Результаты исследований по созданию высоковольтных солнечных модулей третьего поколения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства, г. Москва

Результаты исследований по созданию высоковольтных солнечных модулей третьего поколения

д.т.н. Д.С. Стребков

к.т.н. В.И. Поляков

Научные организации и фирмы во многих странах мира разрабатывают кремниевые солнечные модули (СМ) третьего поколения с КПД 25 % и более, пригодные для крупномасштабного промышленного производства. Планарные солнечные элементы и модули из кремния с КПД до 25 % разработал профессор Мартин Грин из университета New South Wales (Австралия) [1], однако они не производятся из-за сложной и дорогой технологии их изготовления. В промышленных масштабах выпускаются планарные СМ с КПД 20 % фирмой "Sun Power" (США), которые находят ограниченное применение из-за их высокой стоимости. Все известные планарные СМ из кремния не используют при концентрированном солнечном освещении из-за резкого снижения КПД с ростом освещенности. В настоящее время все заводы в России и за рубежом производят СМ из кремния с КПД 15 - 18 %. Для СМ с КПД более 25 % в массовом производстве нужны новые физические принципы, новые конструкции и технологии СМ.

До настоящего времени считалось, что р-n переход играет ключевую роль в преобразовании солнечного излучения и его площадь должна соответствовать площади СМ. Однако у р-n перехода есть и отрицательные свойства. В нем имеются рекомбинационные потери. Через р-n переход протекает темновой ток насыщения, приводящий к снижению фото-э.д.с. Легированный слой над его плоскостью имеет большое сопротивление растекания, что увеличивает омические потери, особенно при преобразовании концентрированного солнечного излучения. Легированный слой поглощает коротковолновую часть солнечного излучения, а его вклад в фототок очень мал из-за рекомбинации носителей заряда на дефектах кристаллической структуры и примесных центрах в сильно легированном полупроводнике.

Мы предложили разделить пространственно освещаемые поверхности СМ на области генерации носителей заряда и области с р-n переходом, ответственные за разделение и собирание носителей. При этом площадь легированного слоя, р-n перехода и р-р⁺ перехода на освещаемых поверхностях снижена более чем в 50 раз, а 99% площади поверхности отведено для генерации электронно-дырочных пар при прямом взаимодействии квантов солнечного излучения с базовой областью СМ.

В 1967 г. мы разработали и испытали высоковольтные солнечные модули (ВСМ) первого поколения [2], выполненные в виде кремниевой твердотельной матрицы из скоммутированных последовательно или параллельно микроэлементов с вертикальными р-n переходами. Плотность микроэлементов на рабочей поверхности ВСМ составляла 25 см^-2 и КПД 1 - 2 % при интенсивности освещения 7700 кВт/м².

В 1970 г. технология ионной имплантации была использована для создания ВСМ второго поколения с КПД 10 % при освещенности 2,5 кВт/м². Плотность микроэлементов была увеличена в 10 раз до 250 см^-2, и ВСМ площадью 4 см² имел напряжение 400 В [3]. Солнечная батарея из ВСМ площадью 1 м² с напряжением 32 кВ была разработана и испытана в 1972 г. Солнечный модуль размером 40100 мм с рабочим напряжением 28 В был установлен на межпланетной станции "Венера-70" и успешно прошел испытания. КПД 36 % и электрическая мощность 3,6 кВт/см² были получены при освещении ВСМ импульсным ниодимовым лазером при интенсивности освещения 10 кВт/см².

За рубежом наиболее известными по данной тематике являются работы
D.L. Sater [4, 5], который разработал экспериментальные образцы ВСM с КПД 20 % при освещенности 2500 кВт/м².

Целью данной работы является создание и исследование высокоэффективных высоковольтных солнечных модулей третьего поколения на основе монокристал-лического кремния с рабочим напряжением до 800 В и с КПД 20 % при концент-рированном солнечном излучении.

Высоковольтные солнечные модули третьего поколения. Высоковольтный солнечный модуль с двухсторонней рабочей поверхностью выполнен в виде матрицы из скоммутированных миниатюрных солнечных элементов (микроСЭ), у которых один или два линейных размера соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, а плоскости р-n переходов перпендикулярны рабочей поверхности ВСМ (рис. 1).

На рис. 1 ВСМ состоит из миниатюрных солнечных элементов 1, содержащих р-n переходы 2, изотопные переходы 3, базовую область 4 n-типа и легированный изотопный р⁺ слой 5, внешние металлические контакты 6, внутренние металлические контакты 7, пассивирующую пленку 8, просветляющее покрытие 9 на рабочей поверхности 10, перпендикулярно которой расположены р-n переходы 2. Пассивиру-ющая пленка 8 толщиной 10 - 30 нм расположена на свободной от n-р переходов поверхности 10.

