Материал используемый для солнечных батарей

Из чего делают солнечные батареи: особенности строения различных поколений панелей

До недавних пор на вопрос «из чего делают солнечные батареи» существовал всего один ответ – из кремниевых ячеек в жесткой раме с толстым защитным стеклом. Сегодня ситуация кардинально изменилась, хотя панели на основе кремния по-прежнему занимают большую часть мирового рынка. При изготовлении фотовольтаики дома, из подручных материалов, такие ячейки также применяются чаще других. Однако перспективные разработки последних лет создаются на совершенно иных технологиях и значительно отличаются от старых моделей конструктивно.

Краткая история модифицирования: три поколения солнечных батарей

Специалисты разделяют все фотоэлектрические устройства, способные поглощать световые фотоны и преобразовывать их в электрический ток, на три поколения.

1. Из чего состоят солнечные батареи первого поколения

Конструктивно такие модули состоят из следующих элементов:

• металлического листа-основы – базового контакта;
• нижнего присадочного слоя кремниевого полупроводника с преобладанием электронов n-типа – за счет добавления фосфора;
• верхнего кристаллического слоя, насыщенного электронами р-типа – обычно, путем легирования бором;
• антиотражающего покрытия – для максимизации поглощения излучения;
• тонкого металлизированного контакта сеточного типа с проводом для замыкания сети;
• толстого защитного стекла – как правило, сверхпрочного закаленного;
• обрамляющей рамы.

Толщина монокристаллических Mono-Si или поликристаллических Poli-Si кремниевых пластин в ячейках составляет около 200-300 мкм. Срок службы оценивается в 20-25 лет, с падением производительности в среднем на 0,5% ежегодно. КПД при идеальных условиях освещения достигает 22-24% и резко снижается при высоких температурах либо частичном падении освещенности.

2. Из чего сделаны солнечные батареи второго поколения

Следующее поколение батарей использует тот же физический принцип p/n перехода, однако создано на базе комбинаций редкоземельных элементов (реже – аморфного кремния). Вспомогательные конструкционные элементы панелей в большинстве случаев те же – металлическая основа, антиотражающая пленка и защитное стекло. Однако все чаще появляются и безрамные конструкции, а также тонкопленочные варианты, способные сворачиваться в рулоны и изгибаться под любыми углами.

Наиболее частыми полупроводниками для ячеек таких батарей служат:

• аморфный кремний a-Si;
• теллурид кадмия (CdTe);
• селенид индия/галлия/меди (CIGS).

Иногда на предложение привести примеры, из чего делают солнечные батареи тонкопленочного типа, профильные специалисты приводят и другие, более экзотические варианты. Однако их совокупная доля не превышает 0,1% и используется преимущественно в лабораторных исследованиях.

Название «тонкопленочные» происходит от значительно меньшей толщины рабочих слоев – от 1 до 3 мкм, что почти в 100 раз меньше, чем у кремниевой «классики». КПД при идеальных условиях тонких пленок составляет 16-20%. Однако при рассеянном свете и/или больших углах падения излучения панели CdTe / CIGS могут быть более эффективны.

3. Из чего состоит солнечная батарея третьего поколения

Принцип действия панелей 3-го поколения по-прежнему фотоэлектрический, но конструкция принципиально иная. Полупроводниковые материалы в них, за исключением квантовых точек, не используются вовсе, уступая место органике и полимерам.

Такие батареи часто не имеют ни рамы, ни защитного стекла, печатаются на 3D-принтерах либо изготавливаются методом травления, подобно компьютерным платам.

Главное их достоинство – фантастическая дешевизна производства, широчайшие возможности геометрии и прозрачность. Третье поколение – это панели ближайшего будущего, которые будут повсеместно встраиваться в дома, окна, одежду и даже мельчайшие бытовые предметы.

Основной недостаток на сегодня – низкий КПД, составляющий от 0,1 до 7%.

Полупроводниковые материалы – из чего делают солнечные батареи сегодня

Основными полупроводниковыми материалами, которые используются для производства 99% фотоэлектрических ячеек на современном мировом рынке, являются:

1. Монокристаллический кремний — Выращивается в виде крупных кристаллов по методу профессора Чохральского. Далее кремниевые цилиндрические «чушки» режутся на очень тонкие диски толщиной 0,2-0,4 мм и подвергаются специализированной химической обработке. Практически готовые ячейки обтачиваются, шлифуются, покрываются защитным покрытием и металлизируются. При желании сделать солнечную батарею своими руками такие фотоэлектрические элементы покупаются в магазине, а остальные детали моноблока изготавливаются самостоятельно из подручных материалов.
2. Поликристаллический кремний — Производится в металлургических тиглях более дешевым методом направленной кристаллизации (block-cast). После расплава кремниевого сырья его медленно остужают, что приводит к образованию «игольчатых» разнонаправленных кристаллов. В эксплуатации такая поверхность чуть хуже монокристалла при идеальной освещенности, но более эффективна в остальных случаях. По этой причине, устанавливая комплект батарей на крышах, на южные скаты часто монтируют Mono-Si, а на юго-западные и юго-восточные – Poli-Si.
3. Аморфный кремний – из чего делают солнечные батареи этого типа Основой батарей данного типа служит гидрогенезированный кремний с большим коэффициентом лучевого поглощения. Современные модели комбинируют из нескольких слоев, обогащенных германием и углеродом. Это позволяет устранить главный недостаток панелей a-Si – быструю деградацию ячеек.

Такая модификация носит название уже не аморфного, а микроморфного кремния и показывает КПД до 12%. Низкая эффективность компенсируется дешевизной производства, поскольку на такие ячейки элементов требуется в 200 раз меньше полупроводника чем для Mono-Si или Poli-Si.

4. Из чего сделаны тонкопленочные солнечные батареи CdTe

Теллурид кадмия считается лучшим однопереходным полупроводниковым материалом по совокупности трех показателей – поглощающая способность, надежность, стоимость. CdTe значительно производительнее кремния и намного дешевле более эффективных пленок на базе дорогостоящих германия и индия.

Подложка пленки может быть не металлической, а стеклянной, а сами ячейки – полужесткими или гибкими. CdTe отличается стабильностью, долговечностью, малой чувствительностью к изменению освещения и быстро растущим КПД новых поколений модулей.

5. Особенность строения солнечных панелей типа CIGS

Основой батарей на сульфидах редкоземельных элементов является композитное смешение галлия, индия и меди. Такие панели являются «чемпионами» по КПД и стойкости, но стоят очень дорого.

Коммерческое применение пока ограничено только космосом и авиационной отраслью, поскольку добыча индия и галлия на планете ограничена всего несколькими сотнями тонн в год. Даже если бы все они пошли на изготовление батарей, общая мощность панелей едва достигла бы 10 ГВт.

6. Из чего состоят солнечные батареи типов GaAs и InP

Базовыми редкоземельными элементами этой группы панелей служат арсенид галлия GaAs и фосфид индия InP. Отличительная черта обоих вариантов ячеек – практически полное сохранение КПД при температурах в несколько сотен градусов Цельсия.

Применение их на земле финансово нецелесообразно, но практически все солнечные панели космических спутников, зондов, МКС и телескопов сделаны именно на их основе. Теоретический КПД этой группы, при условии использовании в конструкции дополнительных концентраторов, может достигать 85%. Практические рекорды сегодня колеблются в зоне 35-45%.

7. Из чего делают органические солнечные батареи

Несмотря на низкий КПД (лабораторный рекорд на сегодня – 10,8%, коммерческие прототипы – до 7%) панели на органической основе 3-го поколения сегодня активно исследуются. Для полимеров органического происхождения характерны следующие важные черты:

• простота и дешевизна создания;
• отсутствие проблем с утилизацией;
• неограниченность сфер применения;
• возможность изготовления в прозрачном виде.

Подобные панели практически невесомы, а при использовании технологии «tandem solar batteries» (тандемное соединение) их можно встраивать в окна и регулировать прозрачность.

8. Из чего состоят солнечные батареи на красителях

Конструктивно в них присутствует тонкая стеклянная подложка и напыляемая токопроводящая «краска». Ее основой является нанокристаллические «катод» и «анод», а также неагрессивный электролит – например, диоксид титана. Удобство использования состоит в возможности получения любых цветовых оттенков и нанесения на любые поверхности сверхтонким слоем.

9. Особенности солнечных батарей с квантовыми точками

Последний перспективный вид батарей ближайшего будущего построен на свойствах физических квантовых точек – микроскопических включений полупроводников в тот или иной материал. Геометрически такие «точки» имеют размер в несколько нанометров и распределяются в материале так, чтобы охватить поглощение излучения всего солнечного спектра – ИК, видимого света и УФ.

