Меню

Аморфный кремний для солнечных батарей

Плюсы и минусы солнечных батарей из аморфного кремния

Кремниевые солнечные батареи, основу которых составляет аморфный кремний, являются результатом технологического совершенствования методик изготовления солнечных элементов. Это, преимущественно, тонкопленочные модели. Если сравнивать их с «классическими» на основе кристаллов, технологии их изготовления имеют существенные отличия. Аморфный кремний, вещество, которому можно придать любую желаемую форму — парообразующий гидрид. Его горячие пары остаются на подложке, а образования обычных кристаллов не происходит. Это обеспечивает резкое снижение производственных затрат.

Аморфный и кристаллический кремний: главное отличие

Аморфные солнечные панели обладают существенным отличием от моно- и поликристаллических. Оно заключается в том, что прямой поток света, исходящий от Солнца, таким батареям не требуется. Они прекрасно генерируют рассеянный свет, исходящий от светила, которое закрыто облаками.

Благодаря гибкости, на них легко наносятся современные полупроводниковые элементы. Они могут эффективно работать в условиях сильной загазованности воздушной среды. Или на производстве, где воздух, по тем или иным причинам, перенасыщен аэрозольными веществами.

Из истории создания

Это может показаться удивительным, но сейчас уже начинают активно совершенствовать третье поколение таких панелей.

Коротко обо всех трех можно рассказать таким образом:

  • Поколение №1 — солнечная батарея с одним переходом. Минус — срок работы не более десяти лет и низкая производительность с 5%-м КПД.
  • Поколение №2 — также элементы с одним переходом, но срок работы стал вдвое больше — 20 лет, а КПД увеличился до 8.
  • Поколение №3 — высокоэффективные тонкопленочные батареи с КПД до 12%. Могут работать еще более длительное время. Считается, что они имеют в перспективе очень большое будущее.

Кстати, благодаря широким возможностям технологии, кремниевый слой напыляется и на жесткое, и на гибкое основание. Именно поэтому в тонкопленочных моделях напыление применяется чаще всего. Хотя стоят они, конечно, очень дорого.

Аморфные солнечные батареи обладают удивительной способностью к поглощению неяркого, рассеянного светового потока. Они активно применяются в тех регионах, где преобладает прохладная и пасмурная погода. При высоких температурах они не теряют уровня своей производительности. Хотя панели из арсенида галлия по-прежнему их в этом превосходят.

Подводя итоги: достоинства аморфных аккумуляторов и их дальнейшие перспективы

Итак, кремниевые солнечные батареи с уникальным свойством аморфности имеют следующие перспективные преимущества:

  1. Меньше нагреваются при высокой температуре. Следовательно, не теряют производительности, перерабатывая большее количество электроэнергии. Эффективность кристаллических модулей при сильном нагреве, как известно, резко снижается, со значительной потерей мощности.
  2. Больше вырабатывают энергии при слабом уровне света. Кристаллические солнечные батареи в условиях рассеянного светового потока уже могут перестать работать вообще. Аморфные модули в условиях дождя и облачности накапливают на 10-20% больше энергии.
  3. Они почти незаметны на зданиях. Размер их минимален, а внешний вид, похожий на пленку или тонкое стекло, легко можно скрыть или замаскировать.
  4. У них минимум брака, так как производство гораздо более простое. Кристаллические же модули свариваются между собой методом пайки. И это — до сих пор их слабое место, которое исправить невозможно.
  5. Они лучше переносят временное или частичное затенение и теряют при этом меньше мощности.

На фоне всех неоспоримых преимуществ недостаток у таких панелеи всего один, но пока еще весьма существенный. КПД у них, в любом случае, меньше, чем у кристаллов — как минимум, в 2 раза. Это является основным препятствием для их широкого применения.

Сфера применения

Несмотря на меньший показатель КПД, по сравнению с кристаллическими солнечными аккумуляторами, аморфные модели уже постепенно находят достойную нишу применения.