Рис. 1. Высоковольтный солнечный модуль на основе монокристалли-ческого кремния.

В работе использовали упрощенную модель ВСМ, в которой антиотражающее покрытие 9, расположенное на рабочей поверхности, отсутствует.

Исследование высоковольтных солнечных модулей при солнечном освещении и концентрированном излучении. Измерение величины солнечной радиации производилось с помощью актинометра и пиранометра. В лабораторных условиях при концентрированном освещении характеристики ВСМ измеряли на импульсном имитаторе. В качестве осветителя в имитаторе использовали ксеноновую лампу-вспышку, спектр излучения которой близок к спектру излучения Солнца, длительностью вспышки около 5 мс. Переменная электронная нагрузка обеспечивает измерение вольтамперной характеристики (ВАХ) за время от 2 до 5 мс при снятии от 6 тыс. до 16 тыс. пар значений ток-напряжение с одновременной регистрацией интенсивности излучения. Измерения проводили с помощью запоминающего осциллографа ОЦЗС-02-6, затем данные обрабатывали с помощью разработанной для него программы VAX.

Рис. 2. Секция высоковольтного солнечного модуля (а) и с радиатором воздушного охлаждения (б).

При совершенствовании технологии изготовления ВСМ основные усилия были направлены на снижение скорости поверхностной рекомбинации за счет пассивации двух рабочих поверхностей ВСМ, что увеличило фототок, электрическую мощность и КПД.

высоковольтный солнечный электростанция концентратор

Рис. 3. Вольтамперные характеристики ВСМ размером 10х60х0,4 мм: 1' - освещенность 102 кВт/м², КПД 24 %; 1'' - 493 кВт/м², КПД 20 %; 2 - ВАХ планарного солнечного модуля размером 1,2 х 0,54 м при освещенности 1 кВт/м², КПД 12 %.

На рис. 2-а показана секция ВСМ с размером 10600,4 мм в оболочке из стекла, содержащая 25 микроэлементов, где общая ширина контактов всех солнечных фотоэлектрических микроэлементов на рабочей поверхности составила 150 мкм. На рис. 2-б секция ВСМ установлена на радиаторе.

На рис. 3 представлены ВАХ и ВСМ размером 10600,4 мм с радиатором воздушного охлаждения при различной освещенности, на рис. 4 - зависимость КПД от интенсивности излучения при освещении импульсной ксеноновой лампой [9 - 10].

При концентрированном импульсном излучении с плотностью потока 102,5 кВт/м² КПД ВСМ площадью 6 см² составил 24 %, рабочее напряжение 16,3 В, рабочий ток 0,9 А, фото-э.д.с. 19 В (кривая 1). Ток короткого замыкания (к.з.) ВСМ линейно увеличивается с ростом освещенности, растет коэффициент заполнения, напряжение увеличивается в 1,3-1,4 раза, что приводит к увеличению КПД до 24 % при освещенности 102,5 кВт/м². Электрическая мощность 59,16 Вт получена при освещенности 493 кВт/м² при КПД ВСМ 20 % (рис. 3, кривая 1).

Рис. 4. Зависимость КПД ВСМ от интенсивности излучения. Размеры ВСМ 10 60 0,4 мм.

Таким образом, ВСМ на рис. 2 площадью 6 см² при интенсивности излучения 493 кВт/м² имеет электрическую мощность 60 Вт, рабочее напряжение 15 В и ток 4 А, равный пиковой мощности, напряжению и току традиционного фотоэлектрического модуля на основе планарных кремниевых СЭ при стандартной освещенности 1 кВт/м² и температуре 25^о С. При этом площадь традиционного модуля почти в 1000 раз больше площади ВСМ третьего поколения, что соответствует практически 1000-кратному сокращению расхода кремния на единицу мощности.

Рис. 5. Высоковольтные солнечные модули с размерами 400 60 0,4 мм в оболочке из стекла, содержащие 11 секций размером 60 35 мм (а) и 40 секций размером 60 10 мм (б).

Рис. 6. Вольтамперная характеристика ВСМ из 40 секций при солнечном освещении 1 кВт/м².

На рис. 5 показан общий вид двух типов высоковольтных солнечных модулей размером 400 60 0,4 мм в оболочке из стекла, а на рис. 6 ВАХ ВСМ (рис. 5-б) при солнечном освещении 1 кВт/м².

Рабочее напряжение этого ВСМ составило 500 В, рабочий ток 7 мА, рабочая мощность 3,5 Вт, КПД 14,58 %.

