Imec и meco представили высокоэффективную технологию использования меди для кремниевых фотоэлементов

Наиболее распространенные технологии производства фотоэлементов

• Скорее всего, вы заметили, что порядок знакомства с технологиями производства фотоэлементов был выбран не случайно – мы начали элементами с наибольшим КПД и закончил элементами с наименьшим КПД.

  КПД для фотоэлементов — это эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую, это значит, что чем меньше КПД тем больше площади фотоэлементов нам необходимо для обеспечения той же мощности по сравнению с элементами у которых КПД имеет более высокое значение.

  Теперь неплохо бы опровергнуть распространенное заблуждение о том, что поликристаллические фотомодули более эффективно преобразовывают солнечное излучение по сравнению с монокристаллическими. А тонкопленочные по сравнению с кристаллическими.

  На самом деле преобразование энергии прямого солнечного излучения монокристаллических элементов происходит с наибольшей эффективностью, у поликристаллических модулей это преобразование происходит с меньшей эффективностью в связи с разной ориентацией кристаллов в элементе. Рассеянное излучение кристаллические фотоэлементы преобразовывают с одинаковой эффективностью.

  Поэтому доля выработки от рассеянного излучения в поликристаллических панелях выше чем в монокристаллических, а, значит и влияние ориентации на выработку ниже. У тонкопленочных элементов в связи с большей степенью беспорядочности ориентации светочувствительных элементов выработка с рассеянной части излучения составляет основную долю выработки.

  Поэтому и принято говорить, что на выработку тонкопленочных модулей не влияет ориентация. Но энергию солнечного излучения, не зависимо от его формы, эффективнее всего преобразовывают монокристаллические модули потому что у них КПД выше.

  Фотопанели из кристаллических фотоэлементов чаще всего используются в строительстве солнечных электростанций. Обычно, срок службы фотомодулей из кристаллических элементов составляет 25 лет.

  Через 25 лет мощность фотоэлементов составит 80% от текущей мощности.

  Обычно кристаллические фотопанели производятся с непрозрачной подложкой из PVB-пластика или тефлона, покрытием из стекла или прозрачного EVA-пластика, или стекла и алюминиевой рамой.

  CIS – фотомодули имеют наибольший КПД как для тонкопленочных модулей.

  Но эти модули подвержены коррозии от токов утечки в связи с применением электролиза в их производстве, поэтому, когда мы устанавливаем станцию на CIS фотомодулях нам необходимо обеспечить полную потенциальную развязку с AC сетью с помощью установки трансформаторного инвертора или специального разделительного трансформатора и установить по дифференциальному автомату на каждую из линий, подключенных к инвертору. CdTe – фотомодули не подвержены коррозии. Но кадмий является токсичным элементом, вызывающим острые и хронические отравления. Поэтому использованные или испорченные CdTe – фотопанели подлежат обязательной утилизации, что удорожает эксплуатацию станции. Фотопанели из аморфного кремния не подвержены коррозии и не токсичны, но имеют очень низкий КПД и их активные элементы выгорают на солнце. Обычно в течении 6 – 12 месяцев после установки происходит снижение мощности, потом эти модули выходят на установившуюся мощность. Срок службы таких модулей составляет около 10 лет. Срок службы CIS и CdTe модулей такой же, как и у кристаллических.

  Тонкопленочные фотомодули чаще всего применяются в фасадных системах и дизайнерских решениях. Скорее всего, в будущем тонкопленочные модули заменят кристаллические потому что их производство дешевле и менее энергоемко. Ведь никто не заинтересован в фотопанелях на производство которых тратится больше энергии чем они способны выработать за срок службы.

Источник: https://aen.com.ua/cp64062-tipy-solnechnyh-panelej.html

Получение классических фотоэлементов. на монокристаллическом кремнии

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ. СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

Фотоэлемент – это основной компонент любой солнечной электрогенери­рующей системы.

Сегодня в мировой практике находят применение солнечные элементы (фотоэлементы) и панели, полученные по разным технологиям и на базе разных полупроводниковых материалов.

Классическим примером солнеч­ного элемента является прибор, созданный на пластине монокристаллического кремния по технологии изготовления классических диодов.

В предыдущей главе было показано, что солнечный элемент это большой полупроводниковый диод с р-n переходом, который ориентирован Можно за­метить, что ток короткого замыкания увеличивается с увеличением температу­ры, но напряжение разомкнутой цепи понижается. Оптимальные рабочие точки обозначены кружками на кривых.

Максимальная мощность фотоэлемента при постоянном освещении и, следовательно, коэффициент полезного действия, уменьшается с увеличением температуры параллельно освещаемой поверхно­сти. Он изготавливается на пластине полупроводникового материала, главным образом, кремния. В пластине создаются области с р – и п-типом проводимости.

Принципиальные схемы планарного фотоэлемента и солнечного элемента с ме- за-структурой приведены на рис. 8.1, а, б.

*

О ft ® О с® о

Рис. 8.2. Схема производства кремния – сырья для изготовления фотоэлементов

Основой СЭ является р-n переход, который выполняет функцию разделе­ния образующихся в результате воздействия фотонов солнечного излучения электронно-дырочных пар. Технологический цикл получения фотоэлемента представляет собой комплекс операций, аналогичных операциям технологиче­ского цикла изготовления полупроводниковых диодов.

Исходным сырьем для изготовления солнечных элементов является мо­нокристаллический слиток кремния, часто выращиваемый из расплава методом Чохральского. Технологическая цепочка изготовления кремния для солнечных элементов достаточно длинная. Для этого используются различные технологии. Один пример иллюстрируется схемой на рис. 8.2.

Кристаллы кремния выращиваются в специальных тиглях из нейтрально­го тугоплавкого химически стойкого материала (нитрит бора, гексоборид лан­тана, кварца и т. д.).

Высота выращиваемого монокристалла кремния составляет несколько метров, диаметр чуть больше диаметра будущей подложки. Внешний вид монокристалла кремния можно видеть на рис. 18.13.

Исходным сырьем для получения монокристаллов является предварительно полученный поликристал­лический кремний (см. рис. 18.10), очищенный от примесей до заданного уров-

ня. Кремний — важнейший материал солнечной фотоэнергетики, и вопросы его получения более подробно будут рассмотрены отдельно.

Далее осуществляют следующие операции.

Монокристаллические или поликристаллические слитки (рис. 18.13 и 18.14) разрезаются в поперечном направлении на пластины, которые являются основой солнечных элементов. Качество резки в последнее время заметно улучшилось.

В частности, уровень и качество изготовления установок прово­лочной резки существенно возросли. Предшествующая технология позволила обеспечивать минимальную толщину пластин d = 300 pm, сегодня это уже d = 100 pm. Потери при резке были уменьшены в тех же пропорциях.

Очевид­но, что это способствует сбережению кремниевого материала и энергии, необ­ходимой для производственного процесса, и, таким образом, обеспечивает реа­лизацию более эффективного производства. Нарезанные пластины, представ­ленные на Гамбургской выставке в 2009 г., показаны на рис.

18.15. Поликри­сталлические пластины видны слева, а монокристаллические справа.

Резка монокристаллического слитка на пластины – ответственная опера­ция, поскольку необходимо обеспечить высокое качество резки.

Пластины должны быть достаточно механически прочными, пригодными для последую­щих операций по изготовлению солнечного элемента, с одной стороны, и быть достаточно тонкими, чтобы обеспечить экономию кремния, материала дорогого и дефицитного. Для этих целей используют специальные станки проволочной резки.

