элементами за счет того, что контакты на верхней поверхности одного элемента напрямую соединяются с контактом на нижней поверхности соседнего элемента (см. рисунок). Это позволило несколько процентов повысить эффективность солнечной панели.
Jinko Solar использует технологию, которая похожа на “чешуйчатую”. Её Tiling Ribbon (TR) технология позволила вообще исключить расстояние между модулями. Также, используется меньше серебра в припое для пайки, что снижает стоимость производства.
Двусторонние солнечные модули
Одними из первых модули с двусторонней чувствительностью разработал российский производитель в Краснодаре – завод “Солнечный Ветер”. Мы продавали двусторонние модули еще 15-20 лет назад. К сожалению, в 2012 году завод закрылся, и с тех пор в России двусторонние модули больше не выпускаются. Но последние несколько лет все больше производителей стало выпускать такие (Bifacial) модули. В основном они изготавливаются из элементов n-типа (“Солнечный ветер” был одним из первых в мире, кто освоил производство солнечных элементов n-типа).
Двусторонние модули становятся все более популярными потому, что стоимость производства высокоэффективных и высококачественных солнечных элементов постоянно снижается. Для производства bifacial элементов нужны монокристаллы высшего качества. Двусторонние элементы могут преобразовывать солнечную энергию с обеих сторон. При правильной установке такие модули могут производить до 27% больше энергии по сравнению с обычными односторонними модулями.
По конструкции такие модули могут отличаться по исполнению задней защитной части. Это может быть или прозрачная EVA пленка, или стекло (double glass). Модули с двойным стеклом имеют лучшую надежность и больший срок службы по сравнению со стандартными модулями с защитной пленкой. Модули могут быть с алюминиевой рамой и безрамными.
Как отличить по настоящему двусторонние модули от односторонних с прозрачной задней пленкой или двойным стеклом (такие тоже есть на рынке)? Настоящие двусторонние модули имеют токосъемную сетку с обеих сторон солнечного элемента.
Двусторонние солнечные модули на трекере
Традиционно двусторонние модули использовались только при установке на земле в таких условиях, когда отраженных от земли солнечный свет мог попадать на заднюю поверхность солнечной батареи. Например, при отражении от снега, от светлого песка и т.п. Даже при установке на светлых крышах достигалась добавка к выработке энергии (в среднем +10% по сравнению с односторонними модулями).
Учитывая, что чувствительность задней стороны в таких модулях идет бонусом и ничего не стоит, применение двусторонних модулей может быть привлекательным даже при том, что задняя поверхность не освещается. Они часто используются при строительстве навесов и полупрозрачных крыш, потому что свет проникает через незаполненные солнечными элементами промежутки.
Еще одним преимуществом двусторонних солнечных модулей является меньший температурный коэффициент из-за того, что такие модули меньше нагреваются на солнце.
Как устанавливать двусторонние модули?
Способ установки bifacial модулей зависит от их конструкции. Рамные модули обычно легче устанавливать потому, что традиционные монтажные конструкции больше адаптированы именно к рамным модулям. Многие производители двусторонних модулей снабжают своими специальными креплениями, это облегчает установщикам их работу. Безрамные модули крепятся с помощью специальных креплений с резиновыми прокладками (они есть у нас в ассортименте), и нужно быть аккуратными при затяжке болтов, чтобы не расколоть стекло.
Количество энергии, которое генерируется тыльной стороной модуля, зависит от угла наклона солнечной батареи. Нужно обеспечивать попадание отраженного от поверхностей света на заднюю часть модуля. Несмотря на то, что в двусторонних фотоэлектрических модулях используются специальные тонкие клеммные коробки, которые практически не затеняют тыльную сторону элементов, сама монтажная конструкция может частично затенять тыльную часть солнечного модуля. В идеале нужно проектировать монтажную конструкцию с учетом используемых модулей с двусторонней чувствительностью, чтобы она минимально затеняла тыльную сторону солнечной батареи от отраженного света.
