Завдяки кремнієвим пластинам з високою електропровідністю китайські сонячні панелі досягають рекордної ефективності та перевищать показник у 584 ТВт·год, вироблених у 2024 році.

Боротьба за підвищення ефективності сонячної енергії отримала новий прорив із участю Китаю. Дослідники та виробники цієї азійської країни змогли покращити продуктивність фотовольтаїчних елементів завдяки ключовій оптимізації процесу обробки кремнієвих пластин.

Це досягнення може допомогти збільшити виробництво електроенергії без необхідності розширювати площу установок.

Світова ситуація з фотовольтаїчною енергетикою

Це дослідження проводиться на тлі стрімкого розвитку сонячної енергетики у світовому масштабі, де Китай є провідною країною в цій галузі. За даними DPV Energy за 2024 рік ця країна виробила 584 ТВт·год електроенергії з фотовольтаїчних сонячних електростанцій, що є найвищим показником у світі. Далеко позаду залишаються Сполучені Штати з показником 238 ТВт·год, Індія — з 113 ТВт·год, а Японія — з 110 ТВт·год.

У Європі Німеччина продовжує залишатися лідером із показником 62 ТВт·год, незважаючи на те, що рівень сонячної радіації там нижчий, ніж у країнах півдня континенту. Її лідерство пояснюється тривалими політиками підтримки, такими як субсидії, податкові пільги та вигідні регульовані тарифи для самовикористання та виробництва з відновлюваних джерел енергії.

Контраст стає очевидним у випадку Іспанії — однієї з найсонячніших країн світу, де щороку більше 300 сонячних днів та від 2 500 до 3 000 годин сонячної радіації, проте країна досі не розкрила весь свій фотовольтаїчний потенціал.

Нові пластини кремнію з високою електропровідністю

У цьому контексті зростання та технологічної конкуренції однією з найвпливовіших компаній є LONGi Green Energy Technology, заснована у 2000 році та вважається найбільшим у світі виробником продукції з монокристалічного кремнію — технології, яка наразі є найефективнішою у сонячній промисловості. Компанія організувала свою діяльність у п’ять основних сфер, серед яких виділяється виробництво пластин, сонячних елементів та фотовольтаїчних модулів, включаючи відомі панелі серії Hi‑MO, які використовуються як у житлових будинках, так і у великих сонячних електростанціях.

Останній досягнення компанії LONGi, розроблений спільно з дослідниками Університету Сунь Ятсена, спрямований на покращення характеристик кристалічних пластин з високою електропровідністю. Такий матеріал має теоретичні переваги з точки зору ефективності порівняно зі стандартними пластинами, отриманими методом Чохральського, які характеризуються помірною або низькою електропровідністю, більшою механічною міцністю та кращою стійкістю до теплових напруг. Це полегшує їх промислову обробку та зменшує ризик пошкоджень під час виробництва.

Проте початкові випробування виявили проблему: пластини з високою електропровідністю мали тенденцію до гірших показників, ніж очікувалося. Аналіз показав, що вони функціонували при більших концентраціях зайвих носіїв заряду у точці максимальної потужності та при більш плоских градієнтах їх концентрації. Ця поведінка зменшувала накопичення носіїв заряду та підвищувала їхню чутливість до рекомбінації на краях.

На практиці, без спеціальної обробки, краї пластини діяли як точка втрат навантаження, скасовуючи теоретичні переваги матеріалу.

Рішенням, запропонованим командою, стала пасивація країв — процес, який зменшує ці втрати та дозволяє контролювати процес рекомбінації. Дослідники переконалися, що поєднання високої електропровідності та ефективної пасивації є ключовим для досягнення максимальної продуктивності, адже такі пластини легше переходять у режим високорівневої інжекції — фізична характеристика, яка сприяє вищим коефіцієнтам наповнення та, відповідно, більшій ефективності.

Завдяки цьому контролю пластини можуть забезпечувати більш ефективне збирання носіїв та перетворювати свій теоретичний потенціал на вищу реальну продуктивність.

Щоб перевірити процес, команда створила гібридні сонячні елементи з заднім контактом типу HIBC розміром 18,3 сантиметра на 9,1 сантиметра, використовуючи як пластини з високою електропровідністю, так і стандартні пластини Czochralski. Основною відмінністю експерименту було те, що на пластинах з високою електропровідністю краї залишилися без нітриду кремнію під час хімічного нанесення у паровій фазі, що призвело до того, що шар пасивації SiOx/n-poli-Si залишився відкритим та частково зник під час вологого хімічного очищення.

Повний процес виробництва включав кілька промислових етапів: вологе хімічне очищення, хімічний осаджування з пари (CVD), дифузію фосфору, атомне шарування (ALD), лазерне формування, фізичне осаджування з пари (PVD), електричну ізоляцію та серіграфію.

Пізніше клітини аналізували за допомогою пристроїв для перевірки кривих IV, систем метрології пластин, електронно-променевої мікроскопії та інструментів для моделювання.

Результати підтвердили вплив обробки: застосування ефективної пасивації країв покращило характеристики як клітин з низькою, так і з високою електропровідністю, проте позитивний ефект був значно сильнішим у останніх.

Цей технічний прогрес, який має промислові наслідки, посилює тенденцію у секторі до поступового вдосконалення кремнію — матеріалу, який досі є основою для понад 90 % сонячних панелей у світі. На ринку, де кожен відсоток підвищеної ефективності знижує витрати та збільшує продуктивність на квадратний метр, подібні розробки зміцнюють технологічне лідерство Китаю та наближають сценарій, у якому енергія