Солнечные элементы

Солнечные элементы. Виды и работа. Применение и особенности

Фотогальванические полупроводниковые фотоэлементы преобразуют энергию электромагнитного излучения в электрическую. По принципу действия они являются фотодиодами, не требующими приложения внешнего напряжения, и создающими электродвижущую силу самостоятельно.

Первые такие элементы были разработаны в 1926 году, в качестве полупроводникового материала использовалась закись меди. Далее были разработаны селеновые фотоэлементы. В 1958 году в США и СССР были запущены спутники с использованием солнечных батарей.

В настоящее время используются в основном кремниевые фотоэлементы, преобразующие энергию солнечных лучей, и называются подобные ячейки обычно солнечными элементами. Полупроводниковый кремний широко распространен на земле в виде диоксида кремния (обычного песка, или кремнезема).

Путем последовательного и параллельного соединения элементов создаются солнечные батареи мощностью до нескольких киловатт.

Виды солнечных элементов

Кремниевые солнечные элементы выпускаются 4 видов:

• поликристаллические;
• монокристаллические;
• тонкопленочные;
• гибридные.

Все эти виды солнечных элементов производятся по разным технологиям.

Производство солнечных элементов

Для производства поликристаллических элементов прежде всего, путем медленного охлаждения расплава кремния, выращиваются призматические заготовки квадратного сечения, разрезаемые далее на тонкие квадратные пластинки. Поверхность ячеек темного (черного) оттенка с неоднородной структурой.

Неоднородность вызывается тем, что заготовка не представляет собой единого кристалла, а состоит из большого количества кристалликов случайной ориентации.

Выращивание поликристаллов требует меньших затрат, чем производство монокристаллов, что удешевляет поликристаллические солнечные элементы в сравнении с другими типами.

Монокристаллические солнечные элементы производятся из монокристаллов кремния высокой чистоты с не более чем 0,01% примесей, и они отличаются более высокой стоимостью и эксплуатационными характеристиками, чем поликристаллические элементы.

Монокристаллы кремния выращиваются при температуре 1300 °С в виде призмы с поперечным сечением в виде многоугольника, соответственно ячейки этого типа имеют форму квадрата со скошенными углами, либо многоугольника. Монокристалличность заготовки определяет однородный характер поверхности элементов. Самый верхний слой ячейки выполнен из антиотражающего материала, придающего элементу яркий синий цвет.

Тонкопленочные солнечные элементы называют также «гибкими панелями». Производятся подобные ячейки напылением в вакууме при температуре 300 °С полупроводникового аморфного кремния на тонкую гибкую подложку из стекла, пластика или металла. Кристаллы кремния при этом осаждаются на подложке неравномерно и направлены своими осями в разные стороны случайным образом.

Как альтернатива, взамен кремния напыляются теллурид кадмия или селенид меди-индия. Слой полупроводникового материала покрывается сверху защитной пленкой. Технологии производства подобных элементов непрерывно совершенствуются. Тонкопленочные солнечные элементы отличаются минимальной толщиной (около 1 мкм) и малыми затратами на изготовление.

При производстве гибридных солнечных элементов над кристаллическим полупроводниковым материалом располагается тонкий слой аморфного полупроводника.

Принцип действия солнечных элементов

В основе работы фотоэлементов лежит давно открытое явление фотоэффекта – испускания веществом электронов под действием света или любого другого электромагнитного изучения.

Солнечный элемент представляет собой p-n переход, это по сути два соприкасающихся полупроводника разной проводимости с разделяющим слоем между ними. В p-полупроводнике электронов недостаток, а в n-полупроводнике напротив, избыток.

В сторону источника излучения направлен n-полупроводник (внешний электрод), он располагается на подложке поверх p-полупроводника (внутреннего электрода). При попадании на элемент солнечных лучей электроны n-полупроводника выбиваются с атомных орбит и переходят в лежащий ниже p-полупроводник.

Образуется направленный поток электронов, который можно замкнуть на внешнюю нагрузку с протеканием в ней непрерывного электрического тока.

Такой элемент является некоторым аналогом батареи с катодом (отводом от n-полупроводника) и анодом (отводом от p-полупроводника). Отрицательным полюсом этой «батареи» является внешний электрод (сетка поверх n-полупроводника), а положительным – внутренний (подложка с нанесенным p-полупроводником).

Солнечные элементы как источники питания

Освещенный светом солнечный элемент создает на своих выводах некоторую электродвижущую силу (ЭДС), значение которой зависит от интенсивности падающего на ячейку света.

С увеличением освещенности ЭДС возрастает, но лишь до определенного предела (для кремниевых элементов до 0,6 В), т.е. зависимость ЭДС от освещенности нелинейная.

От размеров элементов ЭДС не зависит, но она снижается примерно на 2 мВ при нагреве элемента на 1 С.

Для получения более высокой ЭДС устройства соединяют последовательно. Отдаваемый элементом ток зависит от вида элемента и падающего светового потока, в свою очередь определяемого освещенностью и площадью ячейки. Элемент с коэффициентом полезного действия (КПД) 17% размером 156 х 156 мм выдает при коротком замыкании ток 9 А.

Максимальную мощность элемент выдает при просадке напряжения под нагрузкой до 0,47-0,5 В, такой режим работы элемента наиболее оптимален.

Поскольку площадь ячейки ограничивается технологией изготовления (ячейка – поперечный срез кристалла ограниченных размеров), для повышения отдаваемой мощности отдельные элементы соединяют также и параллельно.

При подключении к элементу или батарее нагрузки напряжение падает, а поскольку оно зависит и от высоты солнца, состояния неба и атмосферы (в пасмурную погоду мощность световых панелей падает в 15-20 раз), солнечные электростанции снабжаются автоматическими регуляторами и буферными аккумуляторами, сглаживающими пики потребления электроэнергии и изменения интенсивности падающего светового потока.

Особенности солнечных элементов разных видов

Солнечным элементам свойственны как общие свойства, так и отличные в зависимости от их вида и технологии изготовления.

Поликристаллические элементы

Поскольку в элементах этого типа кристаллики кремния ориентированы случайно, их эффективность снижается при прямом падении солнечного света, но, в порядке некоторой компенсации, снижается незначительно при наклонном падении света. Их характеристики незначительно зависят от угловой высоты солнца и его положения на небосводе. КПД таких элементов невысок и составляет 17-20%.

Монокристаллические элементы

КПД монокристаллических элементов выше КПД поликристаллических элементов и доходит до 25%, и даже до 44% в элементах, предназначенных для космической отрасли. Эти элементы более критичны к углу падения солнечных лучей, и их целесообразно ориентировать на Солнце с изменением положения в течение дня. Хорошо работают они и при высокой облачности, а также при отрицательных температурах.

Аморфные элементы

КПД элементов из кремния низок (около 7-10%), для элементов из современных материалов он достигает 15-20%. К достоинствам этих элементов относится возможность монтажа их на изогнутых конструкциях, они хорошо работают при рассеянном освещении.

К недостатку можно отнести большие размеры – вследствие низкого КПД они требуют при равенстве мощности вдвое большей установочной площади в сравнении с кристаллическими элементами.

Также со временем слой аморфного кремния постепенно деградирует, и батарея теряет эффективность, примерно на 20% мощности за первые 2 года эксплуатации.

