Досягнення в технології кристалічних кремнієвих сонячних елементів для промислового масового виробництва…

Як пісок перетворюється на сонячні панелі

Сонячні панелі здебільшого виготовляються з кремнію. Ось як ця багата речовина перетворюється на те, що генерує електроенергію.

Чі Одогву. цифровий консультант, професор і письменник з більш ніж десятирічним досвідом у сфері фінансового та управлінського консалтингу. Має значний досвід роботи в секторі прямих інвестицій, працював консультантом в PwC та аналітиком в Renaissance Capital. Крім того, він публікується у таких відомих виданнях, як Entrepreneur, Forbes, NextAdvisor та CNET. Він також використовував свій письменницький талант для створення освітніх курсів електронної пошти для своїх клієнтів і написання авторських статей, опублікованих у таких провідних виданнях, як Forbes, CoinDesk, CoinTelegraph, Insider, Decrypt і Blockworks. На додаток до своєї письменницької, освітньої та підприємницької діяльності, Чі веде популярний подкаст “Куленепробивний підприємець”. У цьому подкасті він веде змістовні бесіди з талановитими людьми з різних галузей, що дозволяє йому ділитися зі своїми слухачами багатством знань і натхненням.

досягнення, технолог, кристалічних, кремнієвих, сонячних

Пісок грубий, шорсткий, дратівливий, і він потрапляє скрізь. Це також ключовий інгредієнт сонячних панелей.

Якщо ви хочете встановити сонячну систему в своєму будинку, щоб попрощатися з рахунками за електроенергію.- і інфляція, яка продовжує підштовхувати його вгору.- ви повинні бути вдячні за пісок.

Тепер ви не можете просто вийти на вулицю, кинути купу піску на дах і молитися, щоб енергія потекла через нього до ваших розеток.- далеко не кожен вид піску підійде. Хоча пісок є важливою сировиною для виробництва сонячних елементів, не кожен вид піску підійде. Пісок, який використовується для виробництва сонячних батарей, повинен бути багатим на діоксид кремнію і відповідати суворим стандартам, щоб сонячна батарея максимально ефективно перетворювала сонячне світло в електрику.

Чи можуть сонячні панелі заощадити ваші гроші?

Зацікавлені в розумінні впливу сонячної енергії на ваш будинок? Введіть основну інформацію нижче, і ми миттєво надамо безкоштовну оцінку вашої економії енергії.

Для створення ефективних сонячних елементів, будівельних блоків сонячних панелей, які ви бачите на дахах будинків, також потрібен дуже складний виробничий процес.

Ось що входить до складу сонячної панелі.

Чи можуть сонячні панелі заощадити ваші гроші?

Зацікавлені в розумінні впливу сонячної енергії на ваш будинок? Введіть основну інформацію нижче, і ми миттєво надамо безкоштовну оцінку вашої економії енергії.

З чого зроблені монокристалічні сонячні панелі?

Два найпоширеніші типи побутових сонячних панелей.- монокристалічні та полікристалічні.- Обидва способи починаються з того, що пісок з високим вмістом діоксиду кремнію нагрівають і очищають, щоб сформувати блоки, які називаються зливками, розповів CNET Рохіт Кальянпур, генеральний директор компанії Optivolt, що базується в Кремнієвій долині, яка займається сонячними технологіями.

Для монокристалічних сонячних панелей окремі пластини вирізаються з одного злитка. Злитки, що використовуються для монокристалічних елементів, мають характерний чорний колір і однорідну структуру комірок. Сонячні панелі, виготовлені з монокристалічних сонячних елементів, є найефективнішими, з показниками від 17% до 22%, і пропонують найкращу продуктивність. Станом на 2021 рік більше половини житлових сонячних панелей, встановлених у США, мали коефіцієнт корисної дії понад 20%, порівняно з 0.6% десять років тому, згідно зі звітом Національної лабораторії Лоуренса Берклі “Стеження за Сонцем” (Lawrence Berkeley National Laboratory’s Tracking the Sun).

Середня вартість цих панелей становить від 1 до 1.50 за ват, але може відрізнятися в залежності від місця розташування. Монокристалічні панелі мають 25-річний термін експлуатації, помірний температурний коефіцієнт.- наскільки добре вони працюють у спекотні дні.- і повністю чорного кольору.

З чого зроблені полікристалічні сонячні панелі?

Полікристалічні сонячні панелі виготовляються з комбінації декількох кристалів кремнію. Процес виробництва включає в себе плавлення декількох кристалів кремнію і формування їх у пластини. Ці змішані пластини мають характерний блакитнуватий відтінок через випадкову орієнтацію кристалів кремнію. Оскільки пластина має неоднорідну структуру комірок, полікристалічні сонячні елементи менш ефективні, ніж монокристалічні сонячні елементи. Таким чином, сонячні панелі, виготовлені з полікристалічних сонячних елементів, мають коефіцієнт корисної дії від 15% до 17%.

Середня вартість цих панелей коливається від 90 центів до 1 долара за ват. Температурний коефіцієнт полікристалічних панелей гірший, ніж у монокристалічних, що означає, що вони будуть гірше працювати в спекотну погоду, але вони все одно можуть функціонувати до 25 років. Як результат, ці панелі чудово підходять для економних домовласників.

З чого зроблені тонкоплівкові сонячні панелі?

Тонкоплівкові сонячні панелі виготовляються шляхом нанесення тонкого шару фотоелектричного матеріалу, такого як амоний кремній, телурид кадмію (CdTe) або селенід міді індію галію (CIGS), на такий матеріал, як скло або пластик. Ці панелі відомі своєю гнучкістю та легкістю, що робить їх придатними для застосування там, де традиційні панелі можуть бути недоцільними, наприклад, на вигнутих поверхнях або портативних пристроях. Однак тонкоплівкові панелі, як правило, менш ефективні, ніж монокристалічні та полікристалічні кремнієві панелі, при тому, що їхня вартість становить 1 до 1.50 за ват.

Як виготовляються сонячні панелі?

Тепер, коли ми розглянули, як виробляються різні типи сонячних елементів, вам, мабуть, цікаво, як збираються самі сонячні панелі. Ось покрокова схема процесу.

  • Крок 1: Очищення кремнію та формування злитків: Пісок з високим вмістом кремнію очищають, щоб видалити домішки і отримати кремній високої чистоти. Кремній розплавляється і формується в циліндричні злитки.
  • Крок 2: Нарізка пластин: Кремнієві злитки нарізаються на точно виміряну і задану товщину за допомогою пилки з алмазним напиленням. Товщина пластини ретельно контролюється для оптимізації балансу між поглинанням світла та електропровідністю. Ці пластини є основою кожного сонячного елемента, каже Кальянпур.
  • Крок 3: Обробка комірок: Потім пластини проходять серію обробок для покращення їх фотоелектричних властивостей. Обробка включає процес текстурування для збільшення поглинання світла. Металеві контакти додаються до передньої та задньої частини кожного елемента, щоб дозволити елементам проводити електрику.
  • Крок 4: Збірка та інкапсуляція сонячних елементів: Сонячні елементи збираються в сонячну панель шляхом послідовного або паралельного з’єднання. Конфігурація визначатиме бажану напругу та вихідний струм. Потім комірки поміщаються в міцне скло або інший прозорий матеріал. Закриті комірки потім кріпляться до рами.
  • Крок 5: Інтеграція електричних компонентів: Розподільна коробка та інші електричні компоненти додаються до панелей. Ці компоненти дозволяють сонячній панелі передавати електроенергію, яку вона генерує, до інвертора та контролера заряду.

