Теплоэнергетика, 2021, № 11, стр. 5-25

ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИЙ КРЕМНИЕВОЙ ФОТОЭНЕРГЕТИКИ

Характерной особенностью последних лет является существенное сближение мульти- и монокристаллических модулей по цене и КПД. Обычно первые уступают вторым по КПД около 1% (абс.), а близкие цены позволяют некоторым специалистам говорить о том, что в дальнейшем доля монокристаллических модулей на рынке будет расти при одновременном снижении о-бъемов производства их мультикристаллических аналогов. В настоящее время цены на поликремний “солнечного качества” упали до 10 дол. США/кг, причем в основном это достигнуто благодаря росту объемов промышленного производства (масштабированию) фотоэнергетической продукции с повышением степени а-втоматизации производственного процесса. Внедрение более энергоэффективных, нежели традиционный Сименс-процесс, технологий выращивания кремния идет довольно медленно, что обусловлено высокими удельными капитальными затратами при применении новых технологий и огромным давлением, оказываемым на рынок китайскими производителями. Совокупная мощность только трех крупнейших китайских компаний (CGL-poly Energy, Xinte Energy, Daqo New Energy) в 2019 г. достигла 180 000 т поликремния в год с ростом мощности к концу 2020 г. в 1.5 раза. Далее следуют Германия и Южная Корея с объемом производства примерно 80 000 т/год. В США производилось около 70 000 т/год, однако введение Китаем антидемпинговых пошлин (повышение на 57% сбора за поликремний, ввозимый из США) и отсутствие достаточного количества собственных производителей фотоэлектрических преобразователей привело к снижению объемов их производства в США. Первой об остановке своего завода в штате Вашингтон заявила компания REC Silicon, и известная как раз использованием реакторов с кипящим слоем в качестве альтернативы Сименс-процессу [7]. Продолжаются работы по созданию технологий электрорафинирования металлургического кремния, однако их уровень пока не вышел за рамки лабораторных исследований [8]. Новым трендом на рынке кремниевых пластин стало появление пластин размерами 158.7 × 158.7 мм вместо традиционных 156 × 156 мм. Несколько компаний и научных групп также работают над новыми подходами, позволяющими получать пластины прямо из расплава поликремния, минуя стадии роста слитка и его резки [9]. Работы ведутся в направлении осаждения структур пластин из газовой фазы [10] и эпитаксиального роста [11].

Развитие направления фотоэлектрических преобразователей на основе кристаллического кремния происходит под влиянием следующих двух факторов.

1. Широкое распространение получило оборудование для атомно-слоевого осаждения полупроводниковых оксидных структур, открывшее дорогу технологическим приемам пассивации различных дефектов и паразитных центров рекомбинации, известных под общим названием PERC, что позволило увеличить КПД на 2–3% (абс.) как для моно-, так и для мультикристаллических модулей [12]. С 2017 г. в Китае реализуется программа поддержки производителей, ориентированных на повышение эффективности своих преобразователей (Top Runner Program), что уже в 2018 г. привело к сокращению доли мультикристаллических фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) с 68 до 54% в пользу более эффективных монокристаллических [13]. При этом важно отметить, что более простые технологически преобразователи на пластинах р-типа продолжают доминировать в промышленности. Технология PERC внедряется все большим числом производителей по всему миру, что позволяет достичь среднего КПД фотоэлектрического преобразователя 20–22%. Дальнейшее развитие данной технологии связано с пассивацией области контактов тонким слоем оксида кремния, селективного по отношению к туннелированию через него носителей определенного знака [14]. Технология получила название TOPCon (tunnel oxide passivated contacts – пассивированные слоем прозрачного для туннелирования оксида контакты). Данная технология впервые позволила достичь китайской компанией Trina Solar КПД единичного полноразмерного фотоэлектрического преобразователя 24.58% без использования гетероперехода на основе монокристаллического и аморфного кремния с внутренним тонким изолирующим слоем (HJT-технологии) [15].

2. Прекращение действия патента, делавшего компанию Panasonic монополистом в области технологии HJT. Это событие открыло дорогу серийному производству высокоэффективных фотоэлектрических модулей (HJT-элементов) с КПД 19–21% другими компаниями. Однако “ахиллесовой пятой” данной технологии оказалась ее чувствительность к качеству исходных пластин монокристаллического кремния n-типа [16], менее доступных, более дорогих и сложных в обработке, нежели их аналоги с проводимостью р-типа. Кроме того, HJT-технология предъявляет повышенные требования к контактным структурам: необходимо использовать низкотемпературные пасты для печати контактной сетки во избежание разрушения водородсодержащих слоев. Поэтому HJT-технология пока не смогла стать массовой наравне с другой еще более эффективной и дорогостоящей технологией IBC (interdigitated back contacts – переплетенные тыльные контакты с выносом на тыльную сторону p–n-перехода). В то же время единичный элемент, созданный компанией Panasonic на основе комбинации этих технологий, продемонстрировал в лабораторных условиях КПД 25.6%, что уже достаточно близко к теоретическому пределу для кремния, равному 27.5%. Enel Green Power (подразделение по возобновляемым источникам энергии итальянской энергетической компании Enel) и Национальный институт солнечной энергии (INES) [подразделение Французской комиссии по альтернативным источникам энергии и атомной энергии (CEA)] достигли КПД 25.0% для гетероструктурного солнечного элемента с активной площадью поверхности 213 см² (156 × 156 мм). Судя по сообщению разработчиков, эффективность фронтальной стороны двустороннего элемента была улучшена примерно на 0.7% благодаря применению технологии контактных структур Smart Wire без использования шин, что, впрочем, является практически единственным возможным решением для гетероструктурного кремниевого модуля в силу чувствительности активных слоев к повышенным температурам при пайке. Солнечный элемент основан на процессах гетероперехода, разработанных Enel и INES с использованием производственного оборудования швейцарской компании Meyer Burger [17]. Несмотря на то, что данный рекорд уступает показателям Panasonic, он получен на элементе промышленного перспективного типоразмера без использования дорогостоящей взрывной фотолитографии, характерной для IBC. Это позволяет надеяться на скорую коммерциализацию данной разработки, характеризующейся лучшей масштабируемостью и меньшей стоимостью.

Слои гидрогенизированного аморфного кремния, используемые в HJT-элементах, накладывают ограничения на методы изготовления контактных структур ФЭП. Классическая технология вжигания контактов из проводящей пасты, нанесенной трафаретной печатью, мало пригодна для таких ФЭП из-за требований нагрева пластины до температур 500–600°С, что существенно превышает допустимую температуру 250–300°С. Работа [18] посвящена сравнению различных методов формирования контактных структур для гетероструктурных ФЭП. Для формирования контактов использовались следующие способы:

трафаретная печать низкотемпературных серебряных паст с шириной “реснички” контакта 16 мкм;

гальваническое осаждение меди с газофазной эпитаксией зародышевого слоя на поверхности прозрачного проводящего оксида;

струйная печать с использованием расплавления металлизирующего состава в головке принтера с частичным маскированием поверхности.