Как уже было отмечено, их рекомендуется использовать там, где часто наблюдается облачная и пасмурная погода. Они будут неплохо работать в условиях рассеянного или отраженного света. Также годятся они и для жаркого климата, так как лучше переносят нагревание и теряют при этом меньше мощности.

При необходимости интеграции аккумуляторов в здание такой вариант становится просто незаменимым, так как при первом взгляде от тонированных стекол их не отличить. Они дают широкий простор дизайнерским и архитектурным решениям, если речь идет о современных зданиях, в конструкцию которых они прекрасно впишутся. Это отличная отделка фасадов, которые при желании могут быть частично прозрачными.

Уровень деградации у аморфных модулей аналогичен кристаллическим. Считается, что за десятилетний период применения показатель их мощности снизится только на 10% (по одному проценту в год), со сроком работы до 25 лет. Конечно, они не могут быть использованы в качестве постоянных источников энергии. Но роль альтернативных ее накопителей выполняют очень даже неплохо.

Читайте также:  Как проверить работоспособность солнечной панели

Источник

Солнечные батареи из аморфного кремния: плюсы и минусы

Помимо классических монокристаллических и поликристаллических панелей, несколько лет назад большой популярностью начали пользоваться солнечные батареи из аморфного кремния. Долгое время они практически не применялись, причиной чему был крайне низкий КПД. Однако с переходом на тонкопленочную технологию изготовления производительность A-Si значительно выросла. Сегодня их широкое использование базируется на удачном соединении низкой себестоимости.

Панели из кристаллического и аморфного кремния – главные отличия

Несмотря на использовании во всех трех типах батарей одинакового полупроводникового материала – кремния – Moni-Si, Poli-Si и A-Si имеют одно важное конструктивное отличие. Заключается оно в форме поглощающей фотоны поверхности.

  1. Moni-Si. В монокристаллических ячейках игольчатые поверхности кристаллов расположены под одним углом. По этой причине при строго вертикальном падении лучей уровень генерации таких ячеек максимален, но при малейшем отклонении угла от 90° эффективность резко падает.
  2. Poli-Si. Из-за иной технологии выращивания кристаллов их поглощающие грани размещены разнонаправлено. Это несколько снижает коэффициент поглощения солнечной энергии при прямом падении лучей, но повышает при угловом.
  3. A-Si. Солнечные батареи из аморфного кремния обладают «рыхлой» поверхностью, под электронным микроскопом напоминающей пену. Главное ее преимущество – практически неизменный показатель поглощения, независимо от углов наклона к солнцу и азимута на него. В ясную погоду это качество является негативным. Но в регионах с преобладанием пасмурных дней среднегодовая производительность A-Si имеет хорошие показатели. Несмотря на достаточно низкий (в сравнении с поли- и монокристаллом) номинальный КПД.

Более эффективен последний тип батарей и в условиях постоянной загазованности окружающей среды, а также в местностях с частыми пылевыми бурями.

Краткая история совершенствования панелей из аморфного кремния

В качестве полупроводника этот материал впервые привлек внимание ученых только в 1980-х. Такое внимание он заслужил рядом уникальных свойств, главными из которых была простота производства и возможность создавать токопроводящие поверхности любого размера.

Поначалу аморфный кремний использовался исключительно в электронном оборудовании, и только к концу 20 века были изготовлены первые фотоэлектрические элементы на его основе. За последующие 20 лет было создано три поколения солнечных батарей A-Si, каждое из которых существенно превосходило предыдущее.

  • Первое поколение – однопереходные ячейки. Плюс – дешевое производство. Минус – срок службы около 10 лет и КПД менее 5%.
  • Второе поколение – усовершенствованная модификация ранних моделей. Плюс – увеличение срока службы до 20 лет. Минус – все еще низкая эффективность порядка 8%.
  • Третье поколение – принципиально новая технология. Аморфный кремний стал наноситься на подложки путем испарения с последующей конденсацией. Плюс – новые панели стали гибкими и долговечными. Минус – КПД пока так и не достиг уровня кристаллической фотовольтаики, хотя и поднялся до 14-16%.

