Тэг: солнечные модули

Гетероструктурные солнечные батареи HEVEL HJT: история технологии, предварительный обзор и сравнение с мировыми аналогами

Сизов Павел Васильевич

Технический директор


Образование: Чувашский Государственный Университет

им. И.Н. Ульянова, ЭТ факультет, специальность "Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов"


Академическая степень: магистр техники и технологии


Опыт работы: более 8 лет

Обладатель звания "Лучший выпускник ЧГУ 2011 года"



Итак, первое, что нам необходимо сделать, это определиться с формулировками, а точнее с сокращенным обозначением данной технологии. В развернутом виде наименование ее звучит как «Heterojunction with intrinsic thin-layer technology» - буквально «технология гетероперехода с внутренними тонкими пленками». Под упомянутыми «тонкими пленками»Мужчина на фоне Panasonic HIT подразумеваются тонкие пленки аморфного кремния. Созвучно самой технологии принято называть и солнечные модули – «гетеропереходные» (в России с подачи разработчика и производителя больше прижилось название «гетероструктурные», которое мы и будем использовать далее). Довольно редко и в самом обобщенном виде можно встретить такое понятие как «гетерогенные» солнечные батареи, но пользоваться им вследствие нераспространенности данного термина применительно к данной тематике мы не будем. Внимательно рассмотрев различие в аббревиатурах, которые приняли для обозначения данной технологии различные производители, можно заключить, что у компании Panasonic (которая поглотила изначального разработчика – компанию SANYO) аббревиатура HIT складывается из следующих заглавных букв общего названия «Heterojunction with Intrinsic Thin-layer technology» (гетеропереход с интегрированными тонкими пленками), а у компании «Хевел» (Hevel) аббревиатура HJT – из «HeteroJunction with intrinsic thin-layer Technology» (технология гетероперехода). Это сделано в первую очередь потому, что соответствующие технологии и товарные знаки запатентованы своими разработчиками. Нам же это не даст запутаться в терминах – далее при упоминании технологии компании SANYO/Panasonic используем аббревиатуру HIT, компании «Хевел» - HJT, без обозначения соответствующего знака правовой охраны товарного знака ® (в виде HIT®).


Рассматривать в деталях тонкопленочные микроморфные солнечные модули Hevel мы не будем, так как продукт это не новый, и со всеми характеристиками можно ознакомиться в общедоступных источниках, в том числе на нашем сайте. На технологииМикроморфный модуль Hevel аморфных солнечных модулей подробно мы не останавливаемся по следующим причинам: во-первых, данную информацию можно свободно найти на просторах интернета и, во-вторых, данный тип солнечных батарей с момента своего появления так и не получил широкого распространения, кроме того, подавляющее большинство производителей не ведут исследований в данном направлении и на сегодняшний день мы считаем данный продукт постепенно вытесняемым с рынка новыми, более перспективными решениями. Гетероструктурная технология, напротив, является абсолютной новинкой для российского рынка, так как ранее модули, выполненные на основе гетероперехода, на территории России не производились и не продавались. В целом достоин внимания тот факт, что в мире немногие компании производят солнечные модули по данной технологии, и, таким образом, компания «Хевел» в настоящее время входит в ТОП-3 мировых производителей HJT (HIT) модулей.


Остановимся подробнее на истории разработки и выхода на рынок HIT-технологии от пионера в области разработки солнечных батарей на основе аморфных пленок - компании SANYO, которая начала этот путь еще в далеком 1975 году. Отметим, что гетероструктурные солнечные модули SANYO HIT изготовлены из монокристаллических кремниевых пластин с нанесенными на них с обеих сторон чрезвычайно тонкими слоями аморфного кремния. Глубоко не вдаваясь в технические тонкости, вкратце выразим ключевую особенность HIT-технологии, обусловливающую новизну данного решения: благодаря покрытию пластин кристаллического кремния тонкими пленками аморфного кремния, в кристалле, вследствие снижения рекомбинационных центров на поверхности, ощутимо возрастает продолжительность жизни зарядов; как результат, повышается эффективность преобразования солнечного света, так как именно потерями носителей заряда на поверхности кремниевой пластины ограничен КПД традиционных солнечных элементов (см. рисунок). Необходимо добавить, что срок патентной защиты фирмы Sanyo Electric Co. Ltd. на данную технологию истек 8 августа 2011 года, и, с того момента, как патент перестал защищать своего правообладателя, другие компании-производители солнечных батарей, такие как «Хевел», получили возможность работать над дальнейшим развитием и улучшением данного способа производства солнечных ячеек.


Основные вехи развития HIT-технологии от тандема компаний SANYO/Panasonic:

  • 1975: компания SANYO начала разработку солнечных ячеек из аморфного кремния

  • 1980: SANYO становится первым в мире производителем, выпускающим солнечные ячейки из аморфного кремния на коммерческой основе
  • 1997: гетеропереходные солнечные ячейки с внутренними «тонкими пленками» были внедрены SANYO в серийное производство и поступили на рынок под торговой маркой HIT®. Поступление в продажу солнечных модулей мощностью 170 Вт. КПД ячейки 16,4%, КПД модуля 14,4%Гетероструктурный модуль Sanyo HIT-H2501998: поступление в продажу солнечных модулей мощностью 180 Вт. КПД ячейки 17,4%, КПД модуля 15,2%
  • 2002: поступление в продажу солнечных модулей мощностью 190 Вт. КПД ячейки 18,5%, КПД модуля 16,1%
  • 2003: SANYO выпускает на рынок модули мощностью 200 Вт с самым высоким в мире КПД
  • 2005: начало производства HIT-модулей SANYO на фабрике в Венгрии
  • 2007: SANYO преодолевает планку в 100 миллионов произведенных HIT-ячеек. В лаборатории достигнута эффективность ячеек в 22,3%. Расширение фабрики в Венгрии. Поступление в продажу солнечных модулей мощностью 215 Вт. КПД ячейки 19,3%, КПД модуля 17,2%
  • 2009: SANYO выпускает на европейский рынок высокоэффективные HIT-модули мощностью 220 Вт. Обладая КПД 17,4%, данные модули по-прежнему имеют самую высокую в мире эффективность
  • 2010: SANYO выпускает на европейский рынок высокоэффективные HIT-модули мощностью 235 Вт. Имея КПД 18,6%, модули остаются самыми эффективными в мире

  • 2011: в феврале SANYO запускает производство модулей 240 Вт с КПД ячеек 21,6%. В октябре, благодаря наиболее высокой степени преобразования энергии с использованием HIT-технологии, команда токийского университета выиграла проходящий в Австралии престижный гоночный чемпионат мира среди автомобилей на солнечных батареях

  • 2012: в апреле происходит смена бренда выпускаемых солнечных модулей с SANYO на Panasonic. Изменения касаются только названия бренда – структура продаж и производственные мощности остаются без измененийГетероструктурные модули Panasonic HIT
  • 2014: новые, улучшенные модули мощностью 245 Вт выходят на рынок. В лаборатории достигнут новый мировой рекорд эффективности ячеек в 25,6%. Произведен 1 миллиард солнечных ячеек
  • 2015: на рынок поступают новые компактные модули мощностью 285 Вт
  • 2016: продление для европейского рынка гарантии на HIT-модули до 15 лет. В продажу поступают новые мощные модули с номиналами 295 и 330 Вт

  • 2017: отмечается 20-летие массового производства солнечных HIT-модулей. Продление гарантийного срока на европейском рынке на HIT-модули с 15 до 25 лет


Теперь более подробно рассмотрим историю HJT-технологии от отечественного производителя солнечных модулей – компании «Хевел» (завод в г. Новочебоксарск, Чувашская Республика), с упоминанием дополнительных подробностей в виде планов компании и полученных сертификатов:

  • 2014, октябрь: генеральный директор ГК «Хевел» сообщает, что на базе «НТЦ тонкопленочных технологий в энергетике при ФТИ им. А.Ф. Иоффе» (далее по тексту – «НТЦ Иоффе») ведется разработка и подготовка к серийному производству солнечных модулей нового типа, выполненных по технологии гетероперехода, преимуществами которой являются повышенный КПД и более стабильные электрические характеристики при работе в условиях высоких температур, при которых ощутимо падает эффективность стандартных кристаллических солнечных элементов. Было сообщено, что уже вскоре после начала исследований был достигнут КПД фотоэлементов порядка 16%, и группа исследователей ставит целью довести данный показатель в ближайшей перспективе не менее чем до 22%, тем самым приблизившись к лучшим мировым достижениям в данной областиИсследования в НТЦ Иоффе
  • 2014, декабрь: в «НТЦ Иоффе» на опытной технологической линии изготовлены промышленные прототипы гетероструктурных солнечных модулей по HJT-технологии на основе кристаллических кремниевых ячеек размером 156х156 мм. КПД полученных образцов составляет порядка 20%. Для дальнейшего роста производительности ведутся работы по отработке технологических процессов химической обработки поверхности пластин кристаллического кремния, режимов осаждения слоев аморфного кремния, изготовления контактной сетки
  • 2015, декабрь: специалистами «НТЦ Иоффе» достигнут КПД солнечных HJT-ячеек в 22%. Типовой КПД обычных кристаллических ячеек на этот момент составляет на 4-5% меньше
  • 2016, июль: «НТЦ Иоффе» был получен патент на собственную технологию изготовления гетероструктурных солнечных модулей (HJT). После модернизации конвейера на заводе «Хевел» в Новочебоксарске под выпуск нового продукта планируется рост производственных мощностей со 100 до 160 МВт в год. Промышленные образцы солнечных модулей показывают КПД 20,3%
  • 2016, ноябрь: исследователям «НТЦ Иоффе» удалось получить первый образец солнечного элемента по гетероструктурной технологии на кристаллическом кремнии толщиной 90 мкм. С данным результатом это самая тонкая в России ячейка солнечного модуля. Стандартная толщина такой ячейки в два раза выше – 180 мкм. На практике положительный эффект данного достижения выражается в экономии кремния при изготовлении солнечных модулей и снижении себестоимости производства кремниевых пластин на 20%
  • 2017, февраль: идет процесс поэтапного запуска основных систем модернизированной технологической линии с увеличенной почти вдвое производственной мощностью. Участок по изготовлению солнечных ячеек введен в эксплуатацию одним из первых. Участок по сборке солнечных ячеек в готовые модули проходит завершающий этап пуско-наладочных работ. Во время предварительного ввода в действие линии по изготовлению гетероструктурных солнечных модулей получена эффективность солнечных ячеек в 21,75%Завод "Хевел" вышел на проектную мощность
  • 2017, апрель: на заводе «Хевел» в г. Новочебоксарск начато производство гетероструктурных солнечных модулей по HJT-технологии с проектным годовым объемом выпуска 160 МВт. КПД ячейки составляет 22%, КПД модуля — не менее 20%
  • 2017, июнь: обсуждается возможность увеличения производственной мощности завода со 160 до 220 МВт в год
  • 2017, июль: получение сертификата на соответствие требованиям Технического регламента Таможенного союза «О безопасности низковольтного оборудования» (ТР ТС) дает возможность компании «Хевел» приступить к продаже новых модулей. Также пройдена добровольная сертификация фотоэлектрических модулей в АНО «Наносертифика» как продукция наноиндустрии.Сертификат Листок жизни Дополнительно, модули успешно прошли экологическую сертификацию и получили право на международно признанную экологическую маркировку «Листок жизни» (Vitality Leaf). Требования стандартов предусматривают улучшенные показатели коэффициента полезного действия модулей по сравнению с аналогами (не менее 17%), высокие показатели стабильности работы модулей (номинальная мощность модулей на протяжении первых 25 лет не снижается более чем на 20%), применение сырья и материалов, минимизирующих негативное воздействие модулей на окружающую среду и здоровье человека при их производстве и эксплуатации
  • 2017, август: по результатам проекта второго этапа модернизации, находящегося на стадии технико-экономического обоснования, планируется увеличение производственной мощности вплоть до 250 МВт в год. При текущих объемах производства продукция завода «Хевел» законтрактована на ближайшие пять лет. Обсуждаются планы по объему экспорта солнечных модулей, которые могут составить около 10% от общего объема производства
  • 2017, сентябрь: начаты работы по реализации второго этапа модернизации технологической линии завода в Новочебоксарске, в рамках которого мощность производственного комплекса будет увеличена со 160 до 250 МВт солнечных модулей в год. Данный этап расширения производства позволит начать выпуск односторонних и двусторонних гетероструктурных модулей из 72 солнечных ячеек, что даст возможность увеличить среднюю мощность модуля до 400 Вт и более. Планируемый срок окончания работ – к концу 2018 года. В Майминском районе Республики Алтай введена в эксплуатацию первая солнечная электростанция мощностью 20 МВт на модулях нового поколенияСтанция визуального контроля на заводе "Хевел"
  • 2017, октябрь: на заводе «Хевел» в Новочебоксарске в рамках промышленного производства сошла с конвейера первая партия гетероструктурных солнечных ячеек с эффективностью 22,7%. Планируется, что достигнутые успехи в связке с дальнейшей оптимизаций производственных процессов позволят стабильно выпускать солнечные элементы со средним КПД около 23%