Сонячні панелі проходять суворий процес забезпечення якості на кожному етапі виробничого процесу, в тому числі після складання. Цей процес забезпечення якості допомагає гарантувати, що кожен компонент відповідає необхідним стандартам продуктивності та надійності.

Чи безпечні сонячні панелі?

Ви завжди повинні мати здорову дозу скептицизму і занепокоєння щодо будь-якого обладнання, але вам, ймовірно, не буде про що турбуватися, поки вони використовуються за призначенням. Але якщо їх неправильно використовувати або пошкодити під час монтажу, можуть виникнути певні причини для занепокоєння.

Сонячні панелі можуть містити деякі матеріали, які можуть бути класифіковані як небезпечні, згідно з даними Агентства з охорони навколишнього середовища. Різні типи та виробники панелей мають різний вміст потенційно небезпечних хімічних речовин, таких як свинець та кадмій. Зазвичай вони входять до складу напівпровідників або припою.

Сонячні панелі безпечні і не становлять значного ризику для здоров’я людини або навколишнього середовища, каже Кальянпур. Хоча в процесі виробництва використовуються деякі токсичні матеріали, подібно до присутності кобальту в телефонних батареях, ці матеріали безпечні, якщо вони не потрапляють в організм і належним чином утилізуються або переробляються в кінці їх життєвого циклу. Більшість сонячних панелей виготовляються з кремнію. нетоксичного і поширеного елемента, який не становить жодного ризику для здоров’я людини. За умови правильного поводження з сонячними панелями, їх переробки або утилізації в кінці терміну служби, люди не повинні мати жодних проблем зі здоров’ям та безпекою.

Досягнення в технології кристалічних кремнієвих сонячних елементів для промислового масового виробництва

Фотоелектричні (ФЕ) елементи з кристалічного кремнію використовуються в найбільшій кількості серед усіх типів сонячних елементів на ринку, що становить близько 90% від загального світового виробництва ФЕ у 2008 році. Очікується, що сонячні елементи з кристалічного кремнію також відіграватимуть основну роль на ринку фотоелектричних систем у майбутньому. У цій статті розглядаються сучасні технології, що використовуються для виробництва та застосування фотоелектричних елементів з кристалічного кремнію. Найвища ефективність перетворення енергії, про яку повідомлялося на сьогоднішній день для дослідницьких кристалічних кремнієвих фотоелементів, становить 25%. Стандартні промислові елементи, однак, залишаються обмеженими 15-18%, за винятком деяких високоефективних елементів, здатних досягти ефективності більше 20%. Високоефективні дослідницькі фотоелектричні елементи мають переваги в продуктивності, але часто не підходять для дешевого виробництва через свою складну структуру і тривалі виробничі процеси, необхідні для їх виготовлення. Різні технології виробництва моно- і полікристалічних фотоелементів порівнюються і обговорюються з відповідними технологіями виробництва матеріалів, такими як виробництво кремнієвих злитків і пластин. Висока ефективність перетворення енергії та низька собівартість виробництва можуть бути досягнуті одночасно лише за рахунок розвитку передових виробничих технологій та обладнання, а також розглядаються деякі з новітніх технологій, які можуть призвести до ефективності понад 25% та комерційно життєздатної собівартості виробництва.

Головна

У 2008 році світове річне виробництво фотоелектричних (ФЕ) елементів досягло понад 7.9 ГВт (Wp, пікова потужність за стандартних умов випробувань) 1. а середньорічні темпи зростання виробництва фотоелементів за останнє десятиліття склали понад 40%. Проте електрична енергія, що генерується всіма фотоелектричними системами в усьому світі, за оцінками, становить менше 0.1% від загального світового виробництва електроенергії 1. Тим не менш, очікується, що стрімке зростання виробництва фотоелектричних елементів триватиме ще багато років. Фотоелектричні елементи з кристалічного кремнію, які розробляються вже понад 60 років, мають найдовшу історію виробництва і зараз складають найбільшу частку виробництва. до 90% всіх сонячних елементів, вироблених у 2008 році 1. Кремній безпечний для навколишнього середовища і є одним з найпоширеніших ресурсів на Землі, складаючи 26% матеріалу земної кори. Велика кількість та безпечність кремнію як ресурсу забезпечує кремнієвим сонячним елементам провідне місце серед усіх видів сонячних елементів у фотоелектричній промисловості. Очікується, що світовий річний обсяг виробництва фотоелементів на рівні 100 ГВт буде досягнутий приблизно до 2020 року, і кремнієві фотоелементи є найбільш життєздатним кандидатом для задоволення цього попиту з точки зору придатності до великомасштабного виробництва.

Кристалічний кремнієвий фотоелемент є одним з багатьох напівпровідникових пристроїв на основі кремнію. Фотоелектричний елемент. це, по суті, діод з напівпровідниковою структурою. і в перші роки виробництва сонячних елементів було запропоновано багато технологій для кристалічних кремнієвих фотоелементів на основі кремнієвих напівпровідникових приладів. Синергія технологій та обладнання, розроблених для інших напівпровідникових приладів на основі кремнію, таких як великомасштабні інтегральні схеми та багато різних видів застосування кремнієвих напівпровідників, з технологіями та обладнанням, розробленими для фотоелектричних елементів, підтримувала прогрес в обох областях. Технологічні процеси, такі як фотолітографія, допомогли підвищити ефективність перетворення енергії в сонячних елементах, а технології масового виробництва, такі як різання кремнієвих злитків дротяною пилкою, розроблені для фотоелектричної промисловості, були також легко застосовні до інших напівпровідникових пристроїв на основі кремнію. Однак вартість фотоелемента на одиницю площі набагато нижча, ніж у інших напівпровідникових пристроїв на основі кремнію. Тому для здешевлення і збільшення обсягів виробництва кристалічних кремнієвих сонячних елементів необхідні такі технології виробництва, як трафаретний друк срібною пастою і випал для формування контактів. Для досягнення паритету з існуючими цінами на електроенергію в електромережі, так званого “мережевого паритету”, нижчі матеріальні та технологічні витрати є настільки ж важливими, як і вища ефективність сонячних елементів. Реалізація високоефективних сонячних елементів з низькою собівартістю процесу в даний час є найбільш важливою технічною проблемою для виробників сонячних елементів. Скорочення витрат на виробництво дорогих підкладок з високочистого кристалічного кремнію є одним з аспектів зниження вартості кремнієвих сонячних модулів. Цей огляд охоплює історичні та нещодавні технологічні досягнення в області кристалічних кремнієвих сонячних елементів з точки зору промислового застосування.

досягнення, технолог, кристалічних, кремнієвих, сонячних

Особливості стандартних кристалічних кремнієвих фотоелектричних елементів і модулів

