Как сделать кремний для солнечной батареи

Методы производства солнечных элементов

Более 85% солнечных батарей производятся на основе моно и поли кремния. Технология их производства достаточно трудная, длительная и энергоемкая. Но обо всем по порядку.

Основные этапы изготовления солнечных монокристаллических элементов:

Получение «солнечного» кремния.

В качестве сырья используется кварцевый песок с высоким массовым содержанием диоксида кремния (SiO₂). Он проходит многоступенчатую очистку, чтобы избавиться от кислорода. Происходит путем высокотемпературного плавления и синтеза с добавлением химических веществ.

Выращивание кристаллов.

Очищенный кремний представляет собой просто разрозненные куски. Для упорядочивания структуры и выращиваются кристаллы по методу Чохральского. Происходит это так: куски кремния помещаются в тигель, где раскаляются и плавятся. В расплав опускается затравка – так сказать, образец будущего кристалла. Атомы, располагаются в четкую структуру, нарастают на затравку слой за слоем. Процесс наращивания длительный, но в результате образуется большой, красивый, а главное однородный кристалл.

Обработка.

Этот этап начинается с измерения, калибровки и обработки монокристалла для придания нужной формы. Дело в том, что при выходе из тигля в поперечном сечении он имеет круглую форму, что не очень удобно для дальнейшей работы. Поэтому ему придается псевдо квадратная форма. Далее обработанный монокристалл стальными нитями в карбид — кремниевой суспензии или алмазно — импрегнированной проволокой режется на пластинки толщиной 250-300 мкм. Они очищаются, проверяются на брак и количество вырабатываемой энергии.

Создание фотоэлектрического элемента.

Чтобы кремний мог вырабатывать энергию, в него добавляют бор (B) и фосфор (P). Благодаря этому слой фосфора получает свободные электроны (сторона n-типа), сторона бора – отсутствие электронов, т.е. дырки (сторона p-типа). По причине этого между фосфором и бором появляется p-n переход. Когда свет будет падать на ячейку, из атомной решетки будут выбиваться дырки и электроны, появившись на территории электрического поля, они разбегаются в сторону своего заряда. Если присоединить внешний проводник, они будут стараться компенсировать дырки на другой части пластинки, появится напряжение и ток. Именно для его выработки с обеих сторон пластины припаиваются проводники.

Сборка модулей.

Пластинки соединяются сначала в цепочки, потом в блоки. Обычно одна пластина имеет 2 Вт мощности и 0,6 В напряжения. Чем больше будет ячеек, тем мощнее получится батарея. Их последовательное подключение дает определенный уровень напряжения, параллельное увеличивает силу образующегося тока. Для достижения необходимых электрических параметров всего модуля последовательно и параллельно соединенные элементы объединяются. Далее ячейки покрывают защитной пленкой, переносят на стекло и помещают в прямоугольную рамку, крепят распределительную коробку. Готовый модуль проходит последнюю проверку – измерение вольт — амперных характеристик. Все, можно использовать!

Соединение самих солнечных батарей тоже может быть последовательным, параллельным или последовательно-параллельным для получения требуемых силы тока и напряжения.

Наглядное видео о этапах автоматической сборки, включая: пайку, ламинирование, коммутацию ячеек, установку распределительной коробки, стекла и алюминиевой рамы:

Производство поликристаллических батарей отличается только выращиванием кристалла. Есть несколько способов производства, но самый популярный сейчас и занимающий 75% всего производства это Сименс — процесс. Суть метода заключается в восстановлении силана и осаждении свободного кремния в результате взаимодействия парогазовой смеси из водорода и силана с поверхностью кремниевых слитков, разогретой до 650-1300°C. Освободившиеся атомы кремния, образовывают кристалл с древовидной (дендритной) структурой.

Тонкопленочные батареи производятся в основном по технике испарительной фазы. Сырьем для аморфных фотопреобразователей является кремневодород (силан, SinH_2n+2). Он напыляется на материал подложки (стекло, керамика, металлические или полимерные ленты и пр.) слоем менее 1 мкм. Водород в составе аморфного кремния (5-20%) меняет его электрофизические свойства и придает ему полупроводниковые качества.

Производство аморфных преобразователей значительно проще кристаллических: без труда создаются пластины площадью более 1 м при температурах осаждения всего 250-400°C. К тому же их полупроводниковыми свойствами можно управлять, подбирая соединения компонентов пленки для получения требуемых параметров.

Технология производства солнечных CIGS батарей тоже заключается в напылении полупроводников. Делается это с помощью вакуумных камер и электронных пушек. Медь (Cu), индий (In) или галлий (Ga) напыляются путем последовательного осаждения на подложку из стекла, покрытой молибденом слоем в 1 мкм. Полученная структура обрабатывается парами селена (Se).

Есть еще один способ изготовления CIGS батарей – метод трафаретной печати или струйного напыления. Основан он на использовании суспензии из частиц металлических оксидов. Ее вязкость позволяет получать как бы чернила для печати. «Бумагой» же могут быть разные материалы: стекло, фольга, пластик.

Метод трафаретной печати для изготовления тонкопленочных батарей используется только известными «солнечными» производителями. Имеет такие преимущества, как высокий коэффициент использования материалов (от 90%), сравнительная дешевизна оборудования, приличный КПД готового продукта – 14%.

Производство кристаллов арсенид галлия, может осуществляться, как и монокристаллов кремния, методом Чохральского — горизонтальной или вертикальной направленной кристаллизации. Кристаллы получаются путем вытягивания их вверх от свободной поверхности большого объёма расплава с инициацией начала кристаллизации путём приведения затравочного кристалла. На картинке приведены схемы выращивания.

Источник

Тонкопленочные модули из аморфного кремния

Большинство доступных сегодня на рынке солнечных панелей можно условно разделить на три типа: монокристаллические,поликристаллические и тонкопленочные. Они отличаются друг от друга технологией производства, внешним видом, производительностью, стоимостью и областью применения. Поли- и монокристаллические панели составляют почти 85% продаж на рынке. А вот тонкопленочные (аморфные) солнечные панели считаются перспективными за счет собственных преимуществ и широкой сферы применения.

Они работают в условиях очень жаркого климата и пасмурной/облачной погоды, особенно эффективны при рассеянном свете, а фотоэлементы небольшого размера на основе аморфного кремния активно используются для бытовых нужд, интегрируются в экстерьер зданий, походные зарядные устройства для гаджетов, карманных калькуляторов.

В течение долгого времени низкая выходная мощность солнечных батарей на основе аморфного кремния ограничивала их использование только для узкого круга применения. Эта проблема частично решилась методом наслоения нескольких аморфных солнечных элементов друг на друга, что повышает их производительность и делает более компактными.

Как сделаны панели из аморфного кремния?

Аморфный кремний (a-Si) является некристаллической формой кремния. Слово «аморфный» буквально означает бесформенный. Такой кремниевый материал не структурирован и не кристаллизован на молекулярном уровне, как в многих других типах солнечных элементов на основе кремния.

Панели из аморфного кремния – это хорошо разработанная технология тонких пленок, которая существует на рынке около двух десятков лет. Такие модули формируются путем оседания из паров кремниевого вещества тонким слоем около 1 микрометра (иногда колеблется от нескольких нанометров до десятков микрометров) на материал подложки, например, стекло или металл. Аморфный кремний может оседать и при очень низких температурах, вплоть до 75°С, что также позволяет наносить его на пластик или другие гибкие материалы, которые пропускают солнечные лучи. Именно благодаря возможности использовать гибкую основу тонкопленочные модули имеют широкую область применения.

В простейшей форме структура аморфного модуля имеет один слой. Но однослойные элементы имеют невысокую выходную мощность. Для большей стабильности необходимо увеличить напряженность электрического поля на материале. Однако из-за этого снижается поглощение света и, следовательно, эффективность работы модулей. Это привело к тому, что индустрия разработала двух- и даже трехслойные устройства, которые содержат контактные модули, расположенные друг над другом.

КПД тонкопленочных панелей из аморфного кремния

Изначально, если сравнивать выходную мощность тонкопленочных панелей и панелей из кристаллического кремния, то цифра говорит не в пользу тонких пленок: 18-22% против примерно 7-8%. Такой низкий коэффициент полезного действия частично обусловлен эффектом Стаблера-Вронского (фотоиндуцированная деградация), который проявляется в первые часы, когда панели подвергаются воздействию солнечного света. Это явление приводит к уменьшению выхода энергии панели из аморфного кремния с 10 до примерно 7 процентов.

Однако с развитием технологий в последние годы эти показатели стремительно улучшаются. Сегодня ученые и инженеры, работающие над усовершенствованием панелей, постепенно довели в лабораторных условиях показатели эффективности аморфных панелей до 12,5%. Эффективность солнечных батарей на основе аморфного кремния, которые производятся в больших объемах, составляет от 6% до 9%.

Сейчас выделяют три поколения тонкопленочных панелей на основе аморфного кремния.

1-е поколение. Сюда относится родоначальник технологии – однопереходная солнечная батарея. Для нее характерны маленький срок эксплуатации (до 10 лет) и низкий уровень производительности (около 5%).

2-е поколение. Та же самая однопереходная солнечная батарея с увеличенным КПД (до 8%).

3-е поколение. Наиболее высокоэффективные на сегодня тонкопленочные аморфные панели со сроком эксплуатации выше 10 лет и уровнем производительности 12-12,5%.

Чаще всего тонкопленочные панели используют для гелиосистем, работающих в промышленных масштабах с зависимыми (ведомыми, grid-tie) инверторами и подающих электричество в общую сеть, поскольку наибольшую эффективность аморфные модули показывают при использовании их в мощных системах (от 10 кВт).

