Двосторонні сонячні панелі

Двосторонній сонячний елемент (Bifacial) - це фотоелектричний сонячний елемент, який може генерувати електричну енергію при освітленні обох своїх поверхонь, спереду або ззаду. Натомість односторонні сонячні елементи виробляють електричну енергію лише тоді, коли фотони потрапляють на їх лицьову сторону. Ефективність двосторонніх сонячних елементів, що визначається як відношення падаючої світлової потужності до генерованої електричної енергії, вимірюється незалежно для передньої та задньої поверхонь під опроміненням потужністю в одне або декілька "сонць" (1 сонце = 1000 Вт / м 2 ). Коефіцієнт двосторонності (%) визначається як відношення коефіцієнтів ефективності спереду та ззаду, за умови однакового опромінення.


Двосторонні сонячні елементи та двосторонні сонячні панелі (що з них складаються), були винайдені та вперше виготовлені для космічного та земного застосування в кінці 1970-х років, і стали основними технологіями сонячних елементів у 2010-х. Передбачається, що двосторонні сонячні панелі, займуть найбільшу частку ринку у виробників фотоелектричних сонячних елементів до 2030 року.

Історія двосторонньої сонячної коміркиРедагувати

Винахід і перші пристроїРедагувати

 
Перша сторінка патенту Морі 1966 р. На мал. 1. p-шари (2-2 '), покриті з трьох сторін кремнієм n-типу (1). Електроди на обох краях з'єднують області p (4) та n (3) з електричним колом. На мал. 3. комірки з'єднані послідовно
 
Креслення в патенті Луке ES458514A1 1978 року на двосторонню сонячну панель npp +. (а): шар типу n; (b): металеві сітки; (c): шар p + -типу; (d) пластини типу p
 
Креслення в патенті Бордіни 1976 року. Міліметричні паралеліпедичні двофазні сонячні елементи, з'єднані послідовно. У кожній міні-комірці підложка має р-тип. Пунктирними лініями є pn-переходи, а пунктирними лініями ізотип pp + . Діагонально смугасті лінії зліва направо - це металеві електроди, а діагонально смугасті лінії справа наліво - заповнювач ізолятора. 100 комірок/ см 2 .
 
Перші двосторонні сонячні елементи на IES-UPM (кінець 1970-х). Єдині двосторонні комірки із задньою стороною, що відображається у дзеркальних стінах.

Вперше кремнієва сонячна комірка була запатентована у 1946 р. Расселом Олом, який працював в лабораторіях Bell, і вперше була публічно продемонстрована в тому ж дослідницькому закладі Фуллером, Чапіном та Пірсоном у 1954 р .; однак ці перші демонстрації були односторонніми і не були розроблені для активації задньої поверхні. [1] Теоретично, перший тзапропонований двосторонній сонячний елемент згадується в японському патенті від 4 жовтня 1960 р. Хіросі Морі, коли він працював у компанії Hayakawa Denki Kogyo Kabushiki Kaisha (англійською мовою, Hayakawa Electric Industry Co. Ltd.), яка пізніше перетворилася на сучасну корпорацію Sharp . Вищезгадана комірка була дво-перехідною структурою PNP з контактними електродами, прикріплених до двох протилежних країв.Тим не менше, перші демонстрації двосторонніх сонячних комірок та панелей були проведені в космічній програмі Радянського Сюозу в Салюте 3 (1974) і Салют 5 (1976) низькоорорбітальних військових космічних станцій . Ці двосторонні сонячні елементи були розроблені та виготовлені у "ВНИИТ" (Всесоюзний науково-дослідний інститут джерел енергії) у Москві, який у 1975 році став російським виробником сонячних елементів KVANT . [2] У 1974 р. ця команда подала патент у США, в якому комірки пропонувались у формі міні-паралелепіпедів максимального розміру 1ммх1ммх1мм, з'єднаних послідовно так, щоб було 100 комірок / см 2 . Як і в сучасних двосторонніх сонячних елементах, вони пропонували використовувати ізотипні переходи рр + впритул до однієї з світлочутливих поверхонь. У Салют 3 - невеликі експериментальні сонячні панелі із загальною поверхнею комірок 24 см 2 продемонстрував збільшення вироблення енергії за один супутниковий оборот завдяки альбедо Землі до 34% порівняно з односторонніми панелями того часу. Під час польоту космічної станції "Салют-5" було зафіксовано 17-45% приросту завдяки використанню двосторонніх панелей (0,48 м 2 - 40 Вт). [3] [4]Одночасно з цим Російським дослідженням, з іншого боку Залізної завіси, Лабораторія напівпровідників при Школі телекомунікаційного машинобудування Мадридського технічного університету, очолювана професором Антоніо Луке, самостійно проводить широку дослідницьку програму, спрямовану на розвиток промислового виробницта двосторонніх сонячних елементів. Хоча патент Морі та прототипи космічних кораблів VNIIT-KVANT базувались на крихітних комірках без поверхневої металевої сітки і, отже, були складно взаємопов’язані, більше в стилі мікроелектронних пристроїв, які були на той час, Луке подасть два Іспанські патенти в 1976 і 1977 і один у США в 1977, які були попередниками сучасних двосторонніх сонячних елементів. Патенти Луке першими запропонували двосторонні сонячні елементи з однією коміркою на кремнієву пластину, як це було у випадку з односторонніми комірками, з металевими сітками на обох поверхнях. [5]

У 1979 році Лабораторія напівпровідників стала Інститутом сонячної енергії (IES-UPM), який, продовжував інтенсивні дослідження двосторонніх сонячних елементів аж до першого десятиліття 21 століття, з чудовими результатами. Наприклад, у 1994 р. двоє бразильських аспірантів в Інституті сонячної енергії Адріано Моелеке та Ізете Занеско разом з Луке розробили та виготовили двосторонній сонячний елемент, що генерував 18,1% спереду та 19,1% ззаду; рекордна двосторонність 103% (на той момент ефективність рекорду для односторонніх комірок була трохи нижче 22%). [6]

Прогрес до масового виробництваРедагувати

 
Прогноз світового ринку сонячних елементів відповідно до Міжнародної технологічної дорожньої карти для фотоелектрики (ITRPV) - 11-е видання, квітень 2020 р.


На зламі тисячоліть, шлях до промислового виробництва комірок та двосторонніх сонячних панелей почав знову прокидатися. У 2000 році японський виробник Hitachi опублікував результати своїх досліджень двосторонніх сонячних панелей з іншою транзиторною n + pn + коміркою з ефективністю 21,3% спереду та 19,8% ззаду. [7] До 2003 року Hitachi розробила технологію модулів, яка була ліцензована в 2006 році американською компанією Prism Solar [Архівовано 18 січня 2021 у Wayback Machine.] . [8] У 2004 році команда на чолі з проф. Ендрю Блейкерс з Австралійського національного університету опублікувала свої перші результати щодо так званої технології Sliver BSC. [9] [10] Пізніше технологія була передана Origin Energy, яка планувала масштабне виробництво для австралійського ринку у 2008 році, яке так і не відбулося, через ціновий тиск з боку Китайської промисловості. [11] У 2012 році Sanyo (пізніше придбана Panasonic ) успішно запускає промислове виробництво двосторонніх фотомодулів на основі своєї технології HIT ( гетероперехід з внутрішнім тонким шаром ). [12] [13] До 2010 р. ECN оприлюднює результати своїх досліджень двосторонніх сонячних панелей на основі класичного на той час B + p + nn + Back Surface Field. [14] Ця технологія, отримала назву n-PASHA, була передана провідному Китайському виробнику сонячних панелей Yingli у 2012 року, який почав їх комерційне виробництво під торговою маркою Panda. [15] На той час Інглі був першим виробником сонячних панелей, який займав 10% світових поставок, і цю передачу технологій за допомогою ECN, можна вважати важливою віхою в остаточному становленні двосторонніх сонячних панелей, коли технологію підхопили потужні Китайські виробники, які були відповідальні за різке зниження цін на сонячні панелі з початку 2010-х років.

До 2020 року в довіднику сонячних компаній ENF вказано 184 виробника двосторонніх сонячних панелей [Архівовано 21 січня 2021 у Wayback Machine.], і згідно з Міжнародною технологічною дорожньою картою для фотоелектрики [Архівовано 25 лютого 2021 у Wayback Machine.] вони займали 20% частки загального ринку сонячних панелей, і прогнозується, що ця частка зросте до 70 % у 2030 року. Оглядаючись назад на історію розвитку двосторонніх сонячних елементів, стає очевидним, що індустріалізація односторонніх сонячних панелей та розвиток на швидкозростаючого ринку був необхідною умовою, щоб двосторонні сонячні панелі стати наступним кроком у технологічному прогресі сонячних панелей.