  • 2018, январь: с момента старта производства в апреле 2017 года было произведено более 323 тысяч модулей общей мощностью 95,25 МВт, что позволило подтвердить годовую проектную мощность в 160 МВт после первого этапа модернизации. За полгода с начала производства солнечных модулей по новой технологии удалось на 25% увеличить производительность ключевого участка – плазмохимического осаждения. Кроме того, были улучшены рецепты нанесения слоев ITO, трафаретная печать, что в итоге позволило последовательно в течение года увеличивать КПД продукции. В результате к концу 2017 года средняя эффективность ячеек была увеличена с 20 до 22,8%, а мощность модулей из 60 ячеек в серийном производстве выросла с 280 до 310 Вт. Таким образом, оптимизация ряда технологических процессов на ключевых участках линии уже в декабре 2017 года позволила Сертификат TÜV Rheinlandпревысить проектные показатели на 10%
  • 2018, февраль: получен сертификат TÜV Rheinland (от независимой сторонней организации, аккредитованной для тестирования и сертификации фотоэлектрических систем и компонентов в соответствии с различными международными стандартами). Солнечные модули компании Хевел прошли испытания по стандартам МЭК (международного электротехнического комитета) IEC 61215 и IEC 61730. Получение сертификата свидетельствует об успешном прохождении различных испытаний на качество и безопасность в лаборатории TÜV в Германии
  • 2018, март: в «НТЦ Иоффе» пройдены испытания солнечных модулей Hevel в условиях экстремально низких температур (-60 °C), что открывает для них перспективу арктического применения. Начат экспорт солнечных панелей «Хевел» в ряд стран Европы и Азии. Согласно коммерческим условиям контрактов, страны-покупатели на данном этапе не разглашаются

Установка плазмохимического осаждения

Отметим, что главным новшеством, привнесенным российскими учеными в существовавшую ранее HIT-технологию, является следующее – операции диффузии и имплантации при создании p-n перехода были заменены технологической операцией осаждения нанопленок аморфного кремния поверх кристаллического кремния плазмохимическим методом.


Более или менее разобравшись с историей развития технологии на мировом и отечественном рынках, давайте перечислим преимущества модулей Hevel HJT (и в целом технологии гетероперехода) и сравним текущего «лидера» компании «Хевел» с самым мощным модулем линейки от компании Panasonic.


Как нам уже известно, гетероструктурная технология представляет собой гибрид кристаллического и тонкопленочного типов кремниевых солнечных элементов. В результате данной комбинации удается объединить основные плюсы кристаллических и тонкопленочных аморфных модулей, что выражается в получении следующих ключевых преимуществ:Гетероструктурные модули Hevel 310 Вт

  • более высокий КПД, чем у того или иного типа солнечных панелей в отдельности
  • медленная световая деградация с течением времени
  • более высокая эффективность при повышенных температурах эксплуатации, низкий температурный коэффициент мощности
  • лучшее восприятие рассеянного света, выше производительность в отсутствие прямых солнечных лучей
  • устойчивость к частичному затенению


Далее приведем сравнительную таблицу с характеристиками модулей Hevel HJT 310 Вт и Panasonic HIT 330 Вт.

