Черный кремний — его преимущества при производстве солнечных панелей

Солнечные панели стали значительно более эффективными за последние несколько десятилетий. В 1954 году первые коммерчески жизнеспособные панели от Bell Labs имели КПД всего 6 процентов. С тех пор эффективность панелей резко возросла, достигая одного рекорда за другим; например, в январе 2016 года Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии и Швейцарский центр электроники и микротехнологий почти достигли 30-процентной отметки.

Многие производственные усовершенствования способствовали этой долгосрочной тенденции к более полезным солнечным технологиям. Важной недавней разработкой стало масштабное использование черного кремния для увеличения поглощения солнечного света.

Что такое черный кремний?

Физики из Гарвардского университета изобрели новый материал, который может произвести настоящий прорыв в цифровой фотографии, производстве фотоэлементов, приборов ночного видения и т.д. Изобретатели назвали его чёрный кремний (black silicon) — тот же кремний, но с повышенным уровнем светопоглощения в видимом и в инфракрасном спектрах. Фактически, этот материал обладает сверхчувствительностью к свету: он в 100-500 раз более чувствителен, чем обычные кремниевые детекторы.

Такой материал получается, если обработать кремний лазерным лучом сквозь слой газа — гексафторида серы. Если посмотреть на поверхность кремния после этого, то видно, что поверхность пластины покрыта множеством тончайших частиц.

Черный кремний - его преимущества при производстве солнечных панелейЕсли вы когда-либо носили полностью черный предмет одежды в особенно жаркий солнечный день, то вы, вероятно, на собственном опыте испытали, как темные материалы являются магнитами для тепла: по сравнению с более светлыми цветами, черная одежда поглощает больше света. То же самое относится и к солнечным панелям. Однако есть важное отличие: черный кремний становится «черным» в результате особого процесса травления, а не окрашивания, связанного с производством одежды. Процедура включает использование высокоэнергетических лазерных импульсов, окислителей, плавиковой кислоты и/или жидкостного травления с помощью металла для создания нанотекстур на поверхности кремниевой пластины. Напротив, традиционный кристаллический кремний имеет совершенно гладкую поверхность.

Почему эти нанотекстуры выгодны?

Что делает суперчерные солнечные элементы такими особенными, так это их способность поглощать до 99,7% солнечного света. Это означает, что только 0,3% падающего света отражается от поверхности солнечных элементов, что превосходит типичное антибликовое покрытие в традиционной технологии солнечных панелей.

Волнистые поверхности черного кремния позволяют ему поглощать солнечный свет в течение дня. В частности, кристаллический кремний имеет оптимальное поглощение только тогда, когда солнце находится в самом зените, поскольку эффективность панели выше всего, когда фотоны достигают панели перпендикулярно; черный кремний может эффективно улавливать энергию под разными углами и лучше улавливать отраженный свет и свет с более короткой длиной волны благодаря своей текстуре. Существуют значительные различия в конструкциях из черного кремния, причем выбор, связанный с балансом отражения и эффективности, особенно важен для оптимизации эффективности панели. Фотоны могут застрять в многочисленных пиках и впадинах черной панели и, соответственно, стать непригодными для преобразования энергии.

В производстве черного силикона используются сложные нанотехнологии. В последние годы нанотехнологии набирают обороты. Нанотехнология — это наука, техника и технологии, разработанные в наномасштабе, то есть от 1 до 100 нанометров. Его приложение используется для переделки почти всего, что мы знаем, от медицины до автомобильных запчастей, а теперь и солнечных батарей. Нанотехнологии открыли совершенно новый уровень того, как мы проектируем вещи.

Эффективное проектирование, начиная с уровня атома, позволяет нам быть намного более эффективными в разработке новых технологий. Поскольку все делается в наномасштабе, геометрия нанотекстуры может варьироваться. Небольшие изменения в наномасштабе оказывают большое влияние на макромасштаб. Таким образом, разные компании-производители солнечных панелей, выпускающие панели нового поколения, используют разные подходы к своим наноконструкциям. Например, плотность, конусность и длина нанопроволок влияют на оптическое отражение и поглощение модуля.

Поскольку различные слои солнечного элемента очень малы, длина световой волны воспринимает элемент как единую структуру. Следовательно, отражение небольшое. Сообщается о повышении эффективности на 0,4% при использовании нанотехнологического подхода для разработки суперчерных силиконовых элементов.

Для нового типа процесса этот показатель эффективности является большим шагом вперед, но ожидается дальнейшая оптимизация по мере развития технологии. Разработка технологии заняла много времени, поскольку отрасли пришлось преодолеть ряд технических проблем. Одной из основных проблем было сохранение неповрежденной наноструктуры в процессе легирования кремния. Легирование является чрезвычайно важной частью производства кремниевых элементов. Он включает добавление примесей к собственным полупроводникам для изменения их свойств при высоких температурах.

Какие еще преимущества может дать черный кремний?

Поскольку черный кремний не нуждается в антибликовом покрытии, его обычно можно производить с меньшими затратами, чем обычные панели, для которых это требуется. Существует также множество экспериментальных вариантов использования черного кремния, которые могут повысить его удобство использования. Например, травление может быть выполнено как односторонний процесс с гладкой обратной стороной, что идеально подходит для некоторых конкретных высокоэффективных макетов. Пассивация, т. е. нанесение внешнего слоя соединения, такого как оксид алюминия, на черный кремний, — это еще один способ повысить эффективность за счет уменьшения количества областей улавливания.