Для збільшення максимальної ефективності двосторонніх сонячних панелей, в реальних умовах, необхідно дотримуватись певних правил[16] встановлення.

Сучасні двосторонні сонячні коміркиРедагувати

Кілька поглиблених оглядів двосторонніх сонячних комірок та їх технологічних елементів висвітлюють сучасний стан техніки. Вони підсумовують найпоширеніші конструкції, які зараз продаються, і надають огляд їх технологічних аспектів. [17] [18] [19]

Типи двосторонніх сонячних панелей на ринкуРедагувати

На даний момент на ринку фотоелектричних батарей доступні різні двосторонні сонячні панелі з різною архітектурою для своїх комірок. .

PERTРедагувати

  • Ефективність: 19,5–22% (спереду), 17–19% (ззаду)
  • Двосторонність: 80-90 %%
  • Переважно dbujnjdkz'nmcz (напр Yingli, Trina, LG ) на пластині c-Si n-типу через довший термін служби носія, ніж p-тип, та відсутність бору в матеріалі, дозволяє уникати деградації, спричиненої світлом (LID).

PERLРедагувати

  • ККД: 19,8% (спереду)
  • Двосторонність: 80-90%
  • В основному на основі пластини c-Si типу p
  • Бор місцево дифузується в зони контакту з тильної сторони

PERCРедагувати

  • Ефективність: 19,4–21,2% (спереду), 16,7–18,1% (ззаду)
  • Двосторонність: 70-80%
  • Переважно виготовляється (напр JA Solar, LONGi, Trina ), наприклад, на пластині c-Si типу p

IBCРедагувати

  • Ефективність: 23,2%
  • Двосторонність: 70-80%
  • В основному на основі пластини c-Si типу n
  • Немає контакту металевої сітки на лицьовій стороні

HITРедагувати

  • Ефективність: 24,7%
  • Двосторонність: 95-100%
  • Здебільшого виготовляється (напр Panasonic, Hanergy ) на пластині c-Si типу n

Технологічні аспектиРедагувати

Кремнієві пластини традиційно використовувались як основа комірок, хоча пропонувались і перевірялись інші матеріали. Товщина основи істотно впливає на матеріальні витрати; більш тонкі пластини означають економію, але в той же час вони ускладнюють обробку та впливають на швидкість виробництва. Крім того, більш тонкі основи можуть підвищити ефективність завдяки зменшенню об'ємної рекомбінації . [20]

У той час як односторонні сонячні панелі потребують лише однієї дифузійної стадії при формуванні свого єдиного pn-з'єднання, двосторонні сонячні комірки вимагають двох pn-з'єднань з різними добавками, що збільшує кількість високотемпературних процесів у виробництві, а отже, і їх вартість. Ко-дифузія - один із варіантів спрощення цього процесу, що полягає у попередньому осадженні та легуванні бору та фосфору з обох боків комірки одночасно. Інший економний варіант виробництва полягає у побудові pn-переходів із застосуванням іонної імплантації замість дифузії.

Як і в односторонніх комірках, фронтальні контакти в комірках двосторонніх панелей в основному виконуються срібним трафаретним друком, який завдяки вмісту срібла стає одним із важливих елементів його витрат та збільшення вартості. Дослідження проводиться з метою заміни срібних контактів на мідні,, TCOS або алюмінієві . Однак найбільш реальним на сьогоднішній день рішенням, по зменшенню витрат на трафаретний друк - це зменшити товщину контактних дротів сонячної панелі.

Параметри ефективності двосторонніх сонячних комірокРедагувати

Ефективність двосторонніх сонячних комірок зазвичай визначається за допомогою незалежних вимірювань ефективності передньої та задньої сторін під однією освітленістю, інтенсивністю в одне "сонце". Іноді, також двосторонні сонячні панелі характеризується з використанням їх еквівалентної ефективності, визначеної як ефективність односторонньої панелі, здатної надавати ту саму потужність на одиницю площі, як двостороння панель при тих самих умовах випробування. Як варіант, еквівалентна ефективність була визначена як сума коефіцієнтів ефективності спереду та ззаду, виміряних відносною величиною опромінення з обох сторін.

Іншим пов'язаним параметром є фактор двосторонності, який визначається як співвідношення коефіцієнтів ефективності спереду та ззаду при освітленні та вимірюванні незалежно.

 

Також специфічним для двосторонніх сонячних панелей є коефіцієнт розділення, який має намір виміряти ефект двобічного освітлення, передбачений Макінтошем та ін. в 1997 році, за допомогою якого електрична потужність двосторонньої сонячної панелі, що працює при двобічному освітленні, не обов'язково дорівнювала б сумі генерації спереду та ззаду, тобто це не просто лінійна комбінація оносторонніх характеристик: [21] [22]

 

Зазвичай X представляє один із характеристичних параметрів панелі, такий як струм короткого замикання J sc, пікова потужність P max або ефективність η. Крім того, для характеристики роботи двосторонньої сонячної панелі, при одночасному передньому та задньому опроміненні, коефіцієнт посилення опромінення, g, визначається як:

  так що  

і двосторонню ефективність 1.x можна визначити як ефективність, отриману при одночасному опроміненні певною величиною як лицьової стороніи та x-кратною величиною на тильній стороні. Тоді фактичний коефіцієнт посилення двосторонность по відношенню до односторонніх може бути виражений за допомогою коефіцієнта посилення, який є добутком коефіцієнта посилення опромінення g та двосторонньої ефективності 1.x.

Список літературиРедагувати

[[Категорія:Фотовольтаїка]] [[Категорія:Напівпровідникова техніка]]

