Солнечные батареи PERC: технологии и особенности

Примерно с середины 1980-х годов инженеры начали активно работать над разработкой технологии отражения солнечного луча от задней поверхности фотоэлектрических панелей. Это позволило бы существенно увеличить поглощение света без роста затрат на изготовление ячеек. К сожалению, технологии того времени не позволяли добиться желаемого результата. И пассивированный излучатель тыльной части солнечных элементов (англ. PERC – Passivated Emitter Rear Cell) удалось создать только в 21 веке. 

Конструктивное решение технологии PERC

Различие структуры классической и измененной ячейки заключается в следующем:

1. Традиционный фотоэлемент. Тыльная сторона кремниевой основы полностью покрыта алюминием.  Он играет роль токосъемника, и промежутка между полупроводником и металлом нет.
   
2. Элемент PERC. Является не двух, а трехслойным. Между кремниевой «базой» и алюминиевым контактом размещается диэлектрик с микроскопическими отверстиями, прожженными лазером. Этот срединный слой увеличивает поглощение длинноволнового излучения за счет его многократного отражения внутри фотоэлемента.

Преимущества технологии PERC

Подобная конструкция имеет не одно, а сразу несколько плюсов.

1. Рост поглощения фотонов.

• Первое преимущество перед классической солнечной батареей – уже упомянутый рост поглощения энергии, что приводит к увеличению удельного КПД. С точки зрения физики это объясняется так.
  
• Коротковолновое излучение поглощается в основном передней, фронтальной частью фотоэлемента. Длинноволновое – задней, тыльной. 
• Остальная часть длинных волн проходит всю ячейку, а далее полностью поглощается алюминием.
• Наличие промежуточного слоя диэлектрика не дает «уйти» фотонам с большой длиной волны и отражает их обратно к фронтальной стороне. 

На практике это позволяет увеличить производительность солнечной батареи в условиях слабого освещения – утром, вечером и в пасмурную погоду. «Короткие» фотоны в таких условиях поглощаются атмосферой почти полностью, а «длинные» улавливаются традиционными модулями малоэффективно.

На графике ниже наглядно представлено отличие в уровне поглощение длин волн от 1000 до 1200 нм обоими разновидностями гелио ячеек – стандартной и PERC. У второй оно заметно выше.

 2. Снижение температуры модулей

Второе отличие прогрессивной технологии – обратное отражение лучей длиной более 1180 нм. В классических типах фотовольтаики эти фотоны полностью поглощаются алюминием и нагревают его на несколько градусов выше, чем ячейки PERC. Такая особенность повышает эффективный КПД на 0,5-1,5%.

3. Отбрасывание электронов в область p/n перехода

Помимо роста числа сгенерированных электронов PERC-технология способствует и уменьшению количества «потерянных» зарядов. Это явление возникает в традиционных ячейках потому, что электроны движутся хаотично, и часть из них поглощается алюминиевым токосъемником до того, как они попадут в зону p/n-перехода. 

В усовершенствованных панелях эти заряды подвергаются процессу рекомбинации, или возврата. Диэлектрическая «пена» отбрасывает их в область, где каждый электрон сможет найти «дырку» и поучаствовать в фотоэффекте. Это также вносит свою долю в росте эффективности солнечных батарей PERC.

В итоге панели с наличием диэлектрической «прокладки», при почти той же стоимости показывают КПД 24% там, где аналогичная «классика» выдает не больше 21-22%.