Благодаря кремниевым пластинам с высоким сопротивлением крови китайские солнечные панели достигают рекордной эффективности и превысят показатель в 584 ТВт·ч производства в 2024 году.
Гонка за повышением эффективности солнечной энергетики получила новый импульс благодаря Китаю. Исследователи и производители этой азиатской страны смогли улучшить характеристики фотовольтаических элементов за счёт ключевой оптимизации процесса обработки кремниевых пластин.
Это достижение может способствовать увеличению производства электроэнергии без необходимости расширения установленной площади.
Мировая ситуация в области фотовольтаической энергетики
Это исследование проводится на фоне активного развития солнечной энергетики в мире, при этом Китай выступает ключевым игроком в этой отрасли. По данным DPV Energy за 2024 год страна произвела 584 ТВт·ч электроэнергии с помощью фотовольтаических систем, что является самым высоким показателем в мире. Значительно отстают Соединенные Штаты с показателем 238 ТВт·ч, Индия — с 113 ТВт·ч, а Япония — с 110 ТВт·ч.
В Европе лидером по-прежнему остается Германия с показателем 62 ТВт·ч, несмотря на более низкий уровень солнечной радиации по сравнению с странами южной части континента. Ее лидерство обусловлено многолетней поддержкой со стороны государства в виде субсидий, налоговых льгот и благоприятных регулируемых тарифов для самопотребления и производства возобновляемой энергии.
Контраст становится очевидным на примере Испании — одной из самых солнечных стран мира, где ежегодно более 300 дней солнечной погоды и от 2 500 до 3 000 часов солнечного излучения, однако страна до сих пор не раскрыла весь свой фотовольтаический потенциал.
Новые пластины из кремния с высоким сопротивлением
На фоне такого роста и технологической конкуренции одной из наиболее влиятельных компаний является LONGi Green Energy Technology, основанная в 2000 году и считающаяся крупнейшим производителем монокристаллических кремниевых продуктов — технологии, в настоящее время наиболее эффективной в солнечной промышленности. Компания организовала свою деятельность по пяти основным направлениям, среди которых выделяются производство пластин, фотовольтаических элементов и модулей, включая известные панели серии Hi‑MO, используемые как в жилых домах, так и в крупных солнечных электростанциях.
Последнее достижение компании LONGi, разработанное совместно с исследователями Университета Сунь Ятсена, направлено на улучшение характеристик кристаллических пластин из кремния с высокой электропроводностью. Такой материал обеспечивает теоретические преимущества с точки зрения эффективности по сравнению со стандартными пластинами, получаемыми методом Чохральского, которые имеют умеренную или низкую электропроводность, более высокую механическую прочность и лучшую устойчивость к тепловым напряжениям. Это облегчает их промышленную переработку и снижает риск повреждений в процессе производства.
Однако первоначальные испытания выявили проблему: пластины с высокой электропроводностью демонстрировали худшие показатели, чем ожидалось. Анализ показал, что при максимальной мощности в них наблюдалась более высокая концентрация избыточных носителей заряда и более плоские градиенты их концентрации. Такое поведение снижало накопление носителей заряда и увеличивало их чувствительность к рекомбинации на краях.
На практике, без специальной обработки, края пластины выступали в роли точек потерь мощности, сводя на нет теоретические преимущества материала.
Решением, предложенным командой, стала пассивация краев — процесс, снижающий эти потери и позволяющий контролировать процесс рекомбинации. Исследователи выяснили, что сочетание высокой электропроводимости и эффективной пассивации имеет ключевое значение для достижения максимальной эффективности, поскольку такие пластины легче переходят в режим высокоуровневой инъекции, что является физическим свойством, способствующим более высоким коэффициентам заполнения и, следовательно, повышенной эффективности.
Благодаря этому контролю пластины могут обеспечивать более эффективный сбор носителей заряда и преобразовывать свой теоретический потенциал в более высокую реальную эффективность.
Для проверки процесса команда изготовила гибридные солнечные элементы с задним контактом типа HIBC размером 18,3 сантиметра на 9,1 сантиметра, используя как пластины с высокой электропроводностью, так и стандартные пластины по технологии Czochralski. Основное отличие эксперимента заключалось в том, что на пластинах с высокой электропроводностью края оставались без нитрида кремния во время химического осаждения в паровой фазе, из-за чего слой пассивации SiOx/n-poli-Si оставался незащищенным и частично удалялся во время влажной химической очистки.
Полный процесс изготовления включал несколько промышленных этапов: влажную химическую очистку, химическое осаждение с паром (CVD), диффузию фосфора, атомно-слойное осаждение (ALD), лазерную обработку, физическое осаждение с паром (PVD), электрическую изоляцию и сериграфию.
Затем ячейки анализировались с помощью устройств для измерения кривых IV, систем метрологии пластин, электронной микроскопии с просвечиванием и инструментов для моделирования.
Результаты подтвердили влияние обработки: применение эффективной пассивации кромок улучшило характеристики как ячеек с низкой, так и с высокой электропроводностью, хотя прирост был значительно выше во втором случае.
Этот технический прогресс, имеющий промышленные последствия, усиливает тенденцию в отрасли к постепенному совершенствованию кремния — материала, который по-прежнему является основой более чем 90 % солнечных панелей в мире. На рынке, где каждое увеличение эффективности снижает затраты и повышает производительность на квадратный метр, подобные разработки укрепляют технологическое лидерство Китая и приближают сценарий, в котором энергия