Кристалічні кремнієві фотоелементи є найпопулярнішими сонячними елементами на ринку, а також забезпечують найвищу ефективність перетворення енергії серед усіх комерційних сонячних елементів і модулів. Структура типових комерційних кристалічних кремнієвих фотоелектричних елементів показана на рисунку 1. Стандартні елементи виробляються з використанням однієї з двох різних кремнієвих підкладок p-типу, легованих бором: монокристалічної та полікристалічної. Елементи кожного типу, як правило, мають площу 125 мм (5 дюймів) або 156 мм (6 дюймів) відповідно. Монокристалічні сонячні елементи виробляються з псевдоквадратних підкладок кремнієвих пластин, вирізаних з колонних злитків, вирощених за технологією Чохральського (CZ) (див. Рисунок 2). Полікристалічні елементи, з іншого боку, виготовляються з квадратних кремнієвих підкладок, вирізаних з полікристалічних злитків, вирощених у кварцових тиглях. Передня поверхня комірки покрита пірамідальними структурами мікрометрового розміру (текстурована поверхня) для зменшення втрат на відбиття падаючого світла. Антивідблискове покриття (ARC) з нітриду кремнію (SiNx) або оксиду титану (TiOx) накладається на текстуровану поверхню кремнію для подальшого зменшення втрат на відбиття. Кристалічні кремнієві сонячні елементи мають сильно леговані фосфором n-області (що виробляють електрони) на передній поверхні легованої бором підкладки p-типу (що приймає електрони) для формування p-n переходів. Області задньоповерхневого p поля (BSF) формуються на задній поверхні кремнієвої підкладки для придушення рекомбінації неосновних носіїв (фотогенерованих електронів). Області BSF зазвичай формуються шляхом випалу алюмінієвої пасти з трафаретного друку в стрічковій печі. Носії (електрони), що генеруються в об’ємному та дифузійному шарах кремнію, збираються срібними контактами (електродами), сформованими на передній та задній поверхнях кремнію. Передній контакт складається з ліній сітки, з’єднаних шиною, що утворюють гребінчасту структуру. Задній контакт, як правило, являє собою ряд срібних смуг, з’єднаних з передньою шиною сусіднього елемента за допомогою припаяних мідних з’єднувачів. Контакти зазвичай формуються шляхом випалу срібної пасти, нанесеної методом трафаретного друку, одночасно з випалом для формування областей BSF. Передній контакт аналогічно формується за допомогою трафаретного друку срібної пасти, що наноситься поверх шару ARC. Контакт між переднім електродом і n-областю кремнієвої підкладки досягається шляхом випалу таким чином, що срібло проникає через шар ARC. Трафаретний передній срібний контакт, підготовлений шляхом випалу для проникнення в шар ARC, є одним з найважливіших методів масового виробництва сучасних стандартних кристалічних кремнієвих елементів. Інші методи, такі як використання легованого бором BSF і нікель-мідного покриття контактів, застосовуються невеликою кількістю виробників елементів. Ефективність типових комерційних кристалічних кремнієвих сонячних елементів зі стандартною структурою знаходиться в діапазоні 16-18% для монокристалічних підкладок і 15-17% для полікристалічних підкладок. Товщина підкладки, що використовується в більшості стандартних кристалічних елементів, становить 160-240 мкм. Сонячні елементи збираються в модулі шляхом пайки і ламінування на передній скляній панелі з використанням етиленвінілацетату в якості інкапсулянта. Ефективність перетворення енергії модулів стандартних сонячних елементів приблизно на 2% нижча, ніж ефективність окремих елементів, і знаходиться в діапазоні 12-15%.

досягнення, технолог, кристалічних, кремнієвих, сонячних

Послідовність виробництва сонячних елементів з кристалічного кремнію, від сировини до модулів, показана на рисунку 2. Ланцюжок створення вартості для кристалічних кремнієвих сонячних елементів і модулів довший, ніж для тонкоплівкових сонячних елементів. Зазвичай існує три галузі, пов’язані з виробництвом сонячних елементів і модулів з кристалічного кремнію: металургійні та хімічні заводи з виробництва кремнію-сирцю, виробництво монокристалічних і полікристалічних злитків і пластин за допомогою багатодротової пилки, а також виробництво сонячних елементів і модулів. Вартість виробництва фотоелектричних модулів приблизно ділиться навпіл між виробництвом модулів сонячних елементів і виробництвом системи в цілому, яка включає інвертор, кабелі та установку. Вартість виробництва модулів сонячних батарей включає вартість кремнієвої підкладки (50%), обробку клітин (20%) і обробку модулів (30%). Тому на частку витрат сильно впливає ринкова ціна на полікремнієву сировину, а зниження вартості кремнієвої підкладки залишається одним з найважливіших питань у фотоелектричній промисловості.

Промислова мета фотоелектричної енергетики полягає в тому, щоб знизити вартість виробництва електроенергії до рівня, еквівалентного вартості електроенергії з комерційної мережі. Ефективність перетворення енергії сонячних елементів є ще одним важливим питанням, оскільки ефективність впливає на весь ланцюжок створення вартості фотоелектричної системи, від виробництва матеріалів до встановлення системи. Ефективність сонячного елемента обмежується трьома механізмами втрат: втратами фотонів через відбиття від поверхні, передачу в об’ємі кремнію і поглинання зворотного контакту; втратами неосновних носіїв (електронів в p-області і дірок в n-області) через рекомбінацію в об’ємі кремнію і на поверхні; і втратами теплового джоуля через послідовний опір в лініях електромережі і шинах, на межі контакту з кремнієм, а також в об’ємі кремнію і в області дифузії. При проектуванні сонячних елементів і технологічних процесів ці втрати мінімізуються без зниження продуктивності сонячних елементів.

Електричні характеристики сонячного елемента визначаються струмом короткого замикання (Isc), напруга холостого ходу (Voc), струм в точці максимальної потужності (Imp), напруга в точці максимальної потужності (Vmp), максимальна потужність (Pmax), коефіцієнт заповнення (FF) та ефективність перетворення енергії (η). У дослідженнях і розробках густина струму короткого замикання (Jsc) також використовується. Повітряна маса 1.5 (АМ1.5) спектральна умова (1000 Вт м-2) є стандартною умовою тестування наземних сонячних елементів. AM1 (струм короткого замикання).5 умова визначається як 1.в 5 разів перевищує спектральне поглинання земної атмосфери; на відміну від цього, спектральне поглинання для космосу дорівнює нулю (маса повітря дорівнює нулю, AM0). Сонячна енергія під AM1.5 умова використовується як вхідна енергія для розрахунку ефективності сонячних елементів. Коефіцієнт заповнення сонячного елемента і ефективність розраховуються за допомогою наступних рівнянь.

Покращення ефективності

Історичний розвиток

Лабораторія Белла виготовила перші кристалічні кремнієві сонячні елементи в 1953 році, досягнувши 4.5% ефективності, а в 1954 році з’явилися пристрої з 6% ефективністю [2,3]. За десять років, що минули з моменту першої демонстрації, ефективність кристалічних кремнієвих елементів була покращена до приблизно 15%, і вони стали достатньо ефективними для використання в якості джерел електроенергії для космічних апаратів, спеціальних наземних застосувань, таких як маяки, і споживчих товарів, таких як електронні калькулятори. Покращення ефективності дослідницьких елементів, досягнуте для різних типів сонячних елементів за останні 30 років, показано на Рисунку 3. Хоча технології кристалічних кремнієвих сонячних елементів ще не настільки ефективні, як елементи на основі одноперехідного GaAs і багатоперехідних концентраторів, вони в даний час забезпечують хороший компроміс між ефективністю і вартістю.

досягнення, технолог, кристалічних, кремнієвих, сонячних

Базова структура комірки, що використовується в сучасних промислових кристалічних сонячних елементах, яка включає такі елементи, як злегка легований шар n (0).2-0.3 мкм) для кращого відгуку в синьому діапазоні довжин хвиль, BSF, утворений p/p низько-високим переходом на тильній стороні комірки, випадковою пірамідальною структурою поверхні, що вловлює світло, і ARC, оптимізованою по відношенню до показника заломлення клею, що використовується для її склеювання, були розроблені для космічного і наземного використання в 1970-х роках. Ефективність монокристалічних елементів для космічного використання знаходиться в діапазоні 14-16% в умовах випробування “1 сонце” AM0, що еквівалентно 15-17% при AM1.5. Ці стандартні структури кристалічних кремнієвих елементів все ще використовуються в стандартних промислових кристалічних елементах, які пропонують ефективність в діапазоні 14-17%.