Модель

HVL HJT 310

Panasonic HIT N330

Стоимость на мировом рынке (Великобритания, США), $

370-380

Процент брака на основании 10 лет работы в Европе, %

0,0035

Количество произведенных HIT ячеек (на январь 2017), млрд

1

Общие характеристики

Срок службы, не менее, лет

25

25

Падение мощности через 25 лет, не более, %

20

20

Технология ячеек

монокристаллическая пластина / гетеропереход аморфного кремния

монокристаллическая пластина / гетеропереход аморфного кремния

Количество ячеек, шт

60

96

Размер ячеек, мм

156,75 х 156,75

127 х 127

Клеммная коробка, степень защиты

IP67

IP67

Сечение кабеля, кв. мм.

4

3,31 (12 AWG)

Длина проводов, см

100

102

Тип коннекторов

MC4

MC4

Температура окружающей среды, °C

-40 ... +40

Размеры (Д х Ш х Т), мм

1671 х 1002 х 42

1590 х 1053 х 35

Вес, не более, кг

19

18,5

Площадь, кв. м.

1,675

1,674

Снеговая/ветровая нагрузка, Н/кв.м. (Па)

2400

2400

Электрические характеристики

Номинальная мощность (+ толеранс), Вт

310 (+ 5)

330 (+ 10)

Напряжение холостого хода, В

43,67

69,7

Ток короткого замыкания, А

9,35

6,07

Напряжение при максимальной мощности, В

35,22

58,0

Ток при максимальной мощности, А

8,69

5,70

КПД модуля, не менее, %

18,52

19,7

Коэффициент заполнения ВАХ

0,75

Встроенные байпасные диоды, шт.

3

4

Максимальное превышение тока, А

15

15

Максимальное напряжение в системе, В

1000

1000

Температурные характеристики

Температурный коэффициент номинальной мощности, %/°C

- 0,28

- 0,258

Температурный коэффициент напряжения холостого хода, %/°C

- 0,24

- 0,283

Температурный коэффициент тока короткого замыкания, %/°C

0,04

0,0586

Номинальная рабочая температура модуля, °C

38,8

44,0

Диапазон рабочей температуры модуля, °C

-40 ... +85

-40 ... +85


Из интересных моментов, кроме прочего, можно отметить следующее - несмотря на различное соотношение сторон, размер иЗавод Хевел г. Новочебоксарск количество ячеек, площадь модулей совпадает почти до тысячной доли квадратного метра. Таким образом, на сегодняшний день данное соотношение площади и мощности  можно считать неким промышленным стандартом для гетероструктурных модулей. Принимая во внимание такие факторы как ожидаемый в скором времени сход с конвейера завода «Хевел» солнечных панелей Hevel HJT мощностью уже 320 Вт и лидирующее положение модулей Panasonic в своей нише и в целом их наилучший среди серийно выпускаемых солнечных батарей температурный коэффициент, можно заключить, что солнечные модули Hevel в действительности приблизились по своим параметрам к лучшим мировым аналогам модулей на основе гетероперехода. В настоящее время практически вся выпускаемая заводом продукция поставляется для строительства больших сетевых солнечных электростанций, поставляющих энергию на оптовый рынок электроэнергии и мощности (ОРЭМ). Параллельно ведется работа по разработке политики розничных продаж и обоснованию цены, по которой модули смогут приобрести частные лица и организации для собственных нужд. Без сомнения, данные гетероструктурные солнечные батареи Hevel отечественного производства, обладающие весьма достойными характеристиками, сейчас являются одним из самых ожидаемых продуктов солнечной индустрии на российском рынке.Гетероструктурный модуль Hevel


С полным ассортиментом и характеристиками солнечных модулей Hevel Вы можете ознакомиться на нашем сайте в разделе «СОЛНЕЧНЫЕ БАТАРЕИ HEVEL (РОССИЯ)». В том числе там сразу же появятся цены на новые гетероструктурные панели HVL HJT, как только они поступят в продажу. Следите за соответствующим разделом на сайте, или оставьте контактные данные, и Вы узнаете о поступлении перспективной новинки одними из первых.