Затем следует шлифовка пластин с двух сторон, травление пластин для снятия образованного при шлифовке механически нарушенного слоя (химиче­ское, электрохимическое, плазмохимическое и др.).

Теперь, после необходимой подготовки пластин, возможно проведение самой ответственной операции – создание р-n перехода, который является главным компонентом солнечного элемента.

В качестве методов создания областей р- и n-типа могут использоваться разные технологии, в том числе диффузия примесей или эпитаксиальное нара­щивание одного полупроводникового слоя на другой с противоположным ти­пом проводимости.

Диффузия – это наиболее широко применяемый метод формирования р-п перехода в солнечном элементе. Существует несколько вариаций технологиче­ского процесса проведения диффузии. Диффузию примесей в полупроводнико­вую пластину проводят в специальных диффузионных печах при температуре порядка 1000 – 1100°С.

Для этого надлежащим образом подготовленные пласти­ны кремния размещают в специальных кассетах, которые вводятся в диффузион­ную печь. Процесс загрузки кассет с пластинами кремния в диффузионную печь представлен на рис. 18.118. Это один из важнейших технологических приемов. Рис. 18.16 показывает диффузионную печь чешского производителя (SVCS Ltd), установленную в Наньцзине (Китай). На рис. 18.

102 показана демонстрация диффузионной печи SVCS Ltd на выставке в Гамбурге (ФРГ, 2009 г.).

Этот технологический процесс использовался с самого начала развития производства солнечных элементов. Позднее стали использовать другой техно – 96

логический прием — эпитаксиальное наращивание.

Процесс этот первоначально получил развитие в электронной технике, где успешно использовался в процес­сах изготовления эпитаксиальных структур для последующего изготовления больших (БИС) и сверхбольших (СБИС) интегральных схем.

По мере усовер­шенствования и удешевления этого технологического процесса, с одной сторо­ны, и усложнения конструкций солнечных элементов нового типа эпитаксиаль­ная технология стала экономически доступной и востребованной в технологии солнечных элементов.

Эпитаксия — это процесс, в котором в отличие от диффузии сильно­легированный слой образуется не в теле кремниевой пластины, а формируется путем эпитаксиального наращивания нового слоя кремния противоположного типа проводимости на существующую поверхность кремниевой пластины.

Ме­ханизм эпитаксиального наращивания легированных слоев кремния на кремний (автоэпитаксия) легко понять из расшифровки самого термина эпитаксия. Сло­во это образуется от двух греческих слов: «эпи» – на, над, а «таксис» – распо­ложение в порядке, упорядочение.

Это означает, что при эпитаксиальном на­ращивании кремния на монокристаллическую пластину – подложку образуется также монокристаллический слой кремния с новыми электрофизическими свойствами.

Процесс эпитаксиального наращивания более гибок, в сравнении с про­цессом диффузии, и предоставляет больше возможностей для формирования структуры с заданными параметрами, такими как удельное сопротивление и профиль распределения легирующей примеси [106 – 109].

Технология управляемого легирования в процессе эпитаксиального на­ращивания полупроводников была отработана для решения задач электронной техники.

Успешно она применяется и при решении задач получения высокоэф­фективных солнечных элементов.

Существует несколько разновидностей про­цессов эпитаксиального наращивания, в том числе три вида эпитаксии: газофа­зовая эпитаксия (ГФЭ); жидкофазовая эпитаксия (ЖФЭ) и молекулярно­лучевая (МЛЭ).

После того, как структура с р-n переходом готова, формируются нижний и верхний электрические контакты, причем нижний контакт, в самом общем случае, сплошной, а верхний выполняется в виде сетки (тонкие полосы, соеди­ненные с относительно более широкой токосборной шиной (рис. 8.3,а). В ряде случаев (двусторонние элементы) и нижний контакт выполняется в виде токо­съемной сетки, чтобы обеспечить поступление света и с обратной стороны при­бора. Внешний вид типичного (планарного) солнечного элемента показан на рис. 18.17.

Фронтальная поверхность элемента обычно покрывается антиотражаю­щим слоем, чтобы минимизировать отражение и оптимально использовать по­ступающую радиацию.

Поэтому элементы с самой высокой эффективностью выглядят как черные.

Если требуются определенные специфические свойства, на лицевую поверхность наносится тонкий прозрачный слой специального ма­териала, что позволяет увеличить интенсивность отраженной радиации опреде-

ленной длины волны (вызванный интерференцией электромагнитных волн в этом слое). Такие элементы демонстрируют определенный цветной оттенок от­раженного света.

Передний контакт обычно выполняется в форме сетки или гребней, чтобы минимизировать экранирование поверхности элемента и позво­лить падающему свету освещать как можно большую площадь поверхности элементов. Тыльный контакт в стандартных панелях обычно выполняется пол­норазмерным, т. е. сплошным на всей площади элемента.

Контакты к стандарт­ным элементам обычно наносятся с применением сеткографии или вакуумным осаждением. Для специальных элементов, например предназначенных для ра­боты в условиях высоких уровней радиации, контакты вводятся непосредствен­но в материал полупроводника.

Эта мера увеличивает поперечное сечение кон­такта и область между контактом и полупроводником, чтобы приспособить контакты к работе с токами высокой плотности, проходящими через фотоэле­мент. Обычная толщина полупроводниковых элементов составляет приблизи­тельно d « 0.2 мм.

Некоторые разновидности солнечных элементов показаны на рис. 8.3.

а) простой фотоэлементб) фотоэлемент с высокой эффективностью

лицевой контакт

антпотражающее покрытие слой окисла X

Р+

слой окисла тыльный контакт-

Рис. 8.3. Различные конструкции полупроводникового солнечного элемента

Рис. 8.4. Вольтамперная характеристика солнечного элемента с реперными точками (Uxx, Ікз), соответствующими максимальной его мощности Рмакс при заданном уровне освещенности

Схема простого планарного фотоэлемента приведена на рис. 8.3, а. Пред­ставленный здесь планарный фотоэлемент работает согласно принципам, опи­санным выше, но имеет более низкую фотоэлектрическую эффективность пре­образования, особенно вследствие рекомбинационных потерь, а также потерь, связанных с отражением солнечного излучения от его фронтальной поверхности.

Солнечный элемент в первую очередь характеризует его вольтамперная характеристика (рис. 8.4).

К основным параметрам солнечного элемента можно отнести Uh — номи­нальное напряжение. В; Uxx – напряжение холостого хода. В; Ікз – ток корот­кого замыкания, A; Up – рабочее напряжение, В; 1р – рабочий ток, A; Wp.

Повышение эффективности преобразования и снижение потерь энергии в солнечных элементах (СЭ) наземного применения – важная проблема. Причем в целом решение этой проблемы сводится к решению двух задач: снижению оптических и электрических потерь.

Для снижения оптических потерь, связанных с неполным использованием падающего на поверхность солнечного элемента излучения, в настоящее время обычно применяются следующие методы: структурирование поверхности, при­водящее к снижению интегрального коэффициента отражения СЭ; нанесение на поверхность СЭ одно – или двухслойного антиотражающего покрытия; уменьшение площади контактов на лицевой поверхности для снижения потерь на затенение; нанесение на тыльную поверхность СЭ металлического слоя, для увеличения эффективности поглощения длинноволнового излучения за счет его многократного прохождения через объем полупроводника; уменьшение глуби­ны эмиттерного перехода и снижение концентрации легирующей примеси вблизи лицевой поверхности для повышения чувствительности СЭ в коротко­волновой части спектра.