Ключові технології, необхідні для досягнення ефективності вище 20%, були розроблені в 1980-х і 90-х роках, і новітні високоефективні кристалічні кремнієві елементи володіють більшістю з цих характеристик (Таблиця 1).

досягнення, технолог, кристалічних, кремнієвих, сонячних

Найкращі вихідні параметри, зареєстровані для комірки HIT, яка була розроблена для промислового використання, становлять 729 мВ, 39.5 мА см-2, 0.800 і 23.0% (Voc, Jsc, FF і η) для великої площі 100.4 см 2 комірка 9. Ця комірка має унікальну гетероперехідну структуру, що складається з дуже тонких амоних p- і n-легованих шарів і власних амоних шарів на передній і задній поверхнях монокристалічної кремнієвої підкладки CZ n-типу. Ця структура гетеропереходу покращує Vзначною мірою завдяки ефекту великої енергетичної забороненої зони переднього амоного шару кремнію та відмінній якості межі поділу між амоним шаром і кристалічною підкладкою. Ця комірка має додаткову перевагу. низький температурний коефіцієнт близько 0.30 % K.1 при Pmax порівняно з приблизно 0.45 % K.1 для стандартних промислових кристалічних кремнієвих фотоелементів. Ця комірка має прозорий провідний оксид (TCO) ARC, який зменшує питомий опір передніх амоних шарів. Виразно нижча Jsc порівняно з іншими високоефективними фотоелементами, як видається, пояснюється пригніченням збору фотоструму передніми шарами амоного кремнію та об’ємним кремнієм через ефекти нижчої прозорості шару TCO порівняно з іншими ARC та/або нижчої внутрішньої квантової ефективності амоних шарів. Результатом є слабший синій відгук і нижча Jsc.

Комірка BC-BJ має переплетені між собою n- і p-леговані області та n і p-контакти на тильній поверхні. Оригінальна комірка BC-BJ, яку називають коміркою з полем на передній поверхні (FSF) або коміркою з міжрозрядним тильним контактом (IBC), була виготовлена і досліджена для космічних застосувань наприкінці 1970-х років [10,11]. Комірка з BC-BJ-структурою точкового контакту (PC), розроблена Стенфордським університетом у 1980-х роках, з самого початку давала ефективність понад 20% 12. Вперше BC-BJ елементи були виготовлені для безпілотних літальних апаратів і сонячних гоночних автомобілів компанією SunPower в 1990-х роках. У 2000-х роках комірки були поширені на великомасштабне виробництво для систем фотоелектричної генерації. Найкраща ефективність перетворення, про яку повідомлялося на сьогоднішній день для промислової комірки BC-BJ з великою площею, становить 23.4% 13. Комірка BC-BJ має пасивуючі шари на передній і задній поверхнях, поверхню для захоплення світла у вигляді випадкової піраміди, FSF, міжрозрядні n- і p-леговані області на задній поверхні, n і p контактні решітки на n- і p-легованих областях, одношарову підкладку з монокристалічного кремнію типу ARC і CZ n-типу з часом життя неосновних носіїв більше 1 мс. З усіх фотоелектричних модулів на основі кристалічного кремнію, представлених на ринку в даний час, лише модулі на основі комірок BC-BJ забезпечують можливість отримання ККД, що перевищує 20%. Кілька лабораторій та виробників вивчають методи вдосконалення конструкції та обробки BC-BJ елементів [14,15]. BC-BJ елементи мають ряд переваг у порівнянні зі звичайною структурою комірки з фронтальним контактом: відсутність затінення лінії сітки (піделектрод) або шини (головний електрод), передня поверхня з хорошими пасиваційними властивостями завдяки відсутності передніх електродів, свобода в дизайні задніх контактів (електродів) і покращений зовнішній вигляд завдяки відсутності передніх електродів. Вони також забезпечують переваги при складанні модулів, дозволяючи одночасно з’єднувати всі елементи на гнучкій друкованій схемі (див. Малюнок 4 (d)). Низький послідовний опір з’єднань, утворених за допомогою цього типу технології поверхневого монтажу, призводить до високого значення FF 0.800, в порівнянні з близько 0.75 для стандартних кремнієвих фотоелектричних модулів [16,17].

Промислові елементи

Монокристалічні сонячні елементи

Монокристалічні підкладки p-типу, нарізані з легованих бором злитків CZ, вже багато років використовуються для стандартних промислових фотоелектричних елементів. На початку розвитку наземного виробництва фотоелементів використовувалися невеликі злитки CZ діаметром 2-5 дюймів, малий розмір і висока вартість яких перешкоджали зниженню вартості монокристалічних фотоелементів. За останні 20 років багато досліджень і розробок було присвячено зниженню виробничих витрат на виробництво злитків CZ і обробку підкладок. Для виготовлення монокристалічних кремнієвих фотоелектричних елементів зараз широко використовуються пластини CZ з довжиною сторони 125 і 156 мм, нарізані зі злитків діаметром 6 і 8 дюймів, відповідно. Виготовлення монокристалічних елементів і модулів з використанням пластин того ж розміру, що і для виробництва полікристалічних елементів, підвищило конкурентоспроможність монокристалічних елементів у порівнянні з полікристалічними аналогами з точки зору собівартості виробництва на ват вихідної потужності. Монокристалічні фотоелементи становили 38% всіх сонячних елементів, вироблених у 2008 році 1.

Існує велика різниця між ефективністю найкращих дослідницьких кристалічних кремнієвих фотоелектричних елементів та відповідних промислових елементів. Ефективність стандартних промислових монокристалічних фотоелементів залишається в діапазоні 16-18%, що значно нижче, ніж 25% ефективності найкращих дослідницьких фотоелементів. Промислові комірки обмежені економічними факторами простими комірками, придатними для високошвидкісного, автоматизованого виробництва з використанням недорогих матеріалів. Прості конструктивні особливості, такі як текстурування передньої поверхні та BSF, подібні до тих, що були розроблені для наземних кристалічних кремнієвих фотоелементів на початку 1980-х років, все ще використовуються в більшості сучасних промислових кристалічних фотоелементів. Щоб підвищити ефективність клітин, багато виробників клітин систематично намагаються впровадити високоефективні функції, такі як більш тонкі лінії решітки, селективні випромінювачі або більш дрібно леговані n-області, в існуючі виробничі процеси. BC-BJ-елементи і HIT-елементи мають виключно високу ефективність для промислових монокристалічних фотоелементів, але мають складну структуру, яка вимагає набагато більш тривалого виробничого процесу і більш спеціалізованого обладнання в порівнянні з іншими промисловими фотоелементами. В результаті, цим вдосконаленим типам комірок і модулів важко конкурувати на комерційній основі з точки зору собівартості виробництва на ват вихідної потужності. Залишається дилема в балансі між підвищенням ефективності та зниженням вартості сонячних елементів і модулів з використанням існуючих технологій виробництва. Тому необхідні інноваційні та прості виробничі технології та обладнання для виготовлення високоефективних сонячних елементів, щоб реалізувати значне зниження витрат на виробництво кристалічних кремнієвих фотоелектричних модулів.

Іншим недоліком монокристалічних технологій є те, що монокристалічні елементи на основі кремнієвих підкладок CZ p-типу схильні до світлоіндукованої деградації (LID), спричиненої рекомбінацією реакційноздатних бор-кисневих комплексів (B s-O 2i). Було проведено багато досліджень, спрямованих на усунення ефекту LID в монокристалічних кремнієвих фотоелементах, і повідомлялося про постійну дезактивацію комплексу при високій температурі (170 °C) 18. Для усунення LID-ефекту в монокристалічних сонячних елементах перспективними є також магнітопольові пластини CZ, леговані бором, та пластини CZ, леговані галієм, а також кремній-кремнієві елементи на основі n-типу CZ, легованого фосфором, також позбавлені LID-ефекту. Високоефективні фотоелементи компаній SunPower і Sanyo виготовляються на основі кремнійорганічних пластин n-типу.