Последний способ продемонстрировал КПД единичных ФЭП на уровне от 23.1% на полноразмерных элементах до 23.9% на лабораторных макетах с площадью поверхности 4 см².

В работе [19] рассматриваются основные виды потерь в гетероструктурных солнечных элементах и методы борьбы с ними. Для обеспечения высокой эффективности ФЭП необходимо использовать высококачественные пластины из монокристаллического кремния с максимальным временем жизни основных носителей, при этом пассивирующие и легированные слои аморфного кремния должны быть тонкими – первые в силу низкой проводимости, вторые – для снижения паразитного поглощения фотонов. Широко рассматривается возможность выноса p–n-перехода на тыльную поверхность. Основной технологической проблемой при этом представляется разработка дешевого и воспроизводимого процесса формирования тыльных контактов. Рассматриваются варианты фотолитографии, селективного щелочного травления легированных слоев, их вскрытия лазером с использованием промежуточных жертвенных слоев. При обсуждении вопросов деградации пассивирующих слоев аморфного кремния показано, что фотоиндуцированная деградация характерна для отдельных внутренних пассивирующих слоев на основе гидрогенизированного аморфного кремния, в то время как для чередующихся изолирующих и легированных слоев пассивация становится со временем более эффективной. Дефекты являются главным фактором, ускоряющим деградацию. Они могут быть сформированы в том числе и при осаждении слоя прозрачного проводящего оксида методом магнетронного напыления. Отмечается важность оптимизации толщины и степени легирования слоев аморфного кремния, так как слишком тонкие слои не обеспечивают надежной пассивации, а слишком толстые умножают оптические и омические потери.

Определенные надежды возлагаются на формирование нанокристаллических слоев плазмохимическими методами (в этом случае проводимость по одному из типов носителей становится резко анизотропной) и селективные контакты. В [20] предложен метод снижения потерь путем формирования селективного по отношению к электронам контакта в виде тонких пленок In₂S₃ как альтернативы легирования зоны контакта фосфором с повышенной концентрацией или в результате роста тонкой пленки оксида кремния (туннельный контакт). Низкая температура реализации процесса позволяет использовать его в гетероструктурных ФЭП.

В работе [21] исследовалось влияние озона на процесс постобработки пластин после химического травления, а также оптимизировались состав пасты для печати контактов, время и температура ее спекания. Подбор технологических параметров на пилотной линии компании Meyer Burger обеспечил достижение КПД ФЭП значения 22.7%. Необходимо при этом отметить, что сама компания Meyer Burger летом 2020 г. заявила о том, что переходит от продаж технологического оборудования к производству фотоэлектрических преобразователей и модулей на основе HJT-технологии, собственного технологического процесса и оборудования для его реализации [22]. Первая очередь должна обеспечить выпуск 400 МВт фотоэлектрических модулей в год с ростом общей мощности к 2027 г. до 6.4 ГВт/год.

Такие объемы промышленного производства ФЭП обусловлены стремлением сделать Meyer Burger конкурентоспособной с китайскими компаниями, работающими преимущественно на PERC-технологии и устанавливающими более низкие цены на свою продукцию, прежде всего благодаря огромным объемам производства. Ожидается, что столь амбициозная попытка возрождения европейской фотоэнергетической отрасли будет поддержана Европейским союзом, а для организации производства будут задействованы закрытые ранее немецкие заводы, выполнявшие заказы данного направления. Насколько успешной окажется эта попытка, покажет время. Однако с учетом современных темпов роста фотоэлектрической энергетики уже становится очевидной бессмысленность создания производств меньшей мощности.

Широкое развитие в последние годы получили фрагментированные или “чешуйчатые” модули, в которых стандартные единичные ФЭП размером 156 × 156 мм фрагментируются на три–шесть элементов. При этом соединение таких элементов осуществляется без использования шин, а формирование сети контактных “ресничек” на исходном ФЭП ведется с пробелами, по которым затем осуществляется фрагментация с использованием лазерной или механической резки. Далее края фрагментов совмещаются таким образом, что плюсовая контактная сетка одного фрагмента через электропроводный адгезив сопрягается с минусовой сеткой соседнего (рис. 1).

Рис. 1.

Формирование фрагментированных фотоэлектрических преобразователей. а – подготовка ФЭП к фрагментированию; б – схема набора линейки из фрагментов; в – стандартная схема соединения и ламинирования линейки с использованием электропроводного адгезива; г – схема соединения и ламинирования линейки с использованием проводников Smart Wire; д – схема соединения и ламинирования линейки с использованием проводников и структурированной ламинирующей пленки. 1 – разметка под лазерную или механическую резку ФЭП; 2 – контактная сетка, напечатанная на поверхности ФЭП; 3 – фрагмент ФЭП; 4 – зона перекрытия соседних фрагментов; 5 – ламинирующая пленка под стеклом; 6 – проводники Smart Wire

В работе [23] говорится о важности пассивации краев элементов в заготовках для фрагментированных модулей для обеспечения снижения рекомбинации по их краям. Предложено по краям элементов прорезать дополнительные щели глубиной 25–50 мкм, материал в которых затем подвергать пассивации, в результате чего может быть достигнут рост КПД от 0.7 до 2.3% (абс.).

Согласно [24], фрагментация ФЭП позволяет отказаться от использования традиционных шин, затеняющих часть поверхности, а также снижает риск повреждения ФЭП в ходе пайки линеек. В работе [23] проведены исследования по оптимизации контактной структуры сетки на поверхности ФЭП под процесс фрагментирования. С помощью математического моделирования установлен оптимальный шаг контактной сетки. Для верификации результатов моделирования были изготовлены и испытаны образцы мини-модулей с делением исходного ФЭП на различное число фрагментов (от трех до шести) с разным шагом контактной сетки. На основе экспериментов и результатов моделирования показано, что оптимальное число фрагментов стандартного мультикристаллического ФЭП равно пяти. По мнению авторов работы [23], основными достоинствами предложенной схемы сборки модуля являются увеличение используемой поверхности модуля и снижение площади затенения контактами, а недостатком – незначительный рост сопротивления модуля.

В [25] рассмотрены вопросы адаптации стандартных технологий пайки линеек к технологии фрагментированных модулей, а также ее использования для двусторонних модулей. В отличие от ставшего традиционным подхода с применением проводящего адгезива, здесь обеспечивается снижение контактных потерь и расхода серебра. Соединение ячеек осуществляется короткими и тонкими проводниками с помощью стандартного технологического оборудования. Благодаря отказу от адгезива нет необходимости в перекрывании, которое обычно достигает 1 мм в ширину, одним соседним элементом другого. Для снижения механических нагрузок при ламинировании использован структурированный ламинирующий материал с формами под размещение каждого фрагмента. Исходные элементы выполнены по HJT-технологии на оборудовании Meyer Burger [26], в качестве проводников использовалась стандартная сетка Smart Wire, поставляемая этой же компанией. В полноразмерном модуле (3694 см²) был достигнут КПД 22.1% в стандартных условиях тестирования. После сборки не выявлено разрушений элементов. Проведены механические испытания и 200 термоциклов ускоренного старения (в диапазоне температур от –45 до +85°С), которые также не привели к разрушению отдельных элементов или модуля в целом.