  1. Chapin, D.M.; Fuller, C.S.; Pearson, G.L. (1954). A new silicon p-n junction photocell for converting solar radiation into electrical power. Applied Physics 25 (5): 676–677. Bibcode:1954JAP....25..676C. doi:10.1063/1.1721711. Архів оригіналу за 8 березня 2021. Процитовано 24 лютого 2021. 
  2. Bordina, N.M.; Golovner, T.M.; Zadde, V.V.; Zaitseva, K.N.; Landsman, A.P.; Streltsova, V.I. (1975). Operation of a thin silicon photoconverter under illumination on both sides. Applied Solar Energy 11 (5–6): 81–86. Bibcode:1975ApSE...11...81B. 
  3. Grigorieva, G,M.; Kagan, M.B.; Zviagina, K.N.; Kulicauscas, V.; Kreinin, L.; Bordina, N.; Eisenberg, N. (1-5 September 2008). Future of Bifacial Si Solar Cells for Space Application. 23rd European Photovoltaic Solar Energy Conference, Valencia, Spain. 
  4. Letin, V.A.; Kagan, M.B.; Nadorov, V.P.; Zayavlin, V.R. (2003). Bifacial Solar Arrays of Russian Space Crafts. Geliotekhnika 1. 
  5. Luque, A.; Ruiz, J.M.; Cuevas, A.; Eguren, J.; Gómez-Agost, J.M. (1977). Double-sided solar cells to improve static concentration.. Proceedings of the 1st. European Conference on Photovoltaic Solar Energy: 269–277. 
  6. Moehlecke, A.; Zanesco, I.; Luque, A. (1994). Practical high efficiency bifacial solar cells. Records of the 1st World Conference on Photovoltaic Enetrgy Conversion, Hawaii 2: 1663–1666. ISBN 0-7803-1460-3. doi:10.1109/WCPEC.1994.520538. Архів оригіналу за 23 червня 2018. Процитовано 24 лютого 2021. 
  7. Ohtsuka, H.; Sakamoto, M.; Tsutsui, K.; Yazawa, Y. (2000). Bifacial silicon solar cells with 21.3% front efficiency and 19.8% rear efficiency. Progress in Photovoltaics 8 (4): 385–390. doi:10.1002/1099-159X(200007/08)8:4<385::AID-PIP340>3.0.CO;2-B. 
  8. Uematsu, T.; Tsutsui, K.; Yazawa, Y.; Warabisako, T.; Araki, I.; Eguchi, Y.; Joge, T. (2003). Development of bifacial PV cells for new applications of flat-plate modules. Solar Energy Materials and Solar Cells 75 (3–4): 557–566. doi:10.1016/S0927-0248(02)00197-6. 
  9. Blakers, A.W.; Stocks, M.J.; Weber, K.J.; Everett, V.; Babaei, J.; Verlinden, P.; Kerr, M.; Stuckings, M. та ін. (2003). Sliver Solar Cells. 13th NREL Workshop on Crystalline Si Materials and Processing, Vail. 
  10. Weber, K.J.; Blakers, A.W.; Stocks, M.J.; Babaei, J.H.; Everett, V.A.; Neuendorf, A,J.; Verlinden, P. (2004). A Novel Low Cost, High Efficiency Micromachined Silicon Solar Cell. Electron Device Letters 25 (1): 37–39. Bibcode:2004IEDL...25...37W. doi:10.1109/LED.2003.821600. Архів оригіналу за 28 жовтня 2020. Процитовано 24 лютого 2021. 
  11. Vorath, Sophia. Origin Energy closes Sliver solar factory, flags writedown. Renew Economy. Архів оригіналу за 28 жовтня 2020. Процитовано 25 жовтня 2020. 
  12. Mishima, Takahiro; Taguchi, Mikio; Sakata, Hitoshi; Marujama, Eiji (2011). Development status of high-efficiency HIT solar cells. Solar Energy Materials and Solar Cells 95 (1): 18–21. doi:10.1016/j.solmat.2010.04.030. Архів оригіналу за 31 жовтня 2020. Процитовано 24 лютого 2021. 
  13. Panasonic Brings its HIT Double Solar Modules to the Global Market. Panasonic. Архів оригіналу за 28 жовтня 2020. Процитовано 25 жовтня 2020. 
  14. Burgers, A.R.; Naber, R.C.G.; Carr, A.J.; Barton, P.C.; Geerligs, L.J.; Jingfeng, X.; Gaofei, L.; Weipeng, S. та ін. (2010). 19% efficient n-type Si solar cells made in pilot production. 25th European Photovoltaic Solar Energy Conference, Valencia, Spain: 1106–1109. 
  15. Romijn, I.G.; van Aken, B.; Anker, J.; Burgers, A.R.; Heurtault, B.; Koppes, M.; Kossen, E.; Lamers, M. та ін. (2012). Industrial implementation of efficiency improvements in n-type solar cells and modules. Proceedings of the 22nd International Photovoltaic Science and Engineering Conference, Hangzhou. 
  16. BiFacial – двосторонні сонячні панелі - GreenPowerTalk Blog (укр.). 21 січня 2021. Процитовано 24 лютого 2021. 
  17. Liang, T.S.; Pravettoni, M.; Deline, C.; Stein, J.S.; Kopecek, R.; Singh, J.P. (2019). A review of crystalline silicon bifacial photovoltaic performance characterisation and simulation. Energy & Environmental Science 143: 1285–1298. Архів оригіналу за 14 липня 2020. Процитовано 24 лютого 2021. 
  18. Gu, Wenbo; Ma, Tao; Ahmed, Salman; Zang, Yijie; Peng, Jinqing (2020). A comprehensive review and outlook of bifacial photovoltaic (bPV) technology. Energy Conversion and Management 223 (223): 113283. doi:10.1016/j.enconman.2020.113283. 
  19. Guerrero-Lemus, R.; Vega, R.; Kim, T.; Kimm, A.; Shephard, L.E. (2016). Bifacial solarphotovoltaics – A technologyreview. Renewable and Sustainable Energy Reviews 60 (60): 1533–1549. doi:10.1016/j.rser.2016.03.041. Архів оригіналу за 13 листопада 2020. Процитовано 24 лютого 2021. 
  20. Pan, A.; del Cañizo, C.; Luque, A. (2007). Effect of thickness on bifacial silicon solar cells. Proceedings of the Spanish Conference on Electron Devices, Madrid: 234–237. ISBN 978-1-4244-0868-9. doi:10.1109/SCED.2007.384035. Архів оригіналу за 11 жовтня 2021. Процитовано 24 лютого 2021. 
  21. Ohtsuka, H.; Sakamoto, M.; Koyama, M.; Tsutsui, K.; Uematsu, T.; Yazawa, Y. (2001). Characteristics of Bifacial Solar Cells Under Bifacial Illumination with Various Intensity Levels. Progress in Photovoltaics 9: 1–13. doi:10.1002/pip.336. 
  22. McIntosh, K.R.; Honsberg, C.B.; Wenham, S.R. (1998). The impact of rear illumination on bifacial solar cells with ¯oating junction passivation. Proceedings of the 2nd World Conference and Exhibition on Photovoltaic Solar Energy Conversion, Vienna: 1515–1518.