Тем не менее, даже при такой эффективности батареи A-Si начали конкурировать с монокристаллическими и поликристаллическими аналогами. Характерен один из экспериментов, проведенный Институтом Высоких Температур (ИВТАН) в Москве. На одном из зданий было установлено два типа панелей – монокристаллических и аморфных. В условиях мегаполиса, расположенного в умеренно высоких широтах, оба типа батарей сгенерировали за год:

  • A-Si – 726 кВт*ч / 1кВт;
  • Moni-Si – 689 кВт*ч / 1кВт.

При этом номинальный КПД первых составлял всего 14,8%, а вторых – 22,9%.

Отдельно стоит выделить гибридную технологию гетероструктурных батарей, когда солнечные элементы формируются и на основе аморфного кремния, и кристаллического кремния. Такой подход позволяет повысить генерацию при экстремально высоких и низких температурах, а также в условиях низкой освещенности (в сравнении с моно/поли), а в обычных условиях — генерировать больше, чем чистый аморфный кремний. Такую технологию производства солнечных батарей использует, в том числе, и отечественная компания Хевел.

Достоинства и недостатки аморфного кремния – краткие итоги

Среди основных преимуществ таких солнечных батарей можно выделить следующие:

  1. Минимальный температурный коэффициент. Высокие температуры практически не оказывают влияния на эффективность панелей A-Si. Если у монокристаллов нагревание рабочей поверхности выше 25°C приводит к падению КПД на 0,5% каждый градус, то у тонких аморфных пленок этого не наблюдается.
  2. Высокий уровень генерации при слабом освещении. В условиях облачности, рассеивания света пылью или газами и при низко стоящем солнце A-Si на 15-20% производительнее, чем, соответственно, Poli-Si и Moni-Si. Они продолжают генерировать энергию даже при сильном дожде, когда выработка моно- и поликристаллов падает практически до нуля.
  3. Незаметность. Особенности строения, малая толщина и отсутствие кристаллической решетки делают солнечные панели из аморфного кремния похожими на полупрозрачную полимерную пленку. Похожими свойствами обладают и перспективные модели других типов тонкопленочных батарей, но последние гораздо менее эффективны.
  4. Отсутствие брака. Процедура изготовления A-Si не требует использования пайки – наиболее «слабого места» традиционных типов фотовольтаики. Несмотря на дешевизну, высокую скорость и простоту производства, бракованные аморфные пленки практически не встречаются.
  5. Слабая реакция на частичное затенение. Еще одна огромная проблема традиционных СЭС, никак не затрагивающая аморфный кремний. Падение тени на любую часть панели A-Si незначительно влияет на ее работоспособность.

Единственным недостатком этой разновидности батарей является пока еще недостаточная удельная мощность. Но вероятность ее выхода на КПД солнечной батареи около 20% уже в следующем поколении очень высока.

Области применения

Сферы использования панелей из аморфного кремния диктуется их главными достоинствами. Наиболее часто пленки A-Si рекомендуются к применению в следующих случаях:

  • значительной загазованности и/или запыленности воздуха;
  • преобладания неблагоприятных погодных условий, прежде всего частой облачности и осадков;
  • высоких среднегодовых температур окружающей среды;
  • сложности или инженерная нецелесообразность установки панелей в оптимальное положение относительно солнца;
  • при стремлении использовать полупроводниковые элементы в качестве полупрозрачных стекол или пленки – довольно частое дизайнерское решение в современном мире.
Читайте также:  Электропитание дома от солнечных батарей

Как основной источник энергии батареи из аморфного кремния пока малоэффективны. Однако в качестве альтернативного ее поставщика – особенно в паре с аккумуляторами – их применение встречается все чаще.

Источник

Достоинства, недостатки и перспектива аморфных солнечных батарей

Технологии, позволяющие изготавливать аморфные солнечные батареи, постоянно совершенствуются. Это может в ближайшем будущем рынок переориентировать в их направлении.