Полікристалічні сонячні елементи

Полікристалічні кремнієві злитки та пластини були розроблені як засіб зниження витрат на виробництво кремнієвих злитків і досліджуються з середини 1970-х років [19,20]. Сучасні полікристалічні печі розраховані на максимальну продуктивність, відливання злитків вагою близько 450 кг. Полікристалічні фотоелементи в даний час є найбільш поширеними елементами, на які припадає близько 48% світового виробництва сонячних елементів у 2008 році1. Стандартні полікристалічні промислові фотоелементи мають ефективність 15-17%, що приблизно на 1% нижче, ніж у монокристалічних фотоелементів, виготовлених на тих же виробничих лініях. Ефективність полікристалічних модулів, однак, майже така ж, як і у монокристалічних елементів (14%) через вищий коефіцієнт упаковки квадратних полікристалічних елементів; монокристалічні елементи виготовляються з псевдоквадратних пластин CZ і мають відносно низький коефіцієнт упаковки.

Ефективність як монокристалічних, так і полікристалічних фотоелементів буде покращуватися в майбутньому завдяки впровадженню високоефективних структур. Очікується, що різниця в ефективності між монокристалічними та полікристалічними елементами стане більшою з впровадженням таких високоефективних структур через різницю в якості кристалів (i.e. час життя неосновних носіїв). Найкраща з сучасних дослідницьких полікристалічних кремнієвих комірок, комірка PERL, розроблена Fraunhofer ISE 21. забезпечує ефективність перетворення енергії на рівні 20.3%. Ця комірка PERL має контактну задню структуру з лазерним випалюванням, що дає Vдосягає 664 мВ. Ефективність цієї полікристалічної комірки, однак, залишається приблизно на 5% нижчою, ніж у найкращих монокристалічних PERL-комірок, що пояснюється, головним чином, якісною різницею між моно- і полікристалічними підкладками. Полікристалічні підкладки схильні до більш високих швидкостей рекомбінації неосновних носіїв як на активних границях зерен, так і всередині кристалічних зерен через високу щільність дислокацій і домішок у порівнянні з монокристалічними підкладками FZ або CZ. Протягом багатьох років як державними, так і промисловими лабораторіями було проведено значну кількість досліджень і розробок для підвищення ефективності полікристалічних сонячних елементів, і останні високоефективні полікристалічні кремнієві сонячні елементи тепер мають характеристики, перелічені в Таблиці 2. Ці характеристики в цілому такі ж, як і для недавніх монокристалічних сонячних елементів.

досягнення, технолог, кристалічних, кремнієвих, сонячних

EWT-елементи мають більшу кількість близько розташованих наскрізних отворів, які спрямовують фотогенеровані електрони на зворотну поверхню виключно через n-леговані емітери. EWT-елементи виробляють ще вищі фотоструми завдяки усуненню затінення як шини (головний електрод), так і лінії сітки (піделектрод) на передній поверхні. Високий Jsc of 37.5 мА см-2 і ефективність 17.1% нещодавно повідомлялося про EWT-елементи від Q-Cells. Метою для промислових полікристалічних фотоелементів є досягнення середньої ефективності фотоелементів на рівні 17% у великомасштабному виробництві 24.

Було досліджено багато методів для покращення якості полікристалічних підкладок до рівня більш дорогих монокристалічних підкладок CZ. Метод дендритного лиття є одним з таких підходів, який дозволяє контролювати орієнтацію і розмір зерен, що призводить до отримання високоякісних дендритних кристалів з паралельним двійникуванням. Сонячні елементи на основі дендритних полікристалічних пластин демонструють ефективність до 17%, що можна порівняти з ефективністю монокристалічних елементів CZ, виготовлених за тією ж технологією 27.

Матеріали та обробка

Сировинний полікремнієвий матеріал високої чистоти, що використовується для виготовлення кристалічних кремнієвих сонячних елементів, як правило, виготовляється за методом Siemens. Ринкова ціна на сировинний кремній залежить від балансу попиту і пропозиції на виробництво сонячних елементів і напівпровідників і може помітно коливатися. У 2006-2008 роках, наприклад, вартість сирого кремнію як частка загальної вартості модуля сонячних елементів підскочила з 20-30% до більш ніж 50% через дефіцит кремнію на ринку. Зниження вартості кремнію в модулі за рахунок зменшення товщини підкладки є важливим аспектом досягнення загального зниження вартості модулів сонячних елементів. Нарізка пластин дротяною пилкою є однією з ключових технологій виробництва промислових кристалічних кремнієвих фотоелектричних елементів, і вдосконалення технології нарізки пластин призвело до зменшення товщини сирих пластин з 370 мкм до 180 мкм з 1997 року для промислових полікристалічних кремнієвих фотоелементів Sharp Для впровадження пластин товщиною менше 150 мкм будуть потрібні складні виробничі процеси, придатні для ультратонких пластин, і ці процеси повинні забезпечувати високу швидкість обробки і високий вихід продукції на кожному з технологічних етапів нарізки пластин, виготовлення комірок і збірки модулів.

досягнення, технолог, кристалічних, кремнієвих, сонячних

За останні чотири десятиліття було запропоновано кілька альтернативних методів вирощування полікристалічних підкладок безпосередньо з розплавленого кремнію, в тому числі вирощування з плівки з крайовим живленням (EFG), вирощування стрічкових підкладок (SRG) та вирощування стрічок на підкладці (RGS) [28-30]. Ці методи потенційно дозволяють зменшити кількість кремнію, що використовується у виробництві фотоелектричних елементів. Методи EFG та SRG використовуються в промислових масштабах компаніями SCHOTT Solar та Evergreen Solar, відповідно 31. Перевагами цих двох методів є низьке споживання кремнію на вагу та висока ефективність комірки в порівнянні з методом RGS. Ці методи дозволяють отримати недорогі, але злегка хвилясті полікристалічні підкладки в порівнянні зі стандартними полікристалічними підкладками. Нещодавно виготовлені комірки на основі підкладок, вирощених прямим методом, мають майже таку ж ефективність, як і стандартні полікристалічні комірки з литого кремнію. Однак менші комірки на основі EFG і SRG, які приблизно вдвічі менші за стандартні промислові комірки, мають вищі витрати на обробку комірок і модулів. Метод кристалізації на зануреній підкладці, який може бути використаний для виробництва пластин стандартного розміру (156 мм × 156 мм) безпосередньо з розплавленого кремнію в тиглі, нещодавно був запропонований компанією Sharp 32.

Передній емітерний шар кристалічних кремнієвих фотоелементів формується методами дифузії фосфору в кварцовій трубці або стрічковій печі. Твердий P2O5 або рідкий POCl3 використовується як джерело дифузії фосфору. Методи дифузії фосфору, які використовують ефекти гетерування для зменшення густини домішок у кремнієвій пластині і, таким чином, збільшення часу життя неосновних носіїв, виявилися ефективними за умови, що дифузія проводиться в умовах перенасичення фосфором (рівень легування вище твердої розчинності в кремнії) [33-35].

Шари BSF в промислових елементах формуються шляхом легування трафаретного друку алюмінієвої пасти в стрічковій печі. Цей процес забезпечує високу продуктивність і відносно низьку вартість процесу формування BSF. Легування алюмінієвою пастою має додаткову перевагу в індукуванні ефектів гетерування пластин як в полікристалічних, так і в монокристалічних кремнієвих фотоелектричних елементах, подібно до технологій дифузії фосфору [36,37]. Металеві домішки, такі як залізо або мідь, можуть бути усунені з об’ємного кремнію за допомогою ефектів гетерування алюмінію, що може покращити довжину дифузії неосновних носіїв.