Гибридные элементы

Поскольку кристаллический кремний и аморфный кремний наиболее эффективно работают каждый в своей области солнечного спектра, при освещении солнечным светом смешанного состава общий КПД солнечного элемента повышается.

Применение солнечных элементов

Поскольку ЭДС одного элемента составляет 0,6 В, для получения достаточного напряжения их соединяют последовательно. Батарея из соединенных последовательно 36 элементов будет обладать ЭДС 0,6 х 36 = 21,6 В, а при оптимальной нагрузке будет выдавать напряжение порядка 17-18 В.

Чтобы заряжать таким напряжением аккумулятор с номинальным напряжением 12 В, необходим контроллер заряда, избавляющий аккумулятор от перезаряда, а батарею от перегрузки.

Подобный контроллер позволяет путем автоматического снижения напряжения увеличивать снимаемый ток, а тем самым постоянно поддерживать элементы в режиме съема максимальной в данных условиях мощности.

Изначально предполагалось, что устройства будут применяться в основном в космической промышленности и в военных целях.

Солнечные батареи – основные источники питания на космических аппаратах, особо эффективны такие устройства при полетах от Земли в сторону Солнца, где мощность батарей значительно возрастает.

Очень выгодно использование солнечных элементов для питания автоматических метеостанций.

В тропических и субтропических регионах с большим количеством часов солнечного сияния в году солнечные батареи позволяют решить проблемы энергоснабжения жилых домов и дач, при этом батареи размещают на крышах.

В городах батареи на солнечных элементах используются для подзарядки автомобилей, а также для уличного освещения (накопленная в светлое время суток энергия расходуется в темное).

Сфера применения солнечных элементов и батарей непрерывно расширяется по мере их удешевления и совершенствования характеристик.

Похожие темы:

Источник: https://electrosam.ru/glavnaja/jelektrooborudovanie/jelektropitanie/solnechnye-elementy/

Солнечные элементы: фотоэлементы для солнечных батарей

Солнечные элементы – это части батарей, которые генерируют электрический ток.

Появились они сравнительно недавно, в XIX веке, и только сейчас их начали использовать в качестве недорогого, но эффективного способа добычи энергоресурсов. Принцип работы солнечных батарей довольно прост.

Ими можно оснастить жилое или нежилое помещения. Существуют различные виды данных элементов питания. Разберем их более подробно.

Элементы солнечных батарей

Зачастую энергия солнечной панели используется для дома и его нужд. Вырабатываемого электрического тока достаточно для двухэлементной бойлерной системы, холодильника, телевизора и прочих бытовых приборов.

Солнечные лучи – это экологически чистое «топливо». Ведь в процессе работы модуль солнечной батареи не выделяет обилие вредных выхлопов, углекислый газ и не расходует невосполнимые природные ископаемые.

Стоит понимать, что солнечные батареи складываются из множества модулей. И то, что мы видим на крыше зданий или на стенах, является только частью системы.

Из чего состоит солнечная система электроснабжения:

1. Солнечные ячейки, складывающиеся в панели. Это те видимые нам батареи, которые крепятся на крышу или стены.
2. Аккумулятор. Данный элемент в системе необходим для накапливания лишней энергии, например, в ясный день. В пасмурную погоду, когда батареи работают не на полную мощность, ток на бытовые нужды берется из АКБ.
3. Контроллер регулирует заряд аккумулятора, подсказывает владельцу системы, что заряда недостаточно или слишком много. Излишнее напряжение губительно для аккумулятора.
4. Преобразователь постоянного тока в переменный (инвертор) необходим для работоспособности бытовых приборов. Ведь не все из них способны работать на постоянном потоке заряженных частиц.

Подключая солнечные модули, необходимо уже изначально определиться с местом их расположения, видом, количеством бытовой техники, необходимостью контролера АБК.

Стоит понимать, что такая системы является наборной, и вы с легкостью можете установить еще не один солнечный модуль.

Принцип работы солнечных батарей

Человечество научилось получать энергию из ископаемых, потоков воды и порывов ветра, дошли и до применения световых лучей. Существуют даже солнечные модули, которые поглощают невидимый инфракрасный спектр и работают ночью. Всепогодные батареи эффективны в пасмурную погоду, туман, дождь.

Принцип работы любой батареи – преобразование лучей солнца в электрический импульс.

Зачастую солнечные модули работают на кристаллах кремния, и этому есть объяснение. Данный металл чувствителен к воздействию лучей, он недорог в добыче, а КПД батарей составляет 17-25%. Кристалл кремния при попадании на него солнечных лучей образует направленное движение электронов. При средней площади батареи 1-1,5 м² можно достичь на выходе напряжение в 250 Вт.

В настоящее время применяется не только кремний, но и соединения селена, меди, иридия и полимеров. Но широкого распространения они не получили, даже несмотря на КПД в 30-50%. Все потому, что они очень дороги. Для электрификации обычного дачного или загородного дома отлично подойдет кремниевая фотоэлектрическая панель.

Виды солнечных батарей

Такие аккумуляторы постоянно видоизменяются. Эта область модифицируется и подвергается инновационным решениям.

Именно поэтому существует много видов солнечных панелей.

Монокристаллические

Данные батареи обладают хорошим КПД. Каждая ячейка являет собой отдельный кристалл кремния. Поверхность батареи слегка выпуклая, насыщенного синего цвета. Фотоэлектрические панели этого типа имеют самую высокую цену, которая обуславливается сложностью технологии. Ведь все кристаллы развернуты в одном направлении.

Необходимо будет дополнительное оборудование, которое будет разворачивать комплекс панелей в зависимости от положения Солнца на горизонте. Из-за необходимости прямых лучей такие элементы устанавливают на хорошо освещенных участках или возвышенностях.

Средний срок эксплуатации – 25 лет.

Поликристаллические (multi-Si)

Солнечные модули данного вида обладают неравномерно насыщенным синим цветом из-за разной направленности кристаллов кремния. Они дешевле монокристаллических аналогов, обладают хорошим КПД, их не нужно разворачивать к солнцу. В пасмурную погоду или облачность они показывают лучшие результаты, нежели вышеописанный вид.

Средний срок эксплуатации без потери качеств – 15-20 лет.

Аморфные (полимерные солнечные батареи)

В данном случае используются не цельные кристаллы, а гидрид кремния. Его наносят на твердую или гибкую подложку. Преимуществами является низкая стоимость. К тому же, полимерный солнечный элемент можно нанести на любую гибкую подложку. Значит, вы можете по максимуму использовать скат крыши, неровные поверхности.

Фотоэлектрическая структура полимерного кремния позволяет поглощать свет даже рассеянный. Аморфные солнечные батареи выгодно ставить в условиях севера, короткого светового дня, в областях с агрессивными атмосферными условиями.

Существуют и другие, более редкие разновидности.

Органические

Эти солнечные батареи только изучаются. Активные разработки появились в последнем десятилетии, поэтому достоверных данных насчет гарантированного срока эксплуатации у производителей нет. Солнечный элемент использует органическую основу – соединения углерода.

Некоторые виды солнечных панелей данного строения обладают хорошим КПД, они пластичны, экологичны, просты в утилизации и значительно дешевле кремниевых аналогов.

Безкремниевые

Изготовлены на основе редких металлов. Вместо кремния применяются соединения теллура, селена, меди, индия. Данные металлы редкие и дорогие, поэтому стоимость батарей очень высокая. Однако панели этого типа могут работать в широком температурном диапазоне.

Сравнение КПД батарей разного типа

Разновидность панели	Максимальное значение КПД
Монокристаллические	20-25%
Поликристаллические	15-20%
Аморфные	6-7% (в некоторых случаях до 15%)
Органические	12-15%
На основе редких металлов	10-20%, в зависимости от применяемого металла. Некоторые панели могут выдавать до 40%

Как подобрать солнечную панель?

Как видите, типы солнечных батарей различны.

Подбирать устройство необходимо, исходя из многих факторов:

• степени освещенности территории;
• климата;
• площади помещения;
• количества бытовых приборов;
• финансового бюджета;
• площади крыши;
• возможности пользования стационарными электросетями;
• отдаленности от населенного пункта.

Естественно, если вы собираетесь поставить солнечные панели на дачу, где проводите время только летом, стоит побеспокоиться о безопасности вашего имущества.

Если у вас длинный световой день, хорошо освещаемая территория, то отдайте предпочтение моно- и поликристаллическим моделям. В холодных широтах приобретайте поликристаллические или полимерные фотоэлементы.

Виды подключения

Вы уже купили фотоэлементы для солнечных батарей, АКБ и все остальные составляющие. Осталось определиться с типом электроснабжения вашего жилища. Они бывают:

1. Автономные. В данном случае ваш дом питается только от солнечных батарей и никак не связан с общей электрификацией.
2. Смежные. Панели подключаются в общую сеть. Если бытовые приборы потребляют небольшое количество энергии, то стационарная сети не используется, ток берется из аккумулятора. В случае превышения потребностей электричество расходуется и из общей сети. Стоит учитывать, что без сети сами по себе батареи работать не будут.
3. Комбинированные похожи на смежные. Но в данном случае излишек электроэнергии, получаемый панелями, идет не в аккумулятор, а в общую сеть.

Какую систему и панели выбрать, решать только вам. Перед покупкой проконсультируйтесь у нескольких специалистов, ведь такие системы приобретаются не на один год. При правильном подключении они будут радовать вас долгое время.

Источник: https://batteryk.com/solnechnye-elementy

Как работают солнечные элементы и их основные показатели

Структура солнечного элемента из кремния
1. свет (фотоны)   2. лицевой контакт  3. отрицательный слой

4. переходной слой  5. положительный слой  6. задний контакт

Солнечные элементы (СЭ) изготавливаются из материалов, которые напрямую преобразуют солнечный свет в электричество. Большая часть из коммерчески выпускаемых в настоящее время СЭ изготавливается из кремния (химический символ Si). Кремний это полупроводник.

Он широко распространен на земле в виде песка, который является диоксидом кремния (SiO2), также известного под именем «кварцит». Другая область применения кремния — электроника, где кремний используется для производства полупроводниковых приборов и микросхем.

Структура солнечного элемента

Прежде всего , в СЭ имеется задний контакт и 2 слоя кремния разной проводимости. Сверху имеется сетка из металлических контактов и антибликовое просветляющее покрытие, которое дает СЭ характерный синий оттенок.

Различают солнечные элементы с переходом p- и n-типа. Первые дешевле и более распространены в настоящее время.

Вторые немного дороже, но имеют большую эффективность, и применяются в  солнечных элементах нового типа (например, PERC)

Типы солнечных элементов

Монокристаллические, поликристаллические и аморфные солнечные элементы
Типичные размеры солнечных элементов и их электрические параметрыМаксимальный КПД солнечных элементов, полученный в ведущих лабораториях мира

СЭ может быть следующих типов: монокристаллический, поликристаллический и аморфный (тонкопленочный). Различие между этими формами в том, как организованы атомы кремния в кристалле. Различные СЭ имеют разный КПД преобразования энергии света. Моно- и поликристаллические элементы имеют почти одинаковый КПД, который выше, чем у солнечных элементов, изготовленных из аморфного кремния.

В последние годы разработаны новые типы материалов для СЭ. Например, тонкопленочные фотоэлектрические элементы из медь-индий-диселенида и из CdTe (теллурид кадмия). Эти СЭ в последнее время также коммерчески используются.

Технологии их производства постоянно развиваются, за последнее десятилетие КПД тонкопленочных элементов вырос примерно в 2 раза. Одной из последних технологий солнечных модулей из аморфного кремния являются тандемные солнечные модули, которые имеют повышенных КПД.

В нашем ассортименте есть такие модули — Tianwei TF-120

Последние технологии используют гибридные методы. Так появились элементы, которые имеют как кристаллический переход, так и тонкий полупрозрачный аморфный переход, расположенный над кристаллическим.

Так как кристаллы и аморфный кремний наиболее эффективно преобразуют только часть спектра света, и эти спектры немного отличаются, применение таких гибридных элементов позволяет повысить общий КПД солнечного элемента.

В России такие солнечные элементы выпускает завод Хевел по названием «гетероструктурные» элементы и модули.

КПД серийно выпускаемых солнечных элементов, %:
монокристаллические:	15-22
поликристаллические:	12-18
аморфные:	6-12
теллурид кадмия:	8-12

Новая многообещающая технология для кристаллических кремниевых элементов — это PERC. Такие элементы имеют КПД выше примерно на 15-20% по сравнению со стандартными элементами. Подробная информация об этой технологии — по ссылке выше.

На рисунке выше приведен график изменения КПД солнечных элементов за последние десятилетия. Как видим, в лабораториях уже получены результаты, приближающиеся к 45%.

Конечно, до массового коммерческого использования такие технологии дойдут еще не скоро, но работа по удешевлению изготовления солнечных элементов постоянно ведется во всем мире.

Как видно, максимальный КПД получают на многопереходных элементах и концентрированном освещении.

Пиковый ватт

Солнечный элемент производит электричество когда освещается светом.

В зависимости от интенсивности света (измеряемой в Вт/м2), солнечный элемент производит больше или меньше электричества: яркий солнечный свет более предпочтителен, чем тень, и тень более предпочтительна, чем электрический свет.

Для сравнения СЭ и модулей необходимо знать так называемую номинальную мощность элемента или модуля. Номинальная мощность, выращенная в ваттах пиковой мощности Wp, это мера того, сколько электроэнергии может произвести фотоэлектрический модули при оптимальных условиях.

Для определения и сравнения номинальной мощности солнечных панелей, выходная мощность измеряется при стандартных тестовых условиях (СТУ). Эти условия предполагают:
— освещенность 1000 Вт/м2 — солнечный спектр AM 1.5 (он определяет тип и цвет света)

— температура элемента 25 °C (это важно, так как эффективность СЭ падает при повышении его температуры).

Так как в реальных условиях работы такие параметры практически недостижимы, в последнее время все больше производителей указывают параметры модуля в так называемых «нормальных условиях» (NOCT), т.е.

при температуре модуля 40-45 градусов и освещенности 800 Вт/м2.

Тем не менее, NOCT также не отражает реальную мощность модуля, так как во время работы солнечной батареи освещенность может быть даже выше 1000 Вт/м2, а температура существенно ниже 45С.

Большинство панелей с площадью 1 квадратный метр имеют номинальную мощность около 120-150 Втпик
(уточнение: если они сделаны из кристаллических кремниевых элементов).

