Просмотры: 0 Автор: Редактор сайта Время публикации: 31 июля 2026 г. Происхождение: Сайт
На фоне достижения глобальной цели по созданию двухуглеродных источников энергии и строительства новых энергосистем фотоэлектрическая энергетика стала самой быстрорастущей технологией производства электроэнергии из возобновляемых источников энергии в мире благодаря своим преимуществам в виде экологически чистых и низкоуглеродных свойств, обширных ресурсов и высокой адаптируемости. Являясь основным носителем фотоэлектрических систем производства электроэнергии, фотоэлектрические модули выполняют основную функцию прямого преобразования солнечной энергии в электрическую. Их эффективность преобразования, срок службы, стабильность и адаптация к окружающей среде напрямую определяют мощность производства электроэнергии, затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание, а также преимущества полного жизненного цикла фотоэлектрических систем производства электроэнергии.
После десятилетий технологических итераций фотоэлектрическая промышленность превратилась из ранней низкоэффективной поликристаллической технологии в технологическую модель, в которой доминируют высокоэффективные кристаллические кремниевые элементы N-типа и передовые перовскитные тандемные элементы. Постоянные прорывы в эффективности преобразования коммерческих модулей, оптимизация характеристик затухания и улучшение адаптивности сценариев значительно снизили приведенную стоимость электроэнергии (LCOE) при производстве фотоэлектрической энергии, реализуя преобразование фотоэлектрической энергии из дополнительной энергии в основную. Основываясь на последних технологических достижениях фотоэлектрической промышленности, в этом документе проводится систематический профессиональный анализ по шести измерениям: основные принципы, технические маршруты, структурные процессы, управление и контроль производительности, диагностика эксплуатации и технического обслуживания, а также передовые тенденции.
Основным механизмом преобразования энергии фотоэлектрических модулей является фотоэлектрический эффект, который по существу относится к фотоиндуцированному возбуждению носителей заряда и процессу направленной миграции полупроводниковых материалов под воздействием освещения. Кристаллический кремний, основной материал фотоэлектрических элементов, имеет фиксированную запрещенную зону в своей зонной структуре, которая может точно поглощать энергию фотонов в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах солнечного света для реализации фотоэлектрического преобразования.
Конкретный рабочий механизм состоит из четырех основных этапов. Во-первых, фотонное возбуждение: когда солнечные фотоны облучают поверхность клетки, фотоны с энергией, превышающей энергию запрещенной зоны кремния, разрывают связь валентных электронов атомов кремния и возбуждают электронно-дырочные пары. Во-вторых, разделение носителей: встроенное электрическое поле, образуемое PN-переходом, быстро разделяет электроны и дырки, при этом электроны мигрируют в область N-типа, а дырки - в область P-типа, реализуя направленное разделение положительных и отрицательных зарядов. В-третьих, накопление заряда: заряды постоянно накапливаются на обоих полюсах ячейки, образуя стабильную фотоэлектродвижущую силу. В-четвертых, выходная мощность: замкнутый контур формируется посредством металлических линий сетки, паяных лент и внешних цепей модуля, а направленная миграция носителей генерирует непрерывный ток, в конечном итоге преобразуя солнечную энергию в доступную мощность постоянного тока.
Одиночные фотоэлектрические элементы имеют ограниченное выходное напряжение и ток. В промышленном производстве несколько элементов соединяются последовательно и параллельно и упаковываются в фотоэлектрические модули. В сочетании с упаковочными клейкими пленками, закаленным стеклом, задними листами и другими конструкциями элементы защищены и обеспечивают стабильную работу, позволяя адаптироваться к длительным и сложным условиям эксплуатации на открытом воздухе.
В настоящее время кристаллические кремниевые элементы доминируют на промышленном рынке фотоэлектрических модулей, составляя более 95% доли мирового рынка, который разделен на две основные технические системы: P-типа и N-типа. Между тем, перовскитные и тандемные элементы, как новое поколение передовых технологий, вступили в стадию промышленного пилотирования, со значительными различиями в производительности, технологиях и сценариях применения между различными техническими путями.
Технология PERC (пассивированный эмиттер и задний контакт) является базовой версией элементов P-типа. Добавление пассивирующего слоя оксида алюминия и защитного слоя нитрида кремния на задней стороне элементов позволяет эффективно снизить потери на рекомбинацию носителей на задней поверхности элемента и повысить эффективность поглощения света и эффективность фотоэлектрического преобразования. В настоящее время эффективность преобразования коммерческих модулей PERC стабильно поддерживается на уровне 22,5–23,5%, что близко к теоретическому пределу эффективности в 24,5% для кремниевых элементов P-типа, что оставляет ограниченные возможности для технологического совершенствования.
Благодаря отработанным процессам, полной поддержке производственной цепочки и низким производственным затратам технология PERC в прошлом была основным выбором для фотоэлектрических электростанций. Однако ему присущи недостатки: высокая скорость ослабления света с начальным годовым ослаблением около 2,0% и устойчивым годовым ослаблением около 0,45% в последующие годы; он также страдает от ослабления, вызванного светом и электричеством, с посредственными характеристиками выработки электроэнергии в условиях высокой температуры и слабого освещения, поэтому его постепенно заменяют технологиями N-типа. На этом этапе отрасль в основном использует потенциал остаточной эффективности за счет оптимизации текстуры черного кремния, процесса металлизации нескольких шин (SMBB) и итерации слоя пассивации.
TOPCon (туннельный оксидно-пассивированный контакт) является основной технологией современных элементов N-типа и стал основным направлением развития отрасли благодаря своим превосходным эксплуатационным преимуществам. Эта технология создает ультратонкий туннельный слой оксида кремния и слой легированного поликремния на задней стороне элемента для формирования пассивированной контактной структуры, которая значительно снижает скорость поверхностной рекомбинации ячеек и улучшает напряжение холостого хода и коэффициент заполнения.
По сравнению с технологией PERC модули TOPCon обладают заметными основными преимуществами: коммерческая эффективность преобразования достигает 25–26% с более высоким пределом эффективности; характеристики затухания значительно оптимизированы: затухание в первый год составляет менее 1%, а стабильное ежегодное затухание составляет всего 0,3%, что обеспечивает выдающийся прирост выработки электроэнергии в течение всего жизненного цикла; он обладает превосходной светоотдачей при слабом освещении, способностью адаптироваться к высоким температурам и устойчивостью к затенению, подходит для сложных сценариев, таких как горные районы, жилые, промышленные и коммерческие крыши. Кроме того, эта технология совместима с большинством существующего оборудования производственных линий PERC и имеет высокие показатели затрат на обновление, обеспечивая самую быструю индустриализацию и становясь предпочтительным техническим маршрутом для новых фотоэлектрических проектов.
Технология тандемных ячеек — это передовая технология, позволяющая преодолеть ограничение запрещенной зоны монокристаллического кремния и преодолеть предел эффективности фотоэлектрического преобразования. Его основной принцип заключается в вертикальном расположении субэлементов с разной запрещенной зоной для поглощения различных спектральных диапазонов солнечного света соответственно, максимизируя использование ресурсов солнечного спектра. Среди них наибольшего прогресса достигли кристаллический тандем кремний-перовскит и тандем перовскит-органический тандем.
Перовскитные материалы обладают преимуществами регулируемой запрещенной зоны, высокого коэффициента светопоглощения, гибкой подготовки и недорогого массового производства, что является идеальным дополнением к элементам кристаллического кремния. Стационарная сертифицированная эффективность отечественных тандемных солнечных элементов из перовскита и органических веществ достигает 28,04%, в то время как эффективность устройства малой площади ультратонких кристаллических тандемных элементов из кремния и перовскита сертифицирована NREL на уровне 33,4%, что устанавливает новый мировой рекорд. Тандемные элементы сочетают в себе высокую эффективность, малый вес и гибкую адаптируемость, которые применимы не только к крупномасштабным наземным фотоэлектрическим электростанциям, но также подходят для новых сценариев, таких как фотоэлектрические системы, интегрированные в здания (BIPV), фотоэлектрические батареи, устанавливаемые на транспортных средствах, и портативные источники энергии, выступая в качестве основного итеративного направления будущих фотоэлектрических технологий.
Структура упаковки и процесс производства фотоэлектрических модулей напрямую определяют их устойчивость на открытом воздухе, эффективность выработки электроэнергии и срок службы. Отрасль добилась всестороннего улучшения удельной мощности, надежности и долговечности модулей благодаря постоянным структурным инновациям и совершенствованию процессов. Стандартная структура фотоэлектрического модуля состоит из закаленного стекла, упаковочной клейкой пленки, ячеек, заднего листа, рамы и распределительной коробки снаружи внутрь, и каждая структура взаимодействует для реализации таких функций, как пропускание света и выработка электроэнергии, изоляционная защита, водонепроницаемость и влагостойкость, а также устойчивость к механическому сжатию.
Текущие обновления основных процессов сосредоточены на четырех основных направлениях. Во-первых, технология расположения ячеек с нулевым зазором исключает традиционную конструкцию зазоров между ячейками, максимизирует эффективную светоприемную площадь модулей и улучшает общее выработку энергии без изменения размеров модуля. Во-вторых, интегрированная технология проводящего заднего листа отменяет традиционную структуру серии лент, применяет контактный проводящий режим по всей площади, снижает риски паяных соединений, снижает количество скрытых трещин, распайки и потерь при передаче, снимает нагрузку на модуль, а также улучшает водонепроницаемость и устойчивость к затуханию. В-третьих, технология металлизации нескольких шин и мелкой сетки уменьшает площадь затенения линий сетки, повышает эффективность передачи тока и адаптируется к потребностям высокоэффективных ячеек в выработке электроэнергии. В-четвертых, новые технологии пассивации и защиты используют нанослоистые структуры, тонкие пленки оксида индия-церия и другие новые материалы для повышения устойчивости модулей к атмосферным воздействиям, старению и затенению, а также продления полного жизненного цикла.
Кроме того, структурная конструкция встроенного байпасного диода стала стандартной конфигурацией новых модулей. Он может быстро провести обходной канал, когда модули частично затенены, избегая повреждения ячеек эффектом горячей точки и значительно улучшая стабильность выработки электроэнергии и срок службы модулей в сложных рабочих условиях.
Фактическая производительность фотоэлектрических модулей по выработке электроэнергии не является постоянной. Под влиянием условий окружающей среды, характеристик материала, дефектов процесса и других факторов происходят постоянное затухание и динамические колебания. Выяснение механизма его влияния является основой управления производительностью модулей и прогнозирования срока службы.
Солнечное излучение является основным фактором, определяющим выработку энергии модулем, и выработка электроэнергии в основном линейно положительно коррелирует с излучением. Температура окружающей среды напрямую влияет на эффективность преобразования. Ячейки кристаллического кремния имеют отрицательный температурный коэффициент; каждое повышение температуры на 1 ℃ снижает эффективность преобразования на 0,3–0,4%, а высокая температура значительно снижает выходные характеристики модуля. Ветровой песок, дождь, снег и затенение от пыли уменьшают площадь приема света, вызывая перегревы, локальное обратное смещение и другие проблемы, что приводит к потере мощности. Высокая влажность, солевые брызги и ультрафиолетовое излучение ускоряют старение упаковочных материалов, вызывая пожелтение клейкой пленки, растрескивание нижнего листа, нарушение изоляции и другие неисправности.
Затухание фотоэлектрических модулей в течение всего жизненного цикла в основном делится на три категории. Во-первых, начальное светоиндуцированное ослабление: клетки P-типа обычно имеют дефекты активации носителей на ранней стадии освещения, что приводит к значительному ослаблению мощности в первый год, в то время как клетки TOPCon N-типа практически не имеют очевидного светоиндуцированного ослабления. Во-вторых, устойчивое годовое затухание: оно вызвано накоплением старения материала и потерями рекомбинации носителей, что является основной причиной долговременного ухудшения производительности модулей. В-третьих, затухание, вызванное напряжением: механическая нагрузка, термоциклирование, локальное затенение, электрическое напряжение и другие факторы вызывают скрытые трещины в ячейках, падение ленты, выход из строя байпасного диода и другие необратимые потери мощности.
Для новых технологий, таких как перовскитные элементы, разделение фаз галогенов является основным стимулом затухания. Под воздействием светового стресса иодид-ионы и бромид-ионы в тонких пленках перовскита перераспределяются, образуя области, богатые йодом и бромом, что значительно снижает выходное напряжение и долговременную стабильность устройств, а также служит ключевым техническим узким местом, которое необходимо преодолеть при индустриализации передовых технологий.
Фотоэлектрические модули склонны к различным неисправностям во время длительной работы на открытом воздухе, которые можно разделить на неисправности корпуса модуля и неисправности межмодульного согласования. К неисправностям корпуса относятся скрытые трещины ячеек, перегревы, старение упаковки, выход из строя байпасного диода и т. д. Межмодульные неисправности в основном включают последовательно-параллельное несоответствие, потерю затенения и плохой линейный контакт. Точная диагностика, а также эффективная эксплуатация и техническое обслуживание являются ключом к повышению эффективности выработки электроэнергии на электростанциях и снижению затрат на эксплуатацию и техническое обслуживание.
В отрасли создана интеллектуальная и точная система диагностики неисправностей. Основываясь на модели эквивалентной схемы с одним диодом фотоэлектрических модулей, он может анализировать изменения электрических параметров при различных условиях освещенности и температуры и осуществлять отслеживание механизма неисправности. Модели диагностики искусственного интеллекта, такие как улучшенный алгоритм поиска воробья и алгоритм случайного леса, могут значительно повысить точность распознавания неисправностей фотоэлектрических массивов и реализовать точную классификацию неисправностей в различных рабочих условиях. В сочетании с измерением инфракрасной температуры, электролюминесцентным обнаружением, контролем БПЛА и другими технологиями можно реализовать визуальное обнаружение скрытых трещин модуля, горячих точек, старения и других дефектов, адаптируясь к потребностям эксплуатации и технического обслуживания крупных фотоэлектрических электростанций.
Регулярное управление эксплуатацией и техническим обслуживанием может эффективно задержать затухание модуля и снизить вероятность неисправности. Основные меры по эксплуатации и техническому обслуживанию включают регулярную очистку и удаление пыли, определение электрических параметров, проверку и замену неисправных модулей, а также обнаружение изоляции распределительных коробок и линий. Эксплуатация и техническое обслуживание полного жизненного цикла могут эффективно повысить общий доход электростанций от производства электроэнергии.
В сочетании с текущим прогрессом технологических исследований, разработок и индустриализации будущие фотоэлектрические модули будут развиваться в шести основных направлениях: высокая эффективность, низкое затухание, легкий вес, гибкость, интеллект и низкая стоимость.
Во-первых, технология N-типа полностью заменит технологию P-типа. Ячейки TOPCon будут постоянно совершенствоваться и оптимизироваться за счет модернизации процессов пассивации и металлизации для дальнейшего повышения эффективности преобразования и снижения скорости затухания, становясь основной промышленной технологией в ближайшие 3–5 лет, в то время как технология PERC постепенно уйдет с нового рынка.
Во-вторых, тандемные ячейки ускорят индустриализацию. Благодаря преимуществам сверхвысокой эффективности кристаллические кремний-перовскитные и перовскит-органические тандемные элементы постепенно будут реализовывать мелкосерийное массовое производство. Решив технические проблемы, такие как разделение фаз галогенов и долговременную стабильность, они откроют новую эру высокоэффективных фотоэлектрических технологий и преодолеют потолок эффективности монокристаллических кремниевых элементов.
В-третьих, легкое и гибкое обновление. Новые перовскитовые и тонкопленочные фотоэлектрические модули могут быть изготовлены гибко, преодолевая морфологические ограничения традиционных модулей из жесткого кристаллического кремния, адаптируясь к новым сценариям, таким как интегрированная в здания фотоэлектрическая энергетика, мобильная энергетика и портативная генерация электроэнергии на открытом воздухе, а также расширяя границы фотоэлектрических приложений.
В-четвертых, постоянная оптимизация структуры и технологий. Передовые процессы, такие как расположение с нулевым зазором, встроенная проводимость и интеллектуальная защита от обхода, будут полностью популяризированы, что позволит постоянно улучшать плотность мощности модуля, устойчивость к затуханию, устойчивость к затенению и атмосферным воздействиям, а также снижать приведенную стоимость электроэнергии в течение всего жизненного цикла.
В-пятых, глубокая интеграция интеллектуального управления и обслуживания. Диагностика неисправностей с помощью искусственного интеллекта, интеллектуальная проверка БПЛА, управление цифровыми двойниками и другие технологии будут в полной мере применяться для прогнозирования неисправностей, мониторинга производительности, интеллектуальной эксплуатации и обслуживания фотоэлектрических модулей, а также повышения уровня интеллектуальной работы фотоэлектрических электростанций.
Постоянное совершенствование технологии фотоэлектрических модулей является основной поддержкой высококачественного развития фотоэлектрической промышленности. От промышленной модернизации традиционного PERC P-типа до TOPCon N-типа и до прорыва в передовых технологиях тандемных ячеек, отрасль добилась всестороннего скачка в эффективности фотоэлектрического преобразования, стабильности и адаптивности к сценариям. В настоящее время высокоэффективные кристаллические кремниевые модули N-типа стали основным направлением рынка, что значительно повышает экономичность и надежность фотоэлектрической генерации электроэнергии. Прорыв новых технологий, таких как тандемная фотоэлектрическая и гибкая фотоэлектрическая энергия, открывает широкое пространство для долгосрочного развития фотоэлектрической промышленности.
В будущем, благодаря постоянным инновациям в области материаловедения, технологии упаковки и интеллектуальных технологий эксплуатации и технического обслуживания, фотоэлектрические модули будут и дальше преодолевать узкие места в эффективности и стоимости, адаптироваться к более сложным сценариям применения, постоянно укреплять основную энергетическую позицию фотоэлектрической энергетики в новых энергосистемах и обеспечивать надежную техническую поддержку для глобальной трансформации энергетики и реализации целей по двойному углероду.