Трафаретний друк і випал срібної пасти для контакту з об’ємною поверхнею кремнію шляхом проникнення в ARC є добре відпрацьованим, простим і швидким процесом для формування передніх і задніх електродів. Це також найпоширеніший і найдешевший метод формування електродів у промислових кристалічних кремнієвих фотоелектричних елементах. передні лінії сітки спроектовані таким чином, щоб оптимізувати компроміс між тіньовими втратами і послідовним опором. В якості альтернативи методу трафаретного друку срібної пасти, дослідники з UNSW розробили електроди з шаруватого нікелю, міді та срібла для використання в заглиблених контактних елементах [38,39]. Елемент BC, виготовлений компанією BP Solar, показаний на рисунку 4 (e) 40. Кристалічні кремнієві фотоелементи з гальванічним покриттям мають відмінні електричні характеристики завдяки низькому послідовному опору і тонким лініям решітки, що призводить до набагато меншої тіньової площі. Однак, покриті електроди, які формуються мокрим способом, ще не набули такого широкого застосування, як електроди зі срібної пасти, що наносяться методом трафаретного друку. Срібло, що використовується в якості електродного матеріалу в кристалічних кремнієвих елементах, стане критично важливим матеріальним ресурсом, коли виробництво кристалічних кремнієвих сонячних елементів досягне великих обсягів, які прогнозуються в майбутньому. Тому мідь та алюміній розглядаються як замінники срібла в кремнієвих фотоелектричних контактах.

Погляди на сонячні елементи з кристалічного кремнію в майбутньому

Для досягнення паритету з мережею промисловий модуль сонячних елементів повинен досягти рівня ціни 1/Вт при загальному рівні ціни системи 2/Вт, а для того, щоб стати конкурентоспроможним з вугільною або атомною генерацією, необхідно забезпечити масове виробництво з загальною вартістю системи менше 1/Вт. Досягнення навіть ціни модуля в 1/Wp вимагатиме виробництва модулів з собівартістю менше 0.7/Wp. Хоча така низька вартість залишається дуже складним завданням для модулів на основі кристалічних кремнієвих сонячних елементів, зниження вартості до такого рівня вважається можливим на основі технологій, представлених в цьому огляді, і зниження вартості повинно бути досягнуто, поки державні стимули для фотоелектричних систем залишаються чинними. Очікується, що річний обсяг виробництва всіх видів сонячних елементів перевищить 100 ГВт/рік приблизно до 2020 року. Модулі з кристалічних кремнієвих фотоелементів мають довгу історію перевіреної експлуатації в польових умовах і пропонують високу ефективність при менших ресурсних витратах, ніж багато конкуруючих технологій. Очікується, що в майбутньому фотоелементи з кристалічного кремнію будуть широко представлені на ринку сонячних елементів.

Щоб досягти цих майбутніх цінових рівнів, для сонячних елементів і модулів з кристалічного кремнію знадобляться нові технології, перераховані в Таблиці 3. Нові технології для подолання бар’єру ефективності в 25% для кристалічних кремнієвих фотоелементів вивчаються багатьма дослідниками та інститутами по всьому світу, але практичних поліпшень ефективності фотоелементів поки що не відбулося. Пікова теоретична ефективність кристалічного кремнієвого сонячного елемента на основі одного гомопереходу з енергетичною забороненою зоною об’ємного кремнію 1.1 еВ становить 30% при освітленні 1 сонцем AM1.5 освітлення. Щоб подолати цю ідеальну межу ефективності, засновану на існуючій теорії сонячних елементів Шоклі і Квейссера, були запропоновані і вивчені багатьма дослідниками нові технології, засновані на структурах квантових точок (QD) і квантових ям, що вивчаються багатьма дослідниками. Багатоперехідні конструкції були випробувані в різних формах для підвищення ефективності сонячних елементів, що виходять за рамки ефективності одноперехідних елементів. Наприклад, очікується, що сонячний елемент з потрійним переходом і кремнієвим нижнім елементом дасть ефективність більше 40%. Дослідники з UNSW також запропонували сонячний елемент з тандемним переходом на основі кремнію, що включає кремнієву технологію QD 41. Ефективна ширина забороненої зони до 1.7 еВ була продемонстрована для кремнієвих КД діаметром 2 нм, вбудованих в SiO2 42. Управління фотонами, таке як перетворення вгору і вниз і плазмові ефекти, є іншими потенційними підходами, які можуть додати додаткову ефективність на основі існуючих високоефективних кремнієвих елементів [43-45]. Ці технології спрямовані на зміщення енергії фотонів сонячного світла відповідно до чутливості сонячного елемента шляхом додавання спеціальних оптичних властивостей (e.g. шар флуоресцентного покриття, що включає рідкоземельні елементи для перетворення випромінювання вгору і вниз) на передню і/або задню поверхню елементів без зміни структури самого сонячного елемента.

Однак ці високоефективні технології, як правило, вимагають більш високих виробничих витрат у порівнянні зі стандартними кремнієвими елементами. Технології виробництва елементів і модулів, які відповідають одночасно високій ефективності і низькій вартості, будуть мати важливе значення для промислового виробництва в найближчому майбутньому. Буде цікаво спостерігати за впливом нових технологій, таких як QD і управління фотонами, оскільки дослідження і розробки кристалічних кремнієвих сонячних елементів тривають.

Інформація про автора

Китайські потужності з виробництва сонячних батарей можуть досягти 600 ГВт до кінця року

Азійсько-європейська консультативна рада з питань чистої енергії (сонячної) виявила, що більшість запланованих нових потужностей з виробництва сонячних елементів пов’язана з високоефективними технологіями клітин n-типу, такими як TOPCon та HJT.

досягнення, технолог, кристалічних, кремнієвих, сонячних

Поділитися

Загальна річна потужність виробництва сонячних елементів та модулів у Китаї може збільшитися з 361 ГВт наприкінці минулого року до 600 ГВт наприкінці 2022 року, згідно з даними Азійсько-Європейської консультативної ради з питань чистої енергії (сонячної) (AECEA).

” З січня 20 компаній заявили про розширення виробництва модулів загальною потужністю 380 ГВт, яке планується здійснити протягом найближчих кількох місяців або до 1,5 років”. повідомили в аналітичній компанії, зазначивши, що більша частина цих потужностей відноситься до модулів n-типу, вироблених з тунельними оксидними пасивуючими контактами (TOPCon) сонячних елементів або панелей на основі елементів з гетеропереходом (HJT). “Як повідомляється, плани розширення, пов’язані з TOPCon, перевищують 220 ГВт, в той час як HJT наближається до позначки в 150 ГВт. Наприклад, нещодавно одна з компаній HJT провела онлайн-пітчинг, і, за їхніми словами, майже 800 осіб приєдналися до цього заклику”. додали вони.

На сьогоднішній день в цьому році випуск полікремнію, пластин, осередків і модулів вже перевершив досягнення китайської фотоелектричної промисловості в 2021 році приблизно на 50%. “До червня поставки модулів ТОП-10 виробників перетнули позначку в 100 ГВт, а до кінця вересня могли досягти 140-150 ГВт (2021: 133 ГВт)”. зазначили в AECEA. “Лише п’ять з цих 10 найбільших компаній встановили цільові показники відвантаження в межах 183-205 ГВт.”

