Нові технології у виробництві фотоелектричних модулів

Продуктивність фотоелектричних модулів ФЕМ дуже вагомий параметр, який впливає на рівень наведеної вартості електроенергії (LCOE) та економічну ефективність всього проєкту сонячної електростанції (СЕС). Тому виробники сонячних батарей прагнуть до технологічних інновацій, щоб підвищити конкурентоспроможність своєї продукції. Однак, в останні роки, поспішаючи вивести на ринок нові технології, виробники випускають з виду базовий контроль якості. Як результат ми спостерігаємо відродження старих механізмів відмови та нові способи деградації у ФЕМ.

Причини зниження продуктивності фотоелектричних модулів

Фотоелектричні модулі схильні до ряду механізмів відмови та старіння. Для того, щоб вони працювали зі стабільною продуктивністю протягом всього терміну використання, виробники сонячних батарей повинні слідувати відпрацьованим процедурам та використовувати якісні компоненти. Передчасне зниження ефективності ФЕМ виникає, коли пропущені етапи контролю якості продукції або використовуються неякісні матеріали.

Відсутність довгострокових польових даних

У сучасних виробничих технологіях використовуються компоненти, яких ще не існувало 25 років тому. Тому реальних даних, які підтверджують довгострокову надійність багатьох сучасних технологій виробництва ФЕМ, сьогодні не існує. Але існують незалежні лабораторії, які тестують обладнання для СЕС та на основі отриманих даних обчислюють його надійність. Наприклад, лабораторія PV Evolution проводить випробування, які демонструють придатність сонячного обладнання. Звіти PVEL містять кількісні показники про продуктивність сонячних панелей. Показники продуктивності можна використовувати для планування масштабних проєктів по генерації сонячної енергії.

На рисунку 1 представлені графік і таблиця по ряду найбільш частих дефектів ФЕМ, що виникають після стрес-тестування.

Рис.1. Ряд найбільш частих дефектів, що виникають в сонячних модулях при стрес-тестуванні. Джерело: 2020 PV Module Reliability Scorecard, PVEL, 2019.
Рис.1. Ряд найбільш частих дефектів, що виникають в сонячних модулях при стрес-тестуванні. Джерело: 2020 PV Module Reliability Scorecard, PVEL, 2019.

Деградація сонячних модулів

Деградація сонячних панелей (PID) – це зниження вихідної потужності PV-модулів у часі. Дуже небажане явище, яке викликається як внутрішніми, так і зовнішніми причинами.

Деградація продуктивності фотоелектричних модулів з одного боку очікуваний та нормальний процес, будь-яке обладнання рано чи пізно виходить з ладу. З іншого боку, економічно доцільним є обмеження або усунення причин PID. Це дозволяє знизити швидкість деградації сонячних панелей та поліпшити економіку проєкту.

Що ж викликає і прискорює PID-процеси в сонячних модулях?

  • Різниця потенціалів між сонячним елементом та заземленою рамою модуля;
  • Вплив вологості та температури;
  • Виробничі дефекти;
  • Недостатня щільність ламінувального шару модуля.

Економіка проєктів сонячних електростанцій розраховується виходячи з терміну служби ФЕМ протягом 25-30 років. Тому, значне зниження продуктивності в перші роки роботи СЕС стає просто катастрофою з технічної та фінансової точки зору.

PID може відбутися протягом декількох тижнів або навіть днів після введення СЕС в експлуатацію. Як правило, це відбувається, коли відсутнє якісне заземлення (внутрішній електричний ланцюг зміщений у від’ємну сторону щодо землі). В такому випадку, напруга між рамою та осередками модуля може викликати «дрейф» іонів натрію зі скла до поверхні комірки.

Осередок зазвичай має покриття з нітриду кремнію (SiN), що знижує відбивну здатність. Якщо точкові отвори в цьому покритті досить великі, щоб дозволити іонам натрію проникати у комірку, тоді продуктивність може бути непоправно знижена. У такій ситуації, напруга може викликати накопичення статичного заряду, що також негативно впливає на продуктивність, хоча цей ефект зазвичай можна виправити.

Як максимально знизити ймовірність виникнення PID-процесів?

Щоб інвестори могли довіритися тому чи іншому виробнику сонячних батарей, PVEL пропонує процедуру тестування модулів. Вона дозволяє визначити наскільки обрана модель ФЕМ є PID-стійкою. Якщо тестування виявляє незадовільні результати стійкості сонячної батареї до деградації, доцільним є застосування альтернативних рішень. Наприклад, використання певних конфігурацій заземлення або розподіленої електроніки, або заміна виробника/моделі PV-модуля.

Як проводиться тестування фотоелектричних модулів?

Модуль розміщують у спеціальній камері, де протягом двох циклів по 96 годин застосовують його максимальну системну напругу (MSV) в умовах температури навколишнього середовища 85 ° C та відносній вологості 85%. Дані умови допомагають PVEL оцінити потенційно можливі механізми деградації та відмови фотоелектричного модуля. (Рис.2)

Результати, представлені в гистограммах, показують зниження середньої потужності для різних тестових зразків однієї моделі ФЕМ. Гістограми враховують порівняння показників 2020 року з історичним набором даних PVEL.

Рис.2. Погіршення електричних параметрів при тестуванні модуля. PMP – максимальна потужність, VMP – напруга при максимальній потужності, VOC – напруга холостого ходу, ISC – струм короткого замикання, IMP – струм при максимальній потужності.
Рис.2. Погіршення електричних параметрів при тестуванні модуля. PMP – максимальна потужність, VMP – напруга при максимальній потужності, VOC – напруга холостого ходу, ISC – струм короткого замикання, IMP – струм при максимальній потужності.

