Кремний используется для строительства 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.

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.

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

Методы производства солнечных элементов

Более 85% солнечных батарей производятся на основе моно и поли кремния. Технология их производства достаточно трудная, длительная и энергоемкая. Но обо всем по порядку.

Основные этапы изготовления солнечных монокристаллических элементов:

Получение «солнечного» кремния.

В качестве сырья используется кварцевый песок с высоким массовым содержанием диоксида кремния (SiO₂). Он проходит многоступенчатую очистку, чтобы избавиться от кислорода. Происходит путем высокотемпературного плавления и синтеза с добавлением химических веществ.

Выращивание кристаллов.

Очищенный кремний представляет собой просто разрозненные куски. Для упорядочивания структуры и выращиваются кристаллы по методу Чохральского. Происходит это так: куски кремния помещаются в тигель, где раскаляются и плавятся. В расплав опускается затравка – так сказать, образец будущего кристалла. Атомы, располагаются в четкую структуру, нарастают на затравку слой за слоем. Процесс наращивания длительный, но в результате образуется большой, красивый, а главное однородный кристалл.

Обработка.

Этот этап начинается с измерения, калибровки и обработки монокристалла для придания нужной формы. Дело в том, что при выходе из тигля в поперечном сечении он имеет круглую форму, что не очень удобно для дальнейшей работы. Поэтому ему придается псевдо квадратная форма. Далее обработанный монокристалл стальными нитями в карбид — кремниевой суспензии или алмазно — импрегнированной проволокой режется на пластинки толщиной 250-300 мкм. Они очищаются, проверяются на брак и количество вырабатываемой энергии.

Создание фотоэлектрического элемента.

Чтобы кремний мог вырабатывать энергию, в него добавляют бор (B) и фосфор (P). Благодаря этому слой фосфора получает свободные электроны (сторона n-типа), сторона бора – отсутствие электронов, т.е. дырки (сторона p-типа). По причине этого между фосфором и бором появляется p-n переход. Когда свет будет падать на ячейку, из атомной решетки будут выбиваться дырки и электроны, появившись на территории электрического поля, они разбегаются в сторону своего заряда. Если присоединить внешний проводник, они будут стараться компенсировать дырки на другой части пластинки, появится напряжение и ток. Именно для его выработки с обеих сторон пластины припаиваются проводники.

Сборка модулей.

Пластинки соединяются сначала в цепочки, потом в блоки. Обычно одна пластина имеет 2 Вт мощности и 0,6 В напряжения. Чем больше будет ячеек, тем мощнее получится батарея. Их последовательное подключение дает определенный уровень напряжения, параллельное увеличивает силу образующегося тока. Для достижения необходимых электрических параметров всего модуля последовательно и параллельно соединенные элементы объединяются. Далее ячейки покрывают защитной пленкой, переносят на стекло и помещают в прямоугольную рамку, крепят распределительную коробку. Готовый модуль проходит последнюю проверку – измерение вольт — амперных характеристик. Все, можно использовать!

Соединение самих солнечных батарей тоже может быть последовательным, параллельным или последовательно-параллельным для получения требуемых силы тока и напряжения.

Наглядное видео о этапах автоматической сборки, включая: пайку, ламинирование, коммутацию ячеек, установку распределительной коробки, стекла и алюминиевой рамы:

Производство поликристаллических батарей отличается только выращиванием кристалла. Есть несколько способов производства, но самый популярный сейчас и занимающий 75% всего производства это Сименс — процесс. Суть метода заключается в восстановлении силана и осаждении свободного кремния в результате взаимодействия парогазовой смеси из водорода и силана с поверхностью кремниевых слитков, разогретой до 650-1300°C. Освободившиеся атомы кремния, образовывают кристалл с древовидной (дендритной) структурой.

Тонкопленочные батареи производятся в основном по технике испарительной фазы. Сырьем для аморфных фотопреобразователей является кремневодород (силан, SinH_2n+2). Он напыляется на материал подложки (стекло, керамика, металлические или полимерные ленты и пр.) слоем менее 1 мкм. Водород в составе аморфного кремния (5-20%) меняет его электрофизические свойства и придает ему полупроводниковые качества.

Производство аморфных преобразователей значительно проще кристаллических: без труда создаются пластины площадью более 1 м при температурах осаждения всего 250-400°C. К тому же их полупроводниковыми свойствами можно управлять, подбирая соединения компонентов пленки для получения требуемых параметров.

Технология производства солнечных CIGS батарей тоже заключается в напылении полупроводников. Делается это с помощью вакуумных камер и электронных пушек. Медь (Cu), индий (In) или галлий (Ga) напыляются путем последовательного осаждения на подложку из стекла, покрытой молибденом слоем в 1 мкм. Полученная структура обрабатывается парами селена (Se).

Есть еще один способ изготовления CIGS батарей – метод трафаретной печати или струйного напыления. Основан он на использовании суспензии из частиц металлических оксидов. Ее вязкость позволяет получать как бы чернила для печати. «Бумагой» же могут быть разные материалы: стекло, фольга, пластик.

Метод трафаретной печати для изготовления тонкопленочных батарей используется только известными «солнечными» производителями. Имеет такие преимущества, как высокий коэффициент использования материалов (от 90%), сравнительная дешевизна оборудования, приличный КПД готового продукта – 14%.

Производство кристаллов арсенид галлия, может осуществляться, как и монокристаллов кремния, методом Чохральского — горизонтальной или вертикальной направленной кристаллизации. Кристаллы получаются путем вытягивания их вверх от свободной поверхности большого объёма расплава с инициацией начала кристаллизации путём приведения затравочного кристалла. На картинке приведены схемы выращивания.

Источник