Эволюционный путь фотоэлектрических технологий: от Al-BSF к перовскитным тандемам

За последние пятьдесят лет фотоэлектрическая промышленность изменилась чрезвычайно быстро благодаря технологиям. Стремление к большей эффективности, более низкой приведенной стоимости электроэнергии (или LCOE) и лучшей технологичности привело к появлению многочисленных поколений технологий солнечных батарей. От простых конструкций из кристаллического кремния до усовершенствованных тандемных структур — каждое поколение представляет собой как научные разработки, так и агрессивную конкуренцию среди производителей, ведущую к широкомасштабному-внедрению в промышленность. В эссе ниже мы рассмотрим наиболее важные вехи в развитии фотоэлектрических технологий, включая доминирующие технологии, их инновации, а также новые и развивающиеся технологии, которые меняют то, как мы производим и потребляем солнечную энергию.

На протяжении десятилетий отраслевым стандартом был элемент с алюминиевым полем задней поверхности (Al-BSF). Эта простая, но эффективная конструкция, обычно основанная на монокристаллическом или мультикристаллическом кремнии p-типа, имела алюминиевый задний контакт по всей-площади. Его производственный процесс был относительно зрелым и недорогим, что позволило осуществить первую крупномасштабную-коммерциализацию солнечной энергии. Однако у Al-BSF было фундаментальное ограничение: сильная рекомбинация на задней-поверхности. Электроны, генерируемые вблизи задней поверхности, легко рекомбинируют, ограничивая напряжение разомкнутой цепи элемента и, следовательно, его практический потолок эффективности примерно до 18–19%. К началу 2010-х годов стало ясно, что Al-BSF больше не может соответствовать целевым показателям эффективности отрасли, что привело к поиску лучшей структуры.

Прорыв произошел благодаря архитектуре пассивированного излучателя и задней ячейки (PERC). Первоначально изобретенный в 1980-х годах, но коммерциализированный в массовом масштабе только примерно в 2015–2018 годах, PERC представил важнейшую инновацию: пассивирующий слой (обычно оксид алюминия) на задней поверхности. Этот слой отталкивал неосновные носители и значительно уменьшал рекомбинацию, обеспечивая более высокое напряжение и улучшая захват света. Ячейки PERC быстро повысили эффективность массового-производства с 19 % до более чем 23 %, а их производственный процесс потребовал лишь незначительных модификаций существующих линий Al-BSF. Следовательно, PERC стал бесспорной основной технологией на протяжении почти десятилетия. Однако к 2022–2023 гг. PERC начал приближаться к своему теоретическому пределу эффективности примерно в 24,5%, столкнувшись с уменьшающейся отдачей и проблемой деградации, вызванной светом (LID), что прокладывает путь для следующего поколения.

По мере приближения к потолку PERC центр внимания переместился на кремниевые пластины типа n-, которые обеспечивают превосходный срок службы неосновных носителей и нулевой LID. Две архитектуры стали лидерами-.

Создание TOPCon началось с разработки структур, подобных PERC-. Улучшение заключалось в использовании очень тонкого диэлектрического туннельного оксидного слоя в сочетании с высоко-легированным слоем поликремния с обратной-поверхностью. Это приводит к выдающемуся качеству как при контакте, так и при пассивации. TOPCon быстро превысил эффективность 25% в массовом производстве элементов, при этом некоторые крупнейшие производители элементов сообщали о эффективности, иногда превышающей 26%. Еще одним значительным преимуществом TOPCon была его способность работать на существующих производственных линиях PERC, требуя минимального добавления инструментов, что давало ему явное экономическое преимущество и зарекомендовало себя как основная технология в конце 2025 года.

HJT пассивирует поверхность кристаллической пластины n--типа с использованием слоев аморфного кремния. HJT обеспечивает чрезвычайно высокое напряжение холостого-цепи (более 750 мВ), меньшее количество этапов процесса, более низкий температурный коэффициент и, естественно, является двусторонним. Хотя эффективность HJT немного ниже, чем у TOPCon, требуемые для этого значительно более высокие инвестиции и большое использование индия препятствуют скорости проникновения технологии на рынок. Тем не менее, HJT по-прежнему остается сильным конкурентом на рынке, особенно при использовании технологий медного-покрытия или серебра-сбережения.

Заглядывая в будущее, две технологии обещают переопределить потолок эффективности. Ячейки с встречно-штыревыми задними контактами (BC) перемещают все электрические контакты на заднюю сторону, полностью устраняя затенение передней-сетки. Это обеспечивает гладкий-черный внешний вид и абсолютное повышение эффективности на 0,5–1 % по сравнению со стандартным TOPCon. Лидеры отрасли продвигают BC к массовому производству, позиционируя его как следующую крупную итерацию.

Еще более революционной формой технологии солнечных батарей является тандемный солнечный элемент, который состоит из перовскитового верхнего элемента (для захвата фотонов с более высокой{0}}энергией) и кремниевого нижнего элемента (для захвата фотонов с более низкой-энергией), собранных вместе в один блок. Благодаря этому эффективность солнечных элементов превысила порог в 30 %, а лабораторный КПД в настоящее время превышает 33 %. Остающиеся препятствия для этой технологии включают: стабильность, производство на больших площадях и токсичность свинца. Крупные производители уже создали пилотные производственные линии в ожидании решения этих проблем, и если эти препятствия удастся устранить, то перовскитные тандемы окажут существенное влияние на использование солнечной энергии, весьма вероятно, что эффективность продукции массового-производства превысит 35 %.

Итерация технологий в фотоэлектрической отрасли — это захватывающее повествование о постоянном совершенствовании и стратегическом замещении. От простоты Al-BSF до доминирования PERC, от гонки за эффективность TOPCon и HJT до радикальных перспектив тандемов BC и перовскита — каждый этап открывает новые уровни производительности и экономической-эффективности. Сегодня отрасль находится на перепутье: в то время как TOPCon обеспечивает нынешний объем, технологии BC и тандемные технологии будут определять следующее десятилетие. Эта неустанная эволюция подчеркивает простую истину: единственной константой в солнечной энергетике является поиск более эффективных способов сбора безграничной солнечной энергии.