Электрические потери обычно уменьшаются при помощи следующих ме­тодов: выбор оптимального шага и толщины контактных шин на лицевой по­верхности для снижения последовательного сопротивления СЭ; геттерирующие обработки для увеличения времени жизни неосновных носителей заряда; пас­сивация лицевой поверхности для снижения скорости поверхностной рекомби­нации; пассивация тыльной поверхности и создание изотипного перехода; ми­нимизация площади контактов и дополнительное легирование приконтактных областей для уменьшения рекомбинационных потерь на границе раздела ме­талл – полупроводник.

Читайте также:  Библиотека hd44780 4 строки по 20 символов для stm32

В солнечных элементах более высокого качества используется ряд конст­руктивных усовершенствований, часть из которых представлена на рис. 8.2,6. Принятые меры обеспечивают увеличение эффективности.

Антиотражающий слой на лицевой стороне элемента минимизирует отражение, чтобы макси­мальное число фотонов достигло ФЭ ячейки и впоследствии проникло в об­ласть р-n перехода. Слои непроводящей окиси (Si02) делают поверхность инертной, только в определенных местах этот слой протравливается и только в этих местах электрический заряд отводится.

Протравленная структура с ма­ленькими пирамидами на лицевой поверхности фотоэлемента облегчает про­никновение фотонов в солнечный элемент.

В то же время фотоны, проникшие в элемент и прошедшие через всю базовую область, не вызвав фотоэлектрическое преобразование, отражаются тыловым контактом, затем лицевой поверхностью и возвращаются назад, как это подробно иллюстрируется на рис. 8.2,6. Они снова проходят через р-n переход, вследствие чего вероятность их поглощения и фотоэлектрического преобразования существенно возрастает.

Двусторонние элементы имеют такую же структуру на тыльной поверх­ности, как и на фронтальной. В этом случае фотоны могут поступать к элемен­ту одновременно с обеих сторон (например, к тыльной поверхности поступает излучение, отраженное от поверхности Земли). Таким образом, благодаря ис­пользованным усовершенствованиям может быть произведено существенно большее количество электроэнергии.

Однако для излучения, поступающего на тыльную сторону, эффектив­ность фотоэлектрического преобразования ниже, потому что фотоны более ко­ротких длин волн поглощаются более толстым слоем полупроводниковой под­ложки и неосновные носители заряда не достигают р-n перехода.

В поликристаллических материалах границы зерен ухудшают транспор­тирующие свойства полупроводника, в аморфных полупроводниках ситуация еще сложнее.

Эффективность современных высококачественных фотоэлемен­тов на монокристаллическом кремнии составляет примерно 17% для выпускае­мых серийно фотоэлементов.

Эффективность некоторых лабораторных образ­цов, в которых используются специальные усовершенствования, аналогичные описанным в общих чертах выше, превышает 30%. Необходимо упомянуть, что

эффективность элементов на базе других полупроводников (например, GaAs, InP) еще выше, и может составлять приблизительно 26% в выпускаемых серий­но элементах. Однако эти фотоэлементы намного дороже.

Поэтому такие сол­нечные элементы используются преимущественно в космических целях, где цена не является определяющим фактором, а максимальная эффективность и радиационная устойчивость представляются более существенными. Обычно используются монокристаллические элементы на основе InP или GaAs/Ge, из­готовленные с применением эпитаксиальной технологии.

GaAs, в частности, обладает более высокой радиационной стойкостью. Кроме того, снижение эф­фективности фотоэлементов с увеличением температуры для образцов на ос­нове GaAs происходит менее резко, чем на основе других полупроводников.

В области фотоэлектрического преобразования солнечной энергии орга­низуется и проводится целый ряд конференций и выставок. Их них самые важ­ные следующие: «Европейская Фотоэлектрическая Конференция» (EPVC, Ев­ропа), «ІЕЕЕ конференция специалистов в области фотоэлектричества» …

Периодические колебания в поступлении солнечного излучения – боль­шое неудобство в контексте эксплуатации солнечных энергетических систем. Ночью, когда мы в наибольшей степени нуждаемся в электроэнергии, Солнце не светит. Поэтому необходимо накапливать …

Все фотоэлектрические генераторы вырабатывают постоянный ток. Од­нако для последующей работы с произведенной электроэнергией необходимо ее преобразовать в переменный ток и обеспечить получение напряжения, при­годного для изолированных или распределительных электрических сетей. …

Источник: https://msd.com.ua/fotoelektricheskoe-preobrazovanie-solnechnoj-energii/poluchenie-klassicheskix-fotoelementov-na-monokristallicheskom-kremnii/

Монокристаллические солнечные батареи

Солнечные фотоэлементы на основе поли и монокристаллов приобретают все большую популярность. Поэтому важно выяснить, какому типу оборудования отдать свой выбор.

Монокристаллическая солнечная батарея

Выбирая для установки и использования в энергетической системе своего загородного жилища солнечные батареи, обязательно нужно изучить следующие рабочие параметры предлагаемой системы:

1. Ее технические и функциональные характеристики;
2. Указываемая производителем длительность срока службы солнечных панелей в различных природных условиях (данные параметры очень хороши в оборудовании, где местом производства будет указана Германия);
3. Реальные показатели коэффициента полезного действия оборудования, здесь также обязательно надо изучить производительность предлагаемого оборудования в различных погодных условиях, когда активность поступающих солнечных лучей меняется вместе с временем года и погодными условиями;
4. Стоит определиться с типом фотоэлементов, используемых в солнечной электрической системе. На сегодняшний день самыми распространенными стали фотоэлементы на основе ячеек из поли или монокристаллов. Вопрос выбора обычно стоит между двумя этими типами систем.

Поли и монокристаллические фотоэлементы

Отметим, что говоря о различиях, имеется в виду не только разница в технических характеристиках и показателях эффективности, существует отличие и в поведении оборудования в различных широтах при отличающихся погодных условиях.

Итак, чтобы помочь выбрать какие все-таки типы солнечных фотоэлементов (моно или поликристаллические) понадобятся именно в вашем случае, изучим суть вопроса и особенности производства.

Кристаллический кремний и его свойства

Сегодня подавляющее большинство оборудования, преобразующего энергию солнечных лучей в электроток, изготавливается на основе кремния.

К настоящему времени на рынке подобной продукции более 90% занимают солнечные панели, сделанные на основе монокристаллического кремния.

Данный вид солнечных энергетических установок, в первую очередь, предназначен к использованию частными лицами в жилом фонде.

Используемый в производстве солнечных фотоэлементов, кремний имеет различные степени очистки. Градация данного параметра, присваемого качеству кремния, указывает на то, как в структуре его кристаллической решетки упорядочены молекулы.

Механическая обработка монокристаллического кремния

В данном случае, чем качественней и более технически продвинуто производство кремния, тем лучше будет упорядочена молекулярная структура продукции, а значит, и коэффициент полезного действия, создаваемых на его основе, солнечных панелей.

В основном, при ссылке на этот фактор солнечные энергетические установки и делятся на различные виды и типы.

Конечно, добиться в промышленных масштабах отличной упорядоченности молекулярной структуры решетки кремния можно только на производствах с оборудованием и процессами технологий высочайшего уровня, но это очень затратный и дорогостоящий процесс.

Из этого можно сделать вывод, что степень очистки получаемого кристалла кремния не имеет определяющего значения.

Более весомыми параметрами в достигаемой производительности солнечных элементов и определении выбора при приобретении как раз выступают предлагаемая эффективность использования полезной площади оборудования и ее общая экономическая результативность.

Теперь, исходя из описанного выше, можно прийти к выводам, что кристаллический кремний выступает основным действующим элементом всех производимых сегодня солнечных панелей, которые делятся они на монокристаллические и поликристаллические.

Поликристаллический кремний, являющийся основным сырьем для производства фотоэлектричества

Монокристаллические солнечные фотоэлементы

Отличительной чертой, которой обладают монокристаллические панели, которые произведены с использованием кремния (монокристаллического), является их выраженная однородность расцветки рабочей пластины, а также всего внешнего вида. В результате обладания данными параметрами, определяются габариты зерен монокристаллического кремния.

Изготовление фотоэлементов, которые собирают в монокристаллические модули, осуществляется с применением слитков кремния, имеющих цилиндрическую форму.

В процессе производства сам слиток обрабатывается со всех концов, что значительно повышает технические характеристики результативности работы конечного оборудования и его эффективность.

Эта особенность производства влияет на окончательный внешний вид сборки монокристаллов, в результате все составляющие становятся одинаковыми с виду.

Слитки кремния, имеющие цилиндрическую форму

В итоге на выходе мы имеем высокоэффективные работающие солнечные фотоэлементы. Получается, что основное отличие во внешнем виде поликристаллических солнечных батарей от их аналогов, где использовался монокристаллический элемент, заключается в форме его пластины. Монокристаллические пластины в результате производства получают форму псевдоквадрата.

Монокристаллические солнечные элементы, в чем их преимущество в сравнении с другими типами фотоэлементов?

В связи с качественным производством исходного элемента (высокой структурированностью молекулярной решетки монокристаллов) монокристаллические элементы обладают очень высоким коэффициентом полезного действия. Собранные по такому принципу солнечные энергетические установки, на выходе обладают производительностью до двадцати процентов;

Для получения равнозначной мощности необходима установка, размеры которой будут значительно меньше по сравнению с аналогичными видами фотоэлементов, произведенных по менее качественным технологиям.

Это означает, что если вам надо получить установку мощностью производства электрического тока на уровне 20 ватт, будет нужно приобрести и установить кремниевые батареи, которые в размерах будут небольшими;

Монокристаллические солнечные панели, установленные на крыше жилого дома

И еще одно очень важное преимущество — это, конечно же, высокая долговечность эксплуатации такого оборудования. Монокристаллические пластины самые долговечные среди всего предлагаемого на рынке оборудования. При правильной установке и эксплуатации эти пластины верно прослужат вам по своему назначению не менее четверти века.

Монокристаллические солнечные фотоэлементы, в чем их недостатки в сравнении с другими типами фотоэлементов?

В связи с особенностями производства исходного сырья эти панели имеют вполне приличную стоимость покупки. В том случае, если финансовый вопрос для вас имеет первостепенное значение, а коэффициент эффективности – на вспомогательных ролях, то, конечно же, лучше выбрать для себя другие типы установок, например, поли кристаллические;

Значительную потерю производительности панелей, а соответственно всей энергетической установки, может повлечь даже незначительное загрязнение рабочей поверхности, в том числе и затемнение от листьев дерева или других внешних факторов.

В целях нивелирования данного существенного недостатка в цепочке с устанавливаемым оборудованием будет целесообразным установка микроинверторов.

Их применение будет уравнивать функционирование всей системы, вследствие возникновения неравномерности освещения поверхности фотоэлементов.

Микроинвертор AC230V MPPT для солнечных панелей

Поликристаллические фотоэлементы

Солнечные батареи, производимые на основе поли кристаллических кремниевых элементов, созданы и выпущены на рынок сравнительно давно. Впервые они были предложены потребителю еще в 1981 году. В процессе их производства нет необходимости задействовать сложные и дорогостоящие высокотехнологические процессы.

Производством не ставится цель упорядочивания молекулярной структуры решетки кремния. Исходное сырье просто плавят и заливают в готовые формы для отливки. Далее, остывшие блоки делят на пластины стандартных размеров, имеющих правильную форму квадрата.

В результате мы имеем относительно недорогие и простые в использовании поликристаллические фотоэлементы.

В чем же достоинство оборудования на основе поликристаллических элементов?

1. Приобретение и установка такого оборудования не повлечет вашего разорения: в результате выбора этого типа оборудования вы значительно сэкономите, так как в процессе производства довольно серьезно снижаются расходы материалов, дешевле обходится дальнейшая переработка и утилизация;
2. Технологический процесс отличается намного меньшим в процентном соотношении количеством брака.

   Поликристаллическая солнечная батарея для дома

Однако одновременно с этими неоспоримыми достоинствами поликристаллические фотоэлементы имеют и ряд значительных недостатков:

1. Поликристаллические солнечные фотоэлементы хуже противостоят влиянию повышенных температур. Их существенная разница в сравнении с аналогами на основе монокристаллов состоит в том, что влияние высоких температур разрушительно влияет на срок службы всей системы, снижает показатели мощности. Но в связи с тем, что все-таки влияние на функциональные характеристики не столь существенно, особенно заострять на этом внимание нет необходимости;
2. Следующий недостаток — это сниженная эффективность использования полезной площади, занятой под солнечную энергетическую систему поли кристаллических фотоэлементов, которая значительно ниже, чем у аналогичной продукции на монокристаллах. Чтобы получить на выходе те же показатели мощности, придется использовать большее число панелей;
3. Среди существенных недостатков выступают показатели производительности в сравнении с батареями на основе монокристаллов: они значительно ниже – в данном случае цифры составляют от 13 до 18 процентов;

   Поликристаллическая солнечная панель для отопления дома

4. Общий внешний вид конструкции: поли кристаллические панели имеют неоднородную поверхность. Однако, если в процессе монтажа добавить специальные покрытия, этот недостаток совсем не будет заметен внешне.

Итог

В заключение хотелось бы отметить, что, прежде чем выбрать, какие все же типы солнечных батарей необходимы вам, для начала определитесь, в каких условиях будете их использовать, где будете устанавливать оборудование, каким бюджетом вы располагаете.

Самой солнечной электрической системе неважно, какой именно тип панели будет вырабатывать ток, основной фактор здесь – это показатели получаемой на выходе мощности и силы напряжения.

Добиться нужного значения можно, используя оба вида панелей, разница будет лишь в том, какую для этого придется задействовать площадь поверхности.

И поэтому, если вас не особо волнует, какой объем площади будет занят, то без проблем приобретайте батареи на основе поликристаллов, имеющих немного большую площадь фотоэлементов. Такая покупка обойдется вам значительно дешевле.

Источник: https://SolntsePek.ru/solnechnye-kollektory/monokristallicheskie.html

Фотоэлементы на основе тонких пленок полупроводников

Рабочим элементом этих ячеек являются тонкие пленки полупроводников как неорганических, так и органических.

Фотоэлементы на основе аморфного кремния

Тонкие пленки аморфного кремния наиболее часто получают методом осаждения из паровой фазы с использованием плазмы (PECVD). В качестве источника кремния используют силан или его производные.

Температура осаждения 250-400оС, что позволяет использовать в качестве подложек не только металлические ленты, но также стекло и даже полимерные пленки.

В случае гибких подложек, таких как металлические или полимерные ленты, осаждение может проводиться в непрерывном процессе при протяжке ленты-подложки через реактор. Эта технология отличается высокой производительностью, а пленки – соответственно низкой стоимостью.

Аморфный кремний всегда содержит водород в количестве от 5 до 20 ат. %, который блокирует оборванные связи кремния, поэтому он является гидрогенизированной формой кремния. Гидрогенизированный аморфный кремний (aSi:H) является прямозонным полупроводником с шириной запрещенной зоны 1,7 эВ и высоким коэффициентом оптического поглощения (?>105 cm-1 для фотонов с энергией Е>1,7 эВ).

