Солнечные элементы

Как работают солнечные элементы и их основные показатели

Солнечные элементы

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
Читайте также:  Ибп в качестве источника электроэнергии

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 7673 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 элемент

СлойЗапрещенная 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 элементов

    Тип 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
Читайте также:  Электронное реле для чайника

Оригинал статьи:

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

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

Виды элементов солнечных батарей, их особенности и нюансы использования

Солнечные элементы с каждым днем все активнее используются в промышленных и индивидуальных энергосистемах. Об их преимуществах и экономических выгодах известно всем.

Это и независимость от центрального энергоснабжения, и снижение коммунальных расходов, и экологичность, и простота использования.

А вот какими бывают солнечные модули, как их изготавливают, и, главное, как им удается превращать энергию солнца в электричество, – об этом большинство людей знают гораздо меньше.

Принцип действия и фотоэффект

Итак, самое главное – принцип работы солнечных элементов.

Со стороны все выглядит по меньшей мере загадочно и непонятно: на небольшую пластину просто светит солнце, а индикатор напряжения показывает наличие тока! На самом деле в основе работы таких элементов лежит явление, открыто и изученное достаточно давно.

Это явление – фотоэффект. Суть его и заключается в том, что некоторые виды материалов (их называют полупроводниками) способны вырабатывать постоянный ток под воздействием обычных солнечных лучей.

Происходит это таким образом. Электроны определенных веществ (к примеру, кремния, из которого и производят фотоэлементы) способны поглощать энергию солнечного потока. За счет этого они получают дополнительный импульс и покидают свои орбиты. Таким образом образуется направленный поток электронов, то есть – постоянный фототок.

Но не все так просто. Получить этот эффект можно только, объединив полупроводники двух типов, с p- и n-проводимостью. Первый тип отличается недостатком электронов, второй – их избытком. В результате получаются двухслойные солнечные элементы, состоящие из помещенных один на другой разнопроводимых полупроводников.

Работают фотоэлементы следующим образом. На n-проводник (его располагают вверху структуры) падают солнечные лучи и выбивают электроны с их атомарных орбит.

За счет дополнительного энергоимпульса они переходят в p-проводник (ширину зоны перехода подбирают небольшой, чтобы электроны смогли ее преодолеть) и формируют направленный поток.

По сути, такой двухслойный элемент для солнечных батарей представляет собой нечто вроде электродной батареи, причем в роли катода выступает n-вещество, а в роли анода – p-вещество. Для снятия фототока к полупроводниковым пластинам припаивают тонкие проводники и нагрузку.

В качестве p-/n-полупроводников применяют главным образом кремний с разными добавками. Объясняется это тем, что кремний очень легко добывать и обрабатывать в промышленных масштабах, это не требует особых затрат.

Поэтому несмотря на кажущуюся невысокую эффективность таких солнечных батарей (порядка 20%) для массового производства применяют именно это вещество.

Фотоэлементы на основе других соединений отличаются большим КПД (свыше 40%) но их массовое изготовление пока нерентабельно.

На основе кремния выпускаются элементы солнечных батарей трех типов: из поликристаллов, из монокристаллов и на тонких пленках. У каждой из этих разновидностей батарей свои рабочие показатели, особенности и сферы использования.

Читайте также:  Пробник электрика

Фотоэлементы из поликремния

Ячейки из поликристаллов кремния имеют квадратную форму и неоднородную поверхность темного (иногда – почти черного) оттенка.

Это объясняется тем, что при выращивании поликристаллов получают заготовки в форме призмы с квадратным сечением.

Неоднородность поверхности и структуры определяется тем, что состоят такие заготовки из множества разнородных кристалликов. Кроме того, в поликремнии обязательно присутствует некоторая доля примесей.

КПД таких ячеек несколько ниже, чем у монокристаллических. Если производительность монопанелей превышает 20%, то для полимодификаций она составляет примерно 17-18%.

Однако при этом стоимость их несколько ниже, поэтому купить элемент солнечной батареи из поликремния можно дешевле.

Связано это с тем, что выращивание поликристаллов требует меньших производственных затрат, более того, иногда их получают путем переработки старых фотопанелей или кремниевых отходов.

За счет неравномерной структуры такие ячейки неравномерно поглощают солнечный свет. С одной стороны, это приводит к значительным потерям отраженной энергии, но с другой снижает их зависимость от движения Солнца по небосводу.

Фотоэлементы из монокремния

Солнечные элементы, изготовленные из монокристаллического кремния, очень легко узнать. Их отличают насыщенный, равномерный синий цвет и однородная поверхность.

Такие ячейки производят из монокристаллов высокочистого кремния (порядка 99,99%), поэтому они обладают строгой кристаллографической структурой и более высокими эксплуатационными показателями. Кроме того, ячейки из монокремния имеют так называемую «песвдоквадратную» форму (как правило – со срезанными углами, иногда – форму многоугольника).

Объясняется это тем, что для монокристаллов кремния характерна призматическая форма, сечением которой и является многоугольник. А готовые фотоячейки получают при помощи поперечной нарезки монокристалла.

Свойства фотоэлементов из монокремния

Из всех существующих сегодня элементов солнечной батареи моноячейки обладают наибольшей производительностью.

Связано это с тем, что их однородная структура равномерно поглощает солнечный свет и также равномерно преобразует его в фототок.

Отражающие потери лучей при этом минимальны, поэтому энергоэффективность такого элемента зависит только от свойств кристалла (количества и качества примесей, соблюдения технологии выращивания и т.д.).

Особенности солнечных батарей на монокристаллах:

  • Равномерность выходных параметров при различных погодных условиях. Современные монопанели практически не теряют своей эффективности при высокой облачности, как это было ранее.
  • Возможность использования в мороз. Моноячейки сохраняют свой КПД и при минусовых температурах, поэтому все солнечные батареи всесезонного использования комплектуют именно такими элементами.
  • Способность выдержать небольшой изгиб. За счет равномерной структуры моноячейки обладают незначительной гибкостью. Это свойство иногда используется при монтаже гелиопанелей.

Цена солнечных элементов из монокремния лишь незначительно выше поликристаллических аналогов.

Фотоэлементы из аморфного кремния

Солнечные ячейки из аморфного кремния также называют «гибкими панелями». Это название полностью отражает все их особенности, и прежде всего – гибкую тонкопленочную структуру.

Производят такие ячейки путем вакуумного напыления полупроводников на тонкопленочную подложку. Обычно используют аморфный кремний, но нередко применяют и теллурид кадмия или селенид меди-индия.

Кроме того, ведутся разработки и по использованию органических материалов.

КПД гибких элементов определяется веществом полупроводника. Для кремниевых изделий он несколько ниже (порядка 10%), для батарей на более современных материалах (селенидах или теллуридах) он достигает 15-20%.

Особенности тонкопленочных элементов:

  • Возможность монтажа на любых криволинейных формах;
  • Высокая энергогенерация при рассеянном освещении (за счет этого их общая производительность в определенных условиях мало уступает кристаллическим аналогам);
  • Минимальная толщина (порядка 1мкм);
  • Малая себестоимость производства и невысокая итоговая стоимость;
  • Высокая энергоэффективность в мощных системах (более 10 кВт).

Тонкопленочные солнечные батареи широко используют в регионах с преобладанием пасмурных погодных условий и в очень жарких странах, а также в космической промышленности. Единственный недостаток этих батарей – их размеры, при одинаковой мощности на выходе гибкие панели почти в два раза больше кристаллических.

Фотоэлементы из транзисторов

Еще одна разновидность элементов для солнечных батарей – фотоэлементы из старых транзисторов. Такие солнечные ячейки проще всего сделать своими руками, достаточно взять полупроводниковые транзисторы и аккуратно снять с них крышечки, чтобы открыть p-n-переход.

Энерговыработка транзисторного элемента минимальна, но их вполне можно объединять в блоки, увеличивая тем самым выходные параметры.

Конечно, домашнюю электростанцию из таких модулей собрать не получится, а вот использовать их для подзарядки, например, светильников, часов или небольших аккумуляторов вполне возможно.

Источник: http://solarb.ru/vidy-elementov-solnechnykh-batarei-ikh-osobennosti-i-nyuansy-ispolzovaniya

Строение и принцип работы солнечного элемента

В солнечных элементах и панелях (батареях) солнечных элементов для получения электрического тока используется энергия Солнца – мощность потока солнечного излучения на один квадратный метр составляет примерно 1350 Ватт.

Принцип действия солнечного элемента

Строение простого солнечного элемента и основной принцип его действия следующие. Берется обычный полупроводник – две пластины, присоединенные друг к другу.

Они изготовлены из кремния с добавлением в каждую из них определенных примесей, благодаря которым получаются элементы с нужными свойствами: первая пластина имеет избыток валентных электронов, у второй же, наоборот, их недостаточно.

В итоге, в полупроводнике есть слой отрицательно заряженный и слой положительно заряженный, т.е. слои «n» и «p».

На самой границе соприкосновения этих пластин находится зона запирающего слоя.

Этот слой препятствует переходу избыточных электронов из слоя «n» в слой «p», где электронов не хватает (места с отсутствующими электронами называют дырками).

Если подключить к подобному полупроводнику внешний источник питания («+» к «p» и «-» к «n»), то внешнее электрическое поле заставит электроны преодолеть замыкающую зону и через проводник потечет ток.

Нечто подобное происходит и при действии солнечного излучения на солнечный элемент.

Когда фотон света влетает в слои «n» и «p», он передает свою энергию высвобождаемым электронам (находящимся на внешней оболочке атомов), а на их месте появляется дырка.

Электроны с полученной энергией свободно преодолевают запирающий слой полупроводника и переходят из слоя «p» в слой «n», а дырки, наоборот, переходят из слоя «n» в слой «p».

Этому переходу электронов их области «p» в область «n» и дырок из области «n» в область «p» также способствуют электрические поля положительных зарядов, находящийся в зоне «n» проводника и отрицательных – в зоне «p», которые будто втягивают в себя, одни – электроны, другие – дырки. В итоге, слой «n» приобретает дополнительный отрицательный заряд, а «p» – положительный. Результатом этого явления будет появление в полупроводнике разности потенциалов (напряжения) между двумя пластинами близкой к 0.5 В.

Сила электрического тока, который может генерировать солнечный элемент, изменяется пропорционально количеству захваченных поверхностью фотоэлемента фотонов.

Этот показатель, в свою очередь, также зависит от множества дополнительных факторов: интенсивности светового излучения, площади фотоэлемента, времени эксплуатации, КПД устройства, зависит от температуры (при ее повышении, проводимость фотоэлемента значительно падает).

Вот почему нужно помнить о следующем: солнечные элементы (фотоэлементы, батареи) не способны быть очень мощными, они не могут работать в непрерывном режиме (через естественную смену дня и ночи), для стабилизации основных параметров – силы тока и напряжения – появляется необходимость в использовании дополнительных устройств (стабилизаторы, аккумуляторы и т.д.).

Но как дополнительный источник электроэнергии они прекрасно могут использоваться в тех местах, где требуются небольшие мощности и нет возможности подключится к городской электромагистрали.

При совмещении работы солнечного элемента и электрического аккумулятора, получается полностью автономная система электроснабжения, которую можно использовать в районах с хорошей солнечной освещенностью и потребностью в малых электрических мощностях.

Строение солнечного элемента

На изображении, показанном выше, можно видеть, что верхний слой p-n перехода, который имеет избыток электронов, соединен с металлическими пластинами, которые выполняют роль положительного электрода, пропуская свет и добавляя элементу дополнительную жесткость. Нижний слой в конструкции солнечного элемента имеет недостаток электронов, к нему приклеена сплошная металлическая пластина, выполняющая функцию отрицательного электрода.

Считается, что в идеале солнечная батарея имеет близкий к 20% КПД. Однако на практике и по данным специалистов сайта www.sun-battery.biz он примерно равен всего 10%, при том, что для некоторых солнечных батарей он больше, для некоторых меньше.

В основном это зависит от технологии, по которой выполнен pn переход. Наиболее применяемыми и имеющими наибольший процент КПД, продолжают быть солнечные батареи, изготовленные на основе монокристалла или поликристалла кремния.

Причем вторые из-за относительной дешевизны становятся все более распространенными.

К какому типу конструкции солнечная батарея относится можно определить невооруженным глазом. Монокристаллические имеют исключительно черно-серый цвет, а модели на основе поликристалла кремния выделяет синяя поверхность.

Поликристаллические солнечные батареи изготавливаются методом литья, они оказались дешевле в производстве.

Однако и в поли-, и в монокристаллических пластин есть один недостаток – конструкции солнечных батарей на их основе не имеют гибкости, которая в некоторых случаях нужна.

Ситуация изменилась с появлением в 1975 году солнечного элемента на основе аморфного кремния, активный элемент которого имеет толщину от 0,5 до 1 мкм и обеспечивает ей гибкость. Толщина обычных кремниевых элементов достигает 300 мкм.

Однако, несмотря на свойство аморфного кремния поглощать свет, которая примерно в 20 раз выше, чем у обычного кремния, эффективность солнечных батарей такого типа не превышает 12%.

Для моно-и поликристаллических вариантов он может достигать 17% и 15% соответственно.

Материал, из которого изготовлены пластины, влияет на характеристики солнечных батарей.

Чистый кремний в производстве пластин для солнечных батарей практически не используется.

Чаще всего в качестве добавок для изготовления пластины, которая производит положительный заряд, используется бор, а для отрицательно заряженных пластин – мышьяк.

Кроме них при производстве солнечных батарей все чаще используются такие компоненты, как арсенид, галлий, медь, кадмий, теллурид, селен и другие. Благодаря им солнечные батареи становятся менее чувствительными к перепадам окружающих температур.

Большинство солнечных батарей могут накапливать энергию, представляя собой так называемые системы.

Учитывая, что солнечные элементы производят электрический ток только при прямом воздействии солнечных лучей или света, ночью или в пасмурный день они становятся практически ненужными. С системами на солнечных батареях все по-другому.

Они оборудованы аккумулятором, способным накапливать электрический ток днем, когда солнечная батарея его производит, а ночью накопленный заряд может отдаваться потребителям.

Источник: http://radiofishka.in.ua/ru/content/stroenie-i-princip-raboty-solnechnogo-elementa

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector