Китайцы разработали гетероструктурный солнечный элемент, который тоньше листа бумаги
Специалисты из китайского Университета науки и технологий Цзянсу, компании Longi Green Energy Technology и Университета Кертина в Австралии создали сверхтонкий фотоэлектрический гетероструктурный (HJT) элемент (ячейку) с высокими показателями эффективности и отношения мощности к массе.
Результаты исследования описаны в статье «Гибкие кремниевые солнечные элементы с высоким соотношением мощности к весу» в научном журнале Nature.
В настоящее время солнечные элементы можно разделить на две категории: элементы из кристаллического кремния и тонкопленочные. Солнечные элементы из кристаллического кремния используют кремний в качестве основного материала и в настоящее время являются наиболее развитой и широко используемой технологией производства фотоэлектрической энергии. Гетероструктурные (HJT) элементы также относятся к кремниевым, поскольку в их основе – пластина из кристаллического кремния, на которую нанесены тонкие пленки из кремния аморфного. Доля мирового рынка элементов из кристаллического кремния превышает 90%.
Тонкопленочные батареи подразделяются на различные типы материалов, такие как Селенид меди-индия-галлия (CIGS), теллурид кадмия (CdTe), перовскит и арсенид галлия (GaAs). В настоящее время тонкопленочные ячейки имеют такие недостатки, как высокая стоимость, низкая эффективность или короткий срок службы. Исключением, пожалуй, являются тонкоплёночные устройства CdTe, массово производимые американской First Solar, однако рыночная доля этой продукции только снижается.
Недостатком кремниевых элементов является то, что они являются жесткими и относительно «толстыми», что ограничивает их применение в тех случаях, когда нужна повышенная гибкость и минимизация веса. Сегодня толщина кремниевых пластин в среднем составляет 150 микрометров.
Как мы уже неоднократно подчеркивали, промышленная деятельность в секторе солнечной энергетики характеризуется непрерывным потоком инноваций. Это подробно описывается, например, в ежегодных докладах ITRPV.
Самой энергоемкой частью процесса изготовления солнечных модулей является производство сырья-поликремния и выращивание кремниевых слитков, из которых затем нарезаются пластины (wafers), которые, в свою очередь, являются основой для производства солнечных элементов (ячеек).
Поэтому снижение удельного потребления кремния (на ватт производимой конечной продукции) является важной технологической задачей отрасли. Эволюция в этом направлении идёт постоянно.
Ещё в 2020 году в научной работе были описаны подходы, применение которых позволит существенно уменьшить толщину кремниевых пластин.
В 2021 году китайская компания Risen Energy, делясь своим опытом адаптации к более тонким пластинам, заявила, что она начала работать с толщинами 120 мкм, а уже в 2023 году Risen стала использовать для производства солнечных элементов HJT Hyper-ion ультратонкие кремниевые пластины 100 мкм.
Как описано в новой статье, исследовательская группа выпустила высокопроизводительные ячейки различной толщины (55–130 мкм) с сертифицированной эффективностью 26,06% (57 мкм), 26,19% (74 мкм), 26,50% (84 мкм), 26,56% (106 мкм) и 26,81%. (125 мкм). Среди них кристаллическая кремниевая гетеропереходная ячейка толщиной 57 микрон имеет соотношение мощности к весу 1,9 Вт/г и радиус кривизны 19 мм. Отношение мощности к весу здесь в 2-3 раза выше, чем у продуктов, представленных на рынке. Соответствующие показатели сертифицированы Институтом исследований солнечной энергии в Хамелине (ISFH) в Германии.
«Раньше, когда люди упоминали тонкопленочные солнечные элементы, они обычно думали об аморфном кремнии или органических солнечных элементах. Однако разработанные нами кристаллические кремниевые элементы тоньше бумаги формата А4, и их можно свернуть в рулон. Они также тоньше, чем тонкопленочные элементы, и более эффективны, чем традиционные кристаллические кремниевые ячейки», — заявил журналистам профессор Ли Ян из Университета науки и технологий Цзянсу.
Новое достижение «фундаментально меняет традиционное представление людей о солнечных элементах из кристаллического кремния, как тяжелых и хрупких, и значительно расширяет сферу применения солнечных элементов из кристаллического кремния», — говорится в заявлении китайского университета.