ЕНЕРГИЯ - Списание за оборудване, технологии и инженеринггодина VII, брой 4, 2015

Фотоволтаичен палиндром

Фотоволтаичен палиндром

Концепцията за двулицевото поглъщане на светлина от клетката е възможно да стане следващата стъпка от повишаването на ефективността на фотоволтаичните панели. В същото време методите за оценяване на характеристиките й все още имат нужда от подобрения.
Лексикологичната изкусност на един палиндром – например думата „радар”, която се чете еднакво отляво надясно и отдясно наляво, може да бъде забавна. Но също така е и един добър бизнес с фотоволтаици.
Нека вземем за пример концепцията за огледален образ на двустранните двулицеви клетки. Тази стара технология бавно започва да привлича интереса на много изследователски екипи и компании.


Според някои компании отговорът на този въпрос е Да. Причината – една двулицева фотоволтаична система, разположена на плосък покрив и боядисана в бяло може да увеличи изходната мощност с над 20%. Един 250W модул може да произведе 307W.

За разлика от традиционните соларни клетки, двулицевите клетки използват и задната си повърхност за да улавят фотони, като по този начин увеличават генерираната енергия. В зависимост от дизайна на системата и албедото – отражателната способност – на инсталацията, модулите, използващи двулицеви клетки, са способни да абсорбират дифузираната светлина и тази от околната среда, които в противен случай остават неоползотворени. По принцип тези клетки имат метални контакти от двете страни. Някои структури на клетките със заден контакт показват определено ниво на „двулицевост”.

Двулицевите клетки в началото
Но след като добивът е толкова по-висок, защо тази технология не се е превърнала в успех? Защото количеството натрупана енергия зависи от редица фактори – отношението дифузия/глобална радиация, конкретният сезон, албедото на повърхността под панелите, повдигането на модула и ъгълът на наклон. С други думи – тя е специфична за приложението. Но за двулицевата технология липсват подходящи тестови процедури, за да се определят точно ползите.

Двулицевата технология изглежда като обещаваща технология, която все още е във фаза на популяризиране, но всъщност тя е толкова, ако не и по-стара от самия фотоволтаичен пазар.

Ранните разработки на двулицевата технология се базират предимно на три различни структури на клетките – двойно свързани клетки, концепция за клетки със задна повърхностна площ (back surface field – BSF) и клетки с диелектрични пасивиращи слоеве.

Първата двулицева клетка се е базирала на двойно свързващата технология. През 1960г. японски изследовател е направил опит да създаде двулицева соларна клетка, подобна на транзистор, базирана на силициев субстрат от тип n, чрез формирането на p+-n-p+ структура с p-n преход от двете страни. Тези промени са довели до по-добра абсорбция на дълговълнови фотони от задната страна.

Оттогава насам много изследователи са проучвали тази концепция, но предимно за p-субстрати, следващи n--p-n+ структура. Първите правдоподобни резултати са били отчетени през 1981г., когато испански учен достига 12,7% ефективност при използването на p+-n-p+ структура, но при площ на клетките едва 4cm2. През 2000г. Hitachi правят огромен скок, постигайки 21,3% ефективност за предната и 19,8% за задната част на транзисторна двулицева соларна клетка.

Друга област на проучване е била двулицева BSF клетка с ковалентни p-p+ или n-n+ връзки на противоположната повърхност, където се намира хетерополярният p-n преход. Тази концепция е била разработена и патентована от руски екип учени, които използвали комбинация от дифузия на фосфор и бор. През 1981г., по същото време когато са били проучвани двойно свързаните клетки, испански учени са успели да достигнат ефективност от 15,7% на предната и 12,7% на задната страна на клетката. Тази соларна клетка с площ 5cm2 е била проектирана за работа при 5-7 слънца поради високата си концентрация на примеси. През 1984г. компаниите Solarex и SEG-Telefunken разработват двулицеви BSF клетки за приложение в космонавтиката. По-късно, през 1994г., екип от Университета на Мадрид постига ефективност от 19,1% за предната и 18,1% за задната страна на клетки с BSF структура с текстурирана повърхност и оптимизиран фосфорен емитер. През същата година австралийският Университет на Нов Южен Уелс изобретява първите двустранни клетки с подземен контакт. Десетилетие по-късно, през 2004г. те предлагат двулицева BSF клетка, която е била базирана на лазерно „гравиран” заден контакт и дифузия на бор.

