Кремниевые пластины для солнечных панелей

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

Как сделать солнечную батарею своими руками: инструктаж по самостоятельной сборке

Солнечные батареи — источник получения энергии, которую можно направить на выработку электричества или тепла для малоэтажного дома. Вот только солнечные батареи имеют высокую стоимость и недоступны большинству жителей нашей страны. Согласны?

Другое дело, когда сделана солнечная батарея своими руками — затраты значительно уменьшаются, а работает такая конструкция ничуть не хуже, чем панель промышленного производства. Поэтому, если вы всерьез задумываетесь о приобретении альтернативного источника электроэнергии, попытайтесь сделать его своими руками – это не очень сложно.

В статье речь пойдет об изготовлении солнечных батарей. Мы расскажем, какие материалы, и инструменты для этого потребуются. А немного ниже вы найдете пошаговую инструкцию с иллюстрациями, которые наглядно демонстрируют ход работы.

Коротко об устройстве и работе

Энергию солнца можно преобразовать в тепловую, когда энергоносителем является жидкость-теплоноситель или в электрическую, собираемую в аккумуляторах. Батарея представляет собой генератор, работающий на принципе фотоэлектрического эффекта.

Преобразование энергии солнца в электроэнергию происходит после попадания солнечных лучей на пластины-фотоэлементы, которые являются основной частью батареи.

При этом световые кванты “отпускают” свои электроны с крайних орбит. Эти свободные электроны дают электрический ток, который проходит через контроллер и скапливается в аккумуляторе, а оттуда поступает энергопотребителям.

В роли пластин-фотоэлементов выступают элементы из кремния. Кремниевая пластина с одной стороны покрыта тончайшим слоем фосфора или бора – пассивного химического элемента.

В этом месте под действием солнечных лучей высвобождается большое количество электронов, которые удерживаются фосфорной плёнкой и не разлетаются.

На поверхности пластины имеются металлические “дорожки”, на которых выстраиваются свободные электроны, образуя упорядоченное движение, т.е. электрический ток.

Чем больше таких кремниевых пластин-фотоэлементов, тем больше электрического тока можно получить. Подробнее о принципе работы солнечной батареи читайте далее.

Материалы для создания солнечной пластины

Приступая к сооружению солнечной батареи необходимо запастись следующими материалами:

• силикатные пластины-фотоэлементы;
• листы ДСП, алюминиевые уголки и рейки;
• жёсткий поролон толщиной 1,5-2,5 см;
• прозрачный элемент, выполняющий роль основания для кремниевых пластин;
• шурупы, саморезы;
• силиконовой герметик для наружных работ;
• электрические провода, диоды, клеммы.

Количество требуемых материалов зависит от размера вашей батареи, которая чаще всего ограничивается количеством доступных фотоэлементов. Из инструментов вам понадобиться: шуруповёрт или набор отвёрток, ножовка по металлу и дереву, паяльник. Для проведения испытаний готовой батареи понадобиться тестер-амперметр.

Теперь рассмотрим самые важные материалы более подробно.

Кремниевые пластины или фотоэлементы

Фотоэлементы для батарей бывают трёх видов:

• поликристаллические;
• монокристаллические;
• аморфные.

Поликристаллические пластины характеризуются низким КПД. Размер полезного действия составляет около 10 – 12 %, но зато этот показатель не понижается с течением времени. Продолжительность работы поликристаллов – 10 лет.

Монокристаллические фотоэлементы могут похвастаться более высоким КПД – 13-25% и долгими сроками работы – свыше 25 лет. Однако со временем КПД монокристаллов снижается.

Монокристаллические преобразователи получают путем пиления искусственно выращенных кристаллов, что и объясняет наиболее высокую фотопроводимость и производительность.

Гибкие батареи с аморфным кремнием – самые современные. Фотоэлектрический преобразователь у них напылен или наплавлен на полимерную основу. КПД в районе 5 – 6 %, но пленочные системы крайне удобны в укладке.

Пленочные системы с аморфными фотопреобразователями появились сравнительно недавно. Это предельно простой и максимально дешевый вид, но быстрее соперников теряющий потребительские качества.

Нецелесообразно использовать фотоэлементы разного размера. В данном случае максимальный ток, вырабатываемый батарей, будет ограничен током наиболее маленького по размеру элемента. Значит, более крупные пластины не будут работать на полную мощность.