Описание

В данное время они представлены уже третьим поколением. Достоинством второго считают низкую стоимость при идентичной с модулями кристаллическими мощности. Поэтому именно они получили широкое распространение. Кремния для их получения необходимо меньше в 10 раз.

Модели, относящиеся к третьему поколению, характеризуется увеличенным периодом эксплуатации и КПД, доведенным до 12%.

Важно: фотоэлектрические модули тонкопленочные модули считаются главным кандидатом для массового производства, возможным уже в недалеком будущем, несмотря на недостатки и то, что сегодня лидерство удерживают кристаллические аналоги (80% рынка).

Поколения аморфных панелей

Очень скоро стремительное развитие пленочных аморфных модулей может изменить сложившуюся ситуацию на рынке.

Сегодня их представляют три поколения:

  • к первому принадлежат однопереходные, минусом которых был короткий срок эксплуатации: после 10 лет работы они приходили в негодность. Помимо этого их КПД был чрезвычайно низким – 5%;
  • они же, но с вдвое большим КПД (8%) и более продолжительным сроком действия;
  • устройства третьего поколения могут вполне конкурировать с аналогами, поскольку имеют достаточно высокий КПД – порядка 12%. Они прослужат намного дольше предшественников.

Кроме них имеются варианты комбинированные, которые образуют как элементы кристаллические, так и аморфные. Однако их стоимость высока, поэтому широкого применения они не получили.

Второе поколение панелей аморфных

Как говорилось уже, они сегодня наиболее распространены. Объясняется это их невысокой стоимостью, объясняемой небольшим количеством используемого кремния, в сравнении с поли- и монокристаллическими батареями, и неплохими параметрами мощности.

Преимущества

Перед аналогами кристаллическими у тонкопленочных аморфных панелей немало преимуществ:

  • лучшая производительность при высоких температурах эксплуатации. Благодаря меньшей зависимости от нагрева, они более эффективны, чем кристаллические в теплое время. Понятно, что мощность при нагреве они теряют, но не столь сильно, как привычные солнечные панели, у которых она может сокращаться на 20%.

Способны они вырабатывать электроэнергию при недостаточной освещенности, поэтому более эффективны, в сравнении с кристаллическими аналогами, в дождливую погоду, в сумерки и снегопады.

Аморфные системы продолжают вырабатывать электричество в то время, когда ее генерировать прекращают классические кристаллические конструкции. Они вырабатываю его больше на 20%, чем аналоги.

  • допускают скрытую установку;
  • стоят меньше, поскольку невысоки затраты на производство. Выгодная стоимость каждого Ватта также объясняется вливанием значительных инвестиций, что позволяет наращивать их выпуск и снижать цену;
  • высокая гибкость и малая толщина делают проще монтаж, ремонт и обслуживание;
  • менее зависимы от затенения и попадание грязи на лицевую поверхность, в то время как производительность кремниевых от этого снижается на 25%;
  • Минимум дефектов. Процесс создания рассматриваемых модулей очень простой. Благодаря отсутствию необходимости в пайке для соединения модулей между собой (они формируются сразу в единую конструкцию), в готовых изделиях меньше дефектов.
Читайте также:  Суперконденсаторы для солнечных батарей

Недостатки, как видно, с лихвой перекрываются достоинствами панелей.

Недостатки модулей аморфных

Главной негативной особенностью аморфных кремниевых солнечных батарей считают невысокий КПД, который вдвое меньше, чем у аналогов кремниевых (в условиях близких к идеальным).

Кроме того, у них есть и другие минусы:

  • значительно большие, чем у аналогов, размеры;
  • защищенные с двух сторон стеклом, они приобретают значительную итоговую массу. Недостаток, к слову, постепенно нивелируется благодаря развитию технологий.

У кремниевых панелей недостатков не меньше.

Недостатки кремниевых устройств

Материал этот очень дорого стоит, поскольку для нужной степени очистки ему необходимо пройти несколько стадий очистки. При его резке большое количество превращается в отходы – стружку.