Десятикратное уменьшение отражения означает, что в ячейку попадет на 3% больше полезного света, что повысит эффективность ячейки на эту величину. Солнечная панель, изготовленная из суперчерных кремниевых элементов, будет производить больше энергии, чем стандартные кремниевые солнечные панели, потому что она отражает меньше света. Она также работает лучше, когда солнце находится под низким углом, особенно утром и днем.

Как влияет черный кремний на срок службы солнечной батареи?

Преимущества дизайна и разнообразные варианты использования черных кремниевых панелей лучше всего воспринимаются как одно из многих нововведений, которые сделали технологию солнечных панелей широко распространенной. Закон Свонсона гласит, что цены на солнечные фотоэлектрические элементы снижаются на 20% при каждому удвоении производственных мощностей.

Повышение эффективности и доступности солнечных панелей имеет решающее значение для долгосрочной устойчивости рынка солнечной энергии. Trina Solar находится в авангарде создания инновационных решений для солнечных батарей из черного кремния, которые сочетают в себе превосходную эффективность с эстетичным дизайном. Такие продукты, как монокристаллические элементы глубокого черного цвета, могут обеспечить значительную мощность в небольших помещениях на крышах. Кроме того, подтвержденная реальная надежность предложений Trina, а также их поддержка и гарантии обеспечивают клиентам максимально возможную окупаемость инвестиций.

Кто производит солнечные панели из черного кремния?

Американская компания Natcore владеет лицензией на процесс разработки черного кремния. Однако их главный интерес заключается в антибликовых свойствах черного кремния. Ряд поставщиков Tier 1 инвестируют в переход на солнечные панели из черного кремния.

Одной из таких компаний является Canadian Solar, которая первой перевела все свои многоэлементные мощности на черный кремний — это более 4 ГВт! Им удалось достичь коэффициента полезного действия 19% в коммерческом производстве. Компания Canadian Solar предлагает черные кремниевые солнечные панели мощностью от 290 до 300 Вт. Панели также имеют 5 сборных шин вместо обычных 2 и производят на 9% больше мощности, чем обычные модули. КПД модуля колеблется от 17,72% до 18,33% в зависимости от выбранной панели. Каркас модуля также полностью черный, что дополняет черный вид кремниевых ячеек. Они также включили технологию PERC в конструкцию солнечной панели. PERC расшифровывается как Passivated Emitter and Rear Cell. PERC позволяет производителям солнечных панелей достигать более высокой эффективности панелей, чем при использовании стандартных солнечных элементов.

GCL — еще одна компания-производитель солнечных панелей первого уровня, которая инвестирует в движение черного кремния. Недавно компания заявила, что с помощью этой технологии они достигли эффективности панели 20,78%.

LG Energy взяла на вооружение технологию черного кремния и выпустила модуль Neon 2 Black. Neon 2 Black — один из самых продаваемых модулей LG Energy по ряду очевидных причин, поскольку он включает в себя передовые технологии для максимальной эффективности панели. Модуль Neon 2 Black имеет максимальную выходную мощность 320 Вт и КПД 18,7%.

LG Energy использует свою запатентованную технологию  с 12 токосъемными шинами, собирающими энергию, вырабатываемую солнечными элементами. Эта технология увеличивает выходную мощность панели и повышает надежность. Большее количество токосъемов снижает электрическое сопротивление, тем самым повышая эффективность панели за счет максимизации выходной мощности. Более тонкие шины также означают меньшее затенение панелей, а благодаря своей уникальной конструкции они отражают свет обратно на панель, еще больше повышая эффективность модуля.

Панель LG Neon 2 Black также генерирует на 2,7% больше энергии, чем мультимодули P-типа в условиях высоких температур, а также в условиях низкого облучения. Компания LG Energy настолько уверена в этом модуле, что гарантирует выходную мощность 86% после 25 лет эксплуатации.

Компания Trina Solar применила технологию черного кремния в четырех различных диапазонах солнечных модулей. Линейка Tallmax M PLus имеет максимальный КПД 18,8%, а размеры модулей варьируются от 335 Вт до 365 Вт. Эти модули также имеют черный задний лист, но доступны модели со стандартным белым задним листом. Модельный ряд Tallmax M Plus DD05A.08 (II) имеет максимальный КПД 19,2% при выходной мощности от 280 Вт до 315 Вт. Узнайте больше, посетив страницу продукции Trina solar.

Sun Power, американская компания-производитель солнечных фотоэлектрических систем, использует технологию черного кремния в своих солнечных панелях серии X. Черный кремниевый модуль X-Series имеет максимальную выходную мощность 335 Вт и КПД 21%! Эти модули также построены по лицензированной технологии Sun Power Maxeon, при этом солнечные элементы построены на прочном медном основании. Это придает панели дополнительную прочность, ограничивая коррозию и растрескивание.

Российские ученые также работают над разработкой технологий черного кремния.

Дополнительная информация

  1. Скачать статью про черный кремний для солнечных элементов
  2. Black Silicon: There’s more than meets the eye

 

 

Прочитано 1294 раз(а)

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *