Солнечные панели микроморфного кремния

Аморфные солнечные батареи: изготовление, преимущества, область применения

Дата публикации: 3 мая 2019

Создание первых образцов аморфных пленочных батарей стало новым открытием в сфере альтернативных источников электрической энергии. За несколько лет модель удалось усовершенствовать, добившись от простой конструкции выдающихся технико-эксплуатационных характеристик. Эксперты, занимающиеся исследованиями в области энергетики, утверждают: очень скоро аморфные солнечные панели займут лидирующее положение в своем сегменте и будут запущены в массовое производство.

Технологии производства солнечных панелей из аморфного кремния

Изготовление моделей солнечных панелей осуществляется с использованием тщательно очищенного кремния цилиндрической формы диаметром несколько десятков миллиметров. Заготовку режут на диски толщиной в несколько микрон, после чего подвергают легированию. В обработанной пластине образуются области с разной электрической проводимостью, в зависимости от количества электронов, – р-проводимостью и n-проводимостью. Соединение нескольких дисков в различных вариантах позволяет получить пластину, вырабатывающую электрическую энергию под воздействием света. В качестве основы для пластины кремния могут выступать:

• специальные виды керамики;
• стекло особой очистки;
• кристаллы сапфиров и другие материалы, обладающие светопропускной способностью.

Благодаря безотходному характеру производства, готовые панели имеют относительно невысокую стоимость, что немало способствует их популярности.

Этапы совершенствования аморфных солнечных батарей из кремния

Быстрое развитие и постоянное усовершенствование технологии производства панелей позволило предложить на выбор сразу несколько поколений устройств:

• первое поколение – так называемые однопереходные конструкции с относительно низким КПД до 5% и непродолжительным сроком службы;
• второе поколение – доработанные модели с КПД до 8% и увеличенным сроком эксплуатации, идеальное сочетание качества и стоимости;
• третье поколение – эффективные батареи с КПД до 12%, которые планируется запустить в массовое производство.

Не уступая своим прямым конкурентам – кристаллическим батареям – по уровню мощности, аморфные солнечные батареи значительно опережают их по доступности цене.

Плюсы и минусы аморфных солнечных панелей

В числе основных достоинств конструкций из кремния стоит отметить:

• незначительную потерю мощности в условиях стабильного повышения температуры. В отличие от кристаллических моделей, теряющих до 20% первоначальной мощности, аморфные солнечные батареи сохраняют эффективность на всем протяжении солнечного сезона года;
• возможность эксплуатации в условиях рассеянного освещения, благодаря которому объем вырабатываемой электроэнергии увеличивается на 20%. В свою очередь кристаллические панели в условиях рассеянного освещения практически бесполезны;
• вопрос стоимости. Цена ватта мощности кремниевых батарей ниже, чем этот же показатель у кристаллических моделей. Удешевлению альтернативной энергии дополнительно способствует усовершенствование производственного процесса и применение инновационных технологических решений;
• незначительный процент дефектов в готовом изделии за счет простой конструкции без сложных соединений элементов;
• незначительную потерю мощности в условиях пасмурной погоды, когда кристаллические модели теряют до 25% в условиях недостаточного освещения или загрязнения поверхности.

Единственное, в чем проигрывают аморфные солнечные панели, – это пониженный КПД, в 2 раза отличающийся от уровня КПД кристаллических батарей. Однако этот недостаток полностью компенсируется перечисленными преимуществами.

Рекомендации по применению солнечных батарей из аморфного кремния

Благодаря преимуществам устройства можно без ограничений эксплуатировать:

• при повышенной облачности;
• жаркой погоде с повышением температуры воздуха до 55°С и выше;
• минимальных ограничениях по весу и размеру источника энергии;
• необходимости встроить батарею в стену или оконные проемы, установить непосредственно на фасад здания.

Использование в качестве основы под кремниевые пластины гибких материалов с хорошей светопропускной способностью позволяет использовать батареи в пошиве дизайнерских моделей одежды и аксессуаров. Кроме того, им находят полезное применение в бытовых условиях, для которых актуально получение недорогой электроэнергии. Возможно, дальнейшее совершенствование производства дополнительно расширит сферу применения кремниевых батарей и дополнительно снизит их себестоимость.

• Отопление дома – просим помощи у Солнца
• Студенческая разработка повышает эффективность солнечных батарей на 20%
• Возможности солнечной энергии
• Какой контроллер выбрать для солнечных батарей

Вам нужно войти, чтобы оставить комментарий.

Источник

Солнечные батареи из аморфного кремния: плюсы и минусы

Помимо классических монокристаллических и поликристаллических панелей, несколько лет назад большой популярностью начали пользоваться солнечные батареи из аморфного кремния. Долгое время они практически не применялись, причиной чему был крайне низкий КПД. Однако с переходом на тонкопленочную технологию изготовления производительность A-Si значительно выросла. Сегодня их широкое использование базируется на удачном соединении низкой себестоимости.

Панели из кристаллического и аморфного кремния – главные отличия

Несмотря на использовании во всех трех типах батарей одинакового полупроводникового материала – кремния – Moni-Si, Poli-Si и A-Si имеют одно важное конструктивное отличие. Заключается оно в форме поглощающей фотоны поверхности.

1. Moni-Si. В монокристаллических ячейках игольчатые поверхности кристаллов расположены под одним углом. По этой причине при строго вертикальном падении лучей уровень генерации таких ячеек максимален, но при малейшем отклонении угла от 90° эффективность резко падает.
2. Poli-Si. Из-за иной технологии выращивания кристаллов их поглощающие грани размещены разнонаправлено. Это несколько снижает коэффициент поглощения солнечной энергии при прямом падении лучей, но повышает при угловом.
3. A-Si. Солнечные батареи из аморфного кремния обладают «рыхлой» поверхностью, под электронным микроскопом напоминающей пену. Главное ее преимущество – практически неизменный показатель поглощения, независимо от углов наклона к солнцу и азимута на него. В ясную погоду это качество является негативным. Но в регионах с преобладанием пасмурных дней среднегодовая производительность A-Si имеет хорошие показатели. Несмотря на достаточно низкий (в сравнении с поли- и монокристаллом) номинальный КПД.

Более эффективен последний тип батарей и в условиях постоянной загазованности окружающей среды, а также в местностях с частыми пылевыми бурями.

Краткая история совершенствования панелей из аморфного кремния

В качестве полупроводника этот материал впервые привлек внимание ученых только в 1980-х. Такое внимание он заслужил рядом уникальных свойств, главными из которых была простота производства и возможность создавать токопроводящие поверхности любого размера.

Поначалу аморфный кремний использовался исключительно в электронном оборудовании, и только к концу 20 века были изготовлены первые фотоэлектрические элементы на его основе. За последующие 20 лет было создано три поколения солнечных батарей A-Si, каждое из которых существенно превосходило предыдущее.

• Первое поколение – однопереходные ячейки. Плюс – дешевое производство. Минус – срок службы около 10 лет и КПД менее 5%.
• Второе поколение – усовершенствованная модификация ранних моделей. Плюс – увеличение срока службы до 20 лет. Минус – все еще низкая эффективность порядка 8%.
• Третье поколение – принципиально новая технология. Аморфный кремний стал наноситься на подложки путем испарения с последующей конденсацией. Плюс – новые панели стали гибкими и долговечными. Минус – КПД пока так и не достиг уровня кристаллической фотовольтаики, хотя и поднялся до 14-16%.

Тем не менее, даже при такой эффективности батареи A-Si начали конкурировать с монокристаллическими и поликристаллическими аналогами. Характерен один из экспериментов, проведенный Институтом Высоких Температур (ИВТАН) в Москве. На одном из зданий было установлено два типа панелей – монокристаллических и аморфных. В условиях мегаполиса, расположенного в умеренно высоких широтах, оба типа батарей сгенерировали за год:

• A-Si – 726 кВт*ч / 1кВт;
• Moni-Si – 689 кВт*ч / 1кВт.

При этом номинальный КПД первых составлял всего 14,8%, а вторых – 22,9%.

Отдельно стоит выделить гибридную технологию гетероструктурных батарей, когда солнечные элементы формируются и на основе аморфного кремния, и кристаллического кремния. Такой подход позволяет повысить генерацию при экстремально высоких и низких температурах, а также в условиях низкой освещенности (в сравнении с моно/поли), а в обычных условиях — генерировать больше, чем чистый аморфный кремний. Такую технологию производства солнечных батарей использует, в том числе, и отечественная компания Хевел.

Достоинства и недостатки аморфного кремния – краткие итоги

Среди основных преимуществ таких солнечных батарей можно выделить следующие:

1. Минимальный температурный коэффициент. Высокие температуры практически не оказывают влияния на эффективность панелей A-Si. Если у монокристаллов нагревание рабочей поверхности выше 25°C приводит к падению КПД на 0,5% каждый градус, то у тонких аморфных пленок этого не наблюдается.
2. Высокий уровень генерации при слабом освещении. В условиях облачности, рассеивания света пылью или газами и при низко стоящем солнце A-Si на 15-20% производительнее, чем, соответственно, Poli-Si и Moni-Si. Они продолжают генерировать энергию даже при сильном дожде, когда выработка моно- и поликристаллов падает практически до нуля.
3. Незаметность. Особенности строения, малая толщина и отсутствие кристаллической решетки делают солнечные панели из аморфного кремния похожими на полупрозрачную полимерную пленку. Похожими свойствами обладают и перспективные модели других типов тонкопленочных батарей, но последние гораздо менее эффективны.
4. Отсутствие брака. Процедура изготовления A-Si не требует использования пайки – наиболее «слабого места» традиционных типов фотовольтаики. Несмотря на дешевизну, высокую скорость и простоту производства, бракованные аморфные пленки практически не встречаются.
5. Слабая реакция на частичное затенение. Еще одна огромная проблема традиционных СЭС, никак не затрагивающая аморфный кремний. Падение тени на любую часть панели A-Si незначительно влияет на ее работоспособность.