Это означает, что пленка толщиной всего несколько микрон поглотит большую часть солнечного излучения. При легировании пленки аморфного кремния германием ширина запрещенной зоны уменьшается, а при добавлении углерода – увеличивается. Это позволяет создавать солнечные элементы с двумя или тремя гетеропереходами, перекрывающими практически весь солнечный спектр.

Эффективность фотопреобразования таких элементов достигает 12%. Недостатком является деградация физических свойств элемента под действием солнечного излучения – эффект Штеблера-Вронского (the Staebler-Wronski effect).

Чтобы повысить стабильность свойств фотоэлементов в качестве полупроводника используют не аморфный кремний, но двухфазный материал, содержащий включения микро или нано кристаллов кремния в аморфной матрице, который известен как микрокристаллический или нанокристаллический кремний. Такой материал получается при добавлении водорода в реакционную смесь.

При высоком содержании кристаллической фазы свойства материала все больше соответствуют свойствам мультикристаллического кремния. Помимо ячеек на основе двухфазного материала разрабатываются гибридные ячейки: аморфный Si/микрокристаллический (нанокристаллический) Si, которые в литературе называют «микро-морфные» устройства.

Эти устройства обладают более высокой эффективностью и стабильностью, чем устройства на основе только аморфного кремния. Следует отметить, что пленки аморфного кремния нашли и другое применение – в качестве пассивирующего покрытия пластин монокристаллического кремния модулей первого поколения.

Такое покрытие снижает поверхностную рекомбинацию носителей заряда на два порядка, что приводит к существенному повышению эффективности фотопреобразования. Эти элементы разработаны компанией Sanyo (Япония) и получили название  «гетеропереходы с внутренним тонким слоем» («Heterojunction with Intrinsic Thin layer — HIT). Компания Sanyo наладила промышленный выпуск модулей на основе HIT-структуры с эффективностью преобразования 21,5%.

Фотоэлементы на основе кристаллических пленок кремния

Материалом альтернативным и монокристаллическому, и аморфному кремнию являются поликристаллические пленки кремния. Поликристаллический Si устойчив к воздействию солнечного излучения аналогично монокристаллическому материалу и при этом обеспечивает более высокую эффективность фотопреобразования, чем аморфный кремний.

Благодаря высокой электропроводности кремния фотоэлементы на основе поликристаллического материала не требуют применения прозрачного электрода. Однако в таких элементах необходимо использовать светопоглощающий слой, поскольку оптическое поглощение в поликристаллическом кремнии намного меньше, чем в аморфном.

Электрические свойства поликристаллического кремния, в частности время жизни носителей заряда, определяющие эффективность фотопреобразования, зависят от размера и ориентации кристаллитов.

В настоящее время разработано несколько способов производства поликристаллических пленок кремния, например, химическое осаждение из паровой фазы c использованием горячего филамента (hot-wire CVD), или газотранспортный метод с использованием йода.

Оба метода обладают высокой скоростью осаждения – до 3 мкм/мин, однако второй метод имеет некоторые преимущества: он работает при атмосферном давлении и позволяет получать крупнокристаллические пленки с размером кристаллитов 5-20 мкм.

Еще один метод получения поликристаллических пленок кремния – индуцированная металлами кристаллизация аморфной пленки кремния.

В отличие от первых двух методов, когда поликристаллические пленки получаются прямо в процессе осаждения, в этом методе происходит кристаллизация аморфной пленки в результате ее контакта с металлом, который ускоряет кристаллизацию. Типично процесс проводят при температурах 450-600оС и времени от 10 до 70 часов. (Средняя скорость распространения фронта кристаллизации составляет 2-3 мкм/ч при 550оС.) Оказывается, что скорость кристаллизации можно увеличить, если процесс проводить в постоянном электрическом поле умеренной напряженности. Например, при напряженности поля 80 В/см время кристаллизации при 500оС составляет всего 10 мин.

Эффект индуцирования кристаллизации аморфного кремния присущ многим металлам. Эти металлы условно разделяют на две группы: образующие эвтектику с кремнием (например: Al, Au, Ag) и образующие силициды (например: Ni, Pd).

Наиболее интенсивно изучаются такие инициаторы кристаллизации, как Al и Ni, поскольку они широко применяются в технологии полупроводниковых устройств. Несмотря на то, что эффект индуцирования кристаллизации известен около 40 лет, его механизм остается еще во многом непонятным.

Метод индуцированной кристаллизации позволяет получить пленки кремния высокого совершенства, состоящие из больших кристаллитов вплоть до 100 мкм в поперечнике, при этом в ряде случаев получаются текстурированные пленки кремния. 

Кроме этого метода в настоящее время разрабатываются специальные методы, позволяющие получать текстурированные пленки кремния и германия: осаждение на наклонную подложку (Inclined Surface Deposition- ISD), осаждение в присутствии пучка ионов высокой энергии, направленного под определенным углом к подложке (Ion Beam Assisted Deposition — IBAD), осаждение на металлическую подложку с биаксиальной текстурой. Первые два метода отличаются универсальностью и позволяют формировать текстурированные пленки различных материалов практически на любых, в том числе поликристаллических и аморфных, подложках. Недостатками этих методов являются их большая энергозатратность и необходимость использования высокого вакуума, что делает затруднительным промышленное масштабирование этих технологий. Третий метод уже широко используется для формирования текстурированных пленок YBa2Cu3Ox. Высоко ориентированные пленки германия также были получены на биаксиально текстурированных металлических лентах. Это позволило создать солнечный модуль на основе тонких пленок соединений III-V групп с эффективностью 30%. По этой технологии в 2008 году в США организовано промышленное производство солнечных модулей (компания Wakonda).

Фотоэлементы на основе кристаллических пленок CdTe

Теллурид кадмия является одним из перспективных материалов для производства высокоэффективных и дешевых солнечных модулей.

Этот материал является прямозонным полупроводником с большим коэффициентом оптического поглощения (~105 см-1) в видимом диапазоне и имеет почти идеальную ширину запрещенной зоны (1,5 эВ) для ячеек с одним переходом. Благодаря этому пленка CdTe толщиной всего несколько микрон поглощает ~90% солнечного излучения.

В настоящее время разработаны разнообразные промышленно эффективные технологии получения пленок CdTe, такие как сублимация, осаждение из аэрозоля или «мокрая» печать, рост из раствора, электроосаждение, различные физические методы испарения/осаждения.

Все эти методы позволяют получать пленки CdTe большой площади с большой скоростью осаждения: ~1 м2/мин. Рекордная эффективность ячейки на основе CdTe составляет 16,5% (см. рис. 1), модуля коммерческого размера – 11%; а типичные коммерческие модули имеют эффективность 7–9%.

Ячейка на основе CdTe состоит из стеклянной подложки с нанесенным слоем прозрачного проводника (SnO2:F, In2O3 или Zn2SnO4), затем n-CdS (

Источник: http://www.prosolar.ru/fotoelementy-na-osnove-tonkih-plenok-poluprovodnikov/

Что влияет на КПД и эффективность работы солнечных батарей?

Сегодня идёт много разговоров вокруг такого понятия, как КПД гелиосистем. Это один из ключевых критериев при оценке эффективности работы солнечных батарей.

Увеличение этого показателя является главной задачей на пути снижения затрат на преобразование солнечной энергии и расширения использования гелиосистем. Низкий КПД солнечных батарей является их основным недостатком.