Проблема интеграции во фрагментированный модуль защитных диодов для стабильной работы в условиях полного или частичного затенения обсуждалась в [27]. Отмечено, что увеличение числа параллельно соединенных линеек из фрагментов ФЭП позволяет установить большее число диодов и положительно влияет на работу модуля в условиях затенения.

Во многих работах отмечается тенденция к повышению рабочего напряжения фрагментированного фотоэлектрического модуля [28]: повышенное напряжение обеспечивает равную мощность модуля при меньшем токе, что несколько снижает потери эффективности как из-за джоулевых потерь тепла в шинах и контактах, так и вследствие меньшего разогрева этим теплом модуля, в результате чего мощность снижается не так существенно.

Одной из тенденций последних лет является развитие технологии ФЭП с выносом p–n-перехода на тыльную сторону элемента. Несмотря на опасения, связанные с высокой стоимостью подобных ФЭП и сложностью их изготовления, в Китае уже началось промышленное внедрение данной технологии. Работа [29], как и ряд других работ, демонстрирует интерес к IBC-технологии, считающейся весьма дорогой из-за операций с тонкими пластинами n-типа. Суть технологии заключается в полном использовании фронтальной поверхности ФЭП, поскольку переход вынесен на тыльную часть, что требует применения взрывной фотолитографии для создания контактов для n-слоя, который со стороны тыла закрыт р-слоем. При этом КПД ФЭП повышается до 23%. В [29] предложена концепция “плавающего” фронтального эмиттера, когда р–n-переход создается также и на фронтальной части пластины, что позволяет расширить зону обратного поля в элементе и повысить эффективность его работы. Кроме того, такой подход дает возможность оптимизировать структуру контактов в тыльной части, которая в классических IBC-элементах жестко связана с соотношением р- и n-площадок на тыльной стороне пластины, для которых соотношение площадей ограничено как раз задачей создания эффективного обратного поля, блокирующего паразитную рекомбинацию носителей в зоне контактов.

Для реализации проекта в ECN (Energy Centre of Nederland) использовано оборудование проекта n-pasha (двусторонние симметричные ФЭП на основе пластин n-типа с высоким уровнем пассивации). Концепция токосъема через проводящие шины, напечатанные на тыльной стороне модуля (полимерной пленке), заимствована из другого проекта ECN – MWT-элементов, в которых на тыльные шины выведены контакты фронта. Наибольший достигнутый КПД на промышленном элементе размерами 156 × 156 мм составил 21.1%.

Основные проблемы в настоящее время связаны с отработкой процесса металлизации контактов, проходящих через р-слой, без ухудшения параметров пассивации этой зоны. Авторы [29] заявляют о том, что данный процесс увеличивает количество технологических операций по сравнению с n-pasha всего на одну и получение IBC-элементов со стоимостью такой же, как у n‑PERC-элементов, может быть реальным. Кроме того, процесс формирования контактов при данном подходе основан на трафаретной печати, а не на фотогальваническом осаждении, как в классической IBC-технологии, что позволяет широко использовать оборудование, уже имеющееся у участников проекта n-pasha. Промышленное внедрение IBC-технологии ведет китайская компания Yingli Solar.

Достоинство трафаретной печати – возможность адаптации этой технологии для промышленного применения [30]. Повышение КПД достигается благодаря пассивации зоны контактов оксидом кремния. Тонкая пленка оксида кремния позволяет электронам туннелировать через нее, но при этом существенно снижаются рекомбинационные потери, в результате образуется селективный по электронам контакт. Слой эмиттера (р-тип) выполнен на основе аморфного кремния, осажденного из газовой фазы в плазме и затем подвергнутого термообработке. В отличие от [29], здесь химическое текстурирование велось только с фронтальной стороны, в то время как в первом случае исходно планировалось использовать двусторонний ФЭП . Тем не менее, антиотражающее покрытие на основе аморфного кремния наносится и на тыльную сторону элемента. Затем вскрытие просветляющего покрытия, р-слоя и слоя оксида для подвода контактов к n-пластине осуществляется лазером, так же как и для подвода контактов к р-слою. Всего процесс изготовления ФЭП включает в себя 9 основных технологических операций, классическая же IBC-технология – 22 операции (т.е. количество операций существенно меньше). Ожидается, что подобный процесс позволит на уровне ФЭП достичь КПД 23.9%.

Авторы [31] справедливо отмечают, что главные сложности реализации классической IBC-технологии связаны с необходимостью четкого разделения зон с различными типами проводимости, расположенных через одну на тыльной стороне пластины, и максимального подавления переноса заряда между ближайшими зонами одного типа. В [32] реализовано формирование сплошного по всей тыльной стороне пластины р-слоя. Во избежание переноса заряда по этому слою при его создании использовался анизотропный рост пленки наноструктурированного гидрогенизированного кристаллического кремния р-типа, что позволило обеспечить высокую проводимость в направлении, перпендикулярном поверхности пластины, и низкую – в направлении, параллельном ее поверхности. Упрощение технологии по сравнению с оригинальным способом производства IBC-ФЭП в данном случае связано с отсутствием требования фрагментирования р-слоя с применением фотолитографии. Для расширения спектра поглощаемого излучения как на фронтальную, так и на тыльную сторону пластины нанесены пленки гидрогенизированного аморфного кремния и прозрачное проводящее покрытие, что позволяет реализовать концепцию двустороннего фотоприемника. Достигнутое для лабораторных образцов значение КПД составило 23.9%.

Работа [33] посвящена моделированию фотоэлектрического преобразователя IBC-типа при различных концентрациях легирующих примесей в эмиттере, а также фронтальных и тыльных слоях, формируемых на краях пластины для подавления паразитной рекомбинации носителей заряда. Выполненная с помощью верифицированной по итогам испытаний фактически изготовленных образцов ФЭП оптимизация добавок бора и фосфора показала возможность достижения КПД ФЭП значения 24.79%.

МНОГОПЕРЕХОДНЫЕ НЕКРЕМНИЕВЫЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Несмотря на большие усилия, направленные на разработку перовскитных [34] и органических [35] фотоэлектрических систем, полученные на этом пути результаты пока трудно считать рыночным продуктом. Как для тех, так и для других серьезной проблемой остается высокая скорость фотоиндуцированной деградации даже в тех случаях, когда достигнуты приемлемые значения КПД [35]. Существуют также определенные проблемы устойчивости подобных структур к воздействию высоких температур при формировании контактов и ламинировании.

Значительно большие надежды возлагаются на тандемные структуры на основе перовскитов и традиционных технологий, таких как CIGS (CuInGaSe₂) или кристаллические кремниевые фотоэлектрические преобразователи. Многопереходные фотоэлектрические модули известны довольно давно. В России и за рубежом ведутся работы над композитами на основе галлия и мышьяка, известными как структуры типа А₃В₅ [36]. Высокий КПД подобных модулей физически можно объяснить формированием структуры из различных p–n-переходов в одном преобразователе, что позволяет захватывать фотоны из различных областей спектра солнечного излучения.

На подобном принципе построены также упомянутые ранее HJT-элементы, где слои гидрогенизированного аморфного кремния (тоже не обладающие высокими ресурсными показателями) располагаются поверх кремниевого монокристалла и играют роль абсорбера, существенно расширяющего спектр поглощаемого излучения [16]. Создание подобных структур на базе монокристаллического кремния [37] и CIGS с тонкими пленками перовскитоподобных материалов позволило получить значения КПД на уровне 28% для кремниевой основы и 23.26% для основы в виде пленок CIGS [38]. Ведутся также исследования в направлении расширения спектра поглощения CdTe-фотоэлектрических преобразователей путем формирования тандемной структуры с перовскитоподобным материалом [39]. Ожидается, что, как и для HJT-структур, ресурс тандема будет значительно выше, чем у чистого перовскитоподобного материала, что позволит вывести на рынок первыми именно такие тандемные структуры.

УВЕЛИЧЕНИЕ ПОСТУПЛЕНИЯ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ НА ФОТОПРИЕМНЫЕ ПОВЕРХНОСТИ

Помимо многопереходных фотоэлектрических преобразователей существуют другие способы увеличения выработки электроэнергии. Вновь проявляется интерес к концентрированию солнечного излучения на поверхности преобразователя [40]. Такое концентрирование обычно требует использования систем слежения за Солнцем, которые также позволяют увеличить выработку энергии фотоэлектрической станцией [41]. Нанесение люминофоров на поверхность преобразователей и модулей дает возможность, как и в случае тандемных систем, захватить бόльшую часть спектра с последующим ее переизлучением уже в нужном диапазоне [42]. В последнее время все более широкую популярность приобретают и двусторонние фотоэлектрические модули.

При должной ориентации фотоэлектрического модуля поступление дополнительного излучения на тыльную сторону ФЭП позволяет увеличить выработку модулями энергии на 10–40% [43] благодаря повышенной фоточувствительности тыльной поверхности элемента. В классических двусторонних модулях для генерации используется фронтальный p–n-переход. С тыльной стороны модуля удаляется защитная пленка Tedlar, формируется изотипный переход (например, р‒р⁺-переход), который, прежде всего, служит своеобразным зеркалом, отталкивающим заряды от тыльного контакта для предотвращения их паразитной рекомбинации на его дефектах (это – основная мотивация для внедрения изотипного перехода; двусторонность является положительным дополнительным эффектом). На тыльной стороне модуля формируется контактная сетка, симметричная той, что и на фронтальной поверхности. Главными источниками увеличения стоимости ФЭП при этом являются наличие еще одного (тыльного) стекла вместо пленки Tedlar, дополнительное легирование основной примесью тыла пластины и контактная сетка тыла (серебросодержащая паста в качестве исходного сырья). Однако при использовании пластины р-типа увеличение затрат может быть скомпенсировано ее меньшей стоимостью, более простым составом травителя и упрощенной процедурой удаления боросиликатных стекол (относительно фосфоросиликатных). Следует отметить, что сопоставимый с двусторонним по КПД односторонний модуль можно получить, используя HJT-технологию, а превосходящий его – IBC-технологию с применением высококачественных пластин n-типа. Двусторонний ФЭП может быть реализован и на мультикристаллическом кремнии, но с потерей КПД [44].

Определенный вклад в стоимость (уже всей станции) вносит организация должной “подсветки” тыльной стороны модуля путем использования отражателей, систем слежения за Солнцем и других технических средств. В зарубежной литературе содержатся оценки, свидетельствующие о том, что двусторонний модуль (300 Вт) способен обеспечить выработку энергии, сопоставимую с односторонним модулем мощностью 335 Вт [45].

Нужно отметить, что российская группа компаний “Хевел”, выпускающая фотоэлектрические преобразователи и модули с использованием HJT-технологии, уже организовала производство двусторонних модулей.

При этом следует иметь в виду, что достоверная оценка выработки двусторонними модулями на основе стандартных математических моделей и данных связана с определенными трудностями. Существующие отраслевые стандарты ориентированы на тестирование модулей засветкой фронтальной поверхности спектром, соответствующим полностью прозрачной земной атомосфере в отсутствие облачности, а на выработку энергии тыльной стороной и спектр отраженного излучения существенно влияет подстилающая поверхность. Типичные значения коэффициента отражения (доля отраженного излучения, %) солнечного излучения от нескольких поверхностей, которые могут быть использованы в качестве отражателей для двусторонних модулей, приведены далее:

Разброс значений для бетона, окрашенного белой краской, связан с типом краски и толщиной ее слоя.

География производства фотоэлектрических преобразователей постоянно расширяется. Помимо Китая, США, Тайваня, Японии и Южной Кореи, имеющих традиционно сильные позиции в этой области, планку в 1 ГВт/год недавно преодолели производители из Малайзии, Тайланда и Вьетнама. Наблюдается возрождение производства фотоэлектрических преобразователей в европейских странах, чему способствовали развитие HJT-технологии и уход с рынка ряда производителей тонкопленочных фотоэлектрических модулей. Так, новое производство HJT-элементов начало функционировать в 2019 г. в Италии [46]. В табл. 2 и 3 представлены технико-экономические параметры нескольких характерных фотоэлектрических модулей, производимых за рубежом по описанным в данном обзоре технологиям.

Как следует из табл. 2, компания Sun Power по-прежнему остается рекордсменом не только по КПД, но и по ценам производимых модулей, поскольку используемый вариант технологии IBC включает в себя дорогостоящий этап взрывной фотолитографии р-слоя на тыльной стороне пластины для доступа к контактам n-пластины. Видно также, что цена коррелирует не столько с эффективностью, сколько со страной-производителем и, видимо, объемами производства. Китайские модули существенно дешевле американских и европейских аналогов.

Параметры мультикристаллических модулей китайских производителей представлены в табл. 3. При этом практически все модули на полноразмерных пластинах (без фрагментирования) имеют монокристаллические аналоги.

СИСТЕМНЫЕ ВОПРОСЫ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ

Одной из принципиальных проблем фотоэнергетики является низкая поверхностная плотность потока солнечной энергии, вследствие этого при создании электростанций большой мощности требуются большие площади. В этой связи одной из новых тенденций стало то, что солнечные электростанции, вслед за ветровыми, начали осваивать водные пространства. Число плавучих фотоэлектрических систем неуклонно растет [47].

Другая ключевая проблема на пути развития солнечной энергетики – нестабильность генерации, связанная с суточными, сезонными и погодными изменениями в поступлении солнечного излучения на поверхность фотоэлектрических преобразователей. Рост установленной мощности фотоэлектрических установок на практике все чаще приводит к необходимости искать эффективные способы поддержания баланса генерации и потребления электроэнергии с обеспечением стабильной частоты и напряжения сети [48]. Один из основных путей решения этой проблемы связан с использованием накопителей энергии. В частности, представляет интерес возможность комбинирования фотоэлектрических систем с гидроэлектрическими и гидроаккумулирующими станциями [49]. В Германии, стране, развивающей преимущественно использование фотоэлектрических установок у конечных потребителей электроэнергии (в домохозяйствах, на предприятиях и т.п.), а не строительство крупных сетевых солнечных электростанций, активно применяются локальные накопители электрической энергии на основе литий-ионных аккумуляторов. Крупные промышленные сетевые накопители внедряют Южная Корея и Австралия [50]. В частности, в качестве экономичного решения рассматривается использование выработавших ресурс на электромобилях аккумуляторных батарей для создания накопителей энергии в домохозяйствах (снижение энергоемкости на 20% номинальной), что должно существенно снизить стоимость накопителей [51].

Одним из эффективных путей решения проблемы негативного влияния на электрическую сеть нестабильной генерации представляется максимальное потребление выработанной фотоэлектрическими установками энергии на месте ее производства. В некоторых европейских странах стимулируется самопотребление путем ограничения продажи избытков энергии в сеть. В [52] проводится технико-экономический сравнительный анализ водонагревательных систем и аккумуляторных батарей как средства запасания избыточной выработки солнечной батареи. При этом фотоэлектрическая установка рассматривается присоединенной к централизованной сети, но ставится задача свести обмен энергией с сетью до минимума, особенно в часы пиковой выработки солнечной батареи. Показано, что накопление горячей воды в часы пиковой выработки солнечных батарей и последующее сокращение за счет этого энергозатрат на горячее водоснабжение оказываются выгоднее аккумулирования электроэнергии.

В [53] обсуждаются вопросы оптимизации компонентов систем теплоснабжения (мощность насоса и емкость бака-аккумулятора) с учетом действующих во многих странах гибких тарифов на электрическую энергию и возможностей использования солнечных батарей для нужд теплоснабжения. Применение фотоэлектрических модулей для получения горячей воды и для нужд теплоснабжения в условиях малоэтажных зданий в северных регионах рассматривается в [54] как часть концепции здания с нулевым потреблением ресурсов.

Аналогичные исследования по использованию фотоэлектрических преобразователей не только для электроснабжения, но и для нагрева воды в условиях России выполнены в работах [55, 56]. Они показали перспективность такого их применения в составе систем микрогенерации в нескольких изолированных энергорайонах и в некоторых неценовых зонах энергетического рынка.

Автоматическая система оптимального управления работой фотоэлектрических преобразователей, базирующаяся на использовании контроллеров и инверторов с функцией экстремального регулирования мощности (МPPT-контроллеров), обеспечивающих максимальный отбор мощности от фотоэлектрической установки, является в настоящее время неотъемлемой составляющей практически любой фотоэлектрической станции. В [57] показано, что оптимизация алгоритмов оптимального управления отбором мощности позволяет увеличить выработку станции на 10–30%. В последние годы в результате совершенствования параметров полупроводниковых электронных компонентов, их миниатюризации и крупносерийного производства фотоэлектрический рынок стал насыщен компактными и недорогими изделиями как для малых энергоустановок, так и для крупных станций с интегрированным преобразованием энергии в переменный ток на выходе [58]. При этом дискуссионным остается вопрос о том, где и сколько устанавливать преобразователей и MPPT-устройств в составе фотоэлектрической станции. Пока еще превалирующим решением остается использование одного инвертора с МPPT-контроллером для всей энергоустановки или для линейки последовательно соединенных фотоэлектрических модулей (рис. 2, а). Однако такое решение не является энергетически оптимальным. Дело в том, что, как правило, имеется заметный разброс в значениях внутреннего сопротивления и мощности фотоэлектрических модулей даже внутри одной партии, что связано с различными технологическими причинами. Кроме того, в течение дня происходит частичное или полное затенение модулей в линейке, особенно характерное для городских условий эксплуатации фотоэлектрических установок, что сказывается на их текущих электрофизических параметрах. При этом тень в течение дня, как правило, перемещается по всей линейке модулей, изменяя параметры то одного, то другого из них. Очевидно, что схема автоматического управления с общим MPPT-контроллером в сетевом инверторе, работающем со всей линейкой ФЭМ, будет регулировать выработку по худшему из модулей [59], формируя некие усредненные напряжения и токи, что приведет к снижению отбора мощности от установки относительно максимально возможной.

Рис. 2.

Возможные схемы построения сетевой фотоэлектрической станции. 1 – фотоэлектрические модули; 2 – инвертор; 3 – преобразователь постоянного тока; 4 – подключение к централизованной электрической сети

Более энергетически эффективной представляется схема со встраиванием микроиверторов с интегрированными в них MPPT-контроллерами в каждый фотоэлектрический модуль [60] (рис. 2, б). При этом обеспечивается максимально возможная простота коммутации: все модули сразу коммутируются по общей шине переменного тока нужного напряжения с минимумом контактов и защитной аппаратуры. Вместе с тем такое решение пока ограничивается все еще высокой стоимостью преобразовательного оборудования и схема по рис. 2, а, как правило, оказывается более выигрышной по капитальным затратам. Промежуточный подход может быть связан с комбинацией двух вышеописанных схем: на каждом модуле устанавливается согласующий преобразователь постоянного тока с функцией MPPT-контроллера, модули соединяются по общей шине постоянного тока, которая выходит на сеть переменного тока через инвертор уже без функции MPPT (рис. 2, в).

Все большее внимание при создании и эксплуатации фотоэлектрических станций уделяется проблемам затенения модулей [61] и их запыления [62]. Для повышения выработки в подобных условиях применяются как улучшенные алгоритмы управления станцией [59], так и различные ручные и автоматизированные системы очистки модулей от пыли и грязи. Разрабатываются методы прогнозирования выработки фотоэлектрических систем в подобных условиях [63].

МЕРЫ СТИМУЛИРОВАНИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОЗОБНОВЛЯЕМОЙ ГЕНЕРАЦИИ

Меры поддержки применения возобновляемой, в том числе и солнечной, генерации в большинстве стран по-прежнему сводятся к выкупу энергии, получаемой от таких источников, по повышенному тарифу (feed-in-тариф). Однако необходимо отметить постепенное снижение этого тарифа во всех европейских странах [64]. По состоянию на конец 2019 г. средняя стоимость 1 кВт ∙ ч солнечной энергии в США составляла 0.085 дол. (см. табл. 1), а во многих случаях снизилась до 0.05 дол. [65].

В некоторых странах, таких как Бельгия, Норвегия, Румыния, действуют так называемые “зеленые” сертификаты, побуждающие местных производителей электроэнергии генерировать или покупать определенное количество энергии от возобновляемых источников. Для отдельных технологий возобновляемой энергетики вводятся повышающие коэффициенты. При этом, конечно, оплата “зеленых” сертификатов ложится на потребителей через рост тарифа.

В Китае, а также нескольких европейских странах предусмотрены субсидии и/или налоговые льготы на строительство фотоэлектрических станций, однако обычно такая мера поддержки применяется только в отношении малых станций, вводимых отдельными домохозяйствами.

Косвенно внедрение фотоэнергетики и других возобновляемых источников энергии стимулируется повышением налогов на выбросы углекислого газа от энергоустановок на ископаемых топливах. Подобные меры введены в Китае и Канаде, причем в Канаде налог варьируется между провинциями в зависимости от уровня экологической нагрузки в каждом конкретном случае. Повышенные сборы за выбросы парниковых газов приняты и в Европе.

В 2013 г. в России официально начато субсидирование использования возобновляемой энергии для объектов, подключенных к Единой энергетической системе и имеющих установленную мощность свыше 5 МВт [66]. Основой для получения субсидий [фактически для компенсации затрат инвестора на строительство фотоэлектрической станции (ФЭС)] являются:

выполнение требований по достижению среднегодового значения КИУМ ФЭС;

удовлетворение требований по локализации производства компонентов станции;

минимальная стоимость строительства энергообъекта, заявляемая при конкурсном отборе проекта в рамках договора поставки мощности на оптовый рынок.

Продажа электроэнергии, выработанной ФЭС в России, осуществляется по ценам оптового рынка, при этом почасовой график поставок мощности согласуется с диспетчерским управлением сетей региона на сутки вперед. Однако в нашей стране основным источником возврата инвестиционных затрат являются не поступления от продажи электроэнергии, а поступления от платежей за поставку мощности. В большинстве же зарубежных стран окупаемость инвестиций происходит исключительно за счет установленного повышенного тарифа на электроэнергию от ФЭС [67]. Таким образом, зарубежные собственники ФЭС оказываются в большей степени заинтересованными в увеличении объемов продаж электроэнергии, чем российские, и первостепенное внимание уделяют повышению выработки энергии электростанциями и точности планирования суточного (почасового) графика выдачи мощности в сеть [48] на основе развития современных методов краткосрочного прогнозирования прихода солнечной радиации [68]. Аналогичные исследования по отработке методов краткосрочного прогнозирования ФЭС в России ведутся в ОИВТ РАН [69].

Тезис о ключевом значении КПД в российской фотоэнергетике остается пока спорным. Сокращение площади поверхности земли, занимаемой станцией, числа опорных конструкций, объемов перевозимых грузов и выполняемых строительно-монтажных работ, конечно, стимулирует использование более эффективных модулей. Однако с учетом структуры стоимости станции, невысокой арендной платы за землю и условий конкурсного отбора проектов на основе минимальных капитальных затрат ключевым фактором становится все-таки цена модулей, что заставляет искать подходы к созданию как эффективных, так и дешевых структур фотоэлектрических элементов.

Требования локализации компонентов ФЭС, бесспорно, дают положительный эффект для развития фотоэнергетической отрасли, так как благодаря этим мерам в относительно короткое время было создано несколько новых производств. В то же время вопросы вызывает вклад отдельных компонентов и технологических операций в степень локализации станции. Отчасти этим объясняется тот печальный факт, что в стране до сих пор не создано ни одного значительного производства поликремния.

СОСТОЯНИЕ ФОТОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ОТРАСЛИ В РОССИИ

Благодаря появлению в России соответствующей законодательной и нормативной базы, гарантирующей инвестору возврат средств на создание крупных фотоэлектрических станций (пиковой мощностью свыше 5 МВт) при соблюдении норм локализации компонентов, в стране удалось создать два крупных кластера по производству фотоэнергетической продукции. Главенствующая роль крупных сетевых объектов обусловлена их высокой мощностью, что позволяет создать гарантированный рынок сбыта фотоэлектрических модулей примерно 300 МВт/год. Мощность автономных объектов значительно меньше.

В России также существует нормативная база по поддержке локальной генерации с использованием ВИЭ, однако ее влияние на темпы ввода объектов в эксплуатацию и на производство фотоэнергетической продукции пока невелико. Во-первых, она (нормативная база) не содержит требований по локализации производства компонентов (что в условиях Сибири и Дальнего Востока в силу логистических причин делает более конкурентоспособной продукцию восточно-азиатских производителей), во-вторых, продажа энергии производится по цене рынка без каких-либо преференций для ВИЭ.

Два крупных кластера сформированы вокруг группы компаний (ГК) “Хевел” и ГК “Солар Системс”. Первый кластер (см. web-сайт ГК “Хевел”, https://www.hevelsolar.com) включает в себя:

производство HJT-фотоэлектрических преобразователей и модулей (в том числе и двусторонних) на их основе в Новочебоксарске. Мощность производства в пересчете на произведенные модули превышает 320 МВт/год;

научно-технический центр тонкопленочных технологий в энергетике (Санкт-Петербург), ориентированный на улучшение заводской технологии, а также на решение локальных нестандартных задач малой мощности (до 100 кВт/год), таких, например, как гибкие модули для транспортных применений;

компании-инсталляторы “Авелар Солар Технолоджис” и “Грин Энерджи Рус”, ориентированные на строительство крупных сетевых объектов, а также ООО “Хевел-ритейл”, работающее на розничный рынок и автономных потребителей. Если ООО “Хевел-ритейл” наряду с готовыми решениями и компонентами предлагает сами модули, то две другие компании работают исключительно на создание сетевых объектов.

В ГК “Хевел” локализованы все технологические переделы создания сетевых станций, за исключением производства пластин, слитков и поликремния. Локализацию производства сетевых инверторов в интересах “Хевел” осуществляет ООО “Шнейдер Электрик Рус”. Группа компаний “Хевел” уже имеет опыт экспорта своей продукции за рубеж. К сильным сторонам стратегии ГК “Хевел” следует причислить относительную уникальность используемой технологии и ее высокие потребительские качества, к слабым – дороговизну по сравнению с наиболее распространенными китайскими PERC-модулями, а также существенную зависимость от импорта дорогостоящих тонких пластин n-типа. Также нужно отметить, что практически все производственное оборудование поставлено европейскими производителями, техническое обслуживание также осуществляется ими. На сегодняшний день в активе группы около 1 ГВт построенных станций, имеется опыт продажи нескольких готовых объектов ПАО “Фортум”.