К тому же, энергия не вся превращается в электрическую под воздействием света: она частично обратно отражается от поверхности, другая ее часть, не поглощаясь и не преобразуясь, проходит «наружу».

Рекомендуем:

  • Работа солнечных батарей ночью и в пасмурную погоду
  • Монокристаллические солнечные панели: сравнение с аналогами, достоинства, цена — ТОП-6
  • Тонкопленочные солнечные батареи: достоинства и недостатки, цена, характеристики

Кроме этого, она способна приводить к тепловым колебаниям в кристаллической решетке и тратиться на процесс рекомбинации, т.е. уничтожения электронов с «дырками», что сопровождается выделением тепла.

Все это негативно отражается на КПД ФЭП, снижает его до 15% (в редких случаях до 22%).

Область использования

Рекомендуется использовать эту разновидность солнечных модулей при:

  • высокой облачности;
  • жаркой погоде, когда разогреваются модули до 60 градусов;
  • отсутствие ограничений по площади конструкции и ее весу;
  • при необходимости интегрирования непосредственно в постройку.

Кроме этого, аморфные солнечные батареи можно устанавливать в проемы оконные (вместо стекол) и монтировать на фасады зданий, что открывает неограниченные возможности для дизайнеров. Но, элементы должны отличаться определенной степенью прозрачности (для стекол он составляет 5-20%, без потери процентной выработки электричества).

Дополнительное использование

Отличная гибкость открывает возможности использования их в легкой промышленности. Их применяют в качестве вспомогательного материала при эксклюзивном пошиве сумочек и предметов одежды.

Деградация

Она соответствует уровню этого показателя у панелей кристаллических, и снижается менее чем на 10% на протяжении 10 лет эксплуатации, на 20% — после 25 летней «службы».

Особенности конструкции

Для подложки этой разновидности солнечных панелей применяют:

  • стекло особой очистки;
  • специальных марок керамика;
  • кристаллы сапфиров искусственных и иные гибкие материалы, способные пропускать лучи солнца.

Изготовление

Для изготовления полупроводникового преобразователя подходит только тщательно очищенный кремний. Форма его имеет, как правило, вид цилиндра с диаметром всего в десятки миллиметров.

Его режут на тончайшие диски, составляющие микроны по толщине, которые затем легируют, нанося на поверхность примеси металлические и иные.

В кремниевой пластине образуются области, насыщенные по-разному «дырками» и электронами. Другими словами, имеющие «дырочную» p-проводимость и n-проводимость электронную.

Под «дырками» понимают металл, из которого примесями частично удалены электроны, т.е. это «положительная» зона, или p-проводимость.

Комбинируя составом, очередность нанесенных слоев и их толщиной, получают гетеро — или p-n-переходы, т.е. у пластин появляется способность выдавать электричество при облучении светом.

По этому принципу созданы были первые ФЭТ – преобразователи фотоэлектрические, КПД которых достигали почти 30% при нормальных условиях и порядка 22% — при высокой температуре.

Изготовление ФЭП аморфных

Сырьем для главного слоя служит силан-крмнийводород (SiH4). После обработки кремния водородом, получают гидрогенизированный кремний.

В закрытой камере на силан воздействуют, перед нанесением на аморфный кремний, тлеющим электрическим разрядом. Испаряясь, кремневые пары осаждаются на подложку. Слой получается микронной толщины.

Поскольку производство безотходное, стоимость готовой продукции низкая. Модули изготавливать можно площадью в несколько метров квадратных.

Гидрогенизаций добиваются полупроводниковых свойств у тончайших пленок.

Купить

Недорого аморфные солнечные батареи купить можно в интернет-магазинах:

Видео: О технологии получения аморфного кремния

Автор и редактор обзоров по гаджетам и новой техники. Ведет работы по написанию свежих рейтингов к публикациям, проверки достоверности и актуальности информации уже опубликованных статей. Отвечает на вопросы в комментариях, пишет на авто темы.

Источник