Квадратный метр современных фотоэлементов обеспечивает выработку 15─20 процентов от мощности солнечного излучения, попадающего на него. И это при самых благоприятных условиях эксплуатации.

В результате для обеспечения необходимого энергоснабжения требуется установка множества солнечных панелей большой площади. Насколько эффективно такое оборудование и от чего зависит его КПД, постараемся разобраться в этой статье. А также поговорим о сроке службы и окупаемости солнечных панелей.

 

Виды солнечных фотоэлементов и их КПД

В основе функционирования солнечных панелей лежат свойства полупроводниковых элементов. Падающий на фотоэлектрические панели солнечный свет фотонами выбивает с внешней орбиты атомов электроны. Образовавшееся большое количество электронов обеспечивает электрический ток в замкнутой цепи.

Одной или двух панелей для нормальной мощности недостаточно. Поэтому несколько штук объединяют в солнечные батареи. Для получения необходимого напряжения и мощности их подключают параллельно и последовательно.

Большее число фотоэлементов дают большую площадь поглощения солнечной энергии и выдают большую мощность.

Фотоэлементы

Одним из направлений повышения КПД является создание многослойных панелей. Такие конструкции состоят из набора материалов, расположенных слоями. Подбор материалов осуществляется так, чтобы улавливались кванты различной энергии.

Слой с одним материалом поглощает один вид энергии, со вторым – другой и так далее. В результате можно создавать солнечные батареи с высоким КПД. Теоретически такие многослойные панели могут обеспечить КПД до 87 процентов.

Но это в теории, а на практике изготовление подобных модулей проблематично. К тому же они получаются очень дорогие.

На КПД гелиосистем также влияет тип кремния, используемого в фотоэлементах. В зависимости от получения атома кремния их можно разделить на 3 типа:

• Монокристаллические;
• Поликристаллические;
• Панели из аморфного кремния.

Фотоэлементы из монокристаллического кремния имеют КПД 10─15 процентов. Они являются самыми эффективными и имеют стоимость выше остальных. Модели из поликристаллического кремния имеют самый дешевый ватт электроэнергии. Многое зависит от чистоты материалов и в некоторых случаях поликристаллические элементы могут оказаться эффективнее монокристаллов.

Панель из аморфного кремния

Существуют также фотоэлементы из аморфного кремния, на базе которых изготавливают тонкопленочные гибкие панели. Их производство проще, а цена ниже. Но КПД значительно ниже и составляет 5─6 процентов. Элементы из аморфного кремния с течением времени теряют свои характеристики. Для увеличения их производительности добавляют частицы селена, меди, галлия, индия.

Вернуться к содержанию
 

От чего зависит эффективность работы солнечных батарей?

На эффективность работы солнечных батарей оказывают влияние несколько факторов:

• Температура;
• Угол падения солнечных лучей;
• Чистота поверхности;
• Отсутствие тени;
• Погода.

В идеале угол падения солнечных лучей на поверхность фотоэлемента должен быть прямым. При прочих равных в этом случае будет максимальная эффективность.

В некоторых моделях для увеличения КПД в солнечных батареях устанавливается система слежения за солнцем. Она автоматически меняет угол наклона панелей в зависимости от положения солнца.

Но это удовольствие не из дешёвых и поэтому встречается редко.

При работе фотоэлементы нагреваются, и это отрицательно сказывается на эффективности их работы. Чтобы избежать потерь при преобразовании энергии следует оставлять пространство панелями и поверхностью, где они закреплены. Тогда под ними будет проходить поток воздуха и охлаждать их.

Монтаж солнечных батарей

Несколько раз в год обязательно нужно мыть и протирать панели. Ведь КПД фотоэлектрических панелей прямо зависит от падающего света, а значит, от чистоты поверхности. Если на поверхности есть загрязнения, то эффективность солнечных батарей будет снижаться.

Важно сделать правильную установку батарей. Это означает, что на них не должна падать тень. Иначе эффективность системы в целом будет сильно снижаться. Крайне желательно устанавливать фотоэлементы на южной стороне.

Что касается погоды, то от неё также зависит очень многое. Чем ближе ваш регион к экватору, тем большая плотность излучения будет попадать солнечного излучения на панели. В нашем регионе зимой эффективность может упасть в 2─8 раз. Причины как в уменьшении солнечных дней так и в снеге, попадающим на панели.
Вернуться к содержанию
 

Срок службы и окупаемость солнечных панелей

В гелиосистемах нет никаких подвижных механических частей, что делает их долговечными и надёжными. Срок эксплуатации подобных батарей 25 лет и дольше. Если их правильно эксплуатировать и обслуживать, то они могут прослужить и 50 лет.

Кроме этого, в них не бывает каких-то серьёзных поломок и от владельца требуется лишь периодически чистить фотоэлементы от грязи, снега и т. п. Это требуется для увеличения КПД и эффективности гелиосистемы. Длительный срок службы зачастую становится определяющим при решении покупать или нет солнечные батареи.

Ведь после прохождения срока окупаемости, электроэнергия от них будет бесплатной.

Установка солнечных батарей на крыше

На срок окупаемости оказывают влияние следующие факторы:

• Тип фотоэлементов и оборудования. На окупаемость оказывает влияние как величина КПД, так и первоначальная стоимость фотоэлементов;
• Регион. Чем выше интенсивность солнечного света в вашей местности, тем меньше срок окупаемости;
• Цена оборудования и монтажа;
• Цена электроэнергии у вас в регионе.

В среднем срок окупаемости по регионам составляет:

• Южная Европа ─ до 2 лет;
• Средняя Европа – до 3,5 лет;
• Россия ─ в большинстве регионов до 5 лет.

Эффективность солнечных коллекторов для сбора тепла и батарей для получения электрической энергии постоянно увеличивается. Правда не так быстро, как хотелось бы. Специалисты отрасли занимаются повышением КПД и снижением себестоимости фотоэлементов. В итоге всё это должно привести к уменьшению срока окупаемости и широкому распространению солнечных батарей.

Вернуться к содержанию
 

Разработки, направленные на увеличение КПД солнечных батарей

В последние годы учёные по всему миру заявляют о разработке технологий, увеличивающих КПД солнечных модулей. Не все из них являются применимыми к реальным условиям эксплуатации, но некоторые из них заслуживают внимания.

Так, в прошлом году специалисты Sharp разработали фотоэлектрические элементы с эффективностью 43,5 процента. Такое увеличение было получено благодаря установке линзы, которая фокусирует получаемую энергию прямо в элементе.

Устройство фотоэлементов Sharp

Физики из Германии 3 года назад разработали фотоэлемент, площадь которого всего несколько квадратных миллиметров. Он состоит из четырёх слоёв полупроводников. Полученных ими КПД составил 44,7 процента. Здесь эффективность была увеличена за счёт размещения в фокус вогнутого зеркала.

Другие британские специалисты разработали технологию, которая увеличивает эффективность фотоэлементов на 22 процента. На гладкой поверхности гибких панелей они нанесли алюминиевые шипы наноразмера. Алюминий рассеивает солнечный свет, поэтому был выбран он. В результате увеличивается количество энергии солнца, которое поглощается фотоэлементом.

За счёт этого удалось добиться увеличения эффективности.
Так, что специалисты в области солнечных батарей бьются за каждый процент и, возможно, в ближайшем будущем они получат широкое распространение. Если статья оказалась для вас полезной, распространите ссылку на неё в социальных сетях. Этим вы поможете развитию сайта.

Голосуйте в опросе ниже и оценивайте материал! Исправления и дополнения к статье оставляйте в комментариях.

