Солнечные модули с высокой эффективностью: PERC и Half Cut

Фотоэлектрические технологии постоянно совершенствуются с момента создания первого крупного кремниевого элемента, созданного Bell Labs в 1954 году. По мере того, как исследования и разработки продолжают продвигать вперед технологию солнечных элементов, мы часто видим отставание в внедрении этих достижений в коммерческие предложения.

Коммерческое внедрение обычно происходит, когда эти инновации доказали свою масштабируемость в производственном процессе, а также надежность на месте. Показательный пример: солнечная батарея с пассивным излучателем и задним элементом (PERC), разработанная в Австралии в 1980-х годах, помогла установить базовую эффективность в 20%. Однако она была признана наиболее конкурентоспособной технологией на основе кристаллического кремния, используемой только в 2015 году, с продажами, превышающими 10 миллиардов долларов США в 2017 году и, по прогнозам, превысит 1 триллион долларов США к 2040 году. Элементы PERC стали стандартным типом технологии среди многих модулей. Производители, такие как Jinko, Yingli и Trina, заменяют более старые структуры ячеек, такие как алюминиевое поле задней поверхности (Al-BSF).

Half Cut – это еще одно достижение в солнечной технологии, которое недавно проникло в коммерческие солнечные системы и быстро становится стандартом. Хотя использование и преимущества Half Cut не так сильно потрясло отрасль, как разработка ячеек PERC, с коммерческой точки зрения они стали более очевидными. Это привело к более быстрому внедрению в отрасли, все более распространенными становятся модули на 120 и 144 ячейки. SUNWAYS GROUP предлагает солнечные модули ФСМ на основе технологий PERC и Half Cut.

Ячейки с более высокой эффективностью могут обеспечить множество производственных и финансовых преимуществ. Они могут помочь снизить баланс системных затрат, увеличить плотность энергии на квадратный метр солнечных установок и обойти потенциальные ограничения по размеру и затенению объекта.

Как и во многих разработках технологий солнечных элементов, принципы, лежащие в основе технологии PERC, основаны на химической структуре фотоэлектрических материалов на микроуровне. В этой статье представлено упрощенное объяснение функциональности PERC для проектировщиков и установщиков солнечных электростанций.

Что такое PERC?

Пассивированный излучатель и задний элемент (PERC) – это высокоэффективная архитектура солнечных элементов, которая отличается от других традиционных типов монокристаллических солнечных элементов, таких как алюминиевая задняя поверхность поля (Al-BSF), как показано на рисунке 2. В структуре Al-BSF металл на задней стороне элемента находится в прямом контакте с кремниевой подложкой. Эта полноразмерная поверхность раздела металл / кремний вызывает много потерь, что ограничивает потенциальную эффективность этой конструкции.

В ячейках PERC очень тонкий пассивирующий слой вводится между основной кремниевой пластиной и металлическим контактом на задней поверхности, с отверстиями в слое, обеспечивающими небольшие участки прямого контакта металла с пластиной.

Ячейки PERC обеспечивают преимущество в эффективности по трем основным направлениям:

Снижение рекомбинационных потерь

Когда свет попадает на ячейку, он возбуждает электронно-дырочные пары, что создает движение электронов и, следовательно, ток. Однако на поверхности кремния, где кристаллическая структура резко прекращается, имеется большая концентрация дефектов, которые могут захватывать электроны, что ограничивает выходную мощность ячейки. В конструкции Al-BSF задняя поверхность полностью покрыта металлом, поэтому плотность ловушек на задней поверхности остается высокой. Тонкий пассивирующий слой на задней поверхности в PERC помогает значительно уменьшить количество дефектов на задней поверхности, что означает, что меньше электронов теряется. Предотвращение этих потерь означает, что солнечные элементы PERC могут генерировать более высокие напряжения.

Снижение оптических потерь в ячейке

Тонкий диэлектрический слой в задней части ячейки дает возможность любому свету, прошедшему через кремний к задней части ячейки, получить дополнительную возможность для генерации тока. Отражая свет от задней поверхности, это увеличивает общий процент света, который потенциально может быть поглощен элементом для генерации тока, что, в свою очередь, увеличивает эффективность.

