Солнечные элементы технологии HIT - наше будущее?
Первооткрываетелем технлогии HIT (heterojunction with Intrinsic Thin-Layer solar cells, по-русски: гетеропереходные солнечные элементы(, является фирма Sanyo Electric Co. Ltd.
Я уже писал об очередном рекорде для этой технологии ранее. Пришла пора поговорить, о том, есть ли шансы у этой технологии завоевать рынок солнечных панелей. Ведь в 2012 году патент Sanyo перестал защищать первооткрываетеля, и сегодня эти элементы может делать любой.
В обычном, "традиционном" (см. рис. 1) солнечном элементе, КПД ограничен потерями носителями зарядов на поверхности кремниевой пластины. Если удалить оксид с поверхности такого кристалла, кремниевые атомы "крайние" в кристаллической решетке будут иметь оборванную связь, которая "ловит" заряды, и они таким образом, рекомбинируют. Т.е. мы их теряем.
HIT технология в настоящий момент конкурирует с традиционной технологией, где p-n переход формируется диффузией. И если традиционная технология демонстрирует сопоставимое КПД. Обычно это достигается благодаря сложным (а следовательно дорогим) ухищрениям. HIT, в свою очередь, не требует высокотемпературных операций, и следовательно, стоимость производства таких элементов значительно ниже.
Несколько лет назад Sanyo Electric Co. Ltd производило модули HIT -N235SE10 которые обладали КПД в 18.6% и мощность модуля : 235 Вт. С 8.08.2011 технология доступна всем: патентная защита Sanyo Electric Co. Ltd растворилась.
Panasonic выкупил Sanyo Electric Co. Ltd, а заодно и HIT технологию, но сегодня модули демонстрируют лишь на 0.5% выше КПД в модулях доступных на рынке: VBHN240SE10 und VBHN235SE10. Почему, какие сложности?
Еще факт: хотя Sanyo производит HIT с 1997 года, производство таких солнечных элементов не столь велико: 618 МВт в год (данные начала 2012).
Итак, что же содержит патент Sanyo от 1991 года? Речь идет о том, что если пластину (wafer) кремния покрыть аморфным кремнием, то продолжительность жизни зарядов в кристалле занчительно увеличится, благодаря снижению количества рекомбинационных центров на поверхности. Кроме того, в патенте едет речь и об одном "трюке": вместо аморфного кремния можно использовать микрокристаллический.
Если получить еще и дотированные слои с обоих сторон пластины, то мы получим p-i-n переход, и электроны и дырки можно будет разделить. То, что на рисунке в вверху ппоказано как нижний и верхний электрод, это структура состоящая из проводящего оксида и "расчески" металлического (обычно серебро) контакта.
(вот так выглядит обычный HIT элемент; светлые полоски это серебрянный контакт).
Достоинства HIT.
1) Благодаря симметричной структуре, такие солнечные элементы меньше реагируют на повышение температуры, и в них меньше механических напряжений. Потеря КПД на градус 0.3% вместо 0.45% (с-Si).
2) По сравнению с "традицонной" технологией обеспечивается большее напряжение между контактами.
3) Более тонкие кремниевые пластины можно использовать по сравнению с "традиционной" технлогией.
4) Процесс при температуре 200 С вместо 800 С.
Интерес к HIT привел к появлению целого семейства схожих элементов. Рисунок внизу (Photon, 11-2010) показывает структуры и достигнутые на 2010 КПД:
Для достижения паритета с японцами европейцы начали проек "Hetsi" в который было включено 6 исследовательских центров, два универа и ряд заинтересованных фирм. Проект начался в 2008 с бюджетом в 3.4 млн.евро. Цель: достигнуть КПД солнечного модуля не ниже 20 % при снижении производственных затрат на 50% (от уровня 2008 года). Т.е. уровень: 0.8 €/Вт.
Поэтому не удивительно, что в конце 2010 года фирма Roth & Rau собирала заказы на линию производства HIT c параметрами:
1) КПД элементов: 20%.
2) Производительность: 2400 пластин/ч
3) Доля брака: < 5%.
4) Прозрачный проводящий оксид: ITO (Оксид индия-олова).
5) Кремниевые пластины 125 х 125 см.
Специально для этого проекта Roth & Rau разработала реакторы PECVD (Плазмохимическое осаждение).
Основной проблемой по просочившимся в прессу данным является необходимость обеспечить высокую производительность с высокой воспроизводимостью и высоким КПД.
К сожалению проект заглох показав КПД лучших элементов на уровне 19-20 %.
Вот схема производственной линии (Photon, 11-2010):
Ну наверное как-то так...
Ну и возвращаемся к вопросу: эта технология наше будущее?
Я думаю, что "нет" или "не совсем". Поясню:
а) Я убежден, что в будущем энергетика будет более сложная, менее централизованная и различные технологии будут представлены на "солнечном" рынке. Т.е. монополии какой-то одной PV технологии не будет.
б) HIT освоит долю рынка, которую сегодня накрывает c-Si, возможно на лет 10 (см. анализ рынка). Но что произойдет дальше?
с) У HIT, как и у традиционной технологии, есть большой недостаток: необходима сложная, аккуратная, чистая система (следовательно дорогая) по транспортировке пластин между операциями. Этого недостатка нет в тонкопленочной технологии.