Единственным недостатком этой разновидности батарей является пока еще недостаточная удельная мощность. Но вероятность ее выхода на КПД солнечной батареи около 20% уже в следующем поколении очень высока.

Области применения

Сферы использования панелей из аморфного кремния диктуется их главными достоинствами. Наиболее часто пленки A-Si рекомендуются к применению в следующих случаях:

• значительной загазованности и/или запыленности воздуха;
• преобладания неблагоприятных погодных условий, прежде всего частой облачности и осадков;
• высоких среднегодовых температур окружающей среды;
• сложности или инженерная нецелесообразность установки панелей в оптимальное положение относительно солнца;
• при стремлении использовать полупроводниковые элементы в качестве полупрозрачных стекол или пленки – довольно частое дизайнерское решение в современном мире.

Как основной источник энергии батареи из аморфного кремния пока малоэффективны. Однако в качестве альтернативного ее поставщика – особенно в паре с аккумуляторами – их применение встречается все чаще.

Источник

Достоинства, недостатки и перспектива аморфных солнечных батарей

Технологии, позволяющие изготавливать аморфные солнечные батареи, постоянно совершенствуются. Это может в ближайшем будущем рынок переориентировать в их направлении.

Описание

В данное время они представлены уже третьим поколением. Достоинством второго считают низкую стоимость при идентичной с модулями кристаллическими мощности. Поэтому именно они получили широкое распространение. Кремния для их получения необходимо меньше в 10 раз.

Модели, относящиеся к третьему поколению, характеризуется увеличенным периодом эксплуатации и КПД, доведенным до 12%.

Важно: фотоэлектрические модули тонкопленочные модули считаются главным кандидатом для массового производства, возможным уже в недалеком будущем, несмотря на недостатки и то, что сегодня лидерство удерживают кристаллические аналоги (80% рынка).

Поколения аморфных панелей

Очень скоро стремительное развитие пленочных аморфных модулей может изменить сложившуюся ситуацию на рынке.

Сегодня их представляют три поколения:

• к первому принадлежат однопереходные, минусом которых был короткий срок эксплуатации: после 10 лет работы они приходили в негодность. Помимо этого их КПД был чрезвычайно низким – 5%;
• они же, но с вдвое большим КПД (8%) и более продолжительным сроком действия;
• устройства третьего поколения могут вполне конкурировать с аналогами, поскольку имеют достаточно высокий КПД – порядка 12%. Они прослужат намного дольше предшественников.

Кроме них имеются варианты комбинированные, которые образуют как элементы кристаллические, так и аморфные. Однако их стоимость высока, поэтому широкого применения они не получили.

Второе поколение панелей аморфных

Как говорилось уже, они сегодня наиболее распространены. Объясняется это их невысокой стоимостью, объясняемой небольшим количеством используемого кремния, в сравнении с поли- и монокристаллическими батареями, и неплохими параметрами мощности.

Преимущества

Перед аналогами кристаллическими у тонкопленочных аморфных панелей немало преимуществ:

• лучшая производительность при высоких температурах эксплуатации. Благодаря меньшей зависимости от нагрева, они более эффективны, чем кристаллические в теплое время. Понятно, что мощность при нагреве они теряют, но не столь сильно, как привычные солнечные панели, у которых она может сокращаться на 20%.

Способны они вырабатывать электроэнергию при недостаточной освещенности, поэтому более эффективны, в сравнении с кристаллическими аналогами, в дождливую погоду, в сумерки и снегопады.

Аморфные системы продолжают вырабатывать электричество в то время, когда ее генерировать прекращают классические кристаллические конструкции. Они вырабатываю его больше на 20%, чем аналоги.

• допускают скрытую установку;
• стоят меньше, поскольку невысоки затраты на производство. Выгодная стоимость каждого Ватта также объясняется вливанием значительных инвестиций, что позволяет наращивать их выпуск и снижать цену;
• высокая гибкость и малая толщина делают проще монтаж, ремонт и обслуживание;
• менее зависимы от затенения и попадание грязи на лицевую поверхность, в то время как производительность кремниевых от этого снижается на 25%;
• Минимум дефектов. Процесс создания рассматриваемых модулей очень простой. Благодаря отсутствию необходимости в пайке для соединения модулей между собой (они формируются сразу в единую конструкцию), в готовых изделиях меньше дефектов.