Популярний контент

Крім того, AECEA виявила, що потужності з виробництва полікремнію в країні повинні зрости з приблизно 530 000 МТ на кінець 2021 року до 1.2 мільйони тонн у 2022 році, підскочивши до 2.5 млн т у 2023 році та до 4 млн т у 2024 році.

“У найближчій перспективі загальний промисловий ландшафт принципово не зміниться. “Діючі компанії продовжують консолідувати свої ринкові позиції за рахунок зворотної/прямої інтеграції”. заявили в AECEA. “За великим рахунком, вертикальна інтеграція залишається їх улюбленою бізнес-моделлю, яка в часи обмежень зовнішніх поставок або залежності від зовнішніх поставок набуває все більшої ваги.”

Цей контент захищений авторським правом і не може бути використаний повторно. Якщо ви бажаєте співпрацювати з нами і хочете використати частину нашого контенту, будь ласка, зв’яжіться з нами за адресою: editors@pv-magazine.com.

Еміліано Белліні

досягнення, технолог, кристалічних, кремнієвих, сонячних

Еміліано приєднався до pv magazine у березні 2017 року. Висвітлює питання сонячної та відновлюваної енергетики з 2009 року.

Від піску до сонячних панелей: Відкриваємо шлях виробництва сонячних панелей

Підписавшись, ви погоджуєтеся з нашими Умовами використання та політикою Ви можете відмовитися від підписки в будь-який час.

Світ прагне перейти на більш стійкі джерела енергії та зменшити свою залежність від викопного палива. Як наслідок, відновлювана енергетика стає все більш популярною. Міжнародна аудиторська компанія BDO Global прогнозує, що до 2024 року майже 33 відсотки світової електроенергії вироблятиметься з відновлюваних джерел.

Сонячна енергетика, зокрема, є одним з найперспективніших варіантів чистої енергії, і її використання стрімко зростає у всьому світі. Деякі джерела повідомляють, що на сонячну енергетику зараз припадає більше половини нових генеруючих потужностей в США.

У цьому контексті знайомство з сонячними панелями є актуальним. Один з найдивовижніших фактів про них полягає в тому, що вони насправді зроблені з піску. Але як пісок перетворюється на сонячні панелі?

Ось все, що вам потрібно знати про інженерію, яка стоїть за кремнієвою фотоелектричною технологією.

Роль піску в процесі виробництва сонячних панелей

Пісок є однією з основних сировинних матеріалів у виробництві сонячних панелей.

На відміну від інших сировинних матеріалів, пісок є досить звичайним і широко доступним у більшості частин світу. Однак він не нескінченний. За даними CNBC, пісок є найбільш споживаним природним ресурсом після води, і незабаром може виникнути дефіцит піску.

Це пов’язано не з виробництвом сонячних панелей, а з тим, що будівельний сектор має високий попит на пісок. Зрештою, пісок використовується як дрібний заповнювач у виробництві бетону.

досягнення, технолог, кристалічних, кремнієвих, сонячних

Пісок також є однією з основних сировинних матеріалів для скла у наших вікнах та екранів наших смартфонів, а також однією з сировинних матеріалів для кремнієвих чіпів у телефонах, комп’ютерах та інших електронних пристроях.

Пісок має кілька властивостей, які роблять його придатним для всіх цих застосувань:

  • Пісок складається із зерен, і ці зерна можуть заповнювати проміжки в частинках цементу, тому його змішують з гравієм для виробництва бетону. Пісок забезпечує структурну міцність бетону.
  • Високий вміст кремнезему в піску дозволяє йому плавитися при високих температурах і утворювати розплавлений скляний матеріал. При охолодженні скло зберігає свою прозорість, дозволяючи пропускати світло, захищати та ізолювати.
  • Кристалічна структура кремнію, отриманого з піску, має унікальні напівпровідникові властивості, які дозволяють високо контролювати потік електричних струмів.саме тому кремній присутній в електронних пристроях. Він є ключовим компонентом діодів, транзисторів та мікросхем.

Однак, зокрема, для виробництва сонячних панелей підійде не будь-який пісок. Використовуваний пісок повинен мати високий вміст діоксиду кремнію. Це важливо, оскільки діоксид кремнію є основним джерелом кремнію і має важливе значення у виробництві пластин, як ми пояснимо нижче.

Перший крок: Видобуток і очищення кремнезему

Для виготовлення сонячних панелей пісок, багатий на діоксид кремнію, необхідно видобувати з природних родовищ, таких як піщані шахти або кар’єри, де пісок часто складається з кварцу, форми кристалічного діоксиду кремнію.

Пісок промивають, щоб видалити домішки, такі як глина, органічні речовини та інші мінерали. Потім його очищають за допомогою хімічних методів обробки. Одним з поширених методів є кислотне вилуговування, коли пісок змішується з розчином кислоти. наприклад, сірчаної кислоти. для розчинення домішок і відокремлення кремнезему.

Після цього кремнезем нагрівають при високих температурах, як правило, в печі, щоб усунути будь-які залишкові органічні матеріали і перетворити його на кремнезем високої чистоти.

Другий крок: Виробництво полікремнію

Високочистий діоксид кремнію є ключовим для виробництва полікремнію, також відомого як полікристалічний кремній. Ця високочиста форма кремнію використовується як сировина для сонячних елементів.

Для його отримання очищений кварцовий пісок змішують з багатими на вуглець матеріалами, такими як вугілля або нафтовий кокс. Після цього суміш піддається впливу потоку газоподібного хлору при високих температурах, утворюючи трихлорсилан (SiHCl3). Цей процес називається хлоруванням.

досягнення, технолог, кристалічних, кремнієвих, сонячних

Трихлорсилан, результат хлорування, далі обробляється методами дистиляції та очищення. У процесі дистиляції трихлорсилан нагрівають, щоб розділити його на компоненти. Очищений трихлорсилан знову перетворюється в кремній дуже високої чистоти шляхом реакції з газоподібним воднем (H2). Результатом цього процесу є полікремній.

Виробництво полікремнію вимагає суворих заходів контролю якості для забезпечення високого рівня чистоти, необхідного для досягнення оптимальної продуктивності сонячних елементів.

Третій етап: Виробництво кремнієвих злитків і пластин

Полікремній плавиться в тиглі або печі в контрольованих умовах. Розплавлений полікремній ретельно підтримується при високих температурах, щоб забезпечити однорідність і консистенцію.

Потім розплавлений полікремній твердне за допомогою процесу росту кристалів, відомого як метод Чохральського (CZ). Затравку, зазвичай виготовлену з монокристала кремнію високої чистоти, занурюють у розплавлений полікремній і повільно витягують при обертанні. У міру підняття затравковий кристал набуває циліндричної форми і втягує в себе розплавлений полікремній. Ця рідка маса охолоджується в процесі спрямованого затвердіння до тих пір, поки не утворює крупнозернистий злиток мультикристалічного кремнію.

(Іноді використовується менш поширений процес, який передбачає використання газоподібних сполук кремнію для нанесення тонкого шару атомів кремнію на кристалічний шаблон у формі пластини).)

досягнення, технолог, кристалічних, кремнієвих, сонячних

Потім кремнієві злитки механічно нарізають на тонкі круглі пластини за допомогою прецизійної техніки пиляння. Ці пластини зазвичай мають товщину близько 200-300 мікрометрів і діаметр 150-200 міліметрів. Більші пластини. з діаметром 300 міліметрів і більше. ще більш ефективні.

Нарізані пластини повинні пройти кілька процесів обробки поверхні, щоб усунути будь-які домішки, шорсткості або дефекти. Це включає хімічне травлення для усунення механічних пошкоджень на поверхні пластини, полірування глиноземним абразивом на притиральній машині для поліпшення паралельності поверхні, а також очищення для забезпечення гладкості, чистоти та оптимізації поверхні пластини для подальшої обробки.

