Солнечные панели из литого монокристалла — что это?

Статья дополняет нашу основную статью — «Выбор солнечных панелей: моно или поли?«. Вы, наверное, слышали про монокристаллические и поликристаллические солнечные панели. Сейчас появился третий тип ‘cast-mono’ (литой монокристалл). Что же это за «новый зверь» в семействе кремниевых кристаллических солнечных панелей?

Наиболее распространенный материал для солнечных панелей это кремний. Несколько лет назад популярность попытался набрать теллурид кадмия и даже в нашем ассортименте были такие солнечные панели. Но постепенно они были вытеснены с рынка и крыш домов кремниевыми солнечными батареями.

Различные виды кремниевых солнечных панелей бьются за рынок. Поликристаллы дешевы, в то время как монокристаллы дороже, но более эффективны. Теперь появился третий тип — «литой монокремний» (cast mono)!

Cast monosilicon⁵  существует давно, но панели из такого кремния до недавнего времени не выпускались для массового рынка. Теперь производственный процесс улучшен, и модули из литого монокристаллического кремния почти так же эффективны как монокристалл и почти так же дешевы, как поликристалл. Этот тип имеет более низкий LID (деградации, вызванной светом), что является его преимуществом.

По крайней мере 9 производителей в настоящее время заявили о выпуске cast mono панелей. 2 крупнейших из них: Canadian Solar  и GCL.

GCL производил литой монокремний еще когда был только производителем кремния, поэтому неудивительно, что сейчас они используют его в своих солнечных панелях.

Несмотря на то, что литой монокремний заработал некоторую популярность, в настоящее время нельзя полностью избавиться от поликремния. Дело в том, что в процессе производства литого монокремния одновременно получают и поликремний.

Как и в случае с бриллиантами, с кремнием так же  — один большой кристалл лучше, чем много маленьких.

• Поликристаллический солнечный элемент = много кристаллов кремния и пониженная эффективность
• Монокристаллический солнечный элемент = сделан из одного большого кристалла и имеет более высокую эффективность.

Монокристаллические элементы примерно на 5% более эффективны, чем поликристаллические. В общем КПД солнечной панели это может означать примерно на 1% больше. Поэтому, при прочих равных условиях, если вы замените в солнечной панели поликристаллические элементы на монокристаллические, вы можете увеличить ее КПД с 18 до 19% (речь идет о стандартных элементах, новые технологии имеют больший эффект на КПД).

Монокристалл имеет более высокую эффективность, но поликристалл дешевле в производстве, потому что:

• требует меньше энергии при производстве
• оборудование для его производства проще и дешевле.

Вкратце мы описывали процесс производства кристаллов в статье «Выбор солнечных панелей: моно или поли?«. При производстве поликристалла полисиликон высокой очистки плавится и затем кристаллизуется в тиглях. По мере снижения температуры образуются множество кристаллов. Чем дольше остывает масса, тем более крупные получаются кристаллы. После кристаллизации поликремний достается из тиглей и разрезается на блоки. Эти блоки затем нарезаются на пластины, из которых изготавливают солнечные элементы. Отходов при этом немного, потому что блоки прямоугольные и пластины имеют примерно квадратную форму.

Производство монокристаллов стоит дороже, потому что процесс намного сложнее. Кремный высокой чистоты помещается в большой круглый кварцевый тигель и расплавляется. Кварц — один из немногих материалов с температурой плавления выше, чем у кремния. Тигель нагревается при помощи электричества, поэтому его температура полностью и точно контролируется. Но нагрев электричеством существенно дороже, чем газом (который используется при плавлении кремния для получения поликристаллов). Это одна из причин того, что монокристалл дороже поликристалла.

Когда кремний полностью жидкий, в него помещается затравка. Это нужно делать при определенной температуре, иначе кристаллизация будет лавинообразной и неконтролируемой. При правильных режимах вокруг затравки равномерно начинает образовываться монокристалл.

Одновременно стержень с затравкой и тигель вращаются в разные стороны. Монокристалл медленно вытягивается из расплава. Этот метод называется методом Чохральского. См. видео ниже о том, как это делается:

Выращивание кристалла занимает до двух суток. Это требует много энергии. Также, при нарезании кристалла на пластины для изготовления солнечных элементов, образуется много отходов, т.к. круглый монокристалл нарезают на квадратные пластины. Однако, несмотря на это, монокристаллические солнечные элементы завоевали массовый рынок из-за своей большей эффективности. В последние годы доминирование монокристалла стало бесспорным. Тем не менее, желание снизить стоимость монокристаллического кремния вызвало к жизни процесс литья монокристаллов (cast mono).

Производство монокремния литьём

Cast monosilicon льется из формы аналогично поликристаллу, но на дно помещаются монокремниевые пластины, которые служат затравкой для образования кристаллов. На видео ниже показана анимация этого процесса:

На анимации получается довольно большой слиток, который разрезается на 24 блока, которые в свою очередь нарезаются на пластины. Но только 8 блоков в середине будут монокристаллическими.

Вследствие того, что кремний по краям ванны охлаждается быстрее, в этих участках расплава формируется поликристалл, который по характеристикам находится между обычным поликристаллом и литым монокристаллом. Если вся ванна охлаждалась бы медленнее, то формировался бы один большой кристалл. Но на практике это невозможно из-за примесей и загрязнителей (особенно кислорода), которые попадают в расплавленный кремний через стенки литейной формы.

Литой монокремний имеет дефекты

При литье монокремния не получается идеальный кристалл, как при использовании метода Чохральского. При медленном вытягивании монокристалла из тигеля снимаются напряжения, возникающие при образовании кристалла. Напряжений невозможно избежать при литье, поэтому кристалл имеет дефекты. Эти дефекты видны невооруженным глазом, но не такие явные, как у обычного поликристалла. Дефекты снижают эффективность солнечных элементов, но все равно из литого монокремния получаются намного более эффективные солнечные элементы, чем из поликристаллов.

Вы можете подумать при покупке солнечных панелей из литого монокремния — достались ли вам элементы, сделанные из центральных участков слитка, или вам попались менее эффективные поликристаллы с краев слитка? Несмотря на то, что у краев слитка качество кристалла хуже, на внешний вид определить это практически невозможно. Неспециалист не сможет их различить.

Однако производителю запрещено вводить в заблуждение покупателей по поводу эффективности их солнечных панелей. Если он заявляет, что панель вырабатывает 300 Вт, значит она должна вырабатывать не менее 300 Вт. Поэтому, если вы покупаете у надежного производителя и поставщика, вы можете быть спокойны, что вам достался солнечный модуль обещанного качества.

Сниженная деградация от света LID

LID (Light Induced Degradation) имеет место первые несколько дней работы солнечных панелей на солнце, и при этом эффективность панелей снижается обычно на пару процентов. Этого достаточно, чтобы КПД солнечной панели снизилось с 19% до 18.6%.  Литой монокремний страдает от LID меньше, но особо не радуйтесь — даже если деградация снижена в 2 раза, на общий КПД модуля это повлияет не сильно. Однако и небольшое преимущество — тоже преимущество.

Меньшая деградаия от света в литом монокремнии обусловлена меньшим содержанием кислорода в кристалле. Однако с другой стороны, меньшее количество кислорода делает кристалл более хрупким и повышает вероятность его поломки во время производства солнечной панели.

Перспективы литого монокремния

Литой монокристаллический кремний может давать почти такой же КПД, как и обычный монокремний, при этом цена производства близка к производству поликристаллического кремния. Поэтому эта технология имеет право на жизнь.

На российском рынке продавались солнечные панели из литого монокремния — GCL-P6/60-315 12BB Jupiter (315 Вт). Он есть еще у некоторых продавцов. С подачи импортера везде эти модули называются поликристаллическими.

Эта статья прочитана 1866 раз(а)!

Продолжить чтение