Пониженный температурный коэффициент

Когда солнечные элементы работают при высоких температурах на крыше или в поле, эффективность может снизиться, в первую очередь из-за падения напряжения при повышенной температуре. Благодаря улучшенной эффективности улавливания носителей в солнечных элементах PERC по сравнению с Al-BSF, они лучше работают при высоких температурах. Кроме того, отсутствие металла на задней поверхности означает, что ячейки PERC поглощают меньше инфракрасного света, что может помочь уменьшить нагрев.

Half Cut

Еще одно нововведение в технологии солнечных батарей – это Half Cut. Компания REC представила первый коммерческий элемент Half Cut в 2014 году. С тех пор эти типы солнечных элементов были быстро приняты в отрасли благодаря их способности увеличивать выходную мощность солнечной системы с минимальными изменениями, необходимыми в производственном процессе.

Что такое технологии Half Cut?

Модули Half Cut состоят из ячеек, которые были разрезаны пополам, в результате чего в одном модуле получается 120 или 144 элемента, что вдвое превышает общее количество элементов по сравнению с традиционным солнечным модулем. Каждая ячейка с половинным разрезом производит такое же напряжение, как и стандартный элемент, но только половину тока, поэтому они расположены в параллельные цепочки, чтобы имитировать номинальные значения напряжения и тока обычного модуля. У этого типа ячеек есть много преимуществ, многие из которых используют технологию PERC. Наиболее заметным преимуществом является снижение тока на каждую ячейку, снижение резистивных потерь, что приводит к увеличению мощности на квадратный метр.

Процесс производства половинных ячеек включает в себя несколько дополнительных шагов – резку лазером или проволочной пилой, а также увеличение сложности связывания ячеек. Автоматизация обоих этих процессов помогла производителям преодолеть этот барьер, снизив вероятность ошибки и связанных с этим затрат. Это привело к высокому уровню принятия среди многих крупных производителей солнечных модулей, а технология половинного сокращения захватила растущую долю рынка во всем мире. Jinko Solar – один из производителей, которые переводят свои процессы на производство половинных элементов с прогнозируемой производственной мощностью 20 ГВт в 2021 году, из которых 16 ГВт будут состоять из половинных элементов.

Модули с половинными ячейками имеют три основных преимущества по сравнению с обычными модулями:

Сниженные резистивные потери

Уменьшение размера ячейки вдвое делит общий ток между двумя половинами. Это играет жизненно важную роль в способности ячейки с половинным разрезом снижать резистивные потери, состоящие из последовательного сопротивления ячейки и последовательного сопротивления соединительных лент. Из-за квадратичного отношения между током и мощностью, где P = I2 x R, ток уменьшается вдвое по сравнению с полной ячейкой, поэтому потери мощности составляют от потери мощности в полной ячейке. Поэтому, когда имеется две цепочки ячеек с половинным разрезом, потери резистивной мощности составляют ½ от потерь мощности полного модуля и помогают повысить общую производительность модуля.

Лучшая производительность в затененных условиях

Технология половинных ячеек потенциально может работать лучше, чем полные модули в определенных условиях затенения. Это можно объяснить требуемой конфигурацией струн в результате удвоения ячеек на модуль.

Как видно на рисунке, ячейки с половинным вырезом соединены последовательно и подключены к байпасному диоду, аналогично конфигурации полного модуля ячейки. Разница в том, что каждый байпасный диод подключен параллельно к двум цепочкам ячеек. Когда одна половина модуля частично затемняется, другая половина модуля может продолжать вырабатывать мощность, а байпасные диоды остаются неактивными. Это обеспечивает повышенную гибкость в расположении модулей, где наблюдается затенение.

Уменьшение воздействия на горячие точки

Когда модуль частично затемнен, может возникнуть «горячее пятно», поскольку мощность рассеивается в затемненных ячейках. Это может привести к перегреву заштрихованных ячеек. Модули, в которых используются половинные ячейки, вырабатывают меньший ток, чем у полной ячейки, и это, в свою очередь, помогает уменьшить количество рассеиваемой мощности в затененных ячейках, уменьшая деградацию горячих точек.