Новые технологии в фотоэлектрических модулях

Производительность фотоэлектрических модулей (ФЭМ) очень весомый параметр, который в значительной мере определяет уровень приведенной стоимости электроэнергии (LCOE) и экономическую эффективность всего проекта солнечной электростанции (СЭС). Поэтому производители солнечных батарей стремятся к технологическим инновациям, чтобы повысить конкурентоспособность своей продукции. Однако, в последние годы, спеша вывести на рынок новые технологии, производители упускают из вида базовый контроль качества. Как результат мы наблюдаем возрождение старых механизмов отказа и новые способы деградации у ФЭМ.

Причины снижения производительности фотоэлектрических модулей

Фотоэлектрические модули подвержены ряду механизмов отказа и старения. Для того чтобы они работали со стабильной производительностью в течение всего срока службы, производители должны следовать строго отработанным процедурам и использовать качественные компоненты. Преждевременное снижение эффективности ФЭМ возникает, когда пропущены этапы контроля качества продукции или используются некачественные материалы.

Отсутствие долгосрочных полевых данных

В современных производственных технологиях используются компоненты, которых еще не было 25 лет назад. Поэтому реальных данных, которые подтверждают долгосрочную надежность многих современных технологий производства ФЭМ, сегодня не существует.

Однако, существуют независимые лаборатории, которые тестируют оборудование для СЭС и на основе полученных данных вычисляют его надежность. Например, лаборатория PV Evolution проводит испытания, которые демонстрируют пригодность солнечного оборудования. Отчеты PVEL содержат количественные показатели о производительности солнечных панелей. В дальнейшем эти показатели используются для планирования масштабных проектов по генерации солнечной энергии.

На Рисунке 1 представлены график и таблица по ряду наиболее частых дефектов ФЭМ, возникающих после их стресс-тестирования.

Рис.1. Ряд наиболее частых дефектов, возникающих в солнечных модулях при стресс-тестировании. Источник: 2020 PV Module Reliability Scorecard, PVEL, 2019.
Рис.1. Ряд наиболее частых дефектов, возникающих в солнечных модулях при стресс-тестировании. Источник: 2020 PV Module Reliability Scorecard, PVEL, 2019.

Деградация солнечных панелей

Деградация солнечных панелей (PID) – это снижение выходной мощности PV-модулей во времени. Очень нежелательное явление, которое вызывается как внутренними, так и внешними причинами.

Деградация производительности фотоэлектрических модулей с одной стороны ожидаемый и нормальный процесс, любое оборудование рано или поздно выходит из строя. С другой стороны, экономически целесообразным является ограничение или устранение причин PID. Это позволяет снизить скорость деградации солнечных панелей и улучшить экономику проекта.

Что же вызывает и ускоряет PID-процесы в солнечных модулях?

  • Разность потенциалов между солнечным элементом и заземленной рамой модуля;
  • Воздействие влажности и температуры;
  • Производственные дефекты;
  • Недостаточная плотность ламинирующего слоя модуля.

Экономика проектов солнечных электростанций рассчитывается исходя из срока службы ФЭМ на протяжении 25-30 лет. Поэтому, значительное снижение производительности в первые годы работы СЭС становится просто катастрофой с технической и финансовой точки зрения.

PID может произойти в течение нескольких недель или даже дней после ввода СЭС в эксплуатацию. Как правило, это происходит, когда отсутствует качественное заземление (внутренняя электрическая цепь смещена в отрицательную сторону по отношению к земле). В таком случае, напряжение между рамой и ячейками модуля может вызывать «дрейф» ионов натрия из стекла к поверхности ячейки.

Ячейка обычно имеет антиотражающее покрытие из нитрида кремния (SiN). Если точечные отверстия в этом покрытии достаточно велики, чтобы позволить ионам натрия проникать в клетку, то производительность может быть непоправимо снижена. В такой ситуации, напряжение может вызвать накопление статического заряда, что также негативно влияет на производительность, хотя этот эффект обычно обратим.

Как максимально снизить вероятность возникновения PID-процессов?

Чтобы инвесторы могли довериться тому или иному производителю солнечных батарей, PVEL предлагает процедуру тестирования модулей. Она позволяет определить насколько выбранная модель ФЭМ является PID-устойчивой. Если тестирование выявляет неудовлетворительные результаты устойчивости солнечной батареи к деградации, целесообразным является применение альтернативных решений. Например, использование определенных конфигураций заземления или распределенной электроники, или замена производителя/модели PV-модуля.

Как проводится тестирование ФЭМ?

Модуль помещается в специальную камеру, где в течение двух циклов по 96 часов применяется смещённое напряжение равное максимальному системному напряжению модуля (MSV) в условиях температуры окружающей среды 85 °C и относительной влажности 85%. Эти условия температуры, влажности и смещения напряжения помогают PVEL оценить потенциально возможные механизмы деградации и отказа (рис.2).

Результаты, представленные в гистограммах, показывают снижение средней мощности для различных тестовых образцов одной модели ФЭМ. Гистограммы учитывают сравнение показателей 2020 года с историческим набором данных PVEL.

Рис.2. Ухудшение электрических параметров при тестировании модуля в камере. PMP - максимальная мощность, VMP - напряжение при максимальной мощности, VOC - напряжение холостого хода, ISC - ток короткого замыкания, IMP - ток при максимальной мощности.
Рис.2. Ухудшение электрических параметров при тестировании модуля в камере. PMP - максимальная мощность, VMP - напряжение при максимальной мощности, VOC - напряжение холостого хода, ISC - ток короткого замыкания, IMP - ток при максимальной мощности.