д) Сйчас кремний дешев. Производители кремния в минусах. Но, что произойдет с HIT и с-Si технологиями, когда Китай захватит рынок и поднимет цены?
Я уже писал об очередном рекорде для этой технологии ранее. Пришла пора поговорить, о том, есть ли шансы у этой технологии завоевать рынок солнечных панелей. Ведь в 2012 году патент Sanyo перестал защищать первооткрываетеля, и сегодня эти элементы может делать любой.
В обычном, "традиционном" (см. рис. 1) солнечном элементе, КПД ограничен потерями носителями зарядов на поверхности кремниевой пластины. Если удалить оксид с поверхности такого кристалла, кремниевые атомы "крайние" в кристаллической решетке будут иметь оборванную связь, которая "ловит" заряды, и они таким образом, рекомбинируют. Т.е. мы их теряем.
HIT технология в настоящий момент конкурирует с традиционной технологией, где p-n переход формируется диффузией. И если традиционная технология демонстрирует сопоставимое КПД. Обычно это достигается благодаря сложным (а следовательно дорогим) ухищрениям. HIT, в свою очередь, не требует высокотемпературных операций, и следовательно, стоимость производства таких элементов значительно ниже.
Несколько лет назад Sanyo Electric Co. Ltd производило модули HIT -N235SE10 которые обладали КПД в 18.6% и мощность модуля : 235 Вт. С 8.08.2011 технология доступна всем: патентная защита Sanyo Electric Co. Ltd растворилась.
Panasonic выкупил Sanyo Electric Co. Ltd, а заодно и HIT технологию, но сегодня модули демонстрируют лишь на 0.5% выше КПД в модулях доступных на рынке: VBHN240SE10 und VBHN235SE10. Почему, какие сложности?
Еще факт: хотя Sanyo производит HIT с 1997 года, производство таких солнечных элементов не столь велико: 618 МВт в год (данные начала 2012).
Итак, что же содержит патент Sanyo от 1991 года? Речь идет о том, что если пластину (wafer) кремния покрыть аморфным кремнием, то продолжительность жизни зарядов в кристалле занчительно увеличится, благодаря снижению количества рекомбинационных центров на поверхности. Кроме того, в патенте едет речь и об одном "трюке": вместо аморфного кремния можно использовать микрокристаллический.
Если получить еще и дотированные слои с обоих сторон пластины, то мы получим p-i-n переход, и электроны и дырки можно будет разделить. То, что на рисунке в вверху ппоказано как нижний и верхний электрод, это структура состоящая из проводящего оксида и "расчески" металлического (обычно серебро) контакта.
(вот так выглядит обычный HIT элемент; светлые полоски это серебрянный контакт).
Достоинства HIT.
1) Благодаря симметричной структуре, такие солнечные элементы меньше реагируют на повышение температуры, и в них меньше механических напряжений. Потеря КПД на градус 0.3% вместо 0.45% (с-Si).
2) По сравнению с "традицонной" технологией обеспечивается большее напряжение между контактами.
3) Более тонкие кремниевые пластины можно использовать по сравнению с "традиционной" технлогией.
4) Процесс при температуре 200 С вместо 800 С.
Интерес к HIT привел к появлению целого семейства схожих элементов. Рисунок внизу (Photon, 11-2010) показывает структуры и достигнутые на 2010 КПД:
Для достижения паритета с японцами европейцы начали проек "Hetsi" в который было включено 6 исследовательских центров, два универа и ряд заинтересованных фирм. Проект начался в 2008 с бюджетом в 3.4 млн.евро. Цель: достигнуть КПД солнечного модуля не ниже 20 % при снижении производственных затрат на 50% (от уровня 2008 года). Т.е. уровень: 0.8 €/Вт.
Поэтому не удивительно, что в конце 2010 года фирма Roth & Rau собирала заказы на линию производства HIT c параметрами:
1) КПД элементов: 20%.
2) Производительность: 2400 пластин/ч
3) Доля брака: < 5%.
4) Прозрачный проводящий оксид: ITO (Оксид индия-олова).
5) Кремниевые пластины 125 х 125 см.
Специально для этого проекта Roth & Rau разработала реакторы PECVD (Плазмохимическое осаждение).
Основной проблемой по просочившимся в прессу данным является необходимость обеспечить высокую производительность с высокой воспроизводимостью и высоким КПД.
К сожалению проект заглох показав КПД лучших элементов на уровне 19-20 %.
Вот схема производственной линии (Photon, 11-2010):
Ну наверное как-то так...
Ну и возвращаемся к вопросу: эта технология наше будущее?
Я думаю, что "нет" или "не совсем". Поясню:
а) Я убежден, что в будущем энергетика будет более сложная, менее централизованная и различные технологии будут представлены на "солнечном" рынке. Т.е. монополии какой-то одной PV технологии не будет.
б) HIT освоит долю рынка, которую сегодня накрывает c-Si, возможно на лет 10 (см. анализ рынка). Но что произойдет дальше?
с) У HIT, как и у традиционной технологии, есть большой недостаток: необходима сложная, аккуратная, чистая система (следовательно дорогая) по транспортировке пластин между операциями. Этого недостатка нет в тонкопленочной технологии.
д) Сйчас кремний дешев. Производители кремния в минусах. Но, что произойдет с HIT и с-Si технологиями, когда Китай захватит рынок и поднимет цены?