Вернуться к содержанию

Поделиться в социальных сетях!

Источник: http://akbinfo.ru/alternativa/kpd-solnechnyh-batarej.html

Сравнительный обзор различных видов солнечных батарей

Альтернативная энергетика максимально развивается в Европе, показывая результатами свою перспективность. Появляются новые виды солнечных батарей, растет их КПД.

При желании обеспечить работу промышленного здания или жилого помещения за счет энергии солнца необходимо предварительно разобраться в отличиях оборудования, ведь для различных климатических зон используются разные типы солнечных панелей.

Принцип работы солнечных панелей

Подавляющее большинство солнечных панелей являются в физическом смысле фотоэлектрическими преобразователями. Электрогенерирующий эффект возникает в месте полупроводникового p-n перехода.

Именно кремниевые пластины составляют основу себестоимости солнечных панелей, но при их использовании в качестве круглосуточного источника электроэнергии придется дополнительно купить дорогостоящие аккумуляторные батареи

Панель состоит из двух кремниевых пластин с различными свойствами.

Под действием света в одной из них возникает недостаток электронов, а в другой – их избыток. Каждая пластина имеет токоотводящие полоски из меди, которые подсоединяются к преобразователям напряжения.

Промышленная солнечная панель состоит из множества ламинированных фотоэлектрических ячеек, скрепленных между собой и закрепленных на гибкой или жесткой подложке.

КПД оборудования зависит во многом от чистоты кремния и ориентации его кристаллов. Именно эти параметры пытаются улучшить инженеры последние десятилетия. Основной проблемой при этом является высокая стоимость процессов, которые лежат в основе очищения кремния и расположения кристаллов в одном направлении на всей панели.

Ежегодно максимальные КПД различных солнечных панелей изменяются в большую сторону, потому что в исследования новых фотогальванических материалов вкладываются миллиарды долларов

Полупроводники фотоэлектрических преобразователей могут изготавливаться не только из кремния, но и из других материалов. Принцип их работы при этом не изменяется.

Типы фотоэлектрических преобразователей

Классифицируют промышленные солнечные панели по их конструкционным особенностям и типу рабочего фотоэлектрического слоя. Различают такие виды батарей по типу устройства:

Гибкие тонкопленочные солнечные панели постепенно занимают всё большую нишу на рынке благодаря своей монтажной универсальности, ведь установить их можно на большинстве поверхностей с разнообразными архитектурными формами.

Реальные характеристики солнечных панелей обычно ниже, чем указанные в инструкции. Поэтому перед их установкой дома желательно самому увидеть похожий реализованный проект

По типу рабочего фотоэлектрического слоя солнечные батареи разделяются на такие разновидности:

1. Кремниевые:
   • монокристаллические;
   • поликристаллические;
   • аморфные.
2. Теллурий-кадмиевые.
3. На основе селенида индия- меди-галлия.
4. Полимерные.
5. Органические.
6. На основе арсенида галлия.
7. Комбинированные и многослойные.

Интерес для широкого потребителя представляют не все типы солнечных панелей, а только лишь первые два кристаллических подвида. Хотя некоторые другие типы панелей и имеют большие КПД, но из-за высокой стоимости они не получили широкого распространения.

Кремниевые фотоэлектрические элементы довольно чувствительны к нагреву. Базовая температура для измерения электрогенерации составляет 25 °C. При её повышении на один градус эффективность панелей снижается на 0,45-0,5%.

Далее будут подробно рассмотрены солнечные панели, которые представляют наибольший потребительский интерес.

Характеристики панелей на основе кремния

Кремний для солнечных батарей изготавливают из кварцевого порошка — размолотых кристаллов кварца. Богатейшие залежи сырья есть в Западной Сибири и Среднем Урале, поэтому перспективы данного направления солнечной энергетики практически безграничны. Даже сейчас кристаллические и аморфные кремниевые панели занимают уже более 80% рынка. Поэтому стоит рассмотреть их более подробно.

Монокристаллические кремниевые панели

Современные монокристаллические кремниевые пластины (mono-Si) имеют равномерный темно-синий цвет по всей поверхности. Для их производства используется наиболее чистый кремний. Монокристаллические фотоэлементы среди всех кремниевых пластин имеют самую высокую цену, но обеспечивают и наилучший КПД.

Большие монокристаллические солнечные панели с поворотными механизмами идеально вписываются в пустынные пейзажи.

Там обеспечиваются условия для максимальной производительности

Высокая стоимость производства обусловлена сложностью ориентации всех кристаллов кремния в одном направлении.

Из-за таких физических свойств рабочего слоя максимальный КПД обеспечивается только лишь при перпендикулярном падении солнечных лучей на поверхность пластины.

Монокристаллические батареи требуют дополнительного оборудования, которое автоматически поворачивает их в течение дня, чтобы плоскость панелей была максимально перпендикулярна солнечным лучам.

Слои кремния с односторонне ориентированными кристаллами вырезаются из цилиндрического бруска металла, поэтому готовые фотоэлектрические блоки имеют вид закруглённого по углам квадрата.

К преимуществам монокристаллических кремниевых батарей относят:

1. Высокий КПД со значением 17-25%.
2. Меньшая площадь размещения оборудования из расчета на единицу мощности, в сравнении с поликристаллическими кремниевыми панелями.
3. Достаточная эффективность генерации электроэнергии обеспечивается до 25 лет.

Недостатков у таких батарей всего два:

1. Высокая стоимость и длительная окупаемость.
2. Чувствительность к загрязнению. Пыль рассеивает свет, поэтому у покрытых ею солнечных панелей резко снижается КПД.

Из-за потребности в прямых солнечных лучах монокристаллические солнечные панели устанавливаются в основном на открытых площадках или на высоте. Чем ближе местность к экватору и чем больше в ней солнечных дней, тем более предпочтительна установка именно этого типа фотоэлектрических элементов.

Поликристаллические солнечные батареи

Поликристаллические кремниевые панели (multi-Si) имеют неравномерный по интенсивности синий окрас из-за разносторонней ориентированности кристаллов. Чистота кремния, используемого при их производстве, несколько ниже, чем у монокристаллических аналогов.

Разнонаправленность кристаллов обеспечивает высокий КПД при рассеянном свете – 12-18%. Он ниже, чем в однонаправленных кристаллах, но в условиях пасмурной погоды такие панели оказываются более эффективны.

Неоднородность материала приводит и к снижению себестоимости производства кремния. Очищенный металл для поликристаллических солнечных панелей без особых ухищрений заливается в формы.

На производстве используются специальные технические приемы для формирования кристаллов, однако их направленность не контролируется.

После остывания кремний нарезают слоями и обрабатывают по специальному алгоритму.

Поликристаллические панели не требуют постоянной ориентации в сторону солнца, поэтому для их размещения активно используются крыши домов и промышленных зданий.

Днем при легкой облачности преимуществ солнечных панелей из аморфного кремния заметно не будет, их достоинства раскрываются только при плотных тучах или в тени

К достоинствам солнечных батарей с разнонаправленными кристаллами относят:

1. Высокая эффективность в условиях рассеянного света.
2. Возможность стационарного закрепления на крышах зданий.
3. Меньшая стоимость по сравнению с монокристаллическими панелями.
4. Падение эффективности через 20 лет эксплуатации составляет всего 15-20%.

Недостатки у поликристаллических панелей также имеются:

1. Пониженный КПД со значением 12-18%.
2. Требуется больше пространства для установки из расчета на единицу мощности в сравнении с монокристаллическими аналогами.