На рис. 7 представлена ВАХ одной секции ВСМ размером 60 10 мм, содержащая 33 микроэлемента, снятая при освещении импульсным имитатором с освещенностью 51,783 кВт/м². ВСМ состоит из 40 последовательно соединенных секций размерами 60 10 мм.

Суммируя ВАХ всех секций, можно рассчитать параметры ВАХ ВСМ размером 400 60 мм при освещенности 51,783 кВт/м². Его ток к.з. составляет 337,1 мА, фото-э.д.с. 959 В, рабочее напряжение 840 В, коэффициент заполнения 0,784, рабочий ток 0,3 А, оптимальная мощность 252 Вт, КПД 20, 42 %. Последовательная коммутация 595 ВСМ в солнечной электростанции позволит получить выходное напряжение 500 кВ при электрической мощности 157 кВт. Дальнейшее увеличение мощности можно получить при параллельном соединении ВСМ.

Рис. 7. Вольтамперная характеристика секции ВСМС с 33 микроэлементами при освещенности 51,783 кВт/м². Площадь секции 6 см².

Рис. 8. Концентраторные модули параболоцилиндрического (а) и параболоидного (б) типас равномерным освещением фотоприемника на основе ВСМ.

Для фотоприемников на основе ВСМ разработаны оригинальные солнечные концентраторы параболоцилиндрического и параболоидного типа (рис. 8), профиль поверхности которых обеспечивает равномерное освещение поверхности фотоприёмника.

При использовании солнечных установок с концентраторами следует отметить такие положительные аспекты, как экономия кремния солнечного качества, получение вместе с электроэнергией и тепловой энергии, так что общая стоимость установленной мощности снижается за счёт суммирования этих составляющих. Учитывается влияние косинусного эффекта, которому подвержены установки, не оснащённые системой слежения за Солнцем, что приводит к повышению генерируемой энергии на 25 - 30 % в сравнении со стационарными модулями без слежения.

Сравнение характеристик планарных и высоковольтных солнечных модулей. Сравнение характеристик планарных и высоковольтных солнечных модулей из монокристаллического кремния представлено в табл. 1.

Таблица 1. Сравнение характеристик планарных и высоковольтных СМ

В [11] показано, что средний КПД планарных солнечных модулей (ПСМ) из монокристаллического кремния увеличился с 14,6 % до 15,1 %, а из мульти-кристаллического кремния с 14,1 до 14,7 %. Доля ПСМ из монокристаллического кремния в общем объеме производства составляет 49 %, из мультикристаллического кремния 48,4 %, тонкопленочных СМ 2,38 %.

Число фирм-производителей ПСМ уменьшилось за 2012 год на 30 % со 181 до 129 [11].

В отличие от ПСМ ВСМ имеют двухстороннюю рабочую поверхность. За счет отражения солнечного излучения на тыльную поверхность электрическая мощность и КПД ВСМ увеличивается на 20 - 23 % [12].

ВСМ имеют в 2 раза больший срок службы (40 - 50 лет), КПД 18 - 20 % при 50 -200 кратной концентрации, что в 10 раз выше, чем у ПСМ. Этот КПД сохраняется при увеличении температуры до 60° С, что упрощает систему охлаждения ВСМ при работе с концентраторами.

ВСМ длиной 0,4 м имеют рабочее напряжение до 840 В, что позволяет их использовать с бестрансформаторными инверторами и присоединять к высоковольтным линиям постоянного тока с напряжением 110 - 500 кВ без преобразовательных подстанций, стоимость которых составляет до 30 % от стоимости солнечных электро-станций. Для получения рабочего напряжения 840 В с использованием традиционных ПСМ требовалось бы соединить последовательно более 1500 планарных солнечных элементов размером 150150 мм, а полная длина модуля превысила бы 252 м.

Проведем расчет объемов производства и продажи электрической энергии для солнечных модулей с увеличенным сроком службы.

Для России 1 кВт солнечных модулей производит 1000 кВт·ч электрической энергии в год. Для южных стран производство электрической энергии составляет 1500 кВт·ч/год.

В табл. 2 дано сравнение экономических показателей солнечных модулей по технологии ГНУ ВИЭСХ с герметизацией силиконовым гелем и стандартных солнечных модулей с герметизацией пленкой этиленвинилацетата (EVA).

Стоимость электроэнергии от солнечной электростанции мощностью 100 кВт в Белгородской области составляет 9 руб./кВт·ч. Стоимость электроэнергии от солнечной электростанции мощностью 100 МВт на Украине составляет $ 0,48/кВт·ч.