Ни NOCT, ни тем более STC мощности не позволяют определить, сколько именно энергии будет вырабатывать солнечная панель в реальных условиях.

Для того, чтобы иметь более точное представление о производительности солнечного модуля, в мире делаются попытки ввести новые, дополнительные, показатели эффективности солнечных панелей.

Одним из таких дополнительных параметров является PTC, с помощью которого можно более реально определить, сколько энергии можно ожидать от того или иного модуля. На настоящий момент PTC, наряду с NOCT, являются показателями, по которым можно проводить сравнение различных фотоэлектрических модулей. Подробнее о PTC…

Сравнение тонкопленочных и кристаллических фотоэлектрических модулей

Тонкопленочные солнечные элементы бывают обычно 4 основных типов:

1. из аморфного кремния (a-Si) или тонкопленочного кремния (TF-Si)
2. из теллурида кадмия (Cd-Te)
3. из деселенида галлия-меди-индия copper indium gallium deselenide (CIS or CIGS)
4. из синтетических (dye-sensitized solar cell) материалов с органическими добавками.

Тонкопленочные модули из аморфного кремния. В отличие от кристаллического материала, здесь нет структурированного положения атомов. Поэтому у аморфного кремния хуже полупроводниковые свойства и, следовательно, меньше КПД преобразования света.

Однако для производства элементов необходимо гораздо меньше кремния и он может быть нанесен практически на любую поверхность — стекло, металл или другой материал. КПД элементов из аморфного кремния с одним слоем — около 6%.

Доля модулей из аморфного кремния на рынке незначительна.

CSG (Crystalline Silicon on Glass) выглядят как модули из аморфного кремния, но на самом деле являются кристаллическими.

Специальный технологический процесс позволяет наносить тонкий слой кристаллического кремния (около 2мкм) прямо на стекло (тогда как толщина «обычного» ФЭП составляет 200-300мкм).

Контакты внедряются с использованием лазера и трафаретной печати. Первые фотоэлектрические модули, произведенные по такой технологии, имели КПД около 7%.

CdTe модули (кадмий-теллуровые). Эта специальная тонкопленочная технология имеет большой потенциал для снижения стоимости фотоэлектрических модулей. КПД модулей достигает 18%. Содержание кадмия в модуле меньше, чем в обычной пальчиковой батарейке, и производители обещают принимать на переработку все произведенные ими «отработанные» модули.

CIS модули. Основные ингредиенты CIS модулей — медь, индий, селен, и иногда галлий (тогда элементы обозначаются как CIGS). CIS имеют наибольший КПД в группе тонкопленочных ФЭП (до 16-18% в модуле).

В Южной Корее была разработана принципиально новая технология тонкопленочных модулей, что может значительно способствовать массовому их распространению за счет удешевления и увеличения энергоемкости.

В новых солнечных элементах присутствуют 3 цветных слоя на базе наногранул из диоксида титана. Благодаря количеству слоев новые солнечные элементы могут собирать видимый свет в трех наиболее активных длинах – красной, синей и зеленой.

В результате, солнечный элемент производит электроэнергии почти в 3 раза больше, чем обыкновенные фотоэлектрические панели. 

Еще одним преимуществом таких элементов является их высокая светопропускаемость, поэтому их можно располагать на крышах и окнах жилых домов.

Для создания этих элементов использовался метод хроматографии и совсем не использовался кремний, что делает производство недорогим и не зависящим от исчерпаемых природных ресурсов.

Толщина готовой пленки составляет всего 20 нанометров, она способна производить до 30 миллиампер электричества с каждого квадратного сантиметра. Ее КПД составляет около 17-18%.

Тонкопленочные солнечные модули состоят из примерно 6 слоев. Прозрачное покрытие закрывает антиотражающий слой, затем идут полупроводники P и N типа, затем контактный слой и подложка. Принцип работы тонкопленочных солнечных элементов тот же самый, что и у кристаллических солнечных элементов.

Ниже приведены основные особенности и отличия в применении тонкопленочных и кристаллических фотоэлектрических модулей.

Тонкопленочные модули в общем случае должны быть дешевле кристаллических за счет меньшего расхода кремния и более простой технологии изготовления. Однако на практике разница в цене не очень большая, так как в последние годы цена на кристаллические солнечные модули сильно снизилась. Эффективность обеих технологий быстро растет, а различие в цене уменьшается.

Более того, тонкопленочные модули обычно выполняются с использованием 2 слоев стекла, поэтому они могут быть даже дороже поликристаллических модулей той же мощности.

Двойное стекло также делает тонкопленочные модули тяжелее кристаллических модулей, в которых стекло только с лицевой стороны, а с тыльной — PVC пленка (это не относится к новым double glass кристаллическим солнечным модулям).

Есть другой тип тонкопленочных солнечных модулей, в которых полупроводниковый слой нанесен на гибкую основу. Такие модули — легкие и их можно изгибать. Обычно такие модули используются в переносных системах или на кровлях со сложной формой.

Для конечных потребителей и установщиков важно рассмотреть некоторые важные особенности, которые имеют место при проектировании солнечной электростанции на основе различных типов солнечных элементов. На основе этой информации проектировщик может решить, какую технологию солнечных элементов — тонкопленочную или кристаллическую — лучше использовать в конкретном проекте.

В таблице ниже приведено очень короткое сравнение этих двух технологий. При выборе модулей для конкретного проекта необходимо также учитывать много других моментов.

Разновидности технологии	Монокристаллический кремний (c-Si) Поликристаллический кремний(pc-Si/ mc-Si)String Ribbon	Аморфный кремний (a-Si) Теллурид кадмия (CdTe) Copper Indium Gallium Selenide (CIG/ CIGS)Органические фотоэлементы (OPV/ DSC/ DYSC)
Отношение напряжения в рабочей точке к напряжению холостого хода (Vmp/ Voc)(выше — лучше, т.к. меньше разница между Voc и Vmp)	80%-85%	72%-78%
Температурные коэффициенты (низкий температурный коэффициент лучше при работе при высоких температурах окружающей среды)	выше (-0,4-0,5%/градус)	ниже (-0,1-0,2%/градус)
Заполнение вольт-амперной характеристики(идеальный элемент имеет 100% заполнение)	73%-82%	60%-68%
Конструкция модуля	в раме из анодированного алюминия	без рамы, между 2 стеклами — цена ниже, вес большена гибком основании — легче, дешевле
КПД модуля	13%-19%	4%- 12%
Совместимость с инверторами	Чем меньше температурный коэффициент, тем лучше. Можно использовать бестрансформаторные инверторы	Проектировщик должен учитывать такие факторы, как температурный коэффициент, отношение Voc/Vmp, сопротивление изоляции и т.п. Обычно для тонкопленочных модулей требуется инвертор с гальванической развязкой
Монтажные конструкции	Типовые	Типовые, но может потребоваться специальные зажимы или крепеж. Во многих случаях стоимость установки намного меньше
Соединения постоянного тока	Типовые	Типовые, иногда может потребоваться больше разветвителей и предохранителей
Типовое применение	Жилые дома/Коммерческие объекты/Генерация в сеть	Жилые дома/Коммерческие объекты/Генерация в сеть
Требуемая площадь	около 150 Вт/м2	может потребоваться до 50% больше площади для той же мощности СБ

Источник: CIVICSolar

Установка тонкопленочных солнечных батарей на крыше

Как видно из таблицы, основное отличие кристаллических и тонкопленочных элементов — в их КПД. Также, у кристаллических элементов дольше срок службы.

Расходы на установку кристаллических модулей меньше, так как для одной и той же мощности нужно устанавливать примерно в 2 раза меньше по площади модулей.

К недостаткам кристаллических модулей можно отнести высокую стоимость исходного материала (кристаллического кремния), его хрупкость.

Справедливости ради нужно отметить, что в реальных условиях модули из аморфного кремния вырабатывают больше энергии с пикового ватта, чем моно и поликристаллические солнечные панели.

Последние 2 года в Москве в ИВТАНе ведутся сравнительные испытания различных модулей, предварительные результаты говорят о том, что тонкопленочные модули GET вырабатывают примерно на 13% больше электроэнергии, чем все лучшие экземпляры модулей из кристаллических солнечных элементов.

Различия между моно и поликристаллическими солнечными элементами

Этот вопрос выделен в отдельную статью

Выбор солнечных панелей: Моно или поли?

Эта статья прочитана 7647 раз(а)!

Продолжить чтение

• Качество солнечных элементов и модулей
• Как выбрать СБ? Руководство для покупателя
• 12 преимуществ Double-Glass солнечных модулей
• Интересные ссылки по солнечным батареям

Источник: http://www.solarhome.ru/basics/pv/techcells.htm

Солнечные элементы

Фотодиод, оптимизированный для эффективного питания нагрузки, является солнечным элементом. Он работает в фотогальваническом режиме, так как он смещен в прямом направлении напряжением, создаваемым на сопротивлении нагрузки.

Монокристаллические солнечные элементы изготавливаются в процессе, подобном производству полупроводниковых приборов.

Он предполагает выращивание монокристаллического слитка из расплавленного кремния высокой чистоты (P-типа), хотя и не столь чистого, как для полупроводниковых приборов. Слиток распиливается алмазной пилой на пластины.

Поскольку современные солнечные элементы почти квадратные, лишний кремний удаляется в процессе придания слитку квадратной формы. Солнечные элементы могут быть вытравлены для придания поверхности текстуры (шероховатости), чтобы улучшить поглощение света.

Значительное количество кремния теряется при производстве квадратных пластин размером 10 или 15 см. В настоящее время производители солнечных элементов обычно покупают пластины на этом этапе у производителей полупроводников.

Пластины P-типа погружаются «спиной к спине» в ванны с расплавленным диоксидом кремния, подвергая только внешнюю сторону легированию примесью N-типа в диффузионной печи. Процесс диффузии образует тонкий слой N-типа на верхней поверхности солнечного элемента.

Диффузия также замыкает грани верхней и нижней поверхностей солнечного элемента. Чтобы удалить замыкание солнечного элемента, грани должны быть удалены с помощью плазменного травления. Серебряная и/или алюминиевая паста наносится на заднюю сторону солнечного элемента, а серебряная сетка – на переднюю сторону.

Затем они спекаются в печи для хорошего электрического контакта (рисунок ниже).

Ячейки соединяются металлическими лентами последовательно. Для 12-вольтовых зарядных устройств на солнечных батареях 36 ячеек (примерно по 0,5 В каждая) вакуумно ламинируются между стеклом и металлом с полимерным покрытием. Стекло может иметь текстурированную поверхность, которая помогает поглощать свет.

Ячейка кремниевого солнечного элемента

Промышленные монокристаллические кремниевые солнечные элементы с максимальной эффективностью (21,5%) имеют все контакты на задней стенке ячейки.

Активная поверхность ячейки увеличивается за счет перемещения контактных проводников верхнего (–) контакта на заднюю часть ячейки. Верхние (–) контакты обычно делаются на кремнии N-типа на верхней стороне ячейки.

На рисунке ниже (–) контакты выполнены на N+ диффузии внизу, чередуясь с (+) контактами. Верхняя поверхность текстурирована для облегчения поглощения света внутри ячейки…

Высокоэффективный солнечный элемент со всеми контактами на нижней стороне

Мультикристаллические кремниевые элементы начинаются в виде расплавленного кремния, отлитого в прямоугольную форму.

По мере того как ремний охлаждается, он кристаллизуется в несколько больших (размером от мм до см) случайно ориентированных кристаллов, вместо одного кристалла. Остальная часть процесса такая же, как у монокристаллических солнечных элементов.

На готовых ячейках видны линии, как будто ячейки сломаны. Их эффективность не столь высока, как у монокристаллических элементов, из-за потерь на границах кристаллов. Из-за случайной ориентации кристаллов поверхности солнечного элемента не может быть придана шероховатость путем травления.

Однако антиотражающее покрытие повышает их эффективность. Эти солнечные элементы конкурентоспособны везде, кроме космических применений.

Трехслойный солнечный элемент: самый высокоэффективный солнечный элемент представляет собой стек из трех элементов, настроенных на поглощение различных частей солнечного спектра.

Хотя три элемента могут быть сложены друг на друга, но монолитная монокристаллическая структура из 20 полупроводниковых слоев является более компактной. При эффективности 32%, для использования в космосе сейчас предпочтение отдается кремнию.

Высокая стоимость не позволяет найти много применений на Земле, кроме концентраторов, основанных на линзах или зеркалах.

Интенсивные исследования недавно выпустили версию, улучшенную для наземных концентраторов, на 400–1000 солнц и эффективностью 40,7%. Для нее требуется большая дешевая линза Френеля или отражатель и небольшая поверхность дорогого полупроводника. Эта комбинация считается конкурентоспособной с недорогими кремниевыми солнечными элементами дл солнечных электростанций.

Металлоорганическое химическое осаждение из паровой фазы (MOCVD, Metal organic chemical vapor deposition) откладывает слои на поверхности германия P-типа. Верхние слои фосфида галлия-индия (GaInP) N и P типов, имеющие запрещенную зону 1,85 эВ, поглощают ультрафиолетовый и видимый свет.

Эти длины волны имеют достаточную энергию для перехода запрещенной зоны. Более длинные волны (более низкая энергия) не обладают достаточной энергией для создания электронно-дырочных пар и переходят к следующему слою. Слои арсенида галлия, имеющие ширину запрещенной зоны 1,42 эВ, поглощают ближний инфракрасный свет.

Наконец, слой германия и подложка поглощают дальний инфракрасный свет. Последовательность из трех элементов создает напряжение, которое является суммой напряжений трех элементов. Напряжение, вырабатываемое каждым материалом, на 0,4 В меньше, чем энергия запрещенной зоны, приведенная в таблице ниже.

Например, для GaInP: 1,8 эВ/э – 0,4 В = 1,4 В. Для всех трех элементов напряжение составляет 1,4 В + 1,4 В + 0,3 В = 2,7 В.

Высокоэффективный трехслойный солнечный элементСлойЗапрещенная зонаПоглощаемый свет

Фосфид галлия-индия	1,8 эВ	ультрафиолетовый, видимый
Арсенид галлия	1,4 эВ	ближний инфракрасный
Германий	0,7 эВ	дальний инфракрасный

Кристаллические массивы солнечных батарей обладают длительным сроком службы. Многие массивы имеют гарантию на 25 лет и считаются подходящими для использования в течение 40 лет. Они не страдают от первоначальной деградации по сравнению с аморфным кремнием.

