Совокупная установленная мощность солнечных модулей на Земле за последние десять лет возросла более чем в 15 раз, достигнув 700 ГВт. Но этот сегмент энергетики совсем небольшой — в 2020 году солнечные панели на Земле произвели всего около 3% мирового электричества. А десять лет назад было на порядок меньше — около 0,2%.
В 1883 году американский инженер Фриттс создал прототип солнечной батареи из позолоченного селена с КПД 1%.
Итальянский ученый армянского происхождения Джакомо Чамичан в 1912 году представил проект своей солнечной батареи.
В 1930-х годах в СССР сернисто-таллиевые фотоэлементы были созданы под руководством академика Абрама Иоффе.
Близкие к современным солнечные батареи на основе кремниевых полупроводников впервые изготовили в компании BellLaboratories. КПД их батарей составлял всего 4%. Тем не менее и с такими батареями в 1958 году в космос отправился американский спутник Vanguard 1. В том же году полетел в космос советский «Спутник-3» с кремниевыми солнечными батареями на борту.
Коэффициент полезного действия (КПД) серийных промышленных солнечных батарей (оснащенных электроникой кремниевых модулей) за последние 10–15 лет вырос от 16% до 20%, а в лабораторных экземплярах (не инкапсулированных элементах) — до 24–26%. Теоретический предел кремниевых монокристаллических батарей — 29,4%. Этот тип солнечных элементов по-прежнему остается самым популярным, как и десятки лет назад. Он занимает около 95% современного рынка фотовольтаических элементов для преобразования солнечной энергии.
Самые «солнечные» страны
Солнечные элементы монокристаллического типа (тонкие пластины из куска кремния) — надежные, «кондовые», долговечные, со своими очевидными плюсами и минусами. Недолгое время они проигрывали в цене тонкопленочным солнечным элементам, где слои из аморфного (без кристаллической структуры атомов) кремния, нанесенного на обычное стекло или другую подложку. Но КПД таких элементов составлял всего 10%, а цены на монокристаллический кремний снижались, и вскоре тонкопленочные солнечные элементы заняли свою небольшую нишу — дешевый сегмент легких мобильных батарей, например, для подзарядки телефонов на природе. Основной упор по усовершенствованию технологии в качестве перспективной зеленой альтернативы углеводородным топливам сегодня делается на монокристаллическую технологию, где центральный элемент представляет собой тонко нарезанные пластины-слайсы из цельного кремниевого «бруска».
Весь покрытый пленками
Лаборатории экспериментируют с разными соединениями, каждое со своими преимуществами и недостатками. Получая превосходный результат по одним параметрам, исследователи неизбежно проигрывают по другим, и этот бесконечный процесс борьбы за техническое превосходство при сохранении экономической целесообразности похож на мировую гонку — кто быстрее и дешевле придумает оптимальное решение. Сейчас основная ставка в этой гонке — на гетероструктуры. Они относятся к подложечным устройствам, поскольку в них в качестве подложки используется пластина монокристаллического кремния. Она покрыта с обеих сторон множественными пленками из разных материалов, у каждого из которых своя функция. Обычно с обеих сторон монокристалла тонкие пленки из аморфного кремния. Кристаллический и аморфный кремний — это два материала с различной структурой, отсюда и термин «гетеро».
«Счет в индустрии в терминах эффективности идет на единицы и даже на десятые доли процента. В качестве примера — увеличение средней эффективности солнечной панели стандартного размера с 15% до 20% привел к росту ее номинальной мощности с 250 Вт до 370 Вт, то есть в полтора раза»,— объяснил кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института теплофизики им. С. С. Кутателадзе Сибирского отделения РАН Александр Замчий взаимосвязь «небольших» побед по увеличению КПД солнечного элемента с революционными практическими результатами.
Александр работал над повышением эффективности солнечных элементов в Институте энергетических исследований исследовательского центра Юлиха в Германии в рамках стажировки по стипендии DAAD в составе большой международной группы. Работа, опубликованная в NatureEnergy, выполнена с коллегами из Нидерландов, России, Китая и Эквадора. Исследователям удалось выяснить, что слои из карбида и диоксида кремния, используемые в качестве лицевой пленки-контакта для солнечных элементов из монокристаллического кремния, могут сочетать исправление абсолютно большей части структурных дефектов, которые снижают проводимость поверхности кремниевой пластины и обеспечивают высокую оптическую прозрачность.
Прозрачнее невидимого
Пластина кремния толщиной 200 микрон (производители стараются сделать потоньше, чтобы снизить себестоимость) — это моноструктура, в которой происходит поглощение фотонов (частиц света) и рождение носителей заряда. Пока промышленность (в основном китайская) улучшает качественные характеристики серийной продукции, ведущие лаборатории мира заняты экспериментами с совершенно новыми подходами к архитектуре солнечных элементов. Три главных параметра, за которые ведется упорная борьба,— прозрачность, проводимость и пассивация лицевых тонкопленочных покрытий. Ученые подбирают сочетания материалов, покрывая ими пластину монокристалла кремния с разных сторон.