Таблица 2. Сравнение экономических показателей солнечных модулей различных типов

При общем объеме производства СМ 10 МВт за 5 лет ожидаемый доход от продажи электроэнергии при использовании модулей с увеличенным сроком службы будет в России на 1,35 млрд. руб. больше, а в южных странах на 108 млн. долл. больше, чем от продажи электроэнергии при использовании солнечных модулей с герметизацией EVA.

Стоимость производства ВСМ соизмерима со стоимостью планарных кремниевых СМ в расчете на единицу площади и в 1000 раз меньше себестоимости каскадных гетероструктурных СМ на основе соединений А_IIIВ_V при одинаковой эффективности. Развитие технологии ВСМ третьего поколения на основе монокристаллического кремния позволит создать солнечные электростанции с концентраторами с более низкими удельными затратами на 1 кВт установленной мощности и более высокой эффективности производства электроэнергии по сравнению с тепловыми электростанциями, работающими на угле [10].

Выводы

1. В результате технологических исследований созданы ВСМ с вертикальными р-n переходами с рабочим напряжением до 840 В. Максимальный КПД ВСМ третьего поколения составляет 14,58 % при суммарной солнечной радиации 1 кВт/м² и температуре 25^о и 24 % при измерении под импульсным имитатором с интенсивностью 102 кВт/м². Максимальная мощность модуля при освещенности 493 кВт/м² составляет 60 Вт при площади модуля 6 см² и КПД 20 %, что соответствует 1000-кратному снижению расхода кремния по сравнению со стандартным ПСМ на основе монокристаллического кремния, работающим без концентратора. Указанные характеристики получены для ВСМ без просветляющего покрытия.

2. Разработана конструкция и технология изготовления ВСМ третьего поколения для солнечных электростанций с концентраторами. Технология производства ВСМ подготовлена к условиям массового производства, не требует применения серебра, сеткографии, фотолитографии и других трудоемких операций и дорогостоящих материалов.

3. Для эффективного использования ВСМ с концентраторами солнечного излучения необходимо обеспечить равномерное освещение ВСМ в фокальной области и охлаждение ВСМ в условиях воздействия концентрированного солнечного излучения при использовании линейных концентраторов на основе параболоцилиндров, линейных линз и зеркал Френеля.

4. Современные процессы полупроводниковой электроники и нанотехнологии позволят в ближайшие годы увеличить КПД преобразования концентрированного солнечного излучения с использованием ВСМ на основе матричных кремниевых солнечных элементов в промышленном производстве до 30 % и предельную электрическую мощность до 50 Вт/см² при преобразовании концентрированного солнечного излучения.

Литература

1. Martin Green. Perl cell. The university of New South Wales -www.nsinnovations.com.au.

2. Стребков Д.С. Матричные солнечные элементы. М.: ВИЭСХ. Т. 1. 2009. 125 с.

3. Стребков Д.С. Матричные солнечные элементы. М.: ВИЭСХ. Т.2. 2010. 266 с.

4. Sater D.L. et all. The multiple Junction Edge Illuminated Solar Cells // Conf. Res. Tenth IEEE Photovoltaic Specialists Conf. 1973. P. 188-193.

5. Sater D.L. Method of making a nigh intensity solar cell. US Pat.
№ 4516314, 1985.

6. Стребков Д.С., Шеповалова О.В., Заддэ В.В. Полупроводниковый фотоэлектрический генератор (варианты). Пат. РФ № 2336596, Б.И. 2008, № 29.

7. Стребков Д. С. Матричные солнечные элементы. М.: ГНУ ВИЭСХ. Т. 3. 2010. 346 с.

8. Стребков Д.С, Поляков В.И. Высокоэффективные солнечные элементы третьего поколения. Доклады Российской академии сельскохозяйственных наук, 2011, № 4. С. 56-60.

9. Стребков Д.С, Поляков В.И. Фотоэлектрические кремниевые модули с КПД 24 % для солнечных электростанций с концентраторами // Труды Межд. науч.-практ. конф. "Перспективные направления альтернативной энергетики и энергосберегающие технологии" г. Шымкент, Республика Казахстан, Южно-Казахстанский государственный университет им. М. Ауезова. 2010. Т. 1. С. 137-145.

10. Стребков Д.С., Майоров В.А., Панченко В.А., Осьмаков М.И., Плохих С.Л. Солнечная установка с многопереходными фотоэлементами и концентратором // Электро, 2013, № 2. С. 50 - 52.

11. Jochem Siemer, Beate Knoll. Still more than enough // Photon International, February 2013, № 2. P. 72 - 73.

12. Shravan Kumer Chunduri. PV`s Palindrome. // Photon International, February 2013, № 2. P. 64 - 71.

Размещено на Allbest.ru