Недавние экстремальные погодные явления подчеркнули необходимость сокращения выбросов CO₂, которые приводят к повышению глобальной температуры. Это требует быстрого перехода энергетики на возобновляемые источники энергии, наиболее дешевыми из которых являются солнечные фотоэлектрические элементы (ФЭ) . И наше недавно опубликованное исследование указывает на то, как мы можем еще больше снизить затраты на переход, используя более дешевые формы кремния для высокоэффективных солнечных панелей.

Австралия лидирует в области солнечных фотоэлектрических установок , но наше путешествие в области солнечной энергетики только начинается. В этом году человечество достигло рубежа в 1 тераватт (ТВт) — 1 миллион × 1 миллион ватт — установленной солнечной мощности . Тем не менее, эксперты прогнозируют , что к 2050 году может потребоваться 70 ТВт солнечной фотоэлектрической энергии для питания всех секторов экономики.

Чтобы способствовать быстрому внедрению солнечной фотоэлектрической энергии, нам нужны солнечные панели с высокой эффективностью и низкой стоимостью. За последние десять лет некоторые новые конструкции солнечных элементов привели к рекордно высокой эффективности. Проблема в том, что для этих конструкций также нужны материалы более высокого качества, которые стоят дороже.

Наше недавнее исследование предполагает, что мы могли бы переосмыслить тип кремния, необходимого для изготовления этих высокоэффективных солнечных элементов.

Подробнее: Австралия является безудержным мировым лидером в создании новых возобновляемых источников энергии

Не все кремния одинаковы

Более 95% солнечных панелей изготавливаются из кремния. Кремний, используемый для изготовления солнечных элементов, подобен тому, который используется в компьютерных чипах. По сути, это очень чистый песок.

Чтобы заставить солнечный элемент работать, нам нужно сформировать электрическое поле, чтобы генерируемый ток мог течь в одном направлении. Это делается путем добавления атомов примеси в кремний, процесс, известный как «легирование».

В производстве коммерческих панелей наиболее часто используется кремний p-типа. Этот материал легирован атомами, у которых на один электрон меньше, чем у кремния, такими как бор или, совсем недавно, галлий.

Затем мы можем ввести на поверхность очень тонкий слой, полный атомов с одним дополнительным электроном по сравнению с кремнием, который называется кремнием «n-типа». Соединение этих двух типов кремния вместе образует так называемый «pn-переход». Огромная разница в количестве электронов между областью p-типа и областью n-типа заставляет электроны двигаться быстро, создавая электрическое поле, которое управляет током в нашем солнечном элементе.

Обычные солнечные панели на австралийских крышах сегодня в подавляющем большинстве изготавливаются из кремния р-типа, так как он примерно на 10% дешевле, чем альтернативный кремний «n-типа», легированный фосфором.

Подробнее: Солнечный свет, питающий солнечные панели, также повреждает их. «Легирование галлия» дает решение

Более высокая эффективность обходится дорого

Исследователи постоянно стремятся повысить эффективность солнечных панелей, чтобы они могли генерировать больше энергии для потребителей. В 2017 году для кремниевой солнечной батареи был достигнут рекордный КПД 26,7% . В прошлом месяце LONGi Solar объявила об эффективности 26,5% — очень близко к мировому рекорду — для того же типа солнечных элементов, изготовленных в производственных условиях, а не в лаборатории.

Этот тип солнечного элемента называется «кремниевым гетеропереходом». Особенностью кремниевых солнечных элементов с гетеропереходом является то, что их поверхность покрыта очень тонким слоем — примерно в 1000 раз тоньше человеческого волоса — аморфного кремния. Этот тонкий слой выравнивает поверхность и значительно снижает потери энергии.

Sanyo разработала эту конструкцию ячейки в 1990-х годах. В то время для изготовления кремниевых ячеек с гетеропереходом использовались высококачественные кремниевые пластины n-типа, хотя эти пластины были более дорогими.

Основная причина этого заключается в том, что солнечный свет разрушает более дешевые пластины p-типа. Однако наше понимание этого явления и того, как его лечить, прошло долгий путь с 1990-х годов.

Наш момент лампочки

В течение последних 30 лет все кремниевые солнечные элементы с гетеропереходом, в том числе рекордные элементы, изготавливались с использованием кремниевых пластин n-типа. В нашем исследовательском проекте мы хотели проверить, можно ли использовать более дешевые пластины p-типа.

В ходе всесторонних испытаний мы обнаружили, что солнечные элементы с гетеропереходом, изготовленные из кремния p-типа, не работают так же хорошо. Мы были озадачены этим. Но однажды у нас был буквально момент озарения.

Мы поняли, что случайное воздействие комнатного освещения в течение всего десяти секунд перед тестированием снижает напряжение элементов p-типа на целых 30 мВ, что может снизить их эффективность на процентный пункт (то есть с 22% до 21%). Из-за этого наши клетки работали намного хуже, чем ожидалось. Подобно тому, как человек, страдающий тяжелой аллергией, более чувствителен к пыльце весной, мы поняли, что эти высокоэффективные кремниевые солнечные батареи с гетеропереходом, изготовленные из пластин p-типа, гораздо более чувствительны к деградации, вызванной светом.

Австралийцы лидируют в установке солнечных панелей, но снижение стоимости высокоэффективных панелей может ускорить срочный переход на возобновляемые источники энергии. Шаттерсток

Проблема определена, теперь у нас есть решение

Мы считаем, что это наблюдение является причиной того, что высокоэффективные элементы ранее исследовались только с использованием дорогого кремния. Прошлые исследователи не знали о чувствительности пластин p-типа к деградации и не имели знаний, чтобы преодолеть это.

К счастью, теперь мы знаем, что связывание бора и нежелательного кислорода в кремниевой пластине вызывает эту деградацию. Было показано, что лечение высокоинтенсивным лазером стабилизирует клетки за считанные секунды.

Лазерное освещение может сделать водород, который уже плавает в кремнии, более подвижным для перемещения и «пассивирования» нежелательных борно-кислородных дефектов. Как именно водород это делает, все еще активно исследуется, но мы знаем, что это решает проблему. Наше исследование подтверждает, что кратковременная лазерная обработка может стабилизировать характеристики кремниевых солнечных элементов p-типа с гетеропереходом.

Вооружившись этими новыми знаниями, мы можем дальше развивать высокоэффективные технологии с более дешевым сырьем. Это позволит снизить стоимость каждого ватта произведенной солнечной электроэнергии. В марте этого года производитель солнечных панелей LONGi Solar объявил о КПД кремниевого солнечного элемента с гетеропереходом, изготовленного с использованием пластин p-типа, на уровне 25,47%.

То, что производители производят высокоэффективные солнечные элементы, которые потенциально дешевле, означает, что наши выводы оказывают ощутимое влияние на промышленность. Снижение стоимости солнечных элементов обеспечит более дешевой электроэнергией миллионы потребителей, одновременно решая проблему изменения климата.

Статья взята с сайта https://theconversation.com/