Аморфно кристаллические солнечные батареи

Аморфные солнечные батареи: изготовление, преимущества, область применения

Дата публикации: 3 мая 2019

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

Технологии производства солнечных панелей из аморфного кремния

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

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

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

Этапы совершенствования аморфных солнечных батарей из кремния

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

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

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

Плюсы и минусы аморфных солнечных панелей

В числе основных достоинств конструкций из кремния стоит отметить:

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

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

Рекомендации по применению солнечных батарей из аморфного кремния

Благодаря преимуществам устройства можно без ограничений эксплуатировать:

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

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

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

Вам нужно войти, чтобы оставить комментарий.

Источник

Гибкие солнечные панели. Выбор из 6 лучших вариантов

Среди альтернативных источников энергии для частного использования одним из наиболее перспективных вариантов признаны солнечные панели. Это обусловлено разнообразием предложений на рынке, практичностью, простотой построения автономных систем электроснабжения для частных и даже многоквартирных домов.

Гибкие солнечные батареи и жесткие конструкции – разница в технологиях и характеристиках

В сфере солнечных панелей наметилась жесткая конкуренция между:

• С одной стороны – традиционными поликристаллическими и монокристаллическими батареями в исполнении на жесткой раме;
• С другой – гибкими панелями на базе аморфного кремния, полиморфными и полимерными солнечными элементами.

У каждой из групп есть собственные достоинства и недостатки.

Жесткие моно- и поликристаллические кремниевые батареи с 30% и 53% рынка соответственно, пока, безусловно, лидируют. Для такого положения дел есть веские основания:

Именно по этой причине спрос на моно-/поликристаллические солнечные батареи продолжает расти, заинтересованность в них частных покупателей уже практически достигла уровня покупок предприятиями.

Взрывной рост этого спроса сдерживают несколько факторов:

Свои особенности есть и у каждой из разновидностей гибких панелей.

Виды и свойства гибких солнечных панелей

Сегодня разрабатываются и выпускаются несколько принципиально разных видов гибких солнечных батарей. Они отличаются используемыми материалами и технологиями, что, в свою очередь определяет как характеристики, так и особенности монтажа и эксплуатации.

Аморфные панели (элементы из аморфного кремния)

Аморфные гибкие солнечные панели создаются на базе элементов из аморфного кремния (a-Si). Такое название получил гидрид кремния, образующийся в результате распада силана или кремневодорода (SiH4) под воздействием электрического разряда.

Соединение превосходит кристаллический кремний по коэффициенту поглощения – для полного поглощения солнечного излучения достаточно слоя толщиной 0.5-1 мкм по сравнению со 100-300 мкм для кремниевых кристаллов.

Кроме того, достаточно низкая температура осаждения (порядка 150 о С) позволяет формировать пленки необходимой для фотовольтатики толщины не только на металлической или стеклянной, но и на полимерной основе, причем сделать этот процесс непрерывным.

Еще одно достоинство технологии – дешевизна сырья, поскольку для получения кремневодорода не требуется высокая степень очистки кремния. Это позволяет использовать в производстве отходы предприятий металлургической отрасли, поступающие на утилизацию кремниевые солнечные батареи и другие дешевые источники.

Из серьезных недостатков технологии следует выделить:

1. Ускоренную деградацию пленок под воздействием ультрафиолета и высокой температуры, что снижает срок службы панелей до 3-5 лет. Бороться с ним можно применением защищающих от УФИ ламинирующих пленок и применение в конструкции эффективных теплоотводов.
2. Относительно низкий по сравнению с кристаллическим кремнием коэффициент конверсии, что снижает КПД батареи в целом и требует значительного увеличения площади панелей для обеспечения необходимой потребителям мощности генерации. В настоящий момент единственный путь повышения эффективности – совершенствование технологий.

Поколения аморфных солнечных панелей

Сегодня на рынке можно найти устройства уже трех поколений аморфных солнечных модулей.

• 1 поколение создавалось сразу после разработки технологий. Панели характеризовались невысоким коэффициентом преобразования менее 5% и сроком службы порядка 3-5 лет.
• 2 поколение представлено максимально широко (более 70% продаваемых аморфных панелей относятся именно к нему). Их КПД вырос до 8-9%, а срок эксплуатации продлен до 10 лет.
• 3 поколение – наиболее совершенные аморфные батареи. Значительные средства, инвестированные в разработку, позволили получить панели со сроком службы свыше 15 лет и коэффициентом конверсии на уровне 12%, что всего на 20-30% уступает серийным образцам поликристаллических батарей.

