Fotovoltinės technologijos evoliucijos kelias: nuo Al-BSF iki perovskito tandemų

Fotoelektros pramonė per pastaruosius penkiasdešimt metų keitėsi itin greitai dėl technologijų. Siekis didesnio efektyvumo, mažesnės išlygintos elektros energijos (arba LCOE) kainos ir geresnio pagaminimo leido sukurti daugybę saulės elementų technologijų kartų. Nuo paprastų kristalinio silicio konstrukcijų iki pažangių tandeminių struktūrų – kiekviena karta atspindi tiek mokslinį vystymąsi, tiek agresyvią gamintojų konkurenciją, dėl kurios pramonėje pradedama taikyti didelio masto{2}. Toliau esančiame esė išnagrinėsime svarbiausius PV technologijos progreso etapus, įskaitant dominuojančias technologijas, jų naujoves ir naujas bei besivystančias technologijas, kurios keičia saulės energijos gamybą ir vartojimą.

Dešimtmečius pramonės standartas buvo aliuminio nugaros paviršiaus lauko (Al-BSF) elementas. Ši paprasta, bet efektyvi konstrukcija, paprastai pagrįsta p-tipo monokristaliniu arba daugiakristaliniu siliciu, turėjo viso-pločio aliuminio galinį kontaktą. Jo gamybos procesas buvo palyginti brandus ir pigus, todėl buvo suteikta galimybė pirmą kartą didelio masto-suparduoti saulės energiją. Tačiau Al-BSF turėjo esminį apribojimą: stipri galinio-paviršiaus rekombinacija. Elektronai, susidarę šalia galinio paviršiaus, lengvai rekombinuotųsi, apribodami elemento atviros{11}grandinės įtampą ir, atitinkamai, jos praktinio efektyvumo ribas iki maždaug 18–19 %. 2010-ųjų pradžioje tapo aišku, kad Al{16}}BSF nebegali pasiekti pramonės efektyvumo tikslų, todėl buvo ieškoma geresnės struktūros.

Proveržis įvyko su Passived Emitter and Rear Cell (PERC) architektūra. Iš pradžių išrastas devintajame dešimtmetyje, bet didžiuliu mastu parduotas tik apie 2015–2018 m., PERC pristatė svarbią naujovę: pasyvavimo sluoksnį (paprastai aliuminio oksido) galiniame paviršiuje. Šis sluoksnis atstūmė mažumos nešiklius ir smarkiai sumažino rekombinaciją, suteikdamas aukštesnę įtampą ir patobulintą šviesos gaudymą. PERC elementai greitai padidino masinės-gamybos efektyvumą nuo 19 % iki daugiau nei 23 %, o jų gamybos procese reikėjo atlikti tik nedidelius esamų Al-BSF linijų pakeitimus. Todėl PERC tapo neginčijama pagrindine technologija beveik dešimtmetį. Tačiau iki 2022–2023 m. PERC pradėjo artėti prie savo teorinės efektyvumo ribos – maždaug 24,5 proc., susidūrusi su mažėjančia grąža ir šviesos sukeltos degradacijos (LID) problema, atverianti kelią kitai kartai.

Artėjant PERC luboms, dėmesys nukrypo į n-tipo silicio plokšteles, kurios pasižymi puikiu mažumos laikiklio tarnavimo laiku ir nuliniu dangčiu. Dvi architektūros pasirodė kaip pirmaujančios-pakopos.

TOPCon kūrimas prasidėjo sukūrus PERC{0}}panašias struktūras. Tobulinimas apėmė labai ploną dielektrinį tunelio oksido sluoksnį kartu su stipriai-legiruotu galiniu-paviršiniu polisilicio sluoksniu. Tai užtikrina išskirtinę kontaktinio ir pasyvavimo kokybę. TOPCon greitai viršijo 25 % efektyvumą masinėje elementų gamyboje, kai kurie didžiausi elementų gamintojai kartais praneša apie 26 % efektyvumą. Kitas svarbus TOPCon pranašumas buvo jos gebėjimas dirbti esamose PERC gamybos linijose, reikalaujančiose minimalių įrankių papildymų, suteikiant aiškų ekonominį pranašumą ir 2025 m. pabaigoje įsitvirtino kaip pagrindinė technologija.

HJT pasyvuoja n-tipo kristalinės plokštelės paviršių, naudodamas amorfinio silicio sluoksnius. HJT užtikrina itin aukštą atvirosios-grandinės įtampą (didesnę nei 750 mV), mažiau proceso etapų, mažesnį temperatūros koeficientą ir natūraliai yra dvipusis. Nors HJT efektyvumas yra šiek tiek mažesnis nei TOPCon, jo reikalaujamos žymiai didesnės investicijos ir didelis indžio naudojimas trukdė technologijai įsiskverbti į rinką. Tačiau HJT vis dar yra stiprus varžovas rinkoje, ypač naudojant vario-dengimo ar sidabro{7} taupymo technologijas.

Žvelgiant į ateitį, dvi technologijos žada iš naujo apibrėžti efektyvumo lubas. Interdigital Back Contact (BC) elementai perkelia visus elektrinius kontaktus į galinę pusę, visiškai pašalinant priekinio{1}}tinklelio šešėliavimą. Tai suteikia elegantišką, visiškai juodą išvaizdą ir 0,5–1 % efektyvumo padidėjimą, palyginti su standartiniu TOPCon. Pramonės lyderiai pastūmėjo BC į masinę gamybą, pozicionuodami ją kaip kitą pagrindinę iteraciją.

Dar labiau trikdanti saulės elementų technologijos forma yra tandeminis saulės elementas, kurį sudaro viršutinis perovskito elementas (didesnės{0}}energijos fotonams užfiksuoti) ir apatinis silicio elementas (mažesnės{1}}energijos fotonams fiksuoti), sujungtų į vieną įrenginį. Saulės elementų efektyvumas viršijo 30 %, o šiuo metu laboratorinis efektyvumas3. Likusios šios technologijos kliūtys yra šios: stabilumas, didelio ploto gamyba ir švino toksiškumas. Didieji gamintojai jau sukūrė bandomąsias gamybos linijas, tikėdamiesi išspręsti šias problemas ir, jei pavyks pašalinti šias kliūtis, perovskito tandemai turės didelę įtaką saulės energijos naudojimui, o tai greičiausiai padidins masinės gamybos{6}produktų efektyvumą daugiau nei 35 proc.

PV pramonės technologijų iteracija yra žavus pasakojimas apie nuolatinį tobulėjimą ir strateginį pakeitimą. Nuo Al-BSF paprastumo iki PERC dominavimo ir nuo TOPCon bei HJT efektyvumo lenktynių iki radikalių BC ir perovskito tandemų pažadų – kiekviena fazė atrakino naujus našumo ir ekonomiškumo{2}}efektyvumo lygius. Šiandien pramonė atsidūrė įdomioje kryžkelėje: nors TOPCon valdo dabartinį apimtį, BC ir tandem technologijos yra pasiruošusios apibrėžti kitą dešimtmetį. Ši negailestinga evoliucija pabrėžia paprastą tiesą – saulėje vienintelė konstanta yra veiksmingesnių būdų, kaip surinkti beribę saulės energiją, paieška.