Высоковольтные матричные солнечные модули

Презентация: Высоковольтные матричные солнечные модули

 Введение

В годовом обзоре Photon International за 2012 г. показано, что средний КПД планарных солнечных модулей (ПСМ) из монокристаллического кремния составяляет — 15,1%, а из мультикристаллического кремния — 14,7%. Доля ПСМ из монокристаллического кремния в общем объеме производства составляет 49%, из мультикристаллического кремния — 48,4%, тонкопленочных солнечных модулей — 2,38%.

Научные организации и компании во многих странах мира разрабатывают кремниевые солнечные модули (СМ) третьего поколения с КПД до 25% и более, пригодные для крупномасштабного промышленного производства. Планарные солнечные элементы и модули из кремния с КПД до 25% разработали в университете New South Wales (Австралия), 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 при увеличении освещенности. В настоящее время все заводы в России и за рубежом производят СМ из кремния с КПД до 19 %. Для увеличения КПД в массовом производстве нужны новые физические принципы, новые конструкции и технологии.

В результате многолетних  исследований получены высоковольтные кремниевые солнечные модули третьего поколения с рабочим напряжением до 800 В и КПД до 24% при преобразовании концентрированного солнечного излучения. Высоковольтные солнечные модули (ВСМ) позволят создавать солнечные электростанции с напряжением постоянного тока 110-500 кВ с присоединением к высоковольтной линии передачи постоянного тока без трансформаторов и преобразовательных подстанций, что является уникальным преимуществом по сравнению с обычными технологиями.

ВСМ третьего поколения  при концентрированном солнечном излучении разработаны и испытаны на экспериментально-технологическом участке ГНУ ВИЭСХ. В технологии не используются такие трудоемкие операции, как многостадийная диффузия, фотолитография, сеткография, вакуумная металлизация, удалось также исключить применение серебра для изготовления контактов и т.д.

 Описание

До настоящего времени считалось, что р-n переход, в электрическом поле которого происходит разделение генерированных солнечным излучением неосновных носителей заряда, играет ключевую роль и его площадь должна соответствовать площади СМ.

Однако у р-n перехода есть и отрицательные свойства — в его области имеются рекомбинационные потери. Через р-n переход протекает темновой ток насыщения, связанный с тепловой генерацией носителей заряда, что приводит к снижению фото-ЭДС. Легированный слой над плоскостью р-n перехода имеет большое сопротивление растекания, что увеличивает омические потери, особенно при преобразовании концентрированного солнечного излучения. Легированный слой поглощает коротковолновую часть солнечного излучения вследствие потерь на свободных носителях заряда, а его вклад в фототок очень мал из-за рекомбинации носителей заряда на дефектах кристаллической структуры и примесных центрах в сильно легированном полупроводнике.

Было предложено 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.

Высоковольтный солнечный модуль с двухсторонней рабочей поверхностью выполнен в виде матрицы из скоммутированных миниатюрных солнечных элементов (микро-СЭ), 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. При этом р-n переходы 2 расположены перпендикулярно рабочей поверхности 10. Один или два линейных размера микро-СЭ 1 соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области 4. Пассивирующая пленка 8 толщиной 10-30 нм расположена на свободной от n-р переходов поверхности 10.

Рис. 1. Высоковольтный солнечный модуль на основе монокристаллического кремния (1-10 в тексте)

На рис.2. показана секция ВСМ с размером 10´60´0,4 мм в оболочке из стекла, содержащая 25 микроэлементов, общая ширина контактов всех солнечных фотоэлектрических микроэлементов на рабочей поверхности составила 150 мкм.

Рис. 2. Секция высоковольтного солнечного модуля.

На рис.3 представлены вольтамперные характеристики ВСМ размером 10´60´0,4 мм с радиатором воздушного охлаждения при различной освещенности.

При концентрированном импульсном излучении с плотностью потока 102,5 кВт/м2 КПД ВСМ площадью 6 см2 составил 24% (рис.3), рабочее напряжение 16,3 В, рабочий ток 0,9 А, фото-э.д.с. 19 В (кривая 1¢). Ток к.з. ВСМ линейно увеличивается с ростом освещенности, увеличивается 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 1²).

Рис. 3. Вольтамперные характеристики ВСМ размером 10х60х0,4 мм:

1′ – освещенность 102 кВт/м2, КПД 24%;

1» – 493 кВт/м2,  КПД 20%; 2 – планарного солнечного модуля

размером 1,2х0,54 м при освещенности 1 кВт/м2, КПД 12%

На рис.4 показан общий вид двух типов высоковольтных солнечных модулей размером 400´60´0,4 мм в оболочке из стекла.

 а)

б)

Рис.4. 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)

Для фотоприемников на основе ВСМ (рис.5) разработаны солнечные концентраторы параболоцилиндрического и параболоидного типа, профиль поверхности которых обеспечивает равномерное освещение поверхности фотоприёмника.

 а)

б)

Рис. 5. Концентраторные модули параболоцилиндрического (а) и параболоидного (б) типа с равномерным освещением фотоприемника на основе ВСМ.

При использовании солнечных установок с концентраторами следует отметить такие положительные аспекты, как экономия кремния солнечного качества; наряду с электроэнергией потребитель получает и тепловую энергию, соответственно 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 из монокристаллического кремния представлено в таблице 1.

 Таблица 1. Сравнение характеристик планарных и высоковольтных СМ.

Параметр

Высоковольтный солнечный модуль

Планарный солнечный модуль

Напряжение, В

800

12 – 24

Срок службы, лет

40 – 50

20 – 25

Средний КПД при солнечном излучении1 кВт/м2, спектре АМ 1,5 и температуре25 °С, %

12 – 15

15-18

КПД при концентрированном солнечном излучении 100 кВт/м2, спектре АМ 1,5 и температуре 25°С, %

19-24

15-18

При использовании специального геля 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. КПД ВСМ 18-20 % 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 преобразовательных подстанций составляет до 30% от стоимости солнечных электростанций. Для получения рабочего напряжения 840 В с использованием традиционных планарных солнечных модулей требовалось бы соединить последовательно более 1500 планарных солнечных элементов размером 150´150 мм, при этом полная длина модуля превысила бы 252 м.

 Резюме

В результате 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 25о 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 планарным фотоэлектрическим модулем на основе монокристаллического кремния, работающим без концентратора. Указанные характеристики получены для ВСМ без просветляющего покрытия.

 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.

Федеральная служба РФ по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам выбрала из 42000 российских патентов 100 лучших, в число которых был включен патент на рассматриваемый ВСМ третьего поколения и технологию его изготовления.

На XI международном форуме «Высокие технологии XXI века» Всероссийский НИИ электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ) награжден медалью за конкурсный проект «Фотоэлектрические кремниевые модули с повышенным КПД (24%) для солнечных электростанций с концентраторами».