Солнечные батареи второго поколения

Поколения солнечных батарей

Гелиоэнергетика еще очень молодая. Ей нет еще и семидесяти лет. Первые солнечные батареи были изготовлены на основе полупроводниковых диодов из кремния. Как это не удивительно, даже атомные станции построили раньше, не говоря уже о тепловых или использующих силу воды или ветра. Самые «древние» солнечные батареи представляли собой громоздкие металлические ящики, закрытые с одной стороны стеклом. Для прочности конструкции перпендикулярно длине были размещены покрытые светоотражающим материалом ребра жесткости, которые в электрической схеме выполняли роль положительного электрода. Рабочая поверхность изготавливалась из кремния двух типов – электронного и дырочного. Солнечный свет, подходя к границе соприкосновения двух разных материалов, создавал разность потенциалов, то есть электрическое напряжение. Роль отрицательного электрода выполнял металлический лист под первым слоем кремния. Первые солнечные элементы производили постоянный ток напряжением в пять десятых Вольта.

Совершенствование солнечных батарей шло по 3 направлениям:

• улучшение характеристик фотоэлементов;
• применение автоматических систем разворота панелей;
• решение проблемы охлаждения рабочей поверхности.

В каждой из перечисленных областей сменилось уже несколько поколений воплощенных инженерных решений, причем у разных производителей определенные модели могли сочетать «продвинутый» привод разворота и примитивный фотоэлемент или отличный полихромный кремневый диод и «слабую» систему охлаждения.

Рост эффективности фотоэлементов

Сегодня рынок предлагает для массового потребителя модели солнечных батарей с коэффициентом полезного действия в 3 раза превышающим показатели сорокалетней давности. Это подтверждает значительные успехи в совершенствовании используемых фотоэлементов. В начале двухтысячных годов на мировом рынке появились тонкопленочные многослойные панели, эффективность которых превышала 20%.

Требование рынка получить дешевый материал для фотоэлементов способствовало появлению массового производства панелей из поликристаллического кремния. По показателям эффективности это был явный шаг назад, однако низкая себестоимость таких элементов делает их востребованными по сей день. Кроме того, этот вид панелей более восприимчив к рассеянному солнечному свету. Такое качество позволяет применять батареи из поликристаллического кремния в местности, где часто пасмурно.

Спрос на солнечные батареи, которые можно смонтировать на неровной поверхности без разрушения структуры, породил целый класс изделий, которые принято называть гибкими панелями. Производят их на современных роботизированных линиях путем последовательного нанесения двух полупроводников и защитного слоя на сверхпрочную пленку.

Новинкой на сегодняшний день является солнечная панель, которая использует фотоэлементы, где нижним электронным слоем выступает традиционный кремний, а «дырочным» — минерал, названный в честь русского геолога и коллекционера Перовского. Титанат кальция обладает более высокой пропускной способностью для фотонов, поэтому солнечные батареи с ним лучше работают зимой и в пасмурную погоду. Производство перовскита в несколько раз дешевле получения пластин из кремния, что открывает новые перспективы в удешевлении солнечной энергии для массового потребителя. Большой прогресс достигнут также в напылении различных покрытий на первый слоя полупроводника.

Совершенствование поворотных устройств – трекеров

Одна из главных проблем в разработке солнечных батарей связана с постоянным движением Солнца по небосклону. Как спроектировать систему, которая бы постоянно поворачивала рабочую поверхность под нужным углом и при этом стоила недорого?

Максимальные показатели достижимы только при строго перпендикулярном расположении по отношению к солнечным лучам. При повороте на 45 градусов эффективность работы панели падает на одну треть. Самой совершенной представляется система с электронными датчиками, которая отслеживает положение Солнца в течение дня и по временам года, и разворачивает панель в трех плоскостях при помощи электроприводов. К этому идеалу инженеры стремятся уже 50 лет. С точки зрения механики проблем нет, но если доля трекеров в структуре себестоимости товара превышает 30% — это сводит к нулю возможность конкуренции с другими производителями.

Дополнительные трудности создает ветровая нагрузка. Солнечные батареи размещаются обычно на открытой местности или на крышах домов, и в силу конструктивных особенностей имеют большую парусность. Для борьбы с ветром приходится жертвовать коэффициентом полезного действия и предусматривать жесткое крепление без поворотных механизмов либо монтировать различные варианты перевода панелей в аварийное положение. На сегодняшний день компромиссным и доступным вариантом является панель, которая поворачивается в одной плоскости при помощи электродвигателя.

Эволюция систем охлаждения

Каждые 2 градуса повышения температуры рабочей поверхности солнечной батареи сулят уменьшение ее эффективности на 1 процент. Задача инженеров – не допустить перегрева полупроводниковых пластин, но при этом добиться максимального «потребления» солнечного света.