Що се отнася до клетките с диелектрични пасивиращи слоеве, първите открития датират от 1978г. Това се случва когато бразилски учен, съвместно с мексикански екип, разработва n+-p двулицева клетка с диелектрично пасивиране, която е имала ефективност от 7% с фактор на двулицевост от 63%. Това вероятно е най-простата двулицева структура, при която цялата задна метална част на конвенционалната соларна клетка е заменена от решетка, при която отворената площ е пасивирана с диелектричен филм или „стек”. Докато мексиканските изследователи нанасяли тънък оксид като пасивиращ материал, по-късно обект на проучвания става термично добитият силициев оксид. През 1987г. немски учени съобщават за достигане на ефективност от 15% за предната и 13,2% за задната страна, постигнато при използването на слоеве силициев нитрид, положени чрез използването на плазмо-химично утаяване в газова фаза, но тази клетка е използвала емитер с инверсия на слоевете метал-изолатор-полупроводник. Само десет години след това е била разработена двулицева клетка, базирана на дифузиран p-n преход, с ефективност от 20,1% за предната и 17,2% за задната страна.

Първи опити за комерсиализация
Няколко компании са правили опити да развият тази технология, но с минимален успех. Въпреки, че са били изградени инсталации, които да служат като доказателство за предимствата на технологията на двулицевите клетки, тази концепция не е изиграла особено голяма роля при глобалните фотоволтаични инсталации. Една от причините е, че двулицевите модули се произвеждат предимно за нишови пазари и специални приложения, като например звукови бариери и сградно инсталирани фотоволтаици. Малко компании са показали интерес към производството на двулицеви клетки, а от тези които са го направили малцина са достигнали комерсиална фаза.

Японските опити за създаване на двулицеви клетки
През 2000г. японската компания Sanyo Electric комерсиализира двулицеви модули, базирани на патентованата технология за хетеропреход на компанията, наречена HIT (хетеропреход с вътрешен тънък слой). Технологията вече е позната под името HIT Double, след като Panasonic приватизира Sanyo. Оттогава насам компанията има голям напредък. По време на презентация на технологията HIT Double през 2009г, Sanyo съобщава за постигната ефективност от 20,2% при масово производство. Но при включване в калкулацията на 30-те процента отразена светлина от задната страна на клетката, от компанията са пресметнали, че клетките ще имат еквивалентна ефективност от 26,26% при масово производство. Въпреки това, най-добрите им модули, налични до момента, са изградени с по-малки клетки (около 100x100mm) с ефективност от 19,3%. Предвидената 195W изходна мощност прогресивно нараства от 204W при 5% увеличение на отразената светлина до 249W при увеличение на отразената светлина с 30%. Следователно ефективността на модула, която е 16,1% при стандартни тестови условия, също нараства до 16,8-20,5%.

Според Solar Selections, Panasonic планира да представи новите си серии модули HIT Double на английския пазар през 2014г. Тези модули използват клетки с размери 125x125mm и имат размери 1630x862mm. При стандартни тестови условия тяхната мощност е определена на 210W, което означава около 15% ефективност. Тези фотоволтаични панели генерират около 220W при 5% отразена светлина и 258W при 25%.

През 2003г. Hitachi обяви своите планове да стартира производство на BSF клетки с бор и n+-p-p+ структура при капацитет от 1MW, който през 2005г. нараства до 8MW. Въпреки това, Hitachi не преоразмерява технологията си за нива, различни от пилотното.

Новите производители
Напоследък все повече компании започват да разработват тази технология. Една от тях е bSolar, която използва p-подложки. Смята се, че най-голямото предимство на стандартните p-подложки е, че са по-евтини и по този начин компанията може да използва оборудване на склад за направата на двулицеви клетки, докато по-скъпите n-подложки все още не са доказали своите предимства по отношение на ефективността. bSolar е разработила своя технология, базирана на n+-p-p+ структура. Първата крачка е да се замени задната алуминиева BSF с борна, което се смята за ключовото know-how на компанията.