Как монокристаллические, так и многокристаллические солнечные элементы основаны на кремниевых пластинах. Кремний – это и подложка, и активные слои. Следовательно, потребляется много кремния. Этот тип солнечных элементов существует уже несколько десятилетий и занимает около 86% рынка солнечной электроэнергии.

Тонкопленочные солнечные элементы из аморфного кремния используют очень маленькое количество активного сырья, кремния. Приблизительно половиной стоимости обычных кристаллических солнечных элементов является стоимость кремния. Процесс осаждения тонкой пленки снижает эту стоимость.

Недостатком является то, что эффективность составляет примерно половину от эффективности обычных кристаллических солнечных элементов. Кроме того, эффективность снижается на 15–35% при воздействии солнечного света. Эффективность 7% скоро снижается до 5%. Тонкопленочные элементы из аморфного кремния работают лучше кристаллических элементов при тусклом свете.

Их хорошо использовать в калькуляторах на солнечной энергии.

Некремниевые солнечные элементы составляют около 7% рынка. Это тонкопленочные поликристаллические солнечные элементы. Предметом исследований являются различные составные полупроводники. Некоторые некремниевые элементы находятся в производстве. Как правило, их эффективность лучше, чем у аморфного кремния, но не так хороша, как у кристаллического кремния.

Теллурид кадмия как поликристаллическая тонкая пленка на металле или стекле может иметь более высокую эффективность, чем тонкая пленка аморфного кремния. При нанесении на металл этот слой является отрицательным контактом к тонкой пленке телллурида кадмия.

Прозрачный сульфид кадмия P-типа поверх телллурида кадмия служит буферным слоем. Положительный верхний контакт – это прозрачный, электропроводящий оксид олова, легированный фтором. Эти слои могут быть уложены, вместо стекла, на фольгу при производстве.

Эта фольга удаляется после того, как ячейка установлена на постоянную подложку.

Солнечный элемент на базе теллурида кадмия на стекле или металле

Процесс осаждения теллурида кадмия на стекле начинается с осаждения прозрачного, электропроводящего оксида олова N-типа на стеклянную подложку. Следующий слой – это теллурид кадмия P-типа; хотя может использоваться и N-тип, и собственный полупроводник. Эти два слоя составляют PN переход.

Слой P+ (сильно легированный P-тип) теллурида свинца помогает установить низкоомный контакт. Металлический контакт обеспечивает окончательный контакт с теллуридом свинца.

Эти слои могут быть уложены вакуумным осаждением, химическим осаждением из газовой фазы (CVD), трафаретной печатью, электроосаждением или химическим осаждением из атмосферного давления (APCVD) в гелии.

Вариацией теллурида кадмия является теллурид кадмия-ртути. Его обладание более низким удельным сопротивлением и более низким сопротивлением контакта повышает эффективность по сравнению с теллуридом кадмия.

Солнечный элемент на базе диселенида кадмия-индия-галлия (CIGS)

Диселенид кадмия-индия-галлия: самый перспективный тонкопленочный солнечный элемент в настоящее время производится на рулоне шириной десять дюймов из гибкого полиимида – диселенида кадмия-индия-галлия (CIGS, Cadmium Indium Gallium diSelenide). Эффективность – 10%. Хотя кристаллические кремниевые элементы промышленного класса превзошли это значение десятилетия назад, CIGS должен быть конкурентоспособен по стоимости. Процессы осаждения происходят при достаточно низкой температуре для использования полиимидного полимера в качестве подложки вместо металла или стекла (рисунок выше). CIGS изготавливается в виде рулона, что должно снизить затраты. Элементы на базе CIGS также могут быть получены в результате крайне дешевого электрохимического процесса.

Подведем итоги

• Большинство солнечных элементов – это монокристаллы или мультикристаллы кремния, что обусловлено их хорошей эффективностью и умеренной стоимостью.
• Менее эффективные тонкопленочные различные аморфные или поликристаллические материалы занимают остальную часть рынка.
• В приведенной ниже таблице сравниваются выбранные солнечные элементы
  Свойства солнечных элементовТип солнечных элементовМаксимальная эффективностьПрактическая эффективностьПримечания

  Селен, поликристаллический	0,7%	–	1883 год, Чарльз Фриттс
  Кремний, монокристалл	–	4%	1950-ые годы, первый кремниевый солнечный элемент
  Кремний, монокристалл PERL, наземный, космос	25%	–	солнечные автомобили, стоимость в 100 раз выше, чем у промышленных элементов
  Кремний, монокристалл, промышленный наземный	24%	14–17%	5–10 долларов США за ватт
  Cypress Semiconductor, Sunpower, кремний, монокристалл	21,5%	19%	все контакты на нижней стороне солнечного элемента
  Фосфид галлия-индия / арсенид галлия / германий, монокристалл, многослойный	–	32%	Предпочтителен для использования в космосе
  Продвинутая наземная версия варианта выше	–	40,7%	Использует оптический концентратор
  Кремний, мультикристаллический	18,5%	15,5%	–
  Тонкопленочные
  Кремний, аморфный	13%	5–7%	Деградирует от солнечного света. Подходит для использования внутри помещений (в калькуляторах) или снаружи в облачную погоду.
  Теллурид кадмия, поликристаллический	16%	–	Стеклянная или металлическая подложка
  Селенид меди-индия-галлия	18%	10%	10-дюймовая гибкая полимерная сеть.
  Органический полимер, 100% пластик	4,5%	–	Проект R&D

Оригинал статьи:

Источник: https://radioprog.ru/post/202

Солнечные элементы и их включение

категория
Альтернативная энергетика
материалы в категории

Принцип работы солнечного элемента достаточно прост и заключается в следующем.

При освещении кремниевый солнечный элемент генерирует электрическое напряжение величиной 0,5 В. Независимо от типа и схемы включения все (большие и малые) кремниевые солнечные элементы генерируют напряжение 0,5 В.

По-иному обстоит дело с выходным током элемента. Он зависит от интенсивности света и размера элемента, под которым подразумевается площадь поверхности. Ясно, что элемент площадью 10х 10 см2 в 4 раза превосходит элемент площадью 5×5 см2, следовательно, он выдает в 4 раза больший ток.

Сила тока зависит также от длины волны света и его интенсивности, причем она прямо пропорциональна интенсивности излучения. Чем ярче свет, тем больший ток генерируется солнечным элементом. Солнечные элементы использовались бы очень редко, если бы эксплуатировались в пределах упомянутых параметров.

Лишь в некоторых случаях требуется такое низкое напряжение (0,5 В) при произвольных требованиях к величине потребляемого тока.

К счастью, здесь нет ограничений. Солнечные элементы можно соединять последовательно и параллельно с целью увеличения выходных характеристик.

Будем рассматривать солнечные элементы как обычные батарейки. Известно, что для увеличения яркости фонаря используют несколько батареек. В сущности, при последовательном включении батареек увеличивается полное напряжение (рис. 1).

То же самое можно проделать с солнечными элементами. Соединяя положительный вывод одного элемента с отрицательным выводом другого, от двух элементов можно получить напряжение величиной 1 В.

Подобным образом три элемента дадут 1,5 В, четыре — 2 В и т. д.