Например, за счет пленок полупроводника с обеих сторон кристалла ученые научились корректировать дефекты на поверхности кристалла кремния, где в кристаллической решетке часто не хватает атома кремния, что затрудняет протекание тока. Пленочные покрытия из различных полупроводниковых соединений прекрасно решают эту проблему — физики называют пассивацией эффект «коррекции» проводимости монокристалла с помощью пленок. Для пассивации на лицевой (верхней) стороне панели солнечного элемента исследователи использовали вместо традиционного аморфного кремния пленку из диоксида и двухслойного карбида кремния, где один слой — с высоким содержанием водорода (гидрогенизированный). Тонкий слой (1,5 нм) из диоксида кремния (стекло) отлично пассивирует контакты. Невидимая глазу пленка диоксида — это вынужденная мера, поскольку толстое стекло не проводит электричество.
Водород в слое карбида кремния выполняет функцию пассивации или связывания, то есть «ремонтирует» оборванные связи для протекания тока. Конечно, не так хорошо, как с этим справляется аморфный кремний, но в отличие от него карбидная пленка имеет еще и высокую прозрачность и проводимость. Однако водородсодержащий слой карбидной пленки не обладает требуемой электропроводимостью и прозрачностью. Для решения этой проблемы ученые сделали двухслойную структуру карбидно-кремниевой пленки. Одна, совсем тоненькая (3 нм), отвечает за хорошую пассивацию, другая (25 нм) — за сверхвысокую прозрачность и отличную электропроводимость. Для этого при выращивании слоя пленки температуру металлической нити (активатора газовой смеси, из которой осаждается пленка) поднимают с 1775 до 2000 градусов, и в итоге получается единая двухслойная структура со всеми необходимыми свойствами.
Для человеческого глаза все покрытия пластины кремния кажутся прозрачными. Но в оптике прозрачное прозрачному рознь. Чем больше фотонов от солнечного света попадет на пластину, тем больше электронов побегут по ее электродам и тем выше КПД солнечного элемента. Итак, прозрачность обеспечила максимальный захват энергии, а пассивация помогла току не оборваться и по электродам выйти из солнечного элемента без потерь.
Доля рынка устройств на основе пассивирующего контакта сегодня составляет единицы процентов, но, по прогнозу экспертов, к концу десятилетия возрастет до 20% и более. В нашей стране производством солнечных батарей занимается компания «Хевел», которая в 2009 году в Новочебоксарске запустила завод по выпуску фотоэлектрических модулей на основе гетероструктурной технологии. В 2020 году мощность завода увеличилась с 260МВт до 340 МВт солнечных панелей в год, что примерно равно текущей совокупной мощности всех солнечных батарей Оренбургской области. Солнечные панели этого производителя покрывают обширные территории Республики Алтай, Бурятии, Башкирии, Калмыкии, Саратовской и Астраханской областей, а также Адыгеи и Казахстана. В конце 2021 года солнечная электростанция мощностью 30 МВт была открыта в Омской области, а в 2022 году планируется построить еще две солнечные электростанции, Читинскую и Черновскую, по 35 МВт в Забайкалье.
Борьба за каждый электрон
Новые прозрачные пассивирующие пленки-контакты из карбида и диоксида кремния, покрывающие солнечные элементы с фронтальной стороны, повысили КПД солнечной батареи до 24%. На графиках в статье видно, что в определенных диапазонах энергии, поступающей на солнечный элемент, уровень прозрачности пленки из карбида кремния в десять раз превышает параметры пленок из аморфного кремния, то есть при одинаковой толщине пленки она пропустит в десять раз больше солнечного света, который преобразуется в электрическую энергию. Это не повысит КПД в десять раз, разумеется, поскольку КПД складывается не только из прозрачности, но еще из пассивации и проводимости. Меняя один параметр, к сожалению, нельзя зафиксировать все остальные. У пленок из аморфного кремния пассивация выше, а с прозрачностью не очень хорошо, поэтому этот слой размещен снизу пластины.
За последние полгода со времени выхода статьи в NatureEnergy ученые провели целый ряд расчетов с различными покрытиями, пытаясь не потерять прозрачность и увеличить пассивацию пленки из карбида кремния. Проанализировав все результаты своих экспериментов, они создали целую «дорожную карту», согласно которой у них есть все шансы гарантированно повысить КПД солнечных элементов еще на 1% в ближайшие полтора года, то есть довести его до 25%.
Поверх уже имеющихся пленок ученые нанесли антиотражающие антибликовые покрытия из фторида магния, стараясь, чтобы еще меньше фотонов отразилось от поверхности солнечного элемента.
Помимо увеличения многослойности авторы работы приняли решение сократить занимаемую площадь мельчайших металлических электродов, густая сеть из которых покрывает солнечный элемент, разделяя его на узенькие сегменты. Снизу солнечного элемента электрод выглядит как сплошная серебряная пленка из термопасты, которую наносят методом трафаретной печати, раскаляя ее до 200 градусов. Тем же методом поверх всей тонкопленочной структуры наносят узенькие серебряные дорожки. Авторы статьи посчитали, что дорожки существенно затеняют панель, занимая слишком много «места под солнцем». Оптимизировав процесс металлизации, они вдвое сократят ширину проводящих серебряных контактов (от 60 до 30 микрон) и тем самым еще немного повысят КПД.
Кремниевые фотоэлементы с медью показали рекордный КПД