Вот некоторые производители, которые делают двусторонние модули: LG, LONGi, Lumos Solar, Prism Solar, Silfab, Sunpreme, Trina Solar и Yingli Solar. С увеличением количества производителей двусторонние модули переходят из нишевого продукта в майнстрим. Думаю, мы увидим через несколько лет, что bifacial модули занимают существенную долю рынка солнечных модулей.
Видео от JA Solar, в котором рассказано о технологиях, применяемых в современных солнечных модулях
В рекламируемом модуле применены технологии:
Гетероструктурные HJT солнечные элементы
Гетероструктурные HJT солнечные элементы в основе имеют обычные кристаллические элементы, покрытые дополнительными тонкопленочными слоями аморфного кремния на каждой стороне. Эти пленки формируют так называемые гетеропереходы, в дополнение к основному переходу в кристаллическом элементе. Известно, что разные типы переходов преобразуют разные участки спектра солнечного света в электричество. За счет этого эффекта достигается повышение общего КПД преобразования солнечной энергии в гетероструктурном солнечном элементе.
Сейчас HJT элементы на основе обычных солнечных элементов с токосъемными шинами имеют КПД 22-23%. Ожидается, что максимальный КПД может быть повышен до 26,5% за счет комбинации гетероструктуры с IBC технологией формирования токосъемных контактов (см. ниже). Конечно же, перечисленные выше технологии улучшения токосъема (half-cut, multibusbar, shingled) также позволяют повысить КПД гетероструктурных элементов.
К преимуществам HJT технологии также относится малый температурный коэффициент. Они меньше нагреваются при работе и меньше теряют мощность при нагреве. Температурный коэффициент в лучших HJT элементах улучшен на 40% по сравнению с обычными поликристаллическими и монокристаллическими модулями. Для лучших HJT модулей температурный коэффициент мощности составляет 0.26%/°C (против 0.38% … 0.42% /°C для обычных модулей). Это приводит к тому, что в жаркий безветренный солнечный день HJT солнечные батареи могут вырабатывать дополнительно до 20% электроэнергии.
Улучшенный температурный коэффициент позволяет получать больше энергии от HJT солнечной батареи
Примечание: температура солнечной панели и солнечных элементов также зависит от цвета крыши под ними, угла наклона и скорости ветра. Поэтому при монтаже модулей на темной крыше вплотную к поверхности без вентиляционного зазора для обдува ветром температура модулей может быть существенно выше, а общая выработка в жаркую погоду сильно снизиться.
В России гетероструктурные элементы производит завод Хевел, они есть в нашем ассортименте.
IBC технология солнечных элементов
IBC элементы не только самые эффективные, но и самые механически прочные, потому что задняя контактная поверхность создает дополнительную жесткость и поддержку кремниевому элементу.
Среди самых эффективных современных солнечных модулей, использующих эту технологию можно назвать произведенные SunPower и LG монокристаллические кремниевые IBC N-type модули. Эти модули также имеют гарантию на 90-92% мощности через 25 лет, что существенно больше стандартной для остальных модулей гарантии в 80% через 25 лет.
SunPower – Maxeon 3 – имеет 22.6% КПД
LG energy – Neon R – имеет 21.7% КПД
Смотрите полный список наиболее эффективных солнечных панелей по состоянию на 2021 год.
TOPCon солнечные элементы
TOPCon означает Tunnel Oxide Passivated Contact и в настоящее время это наиболее продвинутая технология для солнечного элемента N-типа. Технология позволяет уменьшить рекомбинационные потери в переходе, что ведет к повышению эффективности. Вследствие различных причин, в солнечном элементе часть электронов рекомбинируется с дырками, что ведет к потерям тока. Ультратонкий слой TOPCon помогает уменьшить эти потери при минимальной цене в производстве. Впервые концепция TOPCon была предложена немецким институтом Fraunhofer ISE в 2014 году, но до 2019 года она не получила значимого распространения. Только после того, как ее начали использовать такие крупные производители, как Trina Solar, JA Solar и Longi Solar, были получены в серийном производстве солнечные панели с КПД выше 22%.
Для понимания преимуществ этих элементов приведем сравнение характеристик двусторонних TopCon модулей производителя Jolywood (Китай)