Също така, върху задната повърхност е положен слой силициев нитрид, върху който се поставят метални контакти. Компанията, която е разполагала с производствена база за двулицеви клетки с капацитет 30MW в Германия, беше закрита през януари 2013г. Но bSolar има планове да работи от централата си в Израел, където се намира и нейният R&D център. Там екипът е постигнал ефективност от 18,6% за предната страна и 13,8% за задната. Смята се, че когато бъдат достигнати 19% за предната страна и това се добави към останалите 20% увеличение на мощността, общата ефективност на клетките трябва да бъде около 23%. Ако това се случи, техните клетки ще бъдат конкурент на клетките с n-подложки на SunPower, тъй като клетките с p-подложки са по-евтини за производство.

Друг нов производител е PVG Solutions. Но както много други изследователски общности в света, японската компания разработва своя собствена двулицева технология, при която се използват n-подложки с p+-n-n+ структура с неотразяващо покритие и метални структури от двете страни. Според представители на компанията, средната ефективност при масово производство на клетките EarthON, произведени в тяхната 35MW фабрика, надвишава 192%, с коефициент на производителност задна/предна страна повече от 95%. Достигната е ефективност от 20% на ниво R&D, която компанията смята да постигне и на комерсиално ниво.

Американската компания TetraSun е разработила клетки със симетрична структура, която притежава и двулицеви качества. Компанията не предоставя информация относно структурата на своите клетки, но е известно, че се използват n-подложки и медно метализиране. Най-високата достигната ефективност е 21% за предната и 18,3% за задната страна. Стандартният им модул, съставен от 72 клетки, при външни условия генерира 203W, а при дизайн стъкло-стъкло дори 232W, поради двулицевия ефект.

Изследователска и развойна дейност, подтикната от нужда за повишаване на ефективността
Ръст на интереса към двулицеви фотоволтаици беше отбелязан и през 2012г. по време на уъркшопа, организиран от Международния изследователски център за соларна енергия в Германия, който привлече повече от 120 участници. По време на събитието бяха направени презентации от различни компании, специализирани в производството на двулицеви соларни клетки, както и институции, ангажирани с процеса на разработка на технологии и измервателни системи. Сегашните стандартни структури на клетките, колкото и устойчиви да са, са достигнали своеобразен лимит на бъдещи подобрения. Оптимизация на предната страна, при която се използват, например, селективни емитери, първоначално е изглеждала като решение с очаквани нива на ефективност от около 19%. Но последните подобрения при лепилата, способни да достигнат това ниво, са направили селективните емитери не толкова предпочитани.

Следователно, логичната стъпка за увеличаване на ефективността е да се замени непрозрачната алуминиева BSF, покриваща задната повърхност. Предполага се, че след тази замяна клетките ще станат автоматично двулицеви. За p-субстрати отстраняването на алуминиевата BSF ще изисква пасивиране на задната повърхност с локален контакт, което ще доведе до структура с пасивиран емитер и задна клетка (Passivated Emitter and Rear Cell – PERC) – подход, който много компании следват. Алтернатива е подходът на bSolar, при който задната повърхност има борна BSF, покрита с пасивиращ слой.

Друг технически успех на двулицевата концепция засяга увеличения R&D фокус върху клетките, базирани на n-подложки. В допълнение към добре познатите предимства на n-подложките, например по-високата ефективност, дължаща се на отсъствието на комплексни съединения на бор и кислород и по-ниската чувствителност към най-разпространените замърсители, тези структури са наследствено двулицеви, тъй като алуминиевата непрозрачна BSF на задната повърхност не е налична. Както p-структурите, така и n-структурите изискват оптимизиране на схемата за метализация, тъй като и при двете структури са налични контакти. Правилният избор на пасивиращ материал или „стек” също се изисква при направата на двулицеви клетки от соларни клетки от тип n. Пасивацията на задната повърхност напоследък става все по-важна, тъй като тя допринася за улавянето на фотоните, което води до по-добри оптични свойства на диелектричния слой.