Источник

Тонкопленочные модули из аморфного кремния

Большинство доступных сегодня на рынке солнечных панелей можно условно разделить на три типа: монокристаллические,поликристаллические и тонкопленочные. Они отличаются друг от друга технологией производства, внешним видом, производительностью, стоимостью и областью применения. Поли- и монокристаллические панели составляют почти 85% продаж на рынке. А вот тонкопленочные (аморфные) солнечные панели считаются перспективными за счет собственных преимуществ и широкой сферы применения.

Они работают в условиях очень жаркого климата и пасмурной/облачной погоды, особенно эффективны при рассеянном свете, а фотоэлементы небольшого размера на основе аморфного кремния активно используются для бытовых нужд, интегрируются в экстерьер зданий, походные зарядные устройства для гаджетов, карманных калькуляторов.

В течение долгого времени низкая выходная мощность солнечных батарей на основе аморфного кремния ограничивала их использование только для узкого круга применения. Эта проблема частично решилась методом наслоения нескольких аморфных солнечных элементов друг на друга, что повышает их производительность и делает более компактными.

Как сделаны панели из аморфного кремния?

Аморфный кремний (a-Si) является некристаллической формой кремния. Слово «аморфный» буквально означает бесформенный. Такой кремниевый материал не структурирован и не кристаллизован на молекулярном уровне, как в многих других типах солнечных элементов на основе кремния.

Панели из аморфного кремния – это хорошо разработанная технология тонких пленок, которая существует на рынке около двух десятков лет. Такие модули формируются путем оседания из паров кремниевого вещества тонким слоем около 1 микрометра (иногда колеблется от нескольких нанометров до десятков микрометров) на материал подложки, например, стекло или металл. Аморфный кремний может оседать и при очень низких температурах, вплоть до 75°С, что также позволяет наносить его на пластик или другие гибкие материалы, которые пропускают солнечные лучи. Именно благодаря возможности использовать гибкую основу тонкопленочные модули имеют широкую область применения.

В простейшей форме структура аморфного модуля имеет один слой. Но однослойные элементы имеют невысокую выходную мощность. Для большей стабильности необходимо увеличить напряженность электрического поля на материале. Однако из-за этого снижается поглощение света и, следовательно, эффективность работы модулей. Это привело к тому, что индустрия разработала двух- и даже трехслойные устройства, которые содержат контактные модули, расположенные друг над другом.

КПД тонкопленочных панелей из аморфного кремния

Изначально, если сравнивать выходную мощность тонкопленочных панелей и панелей из кристаллического кремния, то цифра говорит не в пользу тонких пленок: 18-22% против примерно 7-8%. Такой низкий коэффициент полезного действия частично обусловлен эффектом Стаблера-Вронского (фотоиндуцированная деградация), который проявляется в первые часы, когда панели подвергаются воздействию солнечного света. Это явление приводит к уменьшению выхода энергии панели из аморфного кремния с 10 до примерно 7 процентов.

Однако с развитием технологий в последние годы эти показатели стремительно улучшаются. Сегодня ученые и инженеры, работающие над усовершенствованием панелей, постепенно довели в лабораторных условиях показатели эффективности аморфных панелей до 12,5%. Эффективность солнечных батарей на основе аморфного кремния, которые производятся в больших объемах, составляет от 6% до 9%.

Сейчас выделяют три поколения тонкопленочных панелей на основе аморфного кремния.

1-е поколение. Сюда относится родоначальник технологии – однопереходная солнечная батарея. Для нее характерны маленький срок эксплуатации (до 10 лет) и низкий уровень производительности (около 5%).

2-е поколение. Та же самая однопереходная солнечная батарея с увеличенным КПД (до 8%).

3-е поколение. Наиболее высокоэффективные на сегодня тонкопленочные аморфные панели со сроком эксплуатации выше 10 лет и уровнем производительности 12-12,5%.

Чаще всего тонкопленочные панели используют для гелиосистем, работающих в промышленных масштабах с зависимыми (ведомыми, grid-tie) инверторами и подающих электричество в общую сеть, поскольку наибольшую эффективность аморфные модули показывают при использовании их в мощных системах (от 10 кВт).