Очищені та перевірені пластини потім легуються спеціальними матеріалами, такими як фосфор або бор, для створення різних областей з різними електричними властивостями.

Після легування пластини проходять процес пасивації для підвищення ефективності та зменшення поверхневої рекомбінації. Пасивація передбачає нанесення тонкого шару ізоляційного матеріалу, такого як нітрид кремнію або діоксид кремнію, на поверхню пластини, щоб мінімізувати рекомбінацію електронів і дірок, тим самим підвищуючи загальну продуктивність сонячних елементів.

Пластини, виготовлені з кремнієвих злитків, служать будівельними блоками для окремих сонячних елементів. Ці пластини проходять подальшу обробку, включаючи нанесення контактів, антивідблискових покриттів та інших необхідних шарів, інкапсуляцію склом і полімерними оболонками, а також ламінування, щоб перетворити їх на повноцінні сонячні елементи.

Готова панель має раму, ущільнювач країв і з’єднувальну коробку. Також прокладаються електричні кабелі, які передають струм від однієї панелі до іншої.

Ці взаємопов’язані, інкапсульовані та зібрані сонячні елементи утворюють цілі сонячні модулі або панелі, які потім встановлюються на будинках та інших будівлях.

Процес виробництва сонячних панелей

Сонячна панель містить набір сонячних елементів, функція яких полягає в перетворенні сонячного світла в електричну енергію. Основним матеріалом для виробництва сонячних панелей є кремній. Багато сонячних панелей, які ви бачите на дахах, є монокристалічними або полікристалічними. Процес виробництва сонячної панелі визначає її ефективність.

Оскільки люди переходять на сонячну енергію, корисно знати кілька речей про те, як виробляються сонячні панелі. У цій статті ми розглянемо кілька речей, які потрібно знати про виробництво сонячних панелей. Давайте почнемо.

Історія сонячної енергії

досягнення, технолог, кристалічних, кремнієвих, сонячних

Завдяки дослідженням в цій галузі, ефективність сонячних панелей змінилася з моменту їх винаходу. До появи перших кремнієвих фотоелектричних елементів у 1954 році кілька вчених зробили свій внесок у розвиток сонячної енергетики в тому вигляді, в якому ми знаємо її сьогодні. Кремнієвий елемент, виготовлений у 1954 році, мав 4% ефективності. У міру розвитку досліджень ефективність сонячних панелей продовжувала зростати.

В даний час сонячні елементи, що використовуються, можуть задовольнити попит на електроенергію для комерційних і домашніх потреб. Сонячні панелі також встановлюються для виробництва електроенергії для живлення бізнесу та виробничих операцій. Оскільки подальші дослідження сонячної енергії продовжуються, вона може стати кращим джерелом для управління економікою.

Сировина для сонячних панелей

Першим важливим компонентом, необхідним для виготовлення сонячних елементів, є чистий кремній. Однак кремній не є чистим у своєму природному стані. Його отримують з кварцового піску в печі, що вимагає дуже високих температур. Природний пляжний пісок є основним компонентом у виробництві чистого кремнію. Хоча цей ресурс у світі є досить поширеним, процес отримання чистого кремнію є дорогим і вимагає багато енергії.

Процес виробництва сонячних панелей

Першим процесом у виробництві сонячних панелей є очищення кремнію від кварцового піску. Після очищення кремнію його збирають у тверді породи. Потім ці породи розплавляються разом, утворюючи циліндричні злитки. Для досягнення бажаної форми використовується сталева та циліндрична піч. Під час виробництва особлива увага приділяється тому, щоб усі атоми вирівнювались у потрібній орієнтації та структурі.

Щоб надати кремнію позитивну електричну полярність, в процес включається бор. Для виготовлення монокристалічних елементів виробник використовує лише один кристал кремнію. В результаті такі сонячні панелі мають високу ефективність. Однак вони мають більш високу вартість.

Для полікристалічних елементів виробники плавлять кілька кристалів кремнію разом. Ці панелі мають вигляд кришталевого скла, отриманого з різних кристалів кремнію. Після того, як сформований злиток охолоне, його зачищають і полірують, щоб залишити плоскі сторони.

Виготовлення вафель

Наступний крок у виробництві сонячних панелей після виготовлення злитків. Для виготовлення вафель циліндричний злиток тонко нарізають на тонкі диски. Це робиться по одному за допомогою циліндричної пилки. Виробники також можуть використовувати багатодротяну пилу, щоб розрізати багато злитків за один раз.

Тонкий кремній блискучий, що відбиває світло. На диски наносять тонке антивідблискове покриття, яке зменшує кількість втраченого сонячного світла. Антиблікове покриття зазвичай виготовляється з діоксиду титану та оксиду кремнію, але можуть використовуватися й інші матеріали.

Цей матеріал для покриття можна нагрівати до кипіння молекул, або ж розпилювати шляхом розпилення. У процесі розпилення виробники використовують високу напругу, щоб дізнатися молекули дропшипінгу матеріалів і осадити їх на кремнії.

Пластини можна додатково відполірувати, щоб видалити сліди від пилки. Однак деякі виробники вирішують пропустити ці кроки, оскільки сліди від пилки допомагають підвищити ефективність.

Виготовлення сонячних елементів

Виробники виконують кілька кроків для перетворення кремнієвих пластин у придатні для використання сонячні елементи. Вони обробляють кожну пластину і додають металеві провідники на поверхню. Додані провідники призводять до появи на поверхні матриці, схожої на сітку. Вони забезпечують перетворення сонячного світла в електрику.

Покриття на кремнієвих пластинах зменшує відбиття сонячного світла, забезпечуючи його поглинання, що призводить до збільшення виробництва. У камерах, схожих на печі, фосфор від виробника наноситься тонким шаром на поверхню пластин. Фосфорні заряди покривають пластини з негативною електричною орієнтацією.

Від сонячних елементів до сонячних панелей

Після того, як сонячні елементи виготовлені, виробники з’єднують їх за допомогою металевих з’єднувачів. Сонячні панелі. це комбінація сонячних елементів у матричній структурі. Це ринковий стандарт сонячних панелей:

  • Панелі на 48 фотоелементів. ідеально підходять для невеликих дахів житлових будинків.
  • 60-коміркові панелі. стандартний розмір.
  • Панелі на 72 комірки. підходять для великомасштабних установок

Після того, як виробники з’єднують сонячні елементи, тонкий скляний корпус розміщується на стороні, зверненій до сонця. Вони також використовують високоміцний матеріал на основі полімеру для виготовлення задньої панелі. Це запобігає потраплянню води, ґрунту та інших речовин на сонячні елементи.

Щоб забезпечити з’єднання з модулями, додається з’єднувальна коробка. Після завершення цього етапу виробник додає рамку, що забезпечує більший захист комірок. Етилен-вінілацетат або EVA (Plaid) використовується, щоб зв’язати все разом.

Тестування сонячних панелей

Після завершення виробництва сонячних модулів проводиться тестування, щоб переконатися, що вони відповідають очікуваним характеристикам. Зазвичай використовують STC (стандартні умови випробувань). Після тестування сонячні панелі очищаються та перевіряються, і модель відправляється власникам будинків.

Ефективність сонячних панелей продовжує зростати. Оскільки багато власників будинків і підприємств обирають чисту енергію, очікується, що галузь виробництва сонячних батарей буде зростати. Є надія, що витрати на виробництво сонячних батарей будуть продовжувати знижуватися, оскільки дослідження постільна білизна та розробки тривають.

Залишити відповідь