Огромным преимуществом подобных панелей является возможность работать даже ночью, генерируя около 40% максимальной дневной мощности.

Физико-технические характеристики, сертификация и маркировка

Независимо от того, из чего сделаны солнечные батареи, каждая из них обладает рядом следующих важных характеристик:

• механические – геометрические параметры, общая масса, тип рамы, защитного стекла, количество ячеек, вид и ширина коннекторов;
• электрические или вольтамперные – мощность, напряжение холостого хода, сила тока при максимальной нагрузке, эффективность панели в целом и отдельных ячеек в частности;
• температурные – изменение КПД при повышении температуры на определенную единицу величины (обычно – 1 градус);
• качественные – срок службы, скорость деградации ячеек, присутствие в рейтинговых списках Bloomberg;
• функциональные – необходимость и удобство ухода, простота монтажа/демонтажа.

Промышленные солнечные панели, из каких бы материалов они не были сделаны, обязательно должны быть сертифицированы. Минимальными требованиями являются сертификаты качества ISO, СE, TUV (международные) и/или Таможенного союза (при продаже в его пределах).

Обязательной является и международные правила маркировки. Например, аббревиатура CHN-350M-72 содержит следующие сведения:

• CHN – идентификатор компании-изготовителя (в данном случае – китайской СhinaLand);
• 350 – мощность панели в ваттах;
• M – обозначение монокристаллического кремния;
• 72 – число фотоэлектрических ячеек в модуле.

Из чего можно сделать солнечные батареи своими руками дома

Для этого необходимо следующее:

1. Предварительно начерченная схема и проведенные расчеты.
2. Определенное количество солнечных ячеек заводского изготовления – купить их дешевле всего в сети, например, на сайте Aliexpress или в других сетевых магазинах. Обращайте внимание на то, чтобы все элементы имели одинаковые электрические характеристики.
3. Самодельный каркас из бруса и фанеры – правила его сборки можно посмотреть на многочисленных видео в сети.
4. Оргстекло или плексиглас для поверхностного защитного покрытия.
5. Краска и термостойкий клей для обработки деревянных поверхностей.
6. Контактные полосы и провода для соединения ячеек. Схемы различные способов соединения также можно изучить в интернете.
7. Паяльник и припой. Паяльные работы следует проводить очень внимательно, чтобы не испортить будущее изделие.
8. Силиконовый клей и саморезы для закрепления сборной батареи в каркасе.

Небольшая батарея потребует около 30-50 долларов вложений, в то время как заводской вариант аналогичной мощности обойдется всего на 10-20% дороже. Разумеется, подобная самодельная конструкция не прослужит 25 лет, не будет обладать мощностью полноценной солнечной электростанции и не сможет похвастаться значительным КПД. Однако стоимость ее будет минимальной настолько, насколько это возможно.

Источник

3 основных типа солнечных панелей: что эффективнее и какой вариант подойдёт вам

Сейчас наиболее распространены такие типы солнечных панелей: монокристаллические, поликристаллические и тонкопленочные. Они имеют разный принцип производства, внешний вид, а самое главное — эффективность.

Основные типы солнечных панелей — сравнение

Рассмотрим преимущества и недостатки разных видов.

Разновидность	Преимущества	Недостатки
Монокристаллические	• Высокая эффективность. • Эстетичный внешний вид.	• Высокая стоимость.
Поликристаллические	• Низкая стоимость.	• Сравнительно невысокая эффективность.
Тонкопленочные	• Портативность и гибкость. • Малый вес. • Эстетичный внешний вид.	• Сравнительно невысокая эффективность.

Ниже пройдёмся по эффективности и особенностям использования каждого типа.

Из чего сделаны разные солнечные панели

Основой производства фотоэлементов выступает полупроводниковый материал, благодаря которому происходит преобразование солнечной энергии в электрическую. В современных солнечных системах полупроводником чаще всего выступает кремний. Визуально типы солнечных панелей отличаются следующим образом:

• Монокристаллические — ячейки чёрного цвета.
• Поликристаллические — ячейки синего цвета.
• Тонкоплёночные — имеют различный цвет в зависимости от используемого полупроводникового материала. Отличаются гибкими свойствами.

Монокристаллические и поликристаллические солнечные панели

В обоих случаях конструкция одинакова: кремниевые ячейки собираются в ряды, формируя прямоугольную конструкцию. Для защиты используется стеклянное покрытие и герметичная рамка.