Теоретически напряжение, развиваемое последовательно соединенными солнечными элементами, при условии, что имеется достаточное их количество, может достичь тысячи вольт!

Увеличение выходных характеристик солнечных элементов

К сожалению, с точки зрения увеличения выходного тока последовательное соединение обладает присущим ему недостатком. При последовательном соединении элементов питания выходной ток не превосходит уровня, характерного для худшего элемента в цепи. Это справедливо для всех источников питания независимо от того, являются ли они батареей, блоком питания или солнечными эле-ментами.

Это означает, что при любом числе 2-амперных солнечных элементов в цепи 1-амперный элемент будет определять величину полного выходного тока, т. е. 1 А. Следовательно, если вы стремитесь достичь максимальных характеристик, необходимо согласовать токи всех элементов цепи.

Хорошо, с напряжением все ясно. Но как увеличить выходной ток солнечного элемента? Ведь солнце светит с определенной яркостью.

Выходной ток зависит от площади поверхности элемента, и поэтому естественный путь повышения тока — это увеличение площади элемента (или элементов). Элементов? Именно!

Если взять четыре элемента размером 5×5 см2 каждый и соединить их параллельно, как показано на рис. 2, то можно достичь такого же результата, как при замене четырех элементов одним размером 10×10 см2 (в обоих случаях площадь поверхности одинакова и составляет 100 см2).

Необходимо усвоить, что при параллельном соединении увеличивается лишь величина тока, а не напряжения. Независимо от количества параллельно соединенных элементов (4 или 50) генерируемое напряжение составит не более 0,5 В.

Можно догадаться, о чем пойдет речь. Действительно, чтобы использовать преимущества обоих способов включения, можно комбинировать последовательное и параллельное соединение элементов. Подобная комбинация называется батареей.

Батареи можно составлять в любой желаемой комбинации. Простейшей батареей является цепочка из последовательно включенных элементов. Можно также соединить параллельно цепочки элементов, отдельные элементы в цепочках или сочетать их в любой другой комбинации. На рис. 3 представлены лишь три примера из возможных комбинаций.

Различия в характере соединений элементов на рис. 3, хотя все они обладают одинаковыми выходными характеристиками, продикто-

Фотоэлектрические батареи

ваны различными требованиями к надежности. На рис. 3, а три последовательные цепочки элементов соединены параллельно. Такой способ используется, когда высока вероятность короткого замыкания отдельных элементов.

На рис. 3, б представлена схема параллельно-последовательного соединения элементов. При таком соединении выход из строя одного из элементов, например, из-за появления трещины, не приводит к потере целой цепочки вследствие разрыва цепи. В последнем примере (рис. 3, в) приняты во внимание оба случая с минимумом соединений.

Возможны и другие типы соединений, и их выбор должен определяться конкретными условиями работы вашего устройства.

Следует помнить одно важное условие. Независимо от полета вашей фантазии параллельно подключаемые цепочки из элементов обязательно должны соответствовать друг другу по напряжению. Нельзя параллельно соединять цепочку из 15 элементов и короткую цепочку из 5 элементов. При таком соединении батарея не будет работать.

При работе с солнечными батареями, как правило, сталкиваются с явлением, не имеющим места при использовании обычных источников питания. Это явление связано с так называемым обратным смещением. Чтобы попять, что это такое, обратимся к рис. 4,

На этом рисунке изображены 8 последовательно соединенных элементов. Полное выходное напряжение цепочки составляет 4 В, а в качестве нагрузки подключен резистор RL. Пока все хорошо.

Но давайте затемним фотоэлемент D непрозрачным предметом, например рукой, и посмотрим, что произойдет. Вероятно, вы думаете, что напряжение упадет до 3,5 В, не так ли? Ничего подобного!

Солнечный элемент, который не производит электрической энергии, представляет собой звено с большим внутренним сопротивлением, а не закоротку. Происходит то же, что и при размыкании выключателя, но этот выключатель разомкнут не полностью — через него протекает небольшой ток.

В большинстве случаев эффективное сопротивление затемненного солнечного элемента во много раз больше величины нагрузочного резистора RL. Поэтому практически можно рассматривать RL как кусок проволоки, соединяющий отрицательный и положительный выводы.

Это означает, что функцию нагрузки выполняет теперь элемент D. Что же делают остальные элементы? Снабжают энергией эту нагрузку!

В результате элемент D разогревается и при достаточно сильном разогреве может выйти из строя (взорваться). В итоге у нас остается батарея из последовательной цепочки с одним бездействующим элементом — незавидная ситуация.

Обратное смещение при включении солнечных элементов

Эффективный путь решения этой проблемы — параллельное подключение шунтирующих диодов ко всем элементам, как это показано на рис. 5. Диоды подключены так, что при работе солнечного элемента они обратно смещены напряжением самого элемента. Поэтому через диод ток не протекает, и батарея функционирует нормально.

Предположим теперь, что один из элементов затеняется. При этом диод оказывается прямо смещенным и через него протекает в нагрузку ток в обход неисправного элемента. Конечно, выходное напряжение всей цепочки уменьшится на 0,5 В, но устранится источник саморазрушающей силы.

Дополнительное преимущество состоит в том, что батарея продолжает нормально функционировать. Без шунтирующих диодов она бы полностью вышла из строя.

На практике нецелесообразно шунтировать каждый элемент батареи. Необходимо руководствоваться соображениями экономии и использовать шунтирующие диоды, исходя из разумного компромисса между надежностью и стоимостью.

Как правило, один диод используют для защиты 1/4 батареи. Таким образом, на всю батарею требуется всего 4 диода. В этом случае эффект затенения будет приводить к 25%-ному (вполне допустимому) снижению выходной мощности.

Не всегда серийные элементы в точности соответствуют вашему замыслу. Хотя вам пытаются предложить возможно больший выбор, нет способа удовлетворить все запросы.

Резка элементов на части

К счастью, этого и не требуется. Монокристаллическим солнечным элементам можно придать любую желаемую форму.

Что это обстоит именно так, вам следует знать, ибо монокристал-лические солнечные элементы изготовлены из большого монокристалла. Атом кремния имеет четыре валентных электрона и образует кубическую кристаллическую решетку. На рис. 6 представлен типичный круглый солнечный элемент с выделенной зернистой структурой.

Если приложить усилие к этой структуре из сильно связанных электронов, то вдоль дефектной линии появится трещина. Это очень похоже на трещину, возникающую в результате землетрясения. Структура кристалла известна, и, следовательно, направление трещины можно предсказать.

Если усилие приложено к краю изображенной на рис. 6 пластины в точке А, то механические силы, действующие внутри кристалла, расколют его на две половины. Теперь вместо одного элемента имеются два.

Скажем, необходимо расколоть такой элемент на четыре одинаковые части. Этого можно достичь, приложив усилие сначала вдоль вертикальной дефектной линии, а затем вдоль горизонтальной.

К счастью, это можно проделать одновременно. Большинство монокристаллических круглых элементов помечено крестиком в центре. Если нажать в этой точке ножом с крестообразным наконечником, элемент расколется на четыре аккуратные части.

Не страшно, если вы не попадете точно по центру. Элемент расколется, но не на равные части. Размеры осколков будут определяться точкой приложения усилия, но все они будут расколоты вдоль одинаковых плоскостей.