Преимущества аморфных панелей

• Производство элементов из аморфного кремния является безотходным, что существенно уменьшает стоимость тонкопленочных панелей. Поэтому низкая стоимость производства является их основным преимуществом и делает фотомодули из аморфного кремния очень конкурентоспособными на рынке солнечных панелей.
• Подложки/основания аморфных панелей могут быть изготовлены как из металла, так и из недорогих материалов – стекло и пластик.
• Лучшая однородность на больших площадях. Это обусловлено тем, что аморфный кремний сам по себе полон дефектов. Поэтому любые другие дефекты, например, примеси, не слишком сильно влияют на общие характеристики материала.
• Аморфный кремний может быть произведен в виде различных форм и размеров (круглой, квадратной, шестиугольной или любой другой сложной формы). Это делает его идеальной технологией для использования в различных областях применения, таких как питание электронных калькуляторов, солнечные наручные часы, садовые фонари, автомобильные аксессуары.
• Человеческий глаз чувствителен к свету с длинами волн от 400 до 700 нанометров. Поскольку солнечные элементы из аморфного кремния чувствительны к свету с практически одинаковыми длинами волн, это означает, что в дополнение к использованию в качестве солнечных элементов они также могут использоваться в качестве датчиков света (например, наружных датчиков освещения и т. д.).
• Гибкость, легкий вес, простота в монтаже. Прочность и гибкость тонкопленочных панелей из аморфного кремния определяются поверхностями или подложками, к которым прикреплены тонкопленочные солнечные элементы. Гибкий тонкопленочный модуль дает большую возможность конструкторам и установщикам, позволяет быть более креативными, когда дело доходит до применения панелей. Например, они могут быть размещены на изогнутых поверхностях, а среди разработок уже есть даже их применение в одежде.
• Тонкопленочные солнечные элементы работают относительно хорошо при плохих условиях освещения и мало подвержены влиянию затенения, при рассеянном или слабом солнечном свете генерируют на 20% больше энергии в сравнении с кристаллическими панелями. Имеют меньшие потери в мощности в условиях пасмурной погоды. У них выгоднее стоимость на каждый ватт мощности.
• Процесс и технология изготовления солнечных панелей a-Si делает их гораздо менее восприимчивыми к поломке во время транспортировки или установки, чем кристаллические панели. Тонкопленочные аморфные панели реже бывают бракованными.
• Еще одним принципиальным преимуществом этого типа технологий является большая устойчивость к теплу, жаре. К примеру, согласно исследованиям Национальной лаборатории возобновляемой энергии США, было обнаружено, что при повышении температуры фотомодули из аморфного кремния демонстрируют более высокие результаты по производительности, чем панели из кристаллического кремния.
• Для производства тонкопленочных панелей требуется гораздо меньше кремния. Так как аморфный кремний является материалом с прямой запрещенной зоной, для изготовления аморфных модулей требуется всего около 1% кремния, который был бы использован для производства фотоэлементов на основе кристаллического кремния.
• Тонкопленочные панели из аморфного кремния хорошо подходят для солнечных электростанций больших площадей и настенных СЭС.
• Все вышеназванные преимущества могут помочь снизить риск значительных инвестиций в фотоэлектрическую систему с использованием таких панелей.

Недостатки тонкопленочных панелей из аморфного кремния

• Аморфные тонкопленочные солнечные элементы имеют более низкую эффективность, чем моно- и поликристаллические. Попытки ее повысить, например, созданием многослойных модулей или легированием германием для уменьшения ширины запрещенной зоны и дальнейшего улучшения поглощения света, довольно сложный процесс, который делает производство дороже. Если внедрять эти процессы, тонкопленочные панели будут стоить дороже, а значит, потеряют свое конкурентное преимущество.
• Тонкопленочные модули имеют тенденцию разрушаться быстрее, чем моно- и поликристаллические солнечные панели. Ожидаемый срок службы аморфных батарей меньше, чем у кристаллических. Определить насколько – не всегда возможно, особенно с учетом постоянного развития технологий, используемых при производстве тонкопленочных панелей. На сегодняшний день срок службы таких панелей, в среднем, составляет от 10 до 25 лет, а в мощности они теряют примерно от 10 до 40% в первые несколько сезонов, после чего их мощность фиксируется на этом показателе и, как правило, уже не падает. Многие производители обещают к концу срока служба выходную мощность около 80%.
• Большая занимаемая площадь. Нужно покрыть намного большую поверхность (примерно в 2,5 – 3 раза) солнечными панелями из аморфного кремния, чем панелями на кристаллической основе, чтобы получить равную мощность.

Солнечные панели из аморфного кремния постоянно совершенствуются и сегодня обнадеживают своими перспективами. Они легче по весу, более гибки и потенциально дешевле в производстве. С другой стороны, эта технология должна стать более зрелой, чтобы конкурировать с моно- и поликристаллическими солнечными батареями.

Источник