Встраиваемые диоды обхода в ячейках для высокоэффективных кремниевых фотоэлектрических модулей с контактами на задней стороне, устойчивых к затенению

Более безопасные солнечные панели для обычных крыш

Ожидается, что кровельные солнечные панели будут тихо вырабатывать электроэнергию в течение десятилетий, но в реальной жизни их покрывают листья, снег, дымоходы и ближайшие здания. Даже небольшие участки тени могут лишить панель мощности и, что вызывает большее беспокойство, создать опасно горячие зоны, которые могут повредить оборудование. В этой статье рассматривается новый тип кремниевого солнечного элемента, который включает функцию безопасности прямо в каждую ячейку, делая панели одновременно более эффективными и значительно более устойчива к повседневному затенению.

Почему тень — такая большая проблема

Солнечная панель — это не одно устройство, а цепочка множества ячеек, соединённых между собой. Когда одна ячейка оказывается в тени, её электрический ток падает, но остальные освещённые ячейки продолжают проталкивать ток через неё. Затем затенённая ячейка вынужденно переходит в электрическое состояние, называемое обратным смещением, при котором она перестаёт быть источником энергии и начинает её поглощать. Результатом может быть сильный перегрев в небольших областях ячейки, известных как горячие точки, что ведёт к потере энергии и, в крайних случаях, может повредить или даже воспламенить части модуля. Стандартная защита использует дополнительные электронные элементы — диоды обхода, подключённые вокруг групп ячеек, но установка одного диода на каждую ячейку была бы слишком громоздкой и дорогой, а группировка многих ячеек под одним диодом даёт лишь частичную защиту.

Преобразование каждой ячейки в собственный предохранительный клапан

Авторы предлагают умную переработку конструкции кремниевых ячеек с задними контактами так, чтобы каждая ячейка включала собственное встроенное поведение «обхода» без добавления отдельных компонентов. Вместо того чтобы полагаться на один внешний диод, спасающий многие ячейки, они конструируют слои на обратной стороне ячейки, создавая множество крошечных каналов обратной проводимости, распределённых по поверхности. Эти каналы практически не работают в нормальном режиме, сохраняя высокую эффективность, но включаются, когда ячейка оказывается в обратном смещении из‑за тени. По сути, ячейка получает внутренний предохранительный клапан, автоматически обеспечивающий путь для тока вокруг затенённых областей до того, как возникнут опасные напряжения и горячие точки.

Как скрытые каналы работают внутри ячейки

В основе конструкции лежит тщательно уложенная комбинация материалов на задней стороне кремниевой пластины. Ячейки с задними контактами уже размещают положительные и отрицательные контакты рядом на задней поверхности, разделённые узкими зазорами. Команда использует эти кромки зазоров для вставки перекрывающихся тонких слоёв, которые благоволят электронам в одной части и дыркам (их положительным аналогам) в другой. Под обратным смещением электроны, входящие в затенённую ячейку, проходят через кремний и направляются к этим зонам перекрытия, где энергетический профиль позволяет им «туннелировать» через стек и снова появляться в виде тока, который можно безопасно отвести. Поскольку подобные стеки повторяются сотни раз по задней стороне ячейки, обратный ток распределяется, а не концентрируется в одной слабой точке. Моделирование и измерения показывают, что эти сконструированные каналы ведут себя как множество крошечных, специально настроенных диодов, интегрированных непосредственно в ячейку.

Сохранение высокой производительности при обычном освещении

Любой дополнительный путь для тока рискует превратиться в утечку, которая тратит энергию, когда ячейка работает нормально. Ключевое достижение этой работы — разработка слоёв так, чтобы они пропускали значительный ток только тогда, когда ячейка вынуждена работать в обратном направлении, и вносили очень малый вклад при обычной прямой работе. Команда анализирует, как электроны и дырки перемещаются через стеки в обоих состояниях, и настраивает толщину и свойства материалов так, чтобы эффект туннелирования постепенно затухал по мере роста прямого напряжения к рабочей точке ячейки. В результате прототипы с новой структурой достигают сертифицированного коэффициента преобразования энергии 27,49%, что сопоставимо с лучшими кремниевыми ячейками с задними контактами, при этом обеспечивая мощную обратную проводимость при необходимости.

Более прохладные и стабильные панели в реалистичных условиях

Чтобы проверить, делает ли эта микроскопическая переработка реальную разницу в полевых условиях, исследователи собрали полные солнечные модули из своих новых ячеек и сравнили их с обычными модулями в жестких испытаниях на затенение. Когда несколько ячеек были сильно затенены, стандартные модули развивали горячие области, температура в которых быстро поднималась примерно до 190 градусов Цельсия. Новые модули, напротив, стабилизировались примерно на 90 градусах, с более равномерным распределением тепла и значительно меньшим количеством необратимо повреждённых участков. В испытаниях, когда была затенена лишь часть одной ячейки, стандартные модули теряли почти половину своей мощности, даже при наличии внешних диодов обхода. Модули с новыми ячейками демонстрировали лишь умеренное падение мощности, показывая, что встроенные каналы помогают электричеству течь более плавно несмотря на неравномерное освещение.

Шаг к более умной и прочной солнечной энергетике

Эта работа показывает, что защита от затенения не обязательно должна обеспечиваться внешней проводкой и компонентами за пределами ячейки. Вплетая поведение обхода в саму структуру ячейки, авторы создают солнечные модули, которые одновременно отличаются высокой эффективностью и значительно большей устойчивостью к повседневным теням, при этом потенциально снижая стоимость и сложность. По мере того как солнечная энергетика распространяется на загруженные крыши и в города с множеством препятствий и переменным освещением, такие самозащищённые, устойчивые к затенению ячейки могут сделать солнечные системы более безопасными, долговечными и надёжными как для домовладельцев, так и для энергетических компаний.

Цитирование: Tang, H., Li, Y., Lin, H. et al. In-cell bypass diodes for high-efficiency and shading-tolerant back contact silicon photovoltaic modules. Nat Commun 17, 3360 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70005-1

Ключевые слова: солнечные элементы, частичное затенение, кремний с задней контактной схемой, диод обхода, фотоэлектрические модули