Солнечные батареи оксида кремния

Разбираемся в многообразии видов солнечных панелей

Дата публикации: 30 октября 2013

На вопрос «Что входит в состав системы электроснабжения, питающейся от солнечной энергии?», первое, что хочется ответить – это солнечные батареи. И это, безусловно, окажется правильным ответом. Конечно, подобная система включает в себя не только солнечные панели, туда также входят аккумуляторы, преимущественно гелевые (подробнее здесь), инверторы, контроллеры и другие устройства, каждое из которых выполняет свою функцию. Но солнечная панель – это тот элемент, с которого начинается весь процесс накопления и преобразования солнечной энергии. Вот только выбирая этот незаменимый элемент солнечной системы, каждый покупатель обязательно столкнется с проблемой выбора — «потеряться» в многообразии типов солнечных батарей несложно. Поэтому сегодняшнюю статью мы решили посвятить такой актуальной теме, как виды солнечных батарей.

Сегодня на рынке солнечных модулей представлено несколько различных образцов. Отличаются они друг от друга технологией изготовления и материалами, из которых их производят. На рисунке ниже приведена классификация солнечных батарей.

Солнечные батареи на основе кремния

Батареи, основой которым служит кремний, на сегодняшний день являются самыми популярными. Объясняется это широким распространением кремния в земной коре, его относительной дешевизной и высоким показателем производительности, в сравнении с другими видами солнечных батарей. Как видно из рисунка выше кремниевые батареи производят из моно- и поликристаллов Si и аморфного кремния.

Монокристаллические солнечные батареи представляют собой силиконовые ячейки, объединенные между собой. Для их изготовления используют максимально чистый кремний, получаемый по методу Чохральского. После затвердевания готовый монокристалл разрезают на тонкие пластины толщиной 250-300 мкм, которые пронизывают сеткой из металлических электродов (рис. нарезка). Используемая технология является сравнительно дорогостоящей, поэтому и стоят монокристаллические батареи дороже, чем поликристаллические или аморфные. Выбирают данный вид солнечных батарей за высокий показатель КПД (порядка 17-22%).

Для получения поликристаллов кремниевый расплав подвергается медленному охлаждению. Такая технология требует меньших энергозатрат, следовательно, и себестоимость кремния, полученного с ее помощью меньше. Единственный минус: поликристаллические солнечные батареи имеют более низкий КПД (12-18%), чем их моно «конкурент». Причина заключается в том, что внутри поликристалла образуются области с зернистыми границами, которые и приводят к уменьшению эффективности элементов.

В таблице 1 приведены основные различия между моно и поли солнечными элементами.

Показатель	Моно элементы	Поли элементы
Кристаллическая структура	Зерна кристалла параллельны Кристаллы ориентированы в одну сторону	Зерна кристалла не параллельны Кристаллы ориентированы в разные стороны
Температура производства	1400 °С	800-1000 °С
Цвет	Черный	Темно-синий
Стабильность	Высокая	Высокая, но меньше, чем у моно
Цена	Высокая	Высокая, но меньше, чем у моно
Период окупаемости	2 года	2-3 года

Батареи из аморфного кремния

Если проводить деление в зависимости от используемого материала, то аморфные батареи относятся к кремниевым, а если в зависимости от технологии производства – к пленочным. В случае изготовления аморфных панелей, используется не кристаллический кремний, а силан или кремневодород, который тонким слоем наносится на материал подложки. КПД таких батарей составляет всего 5-6%, у них очень низкий показатель эффективности, но, несмотря на эти недостатки, они имеют и ряд достоинств:

• Показатель оптического поглощения в 20 раз выше, чем у поли- и монокристаллов.
• Толщина элементов меньше 1 мкм.
• В сравнении с поли- и монокристаллами имеет более высокую производительность при пасмурной погоде.
• Повышенная гибкость.

Помимо описанных выше видов кремниевых солнечных батарей, существуют и их гибриды. Так для большей стабильности элементов используют двухфазный материал, представляющий собой аморфный кремний с включениями нано- или микрокристаллов. По свойствам полученный материал сходен с поликристаллическим кремнием.

Из чего делают пленочные батареи?

Разработка пленочных батарей обусловлена:

1. Потребностями в снижении стоимости солнечных батарей.
2. Необходимостью в улучшении производительности и технических характеристик.

На основе CdTe

Исследования теллурида кадмия, как светопоглощающего материала для солнечных батарей начались еще в 70-х годах. В то время его рассматривали как один из оптимальных вариантов для использования в космосе, сегодня же батареи на основе CdTe являются одними из самых перспективных в земной солнечной энергетике. Так как кадмий является кумулятивным ядом, то дискуссии возникают лишь по одному вопросу: токсичен или нет? Но исследования показывают, что уровень кадмия, высвобождаемого в атмосферу, ничтожно мал, и опасаться его вреда не стоит. Значение КПД составляет порядка 11%. Согласитесь, цифра небольшая, зато стоимость ватта мощности таких батарей на 20-30% меньше, чем у кремниевых.

На основе селенида меди-индия

Как понятно из названия, в качестве полупроводников используются медь, индий и селен, иногда некоторые элементы индия замещают галлием. Такая практика объясняется тем, что большая часть производящегося на сегодня индия требуется для производства плоских мониторов. Именно поэтому с целью экономии индий замещают на галлий, который обладает схожими свойствами. Пленочные солнечные батареи на основе селенида меди-индия имеют КПД равный 15-20%. Следует иметь в виду, что без использования галлия эффективность солнечных батарей возрастает примерно на 14%.

На основе полимеров

Разработка данного вида батарей началась сравнительно недавно. В качестве светопоглощающих материалов используются органические полупроводники, такие как полифенилен, углеродные фуллерены, фталоцианин меди и другие. Толщина пленок составляет 100 нм. Полимерные солнечные батареи имеют на сегодняшний день КПД всего 5-6%. Но их главными достоинствами считаются:

• Низкая стоимость производства.
• Легкость и доступность.
• Отсутствие вредного воздействия на окружающую среду.

Применяются полимерные батареи в областях, где наибольшее значение имеет механическая эластичность и экологичность утилизации.
В таблице 2 приведены обобщенные данные о КПД разных видов солнечных батарей.

КПД солнечных элементов, выпускаемых в производственных масштабах
Моно	17-22%
Поли	12-18%
Аморфные	5-6%
На основе теллурида кадмия	10-12%
На основе селенида меди-индия	15-20%
На основе полимеров	5-6%

Надеемся, что теперь Вы ясно представляете себе, из чего делают поли- и монокристаллические, пленочные, полимерные солнечные батареи и другие. Эта информация поможет Вам сделать правильный выбор при покупке солнечных модулей. Ведь система энергопотребления, основанная на солнечной энергии, является долговременной инвестицией. Переходя на альтернативные, в частности, солнечные источники энергии, Вы не только снижаете свои затраты на потребляемые энергоресурсы, но и делаете ощутимый вклад в чистоту окружающей нас среды.

Статью подготовила Абдуллина Регина

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