Инновационные технологические решения для солнечных модулей

За последние несколько лет наблюдалось много инноваций в фотоэлектрических технологиях. Производители активно внедряют новые процессы и новые компоненты.

 

PERC (Passivated Emitter Rear Cell) – широко применяемая технология для моно и поликристаллических ячеек, использующая дополнительный диэлектрический слой на задней стороне ячейки. Данная технология увеличивается степень поглощения фотонов и квантовую эффективность ячеек;

Bifacial – это двухсторонние монокристаллические элементы. Поглощают излучение с обеих сторон солнечной панели, что увеличивает процент произведенной энергии;

Multi Busbar – шины проволочного и многолинейного типа. Технология основана на использовании вместо широких шин очень тонких круглых проводов. Это снижает сопротивление и повышает производительность;

Split panels – половинчатые ячейки. Здесь используются ячейки с половинным размером вместо квадратного, а распределительная коробка перемещается в центр модуля. Каждая ячейка работает параллельно, что повышает производительность и снижает резистивные потери через шины.

 

Dual Glass – безрамочные модули, с двойным стеклом. Часто двойные стеклянные панели делаются без алюминиевой рамы, что позволяет ФЭМ самоочищаться во время дождя и ветра, повышая тем самым производительность фотоэлектрической системы.

Shingled Cells – безразрывные элементы. Это новая технология, в которой применяются наслаивающиеся друг на друга узкие полоски фотоэлектрических ячеек. В перекрытии полосок скрывается одна шина, что исключает необходимость располагать соединительные шины поверх элемента, а значит повышает эффективность панели.

IBC (Interdigitated Back Contact cells) – переплетеные контакты сзади ячейки. С тыльной стороны ячейки встраивается сетка из проводников. Использование IBC технологии позволяет укрепить солнечный элемент и снизить вероятность микротрещин.

HJT (Heterojunction cells) – гетероструктурные ячейки. В основе HJT фотоэлемента лежит обычная кристаллическая кремниевая пластина, которая покрыта с двух сторон тонкопленочным слоем аморфного кремния. Данная технология повышает производительность ячеек.

Тенденции в производстве фотоэлектрических модулей

За последние несколько лет технологии производства фотоэлектрических модулей достаточно сильно изменились. И теперь покупатели сталкиваются со сложным рынком, наполненным продукцией с различными параметрами и свойствами. Производители активно внедряют новые процессы и новые компоненты. Три важные тенденции имеют место в новых технологиях по производству солнечных панелей. Эти тенденции важно понимать с точки зрения поиска возможностей по снижению рисков в проектах солнечной энергетики.

Элементы PERC быстро заменили когда-то более популярные ячейки с алюминиевой задней поверхностью (Al-BSF). Кроме того, производители стали отдавать предпочтение ячейкам половинчатого размера и новым типам шин. Подробнее в таблице:

Тенденції Ризики Можливості
Масштабное внедрение архитектуры ячеек PERC. Некоторые клетки PERC чувствительны к деградации под действием света и повышенной температуры (LeTID), что может снизить производительность до 10%. Чувствительность к дестабилизации бора и кислорода также имеет место быть. Элементы PERC имеют более высокую эффективность и обычно работают лучше в условиях низкой освещенности и высокой температуры.
Новые конструкции ячеек и активное использование шин, круглых соединительных проводов и больших пластин. Некоторые новые конструкции ячеек более восприимчивы к микротрещинам. Кроме того, внесение сложных технологических изменений на производственных линиях приводит к увеличению количества дефектов. Новые конструкции ячеек обеспечивают более высокую эффективность и номинальную мощность ФЭМ, что ведет к снижению затрат.
Новые конструкции солнечных батарей: более тонкие рамки; сэндвич стекло-стекло; бифациальные пленки (LRF). Новые форм-факторы модулей могут быть более подвержены повреждениям и могут быть несовместимы с существующими монтажными системами. В отрасли не хватает долгосрочных полевых данных о новых компонентах и конструкциях. Легкие модули легче транспортировать и устанавливать. Новые конструкции и материалы повышают номинальную мощность.

Компании, работающие в области солнечной энергетики, могут максимизировать долгосрочную финансовую выгоду, создавая надежные и высокоэффективные проекты. Дополнительным фактором доверия к производителю солнечных модулей является проведение независимой сторонней экспертизы производственных линий предприятия. Это поможет покупателям выбрать производителей, которые следуют строгим процедурам обеспечения и контроля качества.

Крайне целесообразным является проверка производительности всей системы сразу после установки. Тестирование работоспособности проекта позволяет обнаружить трещины в ячейках, которые могли возникнуть во время транспортировки и установки.

Современные технологии развиваются с невероятной скоростью, гораздо быстрее, чем когда-либо до этого. Международное энергетическое агентство прогнозирует, что через четыре года возобновляемые источники энергии составят 30% мировых генерирующих мощностей. Хотя этот рост впечатляет, его недостаточно для борьбы с изменением климата.

Чтобы улучшить прогноз ради нашей планеты и будущих поколений, нам всем нужно работать умнее, работать дешевле, работать быстрее. Качество – очень важный параметр на каждом этапе: от материалов для производства ФЭМ, до строительства и эксплуатации СЭС.

Компания АВЕНСТОН гордится своими достижениями в области солнечной энергетики! Мы всегда ставим качество и надежность на первое место! Глубокое понимание технологий производства солнечных модулей, многолетнее сотрудничество с лучшими мировыми производителями оборудования и положительные отзывы наших клиентов – вот те три кита, на которых стоит компания АВЕНСТОН!