Інноваційні технологічні рішення для сонячних модулів

За останні кілька років спостерігається багато інновацій в фотоелектричних технологіях. Виробники активно впроваджують нові процеси та нові компоненти.

 

PERC (Passivated Emitter Rear Cell) – дана технологія широко застосовується для моно та полікристалічних комірок. Передбачає додатковий діелектричний шар на тильній поверхні комірки. Дана технологія збільшується ступінь поглинання фотонів і квантову ефективність осередків;

Bifacial – це двобічні монокристалічні елементи. Поглинають сонячне випромінення з обох боків сонячної панелі, що збільшує відсоток виробленої енергії;

Multi Busbar – шини дротяного та багатолінійного типу. Технологія заснована на використанні замість широких шин дуже тонких круглих проводів. Це знижує опір та підвищує продуктивність;

Split panels – половинчасті осередки. В даній технології використовуються комірки з половинним розміром замість квадратного, а розподільна коробка переміщена у центр модуля. Кожна комірка працює паралельно, що підвищує продуктивність та знижує резистивні втрати через шини.

 

Dual Glass – безрамкові модулі, з подвійним склом. Часто подвійні скляні панелі виготовляють без алюмінієвої рами, що дозволяє ФЕМ самоочищатися під час дощу та вітру, підвищуючи тим самим продуктивність фотоелектричної системи;

Shingled Cells – суцільні елементи. Це нова технологія, в якій нашаровують один на одного вузькі смужки фотоелектричних комірок. У перекритті смужок ховається одна шина, що виключає необхідність сполучувати шини поверх елемента, а значить підвищує продуктивність панелі;

IBC (Interdigitated Back Contact cells) – переплетіння контактів позаду комірки. З тильного боку комірки вбудовується сітка з провідників. Використання IBC технології дозволяє зміцнити сонячний елемент та знизити ймовірність мікротріщин;

HJT (Heterojunction cells) – гетероструктурні комірки. В основі HJT фотоелемента лежить звичайна кристалічна кремнієва пластина, яка покрита з двох сторін тонкою плівкою аморфного кремнію. Дана технологія підвищує продуктивність комірок.

Тенденції у виробництві фотоелектричних модулів

За останні кілька років технології виробництва фотоелектричних модулів досить сильно змінилися. І тепер покупці стикаються зі складним ринком, наповненим продукцією з різними параметрами та властивостями. Три важливі тенденції мають місце в нових технологіях з виробництва сонячних панелей. Ці тенденції важливо розуміти з точки зору пошуку можливостей щодо зниження ризиків в проєктах сонячної енергетики.

Елементи PERC швидко замінили колись більш популярні комірки з алюмінієвою задньою поверхнею (Al-BSF). Крім того, виробники стали надавати перевагу коміркам половинчатого розміру та новим типам шин та дротів. Детальніше у таблиці:

Тенденції Ризики Можливості
Масштабне впровадження архітектури комірок PERC. Деякі комірки PERC чутливі до деградації від світла та підвищеної температури (LeTID), що може знизити їх продуктивність до 10%. Чутливість до дестабілізації бору та кисню також має місце. Елементи PERC мають більшу ефективність та зазвичай працюють краще в умовах низької освітленості та високої температури.
Меньші розміри комірок та активне використання шин багатолінейного типу. Деякі нові конструкції осередків більш схильні до мікротріщин. Крім того, внесення складних технологічних змін на виробничих лініях призводить до збільшення кількості дефектів. Нові конструкції комірок забезпечують вищу ефективність та номінальну потужність ФЕМ, що веде до зниження витрат.
Нові конструкції сонячних батарей: тонші рамки; сендвіч скло-скло; біфаціальні плівки. Нові формфактори модулів можуть бути більш схильні до пошкоджень та можуть бути несумісні з чинними монтажними системами. В галузі не вистачає довгострокових польових даних для нових компонентів й конструкцій. Легші модулі простіше транспортувати й встановлювати. Нові конструкції та матеріали можуть підвищити номінальну потужність.

Компанії, що працюють в області сонячної енергетики, можуть максимізувати довгострокову фінансову вигоду, створюючи надійні та високоефективні проєкти. Додатковим фактором довіри до виробника сонячних модулів є проведення незалежної сторонньої експертизи виробничих ліній підприємства. Це допоможе покупцям вибрати виробників, які слідують чітким процедурам забезпечення та контролю якості.

Вкрай доцільним є перевірка продуктивності системи відразу після установки. Тестування працездатності сонячних батарей дозволяє виявити тріщини в комірках, які могли виникнути під час транспортування або встановлення.

Сучасні технології розвиваються з неймовірною швидкістю, набагато швидше, ніж коли-небудь до цього. Міжнародне енергетичне агентство прогнозує, що через чотири роки відновлювані джерела енергії складатимуть 30% світових потужностей. Зростання вражає, але цього недостатньо для боротьби зі зміною клімату. Щоб поліпшити цей прогноз заради нашої планети та майбутніх поколінь, нам всім потрібно працювати розумніше, працювати дешевше, працювати швидше. Якість – дуже важливий параметр на кожному етапі: від матеріалів для виробництва ФЕМ, до будівництва та експлуатації СЕС.

Компанія АВЕНСТОН пишається своїми досягненнями в області сонячної енергетики! Ми завжди ставимо якість та надійність на перше місце! Глибоке розуміння технологій виробництва сонячних модулів, багаторічна практика співпраці з кращими світовими виробниками обладнання та позитивні відгуки наших клієнтів – ось ті три кити, на яких стоїть компанія АВЕНСТОН!