Стремление человека найти новый неиссякаемый источник энергии, безопасный для нашей и других планет, привел к тому, что солнечная энергетика на сегодняшний день становится все более и более популярной темой по всему миру. Потребление человеком энергии растет, и по прогнозам к 2015 году оно составит уже 361 ГВт, а традиционные ресурсы (нефть, газ и уголь) на Земле ограничены, кроме этого их интенсивное использование человеком загрязняет планету. По сравнению с другими альтернативными источниками энергии (гидроэнергия, механическая и тепловая энергия мирового Океана, ветровая и геотермальная энергии), энергия Солнца имеет неограниченный потенциал, Солнце несет неограниченный запас энергии, нужно только научиться правильно использовать ее. В связи с этим на мировом рынке наблюдается усиленная работа по развитию технологий и снижению цен на солнечные батареи, над этим вопросом работают ведущие институты и производители мира. Правительства многих стран принимают Программы поддержки солнечной энергетики, в России, к сожалению, подобных программ пока нет. Наше государство приняло ряд поправок в ФЗ «Об электроэнергетике», разрушив таким образом монополию в сфере энергетики, однако актов под это еще нет, и неизвестно, как они будут выглядеть.
Мировой вклад России в производство фотоэлектрических станций на сегодняшний день составляет не более 1%, тогда как солнечная фотоэнергетика является одной из наиболее быстро растущих отраслей мировой экономики (мировой темп роста – 30-50% в год). При этом в нашей стране пока еще нет лабораторий осуществляющих испытания и сертификацию солнечных элементов и модулей по международным стандартам. Поэтому для Европы Россия в смысле солнечной энергетики, пока является «белым пятном».
Одним из преимуществ использования солнечных батарей является тот факт, что фотоэлектрические электростанции (ФЭС) самые экологически чистые и легко возводимые, благодаря своей модульной конструкции. Кроме этого, ФЭС характеризует высокая надежность (до сих пор они являются источником питания практически для всех спутников на земной орбите, потому что работают без поломок и почти не требуют технического обслуживания), низкие текущие расходы (благодаря отсутствию подвижных частей, ФЭС не требуют особого ухода), экологичность (это бесшумные и чистые модули, при их работе не происходит сжигания топлива), модульность (благодаря этому свойству, ФЭС могут достигать совершенно различных размеров, в зависимости от потребности в электроэнергии), длительный срок службы (работают до 30 лет), низкие затраты на строительство (обычно ФЭС строят близко к потребителю, т.е. нет нужды тянуть линии электропередач на дальние расстояния, не нужно закупать трансформаторы), и конечно нужно отметить независимость ФЭС от изменения цен на энергоносители.
Особенной популярностью солнечные батареи пользуются в южных странах, где их устанавливают непосредственно на крышах жилых домов, иногда такие батареи можно видеть практически на каждом доме. Можно назвать несколько крупных «солнечных парков». Среди них: «Солнечный парк» PEX в Испании на 30 МВт, способный обеспечить энергией до 16000 домов, «Солнечный парк» в Баварии на 11 МВт и в Лейпциге на 5 МВт, в Португалии – на 11 МВт, в Южной Корее на 4 МВт и в Израиле - на 100 МВт.
На сегодняшний день существует несколько технологий производства солнечных батарей, основанных на использовании того или иного материала при изготовлении пластины. Основано это на различном поглощении разными материалами солнечного излучения.
Среди широко используемых материалов можно назвать моно- и поликристаллический кремний, а также GaAs, CdTe, аморфный кремний и многие другие. В соответствии с выбранным материалом применяется определенная технология, которая отличается этапами производства и набором оборудования.
Наиболее часто в качестве сырья используется моно- и поликристаллический кремний. КПД пластин на основе этого материала колеблется в пределах от 13 до 18% (в настоящее время ведущие производители солнечных батарей пытаются повысить КПД до 19%). Такие пластины очень хрупкие, требуют дополнительной защиты, но значительно дешевле пластин из других материалов.
Тонкопленочная технология основана на использовании таких материалов, как CdTe, GaAs или аморфный кремний. КПД таких пластин также не превышает 20%, хотя в перспективе есть планы увеличения его до 22%. В зависимости от используемой подложки такие батареи могут гнуться, весьма устойчивы к механическим воздействиям, герметичны. Стоимость их выше стоимости кремниевых систем.
В настоящее время ведущие институты России и мира ведут разработки по созданию солнечных элементов на основе многослойных структур, это очень трудоемкая работа, но она позволит повысить КПД до 33%.
На сегодняшний день производство солнечных батарей в промышленном масштабе наиболее рентабельно выполнять по кремниевой технологии, это наиболее изученная и дающая наивысший выход технология производства. Ниже приведена схема производства солнечных батарей на основе мультикристаллического кремния. Данная цепочка складывается из следующих этапов:
- Подготовка кремниевой пластины, очистка ее после резки, промывка;
- Структурирование поверхности пластины, создание топологии на ее поверхности, травление;
- Легирование, нанесение фосфора;
- Диффузия фосфора, вжигание;
- Создание P-n-перехода, изолирование его, удаление не нужных слоев;
- Нанесение антиотражающего слоя SiN;
- Металлизация (создание металлических контактов на обратной стороне пластины методом трафаретной печати);
- Сушка и вжигание;
- Создание контактов на лицевой стороне пластины;
- Выравнивание пластины;
- Проверка и тестирование.
Оборудование под каждый из этапов поставляют европейские и американские компании - RENA, Roth&Rau, DESPATCH, BACCINI, MANZ – одни из мировых лидеров по производству оборудования в сфере солнечной энергетики. В России данные компании представляет ООО «СОВТЕСТ АТЕ».
Далее в статье будет кратко описано оборудование под каждый этап производства.
Пластины на производство поступают практически готовыми к дальнейшему их использованию, необходимо только удалить повреждения, образующиеся на поверхности при резке. В этих целях применяется оборудование для выполнения жидкостной химической обработки, производителем которого является компания RENA (Германия). Помимо этого, установки компании, а в частности система серии InTex, улучшает светоудерживающие свойства пластин путем создания структуры на их поверхности.
На картинке справа приведена фотография, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа, структуры, полученной на поверхности пластины после обработки ее в системе InTex. Данный процесс выполняется с помощью кислотных (реже – щелочных) реагентов. Системы позволяют работать с пластинами диаметром 125 и 156 мм, толщиной от 150 мкм.
Следующий этап – процесс нанесения на пластину слоя фосфора и его вжигание, эти процессы могут быть выполнены на одной установке - в диффузионной печи компании DESPATCH, которая позволяет выполнять процесс одновременно на двух сторонах пластины. Печи этой компании отличает довольно высокая производительность, однородность поддержания температуры внутри печи и высокая скорость набора температуры, а также способность конфигурирования конвейера как справа налево, так и слева направо.
После диффузии пластины попадают на установку компании RENA – в систему серии InOx, предназначенную для эффективного снятия ненужных слоев фосфосиликатного стекла (необходимо для повышения производительности), а также выполняющую дополнительную очистку пластин перед осаждением нитрида кремния, что выполняется на установке компании Roth&Rau.
Оборудование серии SiNA® предназначено для нанесения антиотражающего покрытия (SiN) и для пассивации солнечных батарей. Данная установка выполняет один из основных этапов в производстве солнечных батарей, т.к. сильно влияет на КПД батарей. Следующий этап – это создание металлических контактов на обратной стороне пластины. Можно выполнить методом трафаретной печати (например, на принтерах компании BACCINI), после чего пасту сушат в печах DESPATCH.
После всех этих процессов практически в 100% случаев пластина приобретает изгиб вследствие термического напряжения различных материалов; избавиться от него необходимо, чтобы в дальнейшем, при встраивании пластин в модули, не произошла их поломка. Для этого компания DESPATCH разработала специальную установку – систему быстрого термического шока серии IL-RTS. Эта система имеет несколько рабочих зон, где пластины сначала подвергаются очень резкому охлаждению – до -70 °С, а потом – нагреванию до +200 °С. Эта установка позволяет значительно снизить риск растрескивания пластин при дальнейшей работе с ними, а также позволяет расширить список используемых для печати паст.
Все процессы в описанной выше линейке оборудования выполняются автоматически, каждый из этапов всей технологической цепочки соединен со следующим. Автоматические роботы для загрузки и разгрузки пластин, а также промежуточные конвейеры поставляет немецкая компания MANZ Automation. Один такой робот способен перемещать до 3600 пластин в час, при этом риск поломки не превышает 0.1%. Разработанные компанией MANZ роботы имеют большое преимущество перед обычными механическими держателями, т.к. позволяют работать с очень тонкими пластинами, толщина которых может опускаться ниже 120 мкм.
Помимо автоматизации, компания также поставляет тестеры, которые могут быть использованы для оценки качества пластин как на входе, так и на выходе из линейки.
В заключение хочется отметить, что сейчас у нашей страны есть все предпосылки для развития солнечной энергетики – это мощная сырьевая база, предприятия и научные организации, производящие солнечные модули. На таком серьезном фундаменте уже можно начинать строить современную отечественную индустрию в сфере фотовольтаики.
Получите подробную информацию о технических характеристиках, ценах и условиях поставки оборудования, направив официальный запрос с сайта.