Состав солнечных батарей кремний

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

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

Устройство солнечной батареи. Виды солнечных панелей

Состав и устройство солнечной батареи, ее элементов определяют эффективность выработки энергии готовым изделием. В настоящее время, для генерации электрической энергии используются солнечные панели на основе кремния (с-Si, mc-Si & кремниевые тонкопленочные батареи), теллурида кадмия CdTe, соединения медь-индий (галлий)-селен Cu(InGa)Se2, а также концентраторные батареи на основе арсенида галлия (GaAs). Ниже будут даны краткие описания каждой из них.

Солнечные батареи основе кремния

Солнечные батареи (СБ) на основе кремния составляют на сегодняшний день порядка 85% всех выпускаемых солнечных панелей. Исторически это обусловлено тем, что при производстве СБ на основе кремния использовался обширный технологический задел и инфраструктура микроэлектронной промышленности, основной «рабочей лошадкой» которой также является кремний. В результате, многие ключевые технологии микроэлектронной промышленности такие как выращивания кремния, нанесения покрытий, легирования, удалось адаптировать для производства кремниевых батарей с минимальными изменениями и инвестициями. Кроме того, кремний – один из самых распространенных элементов земной коры и составляет по разным данным 27-29% по массе. Таким образом, нет никаких физических ограничений для производства значительной доли электроэнергии Земли с имеющимися запасами Si.

Различают два основных типа кремниевых СБ – на основе монокристаллического кремния (crystalline-Si, c-Si) и на основе мультикристаллического (multicrystalline-Si, mc-Si) или поликристаллического. В первом случае используется высококачественный (и, соответственно, более дорогой) кремний выращенный по методу Чохральского, который является стандартным методом для получения кремниевых пластин-заготовок для производства микропроцессоров и микросхем. Эффективность СБ изготовленных из монокристаллического кремния составляет обычно 19-22%. Не так давно, фирма Panasonic заявила о начале промышленного выпуска СБ с эффективностью 24,5% (что вплотную приближается к максимально возможному теоретически значению

Во втором случае для производства СБ используется более дешевый кремний произведенный по методу направленной кристаллизации в тигле (block-cast), специально разработанного для производства СБ. Получаемые в результате кремниевые пластины состоят из множества мелких разнонаправленных кристаллитов (типичные размеры 1-10мм) разделенных границами зерен. Подобные неидеальности кристаллической структуры (дефекты) приводят к снижению эффективности – типичные значения эффективности СБ из mc-Si составляют 14-18%. Снижение эффективности данных СБ компенсируется их меньшей ценой, так что цена за один ватт произведенной электроэнергии оказывается примерно одинаковой для солнечных панелей как на основе c-Siтак и mc-Si.

Тонкопленочные солнечные панели

Возникает вопрос – зачем разрабатывать другие типы модулей, если солнечные панели на основе моно- и мультикристаллического кремния уже созданы и показывают неплохие результаты? Очевидный ответ — чтобы добиться еще большего снижения стоимости и улучшения технологичности и эффективности, по сравнению с обычными c-Si и mc-Siсолнечными батареями.

Дело в том, что обычные кремниевые фотоэлектрические модули наряду с преимуществами, перечисленными выше, обладают и рядом недостатков. Кемний из-за своих особых электрофизических свойств (непрямозонный полупроводник) обладает довольно низким коэффициентом поглощения, особенно в области инфракрасных длин волн. Таким образом, толщина кремниевой пластины для эффективного поглощения солнечного излучения должна составлять довольно внушительные 100-300 мкм. Более толстые пластины означают больший расход материала, что ведет к удорожанию СБ.

В то же время, прямозонные полупроводники на вроде GaAs, CdTe, Cu(InGa)Se2, и даже некоторые модифицированные формы Si, способны поглощать требуемое количество солнечной энергии при толщине всего в несколько микрон. Открывается заманчивая перспектива сэкономить на расходных материалах, а также на электроэнергии, которой требуется значительно меньше для изготовления более тонкого слоя полупроводника. Еще одной положительной чертой СБ на основе вышеназванных полупроводников – в отличие от СБ на основе c-Si и mc-Si– является их способность не снижать эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую даже в условиях рассеянного излучения (облачный день или в тени).

Исследования СБ на основе теллурида кадмия (CdTe) начались еще в 1970х годах ввиду их потенциального использования в качестве перспективных для космических аппаратов. А первое широкое применение «на земле» подобные СБ нашли в качестве элементов питания карманных микрокалькуляторов.

Данные элементы представляют собой гетероструктуру из тонких слоев p-CdTe / n-CdS (суммарная толщина 2-8 мкм) напыленных на стеклянную подложку (основу). Эффективность современных фотоэлектрических элементов данного типа равняется 15-17%. Основным (и фактически единственным) производителем СБ на основе теллурида кадмия является американская фирма FirstSolar, которая занимает 4-5% всего рынка.

К сожалению, есть проблемы с обоими элементами входящими в состав соединения CdTe. Кадмий – это экологически вредный тяжелый метал, который требует особых методов обращения и ставит сложный вопросутилизации старых изделий. В виду этого, законодательство многих стран ограничивает свободную продажу гражданам СБ этого типа (строятся только масштабных солнечных электростанций под гарантии утилизации от фирмы производителя). Второй элемент – теллур, довольно редко встречается в земной коре. Уже в настоящее время более половины всего добываемого теллура идет на изготовление солнечных панелей, а перспективы нарастить добычу – довольно призрачны.

Солнечные батареи на основе соединения медь-индий (галлий)-селен Cu(InGa)Se2 (иногда обозначаются как CIGS) являются новичками на рынке солнечной энергетики. Несмотря на то, что начало исследований элементов этого типа было положено еще в середине 70х, в настоящее время коммерческий выпуск в боле-менее солидных масштабах ведет всего лишь фирма SolarFrontierKKиз Японии. Отчасти это связано с технически сложным и дорогим процессом изготовления, хотя в некоторых (удачных!) случаях их эффективность может достигать 20%.

Несмотря на отсутствие экологически вредных элементов в составе этого соединения, значительному расширению производства данных солнечных модулей в будущем угрожает дефицит индия. Ведутся исследования с целью заменить дорогой In на более дешевые элементы и может быть скоро появятся новые изделия на основе соединения Cu2ZnSn(S,Se)4.

Фотоэлектрические модули на основе аморфного кремния a-Si:H. Тонкопленочные солнечные батареи могут быть построены также и на основе хорошо известного кремния, если удастся каким-либо образом улучшить его способности к поглощению солнечного света. Применяются две основные методики:

— увеличить путь прохождения фотонов посредством многократного внутреннего переотражения;

— использовать аморфный кремний (a-Si), обладающий гораздо большим коэффициентом поглощения чем обычный кристаллический кремний (с-Si).

По первому пути пошла австралийская фирма CSGSolarLtd, разработавшая СБ с эффективностью 10-13% при толщине слоя кремния всего 1,5 мкм. По второму – швейцарская OerlikonSolar (которую сейчас перекупили японцы), создавшая комбинированные солнечные панели на основе слоев аморфного и кристаллического кремния a-Si / с-Si эффективность которых также составляет 11-13%. Своеобразной особенностью СБ из аморфного кремния является снижение эффективности их работы при понижении температуры окружающего воздуха (у всех остальных — наоборот). Так, фирма производитель рекомендует устанавливать данные модули в странах с жарким климатом.

Концентраторные солнечные модули

Наиболее совершенные и самые дорогие на сегодняшний день солнечные модули обладают эффективностью фотоэлектрического преобразования до 44%. Они представляют собой многослойные структуры из разных полупроводников последовательно выращенных друг на друге слой за слоем. Наиболее успешной является структура состоящая из трех слоев: Ge (нижний полупроводник и подложка), GaAsи GaInP. Благодаря тому, что в подобной комбинации каждый отдельный полупроводниковый слой поглощает наиболее эффективно свой определенный диапазон солнечного спектра (определяемый шириной запрещенной зоны полупроводника), достигается наиболее полное поглощение солнечного света во всем диапазоне длин волн, недостижимое для СБ состоящих из одного типа полупроводника. К сожалению, процесс изготовления подобных многослойных полупроводниковых слоев очень сложен технически и, как следствие, весьма дорог.

Если солнечные батареи стоят очень дорого, фокусировка солнечного излучения на меньшей площади СБ может применяться как эффективный способ снижения финансовых затрат. Например, собрав при помощи линзы солнечный свет с 10 см2 и сфокусировав его на 1 см2 солнечной батареи, можно получить тоже количество электроэнергии, что и от элемента площадью 10 см2 без концентратора, но экономя при этом целых 90% площади! Но при этом, набор подобных ячеек (солнечная батарея + линза) должен быть смонтирован на подвижной механической системе, которая будет ориентировать оптику в направлении солнца в то время как оно движется по небу в течении дня, что увеличивает стоимость системы.

В настоящее время экономически оправдано использовать подобные дорогие концентраторные солнечные модули только в тех странах и регионах земного шара, где круглый год имеется в достатке прямое солнечное излучение (рассеянное излучение не может быть сфокусировано линзой). Так, французская фирма-производитель концентраторных СБ SOITEC устанавливает свои СБ в Калифорнии, ЮАР, на юге Франции (Прованс), в Испании.

Органические солнечные батареи и модули фотосенсибилизованные красителем

Но есть и новый тип тонкопленочных солнечных батарей, такой как сенсибилизированные красителем солнечные элементы, которые работают на совершенно ином принципе, чем все модули рассмотренные выше, на принципе больше напоминающем фотосинтез у растений. Но их пока нет в коммерческой продаже.

Источник