Преимущества аморфных панелей

• Производство элементов из аморфного кремния является безотходным, что существенно уменьшает стоимость тонкопленочных панелей. Поэтому низкая стоимость производства является их основным преимуществом и делает фотомодули из аморфного кремния очень конкурентоспособными на рынке солнечных панелей.
• Подложки/основания аморфных панелей могут быть изготовлены как из металла, так и из недорогих материалов – стекло и пластик.
• Лучшая однородность на больших площадях. Это обусловлено тем, что аморфный кремний сам по себе полон дефектов. Поэтому любые другие дефекты, например, примеси, не слишком сильно влияют на общие характеристики материала.
• Аморфный кремний может быть произведен в виде различных форм и размеров (круглой, квадратной, шестиугольной или любой другой сложной формы). Это делает его идеальной технологией для использования в различных областях применения, таких как питание электронных калькуляторов, солнечные наручные часы, садовые фонари, автомобильные аксессуары.
• Человеческий глаз чувствителен к свету с длинами волн от 400 до 700 нанометров. Поскольку солнечные элементы из аморфного кремния чувствительны к свету с практически одинаковыми длинами волн, это означает, что в дополнение к использованию в качестве солнечных элементов они также могут использоваться в качестве датчиков света (например, наружных датчиков освещения и т. д.).
• Гибкость, легкий вес, простота в монтаже. Прочность и гибкость тонкопленочных панелей из аморфного кремния определяются поверхностями или подложками, к которым прикреплены тонкопленочные солнечные элементы. Гибкий тонкопленочный модуль дает большую возможность конструкторам и установщикам, позволяет быть более креативными, когда дело доходит до применения панелей. Например, они могут быть размещены на изогнутых поверхностях, а среди разработок уже есть даже их применение в одежде.
• Тонкопленочные солнечные элементы работают относительно хорошо при плохих условиях освещения и мало подвержены влиянию затенения, при рассеянном или слабом солнечном свете генерируют на 20% больше энергии в сравнении с кристаллическими панелями. Имеют меньшие потери в мощности в условиях пасмурной погоды. У них выгоднее стоимость на каждый ватт мощности.
• Процесс и технология изготовления солнечных панелей a-Si делает их гораздо менее восприимчивыми к поломке во время транспортировки или установки, чем кристаллические панели. Тонкопленочные аморфные панели реже бывают бракованными.
• Еще одним принципиальным преимуществом этого типа технологий является большая устойчивость к теплу, жаре. К примеру, согласно исследованиям Национальной лаборатории возобновляемой энергии США, было обнаружено, что при повышении температуры фотомодули из аморфного кремния демонстрируют более высокие результаты по производительности, чем панели из кристаллического кремния.
• Для производства тонкопленочных панелей требуется гораздо меньше кремния. Так как аморфный кремний является материалом с прямой запрещенной зоной, для изготовления аморфных модулей требуется всего около 1% кремния, который был бы использован для производства фотоэлементов на основе кристаллического кремния.
• Тонкопленочные панели из аморфного кремния хорошо подходят для солнечных электростанций больших площадей и настенных СЭС.
• Все вышеназванные преимущества могут помочь снизить риск значительных инвестиций в фотоэлектрическую систему с использованием таких панелей.

Недостатки тонкопленочных панелей из аморфного кремния

• Аморфные тонкопленочные солнечные элементы имеют более низкую эффективность, чем моно- и поликристаллические. Попытки ее повысить, например, созданием многослойных модулей или легированием германием для уменьшения ширины запрещенной зоны и дальнейшего улучшения поглощения света, довольно сложный процесс, который делает производство дороже. Если внедрять эти процессы, тонкопленочные панели будут стоить дороже, а значит, потеряют свое конкурентное преимущество.
• Тонкопленочные модули имеют тенденцию разрушаться быстрее, чем моно- и поликристаллические солнечные панели. Ожидаемый срок службы аморфных батарей меньше, чем у кристаллических. Определить насколько – не всегда возможно, особенно с учетом постоянного развития технологий, используемых при производстве тонкопленочных панелей. На сегодняшний день срок службы таких панелей, в среднем, составляет от 10 до 25 лет, а в мощности они теряют примерно от 10 до 40% в первые несколько сезонов, после чего их мощность фиксируется на этом показателе и, как правило, уже не падает. Многие производители обещают к концу срока служба выходную мощность около 80%.
• Большая занимаемая площадь. Нужно покрыть намного большую поверхность (примерно в 2,5 – 3 раза) солнечными панелями из аморфного кремния, чем панелями на кристаллической основе, чтобы получить равную мощность.

Солнечные панели из аморфного кремния постоянно совершенствуются и сегодня обнадеживают своими перспективами. Они легче по весу, более гибки и потенциально дешевле в производстве. С другой стороны, эта технология должна стать более зрелой, чтобы конкурировать с моно- и поликристаллическими солнечными батареями.

Источник