В ГК “Ренова” помимо ГК “Хевел” входит ООО “Гелиос-ресурс”. Это предприятие было выкуплено в период модернизации завода в Новочебоксарске в связи с переходом на HJT-технологию для покрытия потребности в отечественных модулях на уже реализуемых проектах сетевых станций. Компания “Гелиос-ресурс” существует с начала 2000-х годов (производственная площадка находится в г. Мытищи) и специализируется на производстве слитков и пластин мультикристаллического кремния. В средствах массовой информации появлялись сообщения о локализации производства ФЭП и модулей, а также инверторов в Саранске (см. web-сайт технопарка “Мордовия”, http://www.technopark-mordovia.ru/resident/elektronnoe-priborostroenie/ooo-khelios-resurs/).

Группа компаний “Солар Системс” была создана в 2013–2014 гг. с участием китайского капитала именно для реализации крупных сетевых проектов в России. Ядром производства компании является завод в г. Подольск (результат выкупа и реконструкции части активов Подольского химико-металлургического завода, специализировавшегося на выпуске фотоэнергетической продукции еще в советское время). Завод производит слитки и пластины как моно-, так и мультикристаллического кремния (см. web-сайт Группы компаний “Солар Системс”, http://solarsystems.msk.ru/). Далее они направляются в Китай, где на заводах китайских партнеров производятся ФЭП и модули, которые затем возвращаются в Россию для строительства станций. На ранних этапах развития компании рассматривалось создание собственного производства ФЭП и модулей (в том числе и двусторонних) на промплощадке в г. Елабуга. Локализацию производства сетевых инверторов осуществляет ЗАО “Связь-Инжиниринг”. В состав группы “Солар Системс” также входит компания-инсталлятор ООО “Кремниевые технологии”. Суммарная мощность построенных, строящихся и планируемых группой станций составляет около 500 МВт.

Конкурсные отборы проектов по солнечной энергетике в 2019 г. показали, что планируемые капитальные затраты достигли 50 тыс. руб/кВт установленной мощности (см. web-сайт АО “Администратор торговой системы”, https://www.atsenergo.ru/vie/proresults).

Среди ветеранов фотоэлектрической отрасли, сохранивших производство еще с 90-х годов ХХ в., необходимо отметить Рязанский завод металлокерамических приборов (РЗМКП) и ООО “Телеком-СТВ” (г. Зеленоград). Первое предприятие ранее производило модули из покупных мультикристаллических ФЭП в объеме до 30 МВт/год, затем производство было прекращено. Однако в 2017–2018 гг. на рынке снова появились модули RZMP – товарного знака РЗМКП (см. web-сайт Рязанского завода металлокерамических приборов, http://www.rmcip.ru/solarcells/). Второе предприятие также специализируется на выпуске модулей из покупных ФЭП, однако спектр ФЭП существенно выше:

моно- и мультикристаллические в основном тайваньского производства;

двусторонние;

на основе технологии IBC (см. web-сайт АО “Телеком-СТВ”, http://telstv.ru/?page=ru_solar_modules);

производства ГК “Хевел”.

Объем производства по современным меркам довольно мал и ориентирован на решение в основном нестандартных задач – производство гибких и складных модулей, в том числе и для спецтехники. Ранее также выпускалось оборудование для сборки модулей – импульсные тестеры для входного контроля ФЭП и ламинаторы. С участием “СТВ-Телеком” было оснащено небольшое предприятие “Дагкремний” в Дагестане на базе научно-исследовательского института “Волна”. Это предприятие специализируется на сборке модулей из покупных ФЭП и оснащению ими малых потребителей, включая муниципальные объекты (см. web-сайт Федеральной лезгинской национально-культурной автономии, https://flnka.ru/ a-ktualnoe/5088-dagestan-vkladyvaet-v-solnce.html).

Наиболее тяжелая ситуация в России сложилась с производством исходного сырья для кремниевых технологий ФЭП – поликремния. В советское время бόльшая часть поликремния производилась в Запорожье. Из постсоветских проектов, дошедших до стадии реализации, можно отметить группу компаний “Нитол”, созданных при участии АО “Роснано” в г. Усолье-Сибирское (позже это предприятие называлось “Усолье-Силикон”), а также АО “Завод полупроводникового кремния” в г. Железногорск (Красноярский край) под эгидой госкорпорации “Росатом” и при участии ГК “Конти” (Москва). Становление обоих предприятий и выход их на рынок пришлись на период 2010–2012 гг., когда в Китае уже вводились аналогичные производства мощностью от 5000 т/год, до чего отечественные аналоги не дотягивали. Оба предприятия в производстве поликремния ориентировались на Сименс-процесс. В настоящее время оба проекта закрыты.

Основным российским производителем силовой и управляющей электроники для автономных фотоэлектрических систем является ООО “Микроарт” (Москва). Предприятие предлагает инверторы и контроллеры собственной разработки для построения локальных и присоединенных к сети энергосистем, использующих солнечную, ветровую энергию, а также аккумуляторные батареи (см. web-сайт ООО “Микроарт”, http://www.invertor.ru/).

Обзор фотоэлектрической отрасли не будет полным, если не упомянуть компании дистрибьюторы, инсталляторы и системные интеграторы, реализующие различные компоненты фотоэлектрических станций, а также осуществляющие их строительство и пусконаладочные работы в интересах как организаций, так и частных лиц. Наиболее известными являются московские ООО “Солнечная корона”, “Ваш Солнечный дом”, “Просолар”, “Альтэко”, ООО “Санвейс”, а также ООО “Энергия солнца” (Республика Алтай) и ООО НПФ “Энергия” (г. Новосибирск). В 2016–2017 гг. фотоэлектрические модули, контроллеры заряда и свинцово-кислотные гелевые аккумуляторы на короткое время появлялись в ассортименте крупных строительных магазинов, поставляющих электротовары, таких как “Леруа-Мерлен” и МПО “Электромонтаж”.

Помимо перечисленных предприятий кремниевой фотоэнергетики два завода (НПП “Квант” в Москве и АО “Сатурн” в г. Краснодар) осуществляют мелкосерийное производство модулей и ФЭП по технологии А₃В₅ для космической отрасли (см. web-сайт АО “Сатурн”, http://saturn-kuban.ru/produktsiya/solnechnye-batarei/). Основным научным партнером, позволившим за 11 лет полностью локализовать производство ФЭП на АО “Сатурн”, является ФТИ РАН им. А.Ф. Иоффе (Санкт-Петербург).

Исследования в области фотоэнергетики в России ведутся научными группами широкого спектра. Наиболее сильные школы сформированы в ФТИ РАН им. А.Ф. Иоффе по гетероструктурным фотоэлектрическим преобразователям на основе как структур А₃В₅, так и кремния. В этом институте также имеется сильная научная группа по метрологии фотоэлектрических преобразователей [70]. В последнее время НТЦ тонкопленочных технологий в энергетике при ФТИ РАН, созданный совместно с ГК “Хевел”, проявляет интерес к перовскитоподобным структурам ФЭП и тандемным системам на их основе. Аналогичными исследованиями занимаются в МГУ, НИТУ МИСиС, Сколковском институте науки и технологий, ИПХФ РАН, Владимирском государственном университете. В НИЯФ МГУ уже длительное время ведутся работы по созданию двусторонних модулей и контактных структур для них, представляющих собой аналоги швейцарского Smart Wire [71]. В сферу интересов этой научной группы попадают и фотоэлектрические преобразователи со встроенными концентраторами солнечного излучения, а также гетероструктурные фотоэлектрические преобразователи [72]. В ОИВТ РАН, Санкт-Петербургском политехническом университете, МГУ, НИУ МЭИ, ИСЭМ им. Л.А. Мелентьева СО РАН ведутся исследования в области системных вопросов фотоэнергетики. Сотрудниками МГУ при участии специалистов ОИВТ РАН создана геоинформационная система “Возобновляемые источники энергии России”(см. https://www.gisre.ru/), отражающая информацию о ресурсах возобновляемой энергетики, существующих и строящихся объектах, а также основных научных и промышленных организациях, работающих в отрасли.

ВЫВОДЫ

1. Рост объемов производства фотоэнергетической продукции и мощностей фотоэлектрических станций в мире неуклонно продолжается. Кристаллические кремниевые фотоэлектрические модули остаются доминирующей технологией современной фотоэнергетики. Именно огромные объемы вводов служат основным источником снижения цен на фотоэлектрические модули. Вместе с тем, с запуском программы повышения КПД модулей в Китае (Top Runner Program) можно говорить о постепенном переходе от экстенсивного роста (обусловленного наращиванием производства простых и дешевых мультикристаллических модулей без использования PERC-технологии) к росту интенсивному, связанному с увеличением доли монокристаллических модулей на рынке, внедрением PERC как де-факто отраслевого стандарта для моно- и мультикристаллических модулей. Широкое использование PERC-технологии позволило существенно увеличить КПД наиболее распространенных фотоэлектрических преобразователей на основе кремния р-типа с достижением значений, близких к КПД гетеропереходных кремниевых модулей (HJT), но с меньшими затратами. Производство гетеропереходных кремниевых модулей также расширяется, существенными производственными мощностями на основе данной технологии обладает и Россия. При этом анализ цен и паспортных данных гетероструктурных модулей не показывает их существенных преимуществ перед PERC-технологией. Более того, зарубежные производители оказались способными предложить весьма узкий круг PERC-модулей, превосходящих HJT по паспортному КПД. Прежде всего речь идет о фрагментированных модулях, допускающих более полное использование площади фронтальной поверхности модуля, а также о технологии выноса контактных шин на тыльную сторону пластины (MWT). Возможно, эта ситуация будет переломлена в результате ввода новых производственных мощностей по гетероструктурным модулям благодаря росту объема производства и спроса на качественные пластины n-типа. Так, следует ожидать роста производства на заводах ГК “Хевел” – до 400 МВт/год и более, а компания Meyer Burger к 2027 г. планирует создать производственные мощности, способные производить 6–7 ГВт/год с использованием HJT-технологии. В то же время даже эти цифры не выглядят столь впечатляющими на фоне достижений китайских заводов по производству модулей по PERC-технологии, где производительность 1 ГВт/год уже является нижней границей. Возможно, HJT, как прежде и IBC, займет часть премиального сегмента высококачественных, но дорогостоящих модулей.

2. Работы в области создания IBC-элементов с широким использованием задела по технологиям PERC и MWT позволили снизить стоимость их производства и организовать несколько конкурирующих с компанией Sun Power (Тайвань) производств в Китае. Прослеживается стремление к объединению технологий HJT и IBC в одном высокоэффективном ФЭП, но со стоимостью существенно меньшей, нежели у прототипа фирмы Kaneka. Использование отработанных технологий производства и серийно выпускаемого оборудования позволило нивелировать в экономическом плане возврат от фотогальванического осаждения меди к трафаретной печати серебросодержащей пасты.

3. Широкомасштабные исследования в области перовскитной фотоэнергетики пока не смогли привести к появлению высокоресурсного промышленного модуля, однако открыли широкий простор для комбинирования перовскитоподобных материалов с традиционными технологиями фотоэнергетики, что даст возможность увеличить область спектра солнечного излучения, преобразуемого в электрическую энергию.

4. В связи с приближением достигаемого КПД кремниевых фотоэлектрических преобразователей к теоретическому пределу особую актуальность приобретают различные методы повышения поступления солнечной радиации на поверхность модуля – концентрирование солнечного излучения, использование систем слежения за Солнцем, двусторонние модули. Расширение производства двусторонних модулей, гетеропереходных модулей на основе кремния (а в перспективе тандемных структур с применением перовскитоподобных материалов) требует модификации методик прогнозирования выработки фотоэлектрических модулей с учетом спектральной чувствительности.

5. Несколько предприятий фотоэнергетической отрасли сегодня находятся на некотором перепутье. Основной вопрос даже не в том, что лучше: PERC или HJT. Вопрос в том, где быть контактам. Снижение стоимости IBC-элементов приводит к тому, что в перспективе эта технология с учетом повышенного КПД, скорее всего, сможет конкурировать с HJT и PERC. Однако если ориентироваться в будущем на тыльные контакты, нет никакого смысла внедрять фрагментирование ФЭП, которое становится все более популярным среди производителей PERC и может быть применено и в комбинации с HJT (что актуально для ГК “Хевел”). Переход в перспективе на тандемы IBC–HJT, HJT–перовскит, IBC–перовскит сделает этот подход бесполезным, так как нет смысла сопрягать контакты на тыльной строне пластины с контактами на ее фронтальной поверхности, если последние отсутствуют. Проблема полного использования фронтальной поверхности может быть решена путем предварительного формирования контактной сетки на тыльной подложке модуля. В то же время вынос контактов на тыльную сторону решает несколько концептуальных проблем для тандемных ФЭП с перовскитоподобными структурами и аморфным кремнием, устойчивость которых к высоким температурам на переделах формирования контактов минимальна.

6. Рост объемов производства фотоэнергетической продукции уже привел к существенному снижению капитальных затрат на создание систем различного уровня мощности. На этом фоне постепенно снижаются объемы государственной поддержки фотоэнергетической отрасли. Введенные мощности во многих странах таковы, что сегодня на повестке дня стоит вопрос об их адекватной интеграции в сеть, включая использование накопителей электрической энергии, гибкое тарифное регулирование, а в частном секторе – стимулирование потребления энергии внутри домохозяйства, которое ее произвело. В этой связи увеличивается значимость краткосрочного прогнозирования выработки энергии солнечными станциями в целях диспетчеризации всей системы. Также все большее внимание уделяется работе фотоэлектрических станций в условиях загрязнения модулей и их частичного затенения.