Первое решение этой проблемы лежало на поверхности. Подвести воду к нижней поверхности подложки полупроводника и отбирать тепло также, как это происходит в двигателе внутреннего сгорания автомобиля. Однако есть одно существенное отличие: солнечная батарея с жидкостным охлаждением не имеет радиатора с вентиляторами. Теплая вода используется для бытовых нужд.

Солнечные батареи последнего поколения

В одной из новых разработок ученых из Калифорнии проблема перегрева пластин полностью снимается с повестки дня. Изобретатели решили не охлаждать полупроводники, а не допускать повышения их температуры. Путь инфракрасному излучению преграждает кварцевое стекло толщиной в несколько микрон, отформованное в виде цепочки тысяч маленьких пирамид. Через эту преграду легко проходят фотоны света, которые «бьют» по электронам двухслойной поверхности, вызывая их отрыв, и возникновение электрического напряжения. В солнечных батареях нового поколения обязательно будут реализованы решения, основанные на отличии в способности к преломлению у волн разной длины.

Одним из перспективных направлений развития альтернативной энергетики является соединение в рамках одного устройства фотоэлементов и полимерных пленок, которые способны вырабатывать электричество при нагревании. Главным недостатком подобного оборудования, предлагаемого сегодня на рынке, является высокая цена. Прирост по энергии не превышает 25%, а себестоимость увеличивается на 50%. Потребителями гибридных панелей могут стать горожане, у которых ограничено место под размещение солнечных батарей, что стимулирует их готовность платить за любой прирост КПД.

Самым последним поколением солнечных батарей принято считать устройства, появившиеся в 2016 году на рынке. Это полупроводники, заключенные во влагозащищенный прочный корпус в виде конуса. Каждый фотоэлемент «обслуживается» несколькими линзами, через которые направляется свет. Охлаждение достигается за счет вращения вокруг своей оси на сложной системе, использующей магниты. Автономный датчик «следит» за положением Солнца и передает данные в управляющий блок, который дает команду на разворот плоскости с фотоэлементами, регулирует положение линз, следит за температурой рабочей поверхности. Каждый узел системы представляет собой независимую станцию по выработке электричества, а вариативность их подключения дает возможность регулировать напряжение и силу тока. Кроме футуристического внешнего вида конусные батареи имеют 2 преимущества: не требуют много места для размещения и легко монтируются. Недостатком является высокая цена, по которой эти установки предлагаются потребителям. В рекламных буклетах производителей утверждается, что при выходе на объем производства продукции, превышающий в натуральном выражении 10000000 штук, стоимость выработки 1 кВт электроэнергии приблизится к десяти центам.

Несмотря на множество интересных разработок, приходиться констатировать, что прогресс в области совершенствования солнечных батарей идет достаточно медленно по сравнению, например, со средствами связи или компьютерной техникой. Отражением данного факта является достаточно высокая цена панелей и долгий срок окупаемости бытовых электростанций.

Источник

Из чего делают солнечные батареи: особенности строения различных поколений панелей

До недавних пор на вопрос «из чего делают солнечные батареи» существовал всего один ответ – из кремниевых ячеек в жесткой раме с толстым защитным стеклом. Сегодня ситуация кардинально изменилась, хотя панели на основе кремния по-прежнему занимают большую часть мирового рынка. При изготовлении фотовольтаики дома, из подручных материалов, такие ячейки также применяются чаще других. Однако перспективные разработки последних лет создаются на совершенно иных технологиях и значительно отличаются от старых моделей конструктивно.

Краткая история модифицирования: три поколения солнечных батарей

Специалисты разделяют все фотоэлектрические устройства, способные поглощать световые фотоны и преобразовывать их в электрический ток, на три поколения.

1. Из чего состоят солнечные батареи первого поколения

Конструктивно такие модули состоят из следующих элементов:

• металлического листа-основы – базового контакта;
• нижнего присадочного слоя кремниевого полупроводника с преобладанием электронов n-типа – за счет добавления фосфора;
• верхнего кристаллического слоя, насыщенного электронами р-типа – обычно, путем легирования бором;
• антиотражающего покрытия – для максимизации поглощения излучения;
• тонкого металлизированного контакта сеточного типа с проводом для замыкания сети;
• толстого защитного стекла – как правило, сверхпрочного закаленного;
• обрамляющей рамы.

Толщина монокристаллических Mono-Si или поликристаллических Poli-Si кремниевых пластин в ячейках составляет около 200-300 мкм. Срок службы оценивается в 20-25 лет, с падением производительности в среднем на 0,5% ежегодно. КПД при идеальных условиях освещения достигает 22-24% и резко снижается при высоких температурах либо частичном падении освещенности.