Чаще всего для самодельных батарей используются моно- и поликристаллические фотоэлементы размером 3х6 дюймов, которые можно заказать в интернет-магазинах типа Е-бай.

Стоимость фотоэлементов достаточно высока, но многие магазины продают так называемые элементы группы В. Изделия, отнесённые к этой группе имеют брак, но пригодны к использованию, а их стоимость ниже, чем у стандартных пластин на 40-60%.

Большинство интернет-магазинов продают фотоэлементы комплектами по 36 или 72 фотоэлектрической преобразовательной пластины. Для соединения отдельных модулей в батарею потребуются шины, для подключения к системе нужны будут клеммы.

Каркас и прозрачный элемент

Каркас для будущей панели можно сделать из деревянных реек или алюминиевых уголков.

Второй вариант более предпочтителен по целому ряду причин:

• Алюминий – лёгкий металл, не дающий серьёзной нагрузки на опорную конструкцию, на которую планируется установка батареи.
• При проведении антикоррозийной обработки алюминий не подвержен воздействию ржавчины.
• Не впитывает влагу из окружающей среды, не гниёт.

При выборе прозрачного элемента необходимо обратить внимание на такие параметры, как показатель преломления солнечного света и способность поглощать ИК-излучение.

От первого показателя напрямую будет зависеть КПД фотоэлементов: чем показатель преломления ниже, тем выше КПД кремниевых пластин.

Минимальный коэффициент светоотражения у плексиглас или более дешёвого его варианта – оргстекла. Чуть ниже показатель преломления света у поликарбоната.

От величины второго показателя зависит, будут ли нагреваться сами кремниевые фотоэлементы или нет. Чем меньше пластины подвергаются нагреванию, тем дольше они прослужат. ИК-излучения лучше всего поглощает специальное термопоглощающее оргстекло и стекло с ИК-поглощением. Немного хуже – обычное стекло.

Если есть возможность, то оптимальным вариантом будет использование в качестве прозрачного элемента антибликового прозрачного стекла.

Проект системы и выбор места

Проект гелиосистемы включает в себя расчёты необходимого размера солнечной пластины. Как было сказано выше, размер батареи, как правило, ограничен дорогостоящими фотоэлементами.

Гелиобатарея должна устанавливаться под определённым углом, который обеспечил бы максимальное попадание на кремниевые пластины солнечных лучей. Наилучший вариант – батареи, которые могут менять угол наклона.

Место установки солнечных пластин может быть самым разнообразным: на земле, на скатной или плоской крыше дома, на крышах подсобных помещений.

Единственное условие – батарея должна быть размещена на солнечной, не затененной высокой кроной деревьев стороне участка или дома. При этом оптимальный угол наклона необходимо вычислить по формуле или с применением специализированного калькулятора.

Угол наклона будет зависеть от месторасположения дома, времени года и климата. Желательно, чтобы у батареи была возможность менять угол наклона вслед за сезонными изменениями высоты солнца, т.к. максимально эффективно они работают при падении солнечных лучей строго перпендикулярно поверхности.

Расчёты показывают, что 1 квадратный метр гелиосистемы даёт возможность получить 120 Вт. Поэтому путём расчетов можно установить, что для обеспечения среднестатистической семьи электроэнергией в количестве 300 кВт в месяц необходима гелиосистема минимум в 20 квадратных метров.

Сразу установить такую гелиосистему будет проблематично. Но даже монтаж 5-ти метровой батареи поможет сэкономить электроэнергию и внести свой скромный вклад в экологию нашей планеты. Советуем также ознакомиться с принципом расчета необходимого количества солнечных батарей.

Солнечная батарея может использоваться в качестве резервного энергоисточника при частом отключении централизованного энергоснабжения. Для автоматического переключения необходимо предусмотреть систему бесперебойного питания.

Подобная система удобна тем, что при использовании традиционного источника электроэнергии одновременно производится зарядка аккумулятора гелиосистемы. Оборудование обслуживающее гелиобатарею размещается внутри дома, поэтому необходимо предусмотреть для него специальное помещение.

Монтаж солнечной батареи по шагам

Выбрав место для размещения солнечной панели и оборудования для обслуживания гелиосистемы, а также имея в наличии все требуемые материалы и инструменты, можно начинать монтаж батареи.

При монтаже необходимо соблюдать технику безопасности, особенно осуществляя установку готовой панели на крышу дома. Рассмотрим пошаговый алгоритм, как сделать солнечную батарею.