Недостатки, как видно, с лихвой перекрываются достоинствами панелей.

Недостатки модулей аморфных

Главной негативной особенностью аморфных кремниевых солнечных батарей считают невысокий КПД, который вдвое меньше, чем у аналогов кремниевых (в условиях близких к идеальным).

Кроме того, у них есть и другие минусы:

• значительно большие, чем у аналогов, размеры;
• защищенные с двух сторон стеклом, они приобретают значительную итоговую массу. Недостаток, к слову, постепенно нивелируется благодаря развитию технологий.

У кремниевых панелей недостатков не меньше.

Недостатки кремниевых устройств

Материал этот очень дорого стоит, поскольку для нужной степени очистки ему необходимо пройти несколько стадий очистки. При его резке большое количество превращается в отходы – стружку.

К тому же, энергия не вся превращается в электрическую под воздействием света: она частично обратно отражается от поверхности, другая ее часть, не поглощаясь и не преобразуясь, проходит «наружу».

Рекомендуем:

• Работа солнечных батарей ночью и в пасмурную погоду
• Монокристаллические солнечные панели: сравнение с аналогами, достоинства, цена — ТОП-6
• Тонкопленочные солнечные батареи: достоинства и недостатки, цена, характеристики

Кроме этого, она способна приводить к тепловым колебаниям в кристаллической решетке и тратиться на процесс рекомбинации, т.е. уничтожения электронов с «дырками», что сопровождается выделением тепла.

Все это негативно отражается на КПД ФЭП, снижает его до 15% (в редких случаях до 22%).

Область использования

Рекомендуется использовать эту разновидность солнечных модулей при:

• высокой облачности;
• жаркой погоде, когда разогреваются модули до 60 градусов;
• отсутствие ограничений по площади конструкции и ее весу;
• при необходимости интегрирования непосредственно в постройку.

Кроме этого, аморфные солнечные батареи можно устанавливать в проемы оконные (вместо стекол) и монтировать на фасады зданий, что открывает неограниченные возможности для дизайнеров. Но, элементы должны отличаться определенной степенью прозрачности (для стекол он составляет 5-20%, без потери процентной выработки электричества).

Дополнительное использование

Отличная гибкость открывает возможности использования их в легкой промышленности. Их применяют в качестве вспомогательного материала при эксклюзивном пошиве сумочек и предметов одежды.

Деградация

Она соответствует уровню этого показателя у панелей кристаллических, и снижается менее чем на 10% на протяжении 10 лет эксплуатации, на 20% — после 25 летней «службы».

Особенности конструкции

Для подложки этой разновидности солнечных панелей применяют:

• стекло особой очистки;
• специальных марок керамика;
• кристаллы сапфиров искусственных и иные гибкие материалы, способные пропускать лучи солнца.

Изготовление

Для изготовления полупроводникового преобразователя подходит только тщательно очищенный кремний. Форма его имеет, как правило, вид цилиндра с диаметром всего в десятки миллиметров.

Его режут на тончайшие диски, составляющие микроны по толщине, которые затем легируют, нанося на поверхность примеси металлические и иные.

В кремниевой пластине образуются области, насыщенные по-разному «дырками» и электронами. Другими словами, имеющие «дырочную» p-проводимость и n-проводимость электронную.

Под «дырками» понимают металл, из которого примесями частично удалены электроны, т.е. это «положительная» зона, или p-проводимость.

Комбинируя составом, очередность нанесенных слоев и их толщиной, получают гетеро — или p-n-переходы, т.е. у пластин появляется способность выдавать электричество при облучении светом.

По этому принципу созданы были первые ФЭТ – преобразователи фотоэлектрические, КПД которых достигали почти 30% при нормальных условиях и порядка 22% — при высокой температуре.

Изготовление ФЭП аморфных

Сырьем для главного слоя служит силан-крмнийводород (SiH4). После обработки кремния водородом, получают гидрогенизированный кремний.

В закрытой камере на силан воздействуют, перед нанесением на аморфный кремний, тлеющим электрическим разрядом. Испаряясь, кремневые пары осаждаются на подложку. Слой получается микронной толщины.

Поскольку производство безотходное, стоимость готовой продукции низкая. Модули изготавливать можно площадью в несколько метров квадратных.

Гидрогенизаций добиваются полупроводниковых свойств у тончайших пленок.

Купить

Недорого аморфные солнечные батареи купить можно в интернет-магазинах:

Видео: О технологии получения аморфного кремния

Автор и редактор обзоров по гаджетам и новой техники. Ведет работы по написанию свежих рейтингов к публикациям, проверки достоверности и актуальности информации уже опубликованных статей. Отвечает на вопросы в комментариях, пишет на авто темы.

Источник