Линии скола всегда параллельны друг другу, и все пересечения происходят под прямым углом. Руководствуясь этими правилами, можно получить элементы любых необходимых размеров.

Пытаясь в первый раз расколоть элемент, необходимо быть предельно осторожным: нельзя работать на твердой поверхности. Прилагая большое усилие к элементу, лежащему на твердой плоской поверхности, можно лишь проделать в нем отверстие.

Для создания механического напряжения необходимо, чтобы элемент прогнулся. Я установил, что пары листов бумаги (можно газетной) достаточно при расколе элемента.

Расколоть таким образом можно только монокристаллические элементы. Недавно появившиеся поликристаллические элементы (wacker cells) расколоть симметрично не удается. Если попытаться сделать это, солнечный элемент разлетится на миллион осколков.

Поликристаллический элемент легко отличить от монокристал-лического. Монокристалл в результате обработки имеет ровную, гладкую структуру поверхности. Поликристалл выглядит как оцинкованная сталь с ее характерным видом поверхности.

Пайка солнечных элементов

После того как солнечные элементы подобраны для работы, необходимо их спаять. Обычно в нашем распоряжении имеются серийные солнечные элементы, снабженные токосъемными сетками и тыльными контактами, которые предназначены для припайки к ним проводников.

При изготовлении контакты чаще всего покрываются припоем, содержащим небольшое количество серебра. Серебро предохраняет жало паяльника от разрушения и возможной адгезии тонких металлических контактов при пайке. Помните, что токосъемные сетки также хрупки, как металлические проводники печатных плат.

Изготовители солнечных элементов обычно используют особые припой, флюс и проводники для соединений. Припой, содержащий 2 % серебра, всегда можно приобрести в магазине. Вместо канифоли необходимо использовать обычный флюс на водной основе, чтобы его легко можно было смыть с поверхности элемента после пайки.

Труднее всего найти плоский, ленточный проводник, так как он редко бывает в продаже. Тем не менее можно изготовить нечто похожее, если взять медную проволоку и расплющить ее конец молотком. Вместо нее можно использовать медную фольгу или просто тонкую медную проволоку.

Сам процесс пайки несложен, но его необходимо выполнять быстро. Пластина кремния является очень хорошим теплоотводом, и если касаться паяльником элемента длительное время, жало паяльника остынет ниже температуры плавления припоя.

Сначала необходимо залудить проволоку, используя немного большее количество припоя, чем обычно, но не слишком. Солнечный элемент уже залужен при изготовлении.

Для работы рекомендуется использовать паяльник мощностью 30 или 40 Вт. Жало паяльника должно быть чистым и прогретым. Пока паяльник греется, на элемент наносится флюс и залуженная проволока прижимается к основанию контакта элемента.

Теперь прикасаются горячим паяльником к поверхности проволоки. Необходимо, чтобы соединение «обволоклось» расплавленным припоем и обеспечился надежный контакт проволоки с элементом.

Пайка выполняется за одно касание: работать надо быстро, но аккуратно.

Тыльный контакт припаивается аналогично. Для получения последовательной цепочки элементов лицевой контакт первого элемента соединяется проводом с тыльным контактом второго. Затем

другим отрезком провода соединяют лицевой контакт второго с тыльным третьего и т. д.

Лицевой контакт является отрицательным электродом, в то время как тыльный — положительным.

Другим широко распространенным способом является соединение элементов по типу черепичной крыши. Если вы когда-либо видели черепичную крышу, вы уже поняли идею.

Лицевой контакт одного элемента накрывается сверху тыльным контактом другого. Место касания прогревается паяльником, и таким образом два элемента соединяются друг с другом. Такое соединение показано на рис. 7.

Необходима набрать на жало некоторое избыточное количество припоя, чтобы надежно спаять элементы. Будьте осторожны и не перегрейте элемент, иначе контакта вообще не будет.

Таким способом лучше паять небольшие элементы, у которых можно одновременно прогреть всю область контакта. Лучше всего пользоваться специальным прямоугольным наконечником для паяльника, предназначенным для выпайки интегральных микросхем из печатных плат. Равномерные нагрев и давление явятся залогом успеха.

Защита солнечной батареи

Теперь, когда батарея собрана, необходимо предохранить ее от механических повреждений и воздействия погодных условий.

Лучше всего поместить элементы лицевой поверхностью на чистый лист стекла или оргстекла. Предпочтительнее использовать защитное стекло, затем, в порядке убывания защитных свойств, идут упрочненное оконное стекло, акриловый пластик и обычное оконное стекло. Прозрачное покрытие предохраняет батарею от механических повреждений при ударах и скручивании, изгибах. Но оно плохо защищает от влаги.

Как известно, кремний слегка гигроскопичен; это означает, что он впитывает совсем немного воды. Однако после длительного периода времени наблюдается постепенное снижение выходных характеристик элемента, обусловленное влиянием влажности. Таким образом, срок службы батареи непосредственно зависит от качества вла-гоизоляции.

Влагоизоляцию можно обеспечить многими способами. В соответствии с одним из них тыльную сторону можно залить жидкой резиной. Для этого необходимо сделать рамку по периметру защитного стекла, чтобы жидкий полимер не перелился через край. Кроме того, прочная рамка хорошо предохраняет защитное стекло от бокового удара.

Согласно другому методу, тыльную сторону батареи покрывают толстым листом майларового пластика и нагревают всю батарею, например с помощью лампы накаливания, до расплавления майлара и его сцепления с передней защитной крышкой. Эта операция требует определенного навыка, особенно в случае больших батарей. Заднюю майларовую крышку можно просто приклеить. Часто упомянутая операция проще нагрева, но при этом ухудшаются изоляционные свойства.

Наконец, тыльную сторону элементов батареи можно покрыть несколькими слоями латекса. Это выглядит не так эстетично, но обеспечивает достаточно хорошие влагоизоляционные свойства.

Последним способом по порядку, но не по значимости является изготовление влагонепроницаемой герметично изолированной коробки для элементов. Это дорого, но обеспечивает необходимую влагоизоляцию.

Можно было бы долго продолжать рассказ о том, как пользоваться солнечными элементами. Но почему бы читателю не перевернуть страницу и не узнать это самому?

Использовать солнечные элементы можно так же, как любой другой источник питания. Каждый из них предназначен для поддержания определенной силы тока при заданном напряжении. Тем не менее в отличие от обычных источников питания выходные характеристики солнечного элемента зависят от количества падающего света. Например, набежавшее облако может снизить выходную мощность более чем на 50 %.

Более того, не все элементы выдают одинаковую мощность при одинаковых условиях освещенности, даже если элементы идентичны по размерам и конструкции. Отклонения в технологических режимах могут повлечь за собой заметный разброс выходных токов элементов одной партии. Эти факторы необходимо учитывать при разработке и изготовлении конструкций с солнечными элементами.

Следовательно, если желают обеспечить максимальную отдачу от фотоэлектрических преобразователей, необходимо проверить все элементы. Чтобы лучше понять, какие параметры подлежат проверке, сначала рассмотрим характеристики кремниевого солнечного элемента.

Литература: Байерс Т. 20 конструкций с солнечными элементами: Пер. с англ.— М.: Мир, 1988 год.

Источник: http://radio-uchebnik.ru/txt/18-alternativnaya-energiya/244-