Шаг #1 – пайка контактов кремниевых пластин

Монтаж самодельной солнечной батареи часто начинается с пайки проводников фотоэлементов. Безусловно, если у вас есть возможность, то лучше всего купить фотоэлементы сразу с проводниками, т.к. пайка – очень непростая и кропотливая работа, занимающая много времени.

Пайка осуществляется следующим образом:

1. Берётся кремниевый фотоэлемент без проводников и металлическая полоса-проводник.
2. Проводники нарезаются при помощи картонной заготовки, их длина в 2 раза больше, чем размер кремниевой пластины.
3. Проводник аккуратно выкладывается на пластину. На один элемент – два проводника.
4. На место, где будет производиться спайка, необходимо нанести кислоту для работы с паяльником.
5. Произвести пайку при помощи паяльника, аккуратно присоединив проводник к пластине.

В процессе пайки нельзя давить на силикатный элемент, т.к. он очень хрупкий и может разрушиться! Если вам посчастливилось, и вы приобрели фотоэлементы с готовыми контактами, то вы избавите себя от долгой и сложной работы, переходя сразу к изготовлению каркаса для будущей батареи.

Шаг #2 – изготовление каркаса для солнечной батареи

Каркас – это место, куда будут устанавливаться фотоэлементы. Для изготовления каркаса берутся алюминиевые уголки и рейки, из которых складываются рамки. Рекомендуемый размер уголка – 70-90 мм.

На внутреннюю часть металлических уголков наносится силиконовый герметик. Герметизацию уголков необходимо произвести тщательно, от этого зависит долговечность всей конструкции.

После того, как алюминиевая рамка готова, приступаем к изготовлению заднего корпуса. Задний корпус представляет собой деревянный ящик из ДСП с невысокими бортиками.

Высокие борта будут создавать тень на фотоэлементах, поэтому их высота не должна превышать 2 см. Бортики привинчиваются при помощи саморезов и шуруповёрта.

На дне ящика-корпуса из ДСП делаются вентиляционные отверстия. Расстояние между отверстиями примерно 10 см. В алюминиевую раму устанавливается прозрачный элемент (оргстекло, антибликовое стекло, плексиглас).

Прозрачный элемент прижимается и фиксируется, его крепление осуществляется при помощи метизов: 4 по углам, а также по 2 с длинных и по 1 с короткой стороны рамы. Метизы крепятся шурупами.

Каркас для гелиобатареи готов и можно приступать к самой ответственной части – монтажу фотоэлементов. Перед монтажом необходимо очистить оргстекло от пыли и обезжирить спиртсодержащей жидкостью.

Шаг #3 – монтаж кремниевых пластин-фотоэлементов

Монтаж и пайка кремниевых пластин – самая трудоёмкая часть работы по созданию солнечной панели своими руками. Сначала раскладываем фотоэлементы на оргстекло синими пластинами вниз.

Если вы впервые собирайте батарею, то можно воспользоваться подложкой для нанесения разметки, чтобы расположить пластины ровно на небольшом (3-5 мм) расстоянии друг от друга.

1. Производим пайку фотоэлементов по следующей электросхеме: “+” дорожки расположены на лицевой стороне пластины, “-” – на обратной. Перед пайкой аккуратно наносит флюс и припой, чтобы соединить контакты.
2. Производим пайку всех фотоэлементов последовательно рядами сверху вниз. Ряды затем должны быть также соединены между собой.
3. Приступаем к приклеиванию фотоэлементов. Для этого наносим небольшое количество герметика на центр каждой кремниевой пластины.
4. Переворачиваем получившиеся цепочки с фотоэлементами лицевой стороной (там, где синие пластины) вверх и размещаем пластины по разметке, которую нанесли ранее. Осторожно прижимаем каждую пластину, чтобы зафиксировать её на своём месте.
5. Контакты крайних фотоэлементов выводим на шину, соответственно “+” и “-“. Для шины рекомендуется использовать более широкий проводник из серебра.
6. Гелиобатарею необходимо оснастить блокирующим диодом, который соединяется с контактами и предотвращает разрядку аккумуляторов через конструкцию в ночное время.
7. В дне каркаса сверлим отверстия для вывода проводов наружу.

Провода необходимо прикрепить к каркасу, чтобы они не болтались, сделать это можно используя силиконовый герметик.

Источник