И там, и там основным материалом является кремний, но качество самого кремния отличается. Монокристаллические элементы вырезаются из цельного кристалла кремния. Для поликристаллических используют небольшие фрагменты кремния, которые переплавляют и прессуют в форме ячеек.

Тонкопленочные солнечные панели

В этом случае основой для производства служит аморфный кремний (a-Si) — некристаллическая версия кремния. Его соединение особым образом «напыляется» на гибкую основу, которая собирается в гибкую панель.

Сейчас в производстве тонкоплёночных моделей чаще всего используется теллурид кадмия (CdTe). Это поколение гибких панелей существенно отличается по эффективности от аморфных кремниевых предшественников.

Панели из селенида меди, индия, галлия (CIGS) также являются представителями тонкоплёночных технологий, но встречаются не так часто.

Мощность и эффективность солнечных панелей

Качество материала и конструктивные особенности значительно влияют на производительность.

Эффективность монокристаллических и поликристаллических солнечных панелей

Из всех вариантов монокристаллические имеют самый высокий КПД и мощность. Их эффективность может превышать 20%, в то время как поликристаллические обычно имеют показатели 15-17%.

Большинство стандартных монокристаллических солнечных панелей достигают мощности более 300 Вт, а некоторые могут превышать 400 Вт. Поликристаллические в среднем производят 200 Вт, хотя дорогие модели могут превышать и 300 Вт.

Оба типа солнечных панелей поставляются с 60, 72 и 96 кремниевыми ячейками. Но при равном количестве ячеек монокристаллические системы способны производить больше электроэнергии.

Эффективность тонкоплёночных солнечных панелей

Гибкие полимерные устройства ощутимо уступают по мощности кристаллическим аналогам. С учётом использования передовых полупроводников КПД достигает 11%.

Тонкоплёночные панели не имеют стандартизированных размеров, но сравнивая мощность кристаллических и тонкоплёночных систем на 1м 2 , можно сказать, что первые всегда обеспечат большим количеством электроэнергии.

Как тип солнечной панели влияет на её стоимость

Цены различаются из-за материала, который используется для производства солнечных элементов, и способа его обработки.

Монокристаллические солнечные панели — самый дорогой вариант

Производство таких фотоэлементов предполагает выращивание цельных кристаллов кремния. Этот процесс, известный как метод Чохральского, достаточно энергоемкий и иногда проходит неудачно. Повреждённые заготовки могут быть использованы для поликристаллических элементов.

Поликристаллические солнечные панели — ощутимо дешевле

Здесь процесс создания фотоэлементов намного проще в технологическом плане. Не нужно тратится на обработку цельных кристаллов — мелкие фрагменты просто плавятся и прессуются в формы. Это дешевле для производителя, а следовательно и для потребителя.

Тонкопленочные солнечные панели — всё зависит от материала

Сколько вы заплатите за тонкопленочные элементы, во многом будет зависеть от материала, который был использован для их производства. Дешевле всего обойдутся панели из CdTe и аморфного кремния, в то время как вариант из CIGS будет ощутимо дороже.

Нужно учитывать, что общая стоимость установки гибких солнечных панелей может быть ниже, чем монтаж монокристаллических или поликристаллических систем. Они легче и практичнее, что упрощает монтажникам возможность доставлять панели на крышу и закреплять их на месте. Это позволяет снизить затраты на рабочую силу.

Так что же выбрать?

Монокристаллические, поликристаллические и тонкопленочные панели имеют свои преимущества и недостатки, и обычно решение о выборе того или иного варианта зависит от особенностей помещения и от уровня потребности домохозяйства в электроэнергии.

Владельцы недвижимости с большой площадью под солнечную электростанцию могут сэкономить, установив менее эффективные и недорогие поликристаллические панели. Если у вас ограниченное пространство, лучшим вариантом будет установка высокоэффективных монокристаллических модулей.

Тонкоплёночные панели обычно устанавливают на просторную крышу коммерческих/промышленных помещений, которые не могут выдержать дополнительный вес традиционного солнечного оборудования. Кроме того, тонкопленочные панели иногда могут быть идеальным решением для портативных солнечных систем, например, на жилых автофургонах или лодках.

Все типы солнечных панелей имеют свои особенности производства, что влияет на их итоговую эффективность. Лучший КПД у монокристаллических, но если у вас достаточно места под солнечную систему, можно установить поликристаллические и сэкономить на расходах. Тонкоплёночные имеют самую низкую производительность, но удобны при монтаже.

Источник