Поликристаллические солнечные панели завоевывают всё большую рыночную долю среди других кремниевых батарей. Это обеспечивается широкими потенциальными возможностями для удешевления стоимости их производства. Ежегодно увеличивается и КПД таких панелей, стремительно приближаясь к 20% у массовых продуктов.

Солнечные панели из аморфного кремния

Механизм производства солнечных панелей из аморфного кремния принципиально отличается от изготовления кристаллических фотоэлектрических элементов. Здесь используется не чистый неметалл, а его гидрид, горячие пары которого осаждаются на подложку. В результате такой технологии классические кристаллы не образуются, а затраты на производство резко снижаются.

Фотоэлементы из осажденного аморфного кремния можно закреплять как на гибкой полимерной подложке, так и на жестком стеклянном листе

На данный момент существует уже три поколения панелей из аморфного кремния, в каждом из которых заметно повышается КПД.

Если первые фотоэлектрические модули имели эффективность 4-5%, то сейчас на рынке массово продаются модели второго поколения с КПД 8-9%.

Аморфные панели последней разработки имеют эффективность до 12% и уже начинают появляться в продаже, но они пока ещё достаточно дорогие.

За счет особенностей данной производственной технологии создать слой кремния можно как на жесткой, так и на гибкой подложке. Из-за этого модули из аморфного кремния активно используются в гибких тонкоплёночных солнечных модулях. Но варианты с эластичной подложкой стоят намного дороже.

Физико-химическая структура аморфного кремния позволяет максимально поглощать фотоны слабого рассеянного света для генерации электроэнергии. Поэтому такие панели удобны для применения в северных районах с большими свободными площадями. Не снижается эффективность батарей на основе аморфного кремния и при высокой температуре, хотя они и уступают по этому параметру панелям из арсенида галлия.

При одинаковой стоимости оборудования солнечные панели из гидрида кремния показывают большую производительность, чем их моно- и поликристаллические аналоги

Подытоживая, можно указать такие преимущества аморфных солнечных панелей:

1. Возможность изготовления гибких и тонких панелей.
2. Высокий КПД при рассеянном свете.
3. Установка батарей на любые архитектурные формы.
4. Стабильная работа при высоких температурах.
5. Простота и надежность конструкции. Такие панели практически не ломаются.
6. Меньшее падение производительности при запыленности поверхности, чем у кристаллических аналогов

Срок службы таких фотоэлектрических элементов, начиная со второго поколения, составляет 20-25 лет при падении мощности в 15-20%. К недостаткам панелей из аморфного кремния можно отнести лишь потребность в бо́льших площадях для размещения оборудования требуемой мощности.

Обзор бескремниевых устройств

Некоторые солнечные панели, изготовленные с применением редких и дорогостоящих металлов, имеют КПД более 30%. Они в разы дороже своих кремниевых аналогов, но всё-таки заняли высокотехнологичную торговую нишу, благодаря своим особенным характеристикам.

Солнечные панели из редких металлов

Существует несколько типов солнечных панелей из редких металлов, и не все они имеют КПД выше, чем у монокристаллических кремниевых модулей. Однако способность работать в экстремальных условиях позволяет производителям таких солнечных панелей выпускать конкурентоспособную продукцию и проводить дальнейшие исследования.

Панели из теллурида кадмия активно используются при облицовке зданий в экваториальных и аравийских странах, где их поверхность нагревается днем до 70-80 градусов

Основными сплавами, применяемыми для изготовления фотоэлектрических элементов, являются теллурид кадмия (CdTe), селенид индия- меди-галлия (CIGS) и селенид индия-меди (CIS). Кадмий – токсический металл, а индий, галлий и теллур являются довольно редкими и дорогостоящими, поэтому массовое производство солнечных панелей на их основе даже теоретически невозможно.

КПД таких панелей находится на уровне 25-35%, хотя в исключительных случаях может доходить до 40%. Ранее их применяли в основном в космической отрасли, а сейчас появилось новое перспективное направление.

Из-за стабильной работы фотоэлементов из редких металлов при температурах 130-150°C их используют в солнечных тепловых электростанциях. При этом лучи солнца от десятков или сотен зеркал концентрируются на небольшой панели, которая одновременно генерирует электроэнергию и обеспечивает передачу тепловой энергии водяному теплообменнику.

В результате нагрева воды образуется пар, который заставляет вращаться турбину и генерировать электроэнергию. Таким образом солнечная энергия преобразуется в электрическую одновременно двумя путями с максимальной эффективностью.

Полимерные и органические аналоги

Фотоэлектрические модули на основе органических и полимерных соединений начали разрабатывать только в последнем десятилетии, но исследователи уже добились значительных успехов.

Наибольший прогресс демонстрирует европейская компания Heliatek, которая уже оснастила органическими солнечными панелями несколько высотных зданий.

Толщина её рулонной пленочной конструкции типа HeliaFilm составляет всего 1 мм.

При производстве полимерных панелей используются такие вещества, как углеродные фуллерены, фталоцианин меди, полифенилен и другие. КПД таких фотоэлементов уже достигает 14-15%, а стоимость производства в разы меньше, чем кристаллических солнечных панелей.

Остро стоит вопрос срока деградации органического рабочего слоя. Пока что достоверно подтвердить уровень его КПД через несколько лет эксплуатации не представляется возможным.

Преимуществами органических солнечных панелей являются:

• возможность экологически безопасной утилизации;
• дешевизна производства;
• гибкая конструкция.

К недостаткам таких фотоэлементов можно отнести относительно низкий КПД и отсутствие достоверной информации о сроках стабильной работы панелей. Возможно, что через 5-10 лет все минусы органических солнечных фотоэлементов исчезнут, и они станут серьезными конкурентами для кремниевых пластин.

Какую солнечную панель выбрать?

Выбор солнечных панелей для загородных домов на широте 45-60 ° не труден. Здесь стоит рассматривать лишь два варианта: поликристаллические и монокристаллические кремниевые панели. При дефиците места предпочтение лучше отдать более эффективным моделям с односторонней ориентацией кристаллов, при неограниченной площади рекомендуется приобрести поликристаллические батареи.

Ориентироваться на прогнозы аналитических компаний развития рынка солнечных панелей не стоит, ведь лучшие их образцы, возможно, ещё не изобретены

Выбирать конкретного производителя, требуемую мощность и дополнительное оборудование лучше при участии менеджеров компаний, занимающихся продажей и установкой такого оборудования. Следует знать, что качество и цена фотоэлектрических модулей у крупнейших производителей отличаются мало.

Следует учитывать, что при заказе комплекта оборудования «под ключ», стоимость самих солнечных панелей будет составлять всего лишь 30-40% от общей суммы. Сроки окупаемости таких проектов составляют 5-10 лет, и зависят от уровня энергопотребления и возможности продажи излишков электроэнергии в городскую сеть.

Выводы и полезное видео по теме

Представленные видеоролики показывают работу различных солнечных панелей в реальных условиях. Также они помогут разобраться в вопросах выбора сопутствующего оборудования.

Правила выбора солнечных панелей и сопутствующего оборудования:

Виды солнечных панелей:

Тестирование монокристаллической и поликристаллической панелей:

Для населения и небольших промышленных объектов реальной альтернативы кристаллическим кремниевым панелям пока что нет. Но темпы разработки новых типов солнечных батарей позволяют надеяться, что в ближайшие десятилетия энергия солнца станет главным источником электроэнергии во многих загородных домах и дачах.

Источник: http://sovet-ingenera.com/eco-energy/sun/vidy-solnechnyx-batarej.html