2. Из чего сделаны солнечные батареи второго поколения

Следующее поколение батарей использует тот же физический принцип p/n перехода, однако создано на базе комбинаций редкоземельных элементов (реже – аморфного кремния). Вспомогательные конструкционные элементы панелей в большинстве случаев те же – металлическая основа, антиотражающая пленка и защитное стекло. Однако все чаще появляются и безрамные конструкции, а также тонкопленочные варианты, способные сворачиваться в рулоны и изгибаться под любыми углами.

Наиболее частыми полупроводниками для ячеек таких батарей служат:

• аморфный кремний a-Si;
• теллурид кадмия (CdTe);
• селенид индия/галлия/меди (CIGS).

Иногда на предложение привести примеры, из чего делают солнечные батареи тонкопленочного типа, профильные специалисты приводят и другие, более экзотические варианты. Однако их совокупная доля не превышает 0,1% и используется преимущественно в лабораторных исследованиях.

Название «тонкопленочные» происходит от значительно меньшей толщины рабочих слоев – от 1 до 3 мкм, что почти в 100 раз меньше, чем у кремниевой «классики». КПД при идеальных условиях тонких пленок составляет 16-20%. Однако при рассеянном свете и/или больших углах падения излучения панели CdTe / CIGS могут быть более эффективны.

3. Из чего состоит солнечная батарея третьего поколения

Принцип действия панелей 3-го поколения по-прежнему фотоэлектрический, но конструкция принципиально иная. Полупроводниковые материалы в них, за исключением квантовых точек, не используются вовсе, уступая место органике и полимерам.

Такие батареи часто не имеют ни рамы, ни защитного стекла, печатаются на 3D-принтерах либо изготавливаются методом травления, подобно компьютерным платам.

Главное их достоинство – фантастическая дешевизна производства, широчайшие возможности геометрии и прозрачность. Третье поколение – это панели ближайшего будущего, которые будут повсеместно встраиваться в дома, окна, одежду и даже мельчайшие бытовые предметы.

Основной недостаток на сегодня – низкий КПД, составляющий от 0,1 до 7%.

Полупроводниковые материалы – из чего делают солнечные батареи сегодня

Основными полупроводниковыми материалами, которые используются для производства 99% фотоэлектрических ячеек на современном мировом рынке, являются:

1. Монокристаллический кремний — Выращивается в виде крупных кристаллов по методу профессора Чохральского. Далее кремниевые цилиндрические «чушки» режутся на очень тонкие диски толщиной 0,2-0,4 мм и подвергаются специализированной химической обработке. Практически готовые ячейки обтачиваются, шлифуются, покрываются защитным покрытием и металлизируются. При желании сделать солнечную батарею своими руками такие фотоэлектрические элементы покупаются в магазине, а остальные детали моноблока изготавливаются самостоятельно из подручных материалов.
2. Поликристаллический кремний — Производится в металлургических тиглях более дешевым методом направленной кристаллизации (block-cast). После расплава кремниевого сырья его медленно остужают, что приводит к образованию «игольчатых» разнонаправленных кристаллов. В эксплуатации такая поверхность чуть хуже монокристалла при идеальной освещенности, но более эффективна в остальных случаях. По этой причине, устанавливая комплект батарей на крышах, на южные скаты часто монтируют Mono-Si, а на юго-западные и юго-восточные – Poli-Si.
3. Аморфный кремний – из чего делают солнечные батареи этого типа Основой батарей данного типа служит гидрогенезированный кремний с большим коэффициентом лучевого поглощения. Современные модели комбинируют из нескольких слоев, обогащенных германием и углеродом. Это позволяет устранить главный недостаток панелей a-Si – быструю деградацию ячеек.

Такая модификация носит название уже не аморфного, а микроморфного кремния и показывает КПД до 12%. Низкая эффективность компенсируется дешевизной производства, поскольку на такие ячейки элементов требуется в 200 раз меньше полупроводника чем для Mono-Si или Poli-Si.

4. Из чего сделаны тонкопленочные солнечные батареи CdTe

Теллурид кадмия считается лучшим однопереходным полупроводниковым материалом по совокупности трех показателей – поглощающая способность, надежность, стоимость. CdTe значительно производительнее кремния и намного дешевле более эффективных пленок на базе дорогостоящих германия и индия.

Подложка пленки может быть не металлической, а стеклянной, а сами ячейки – полужесткими или гибкими. CdTe отличается стабильностью, долговечностью, малой чувствительностью к изменению освещения и быстро растущим КПД новых поколений модулей.

5. Особенность строения солнечных панелей типа CIGS

Основой батарей на сульфидах редкоземельных элементов является композитное смешение галлия, индия и меди. Такие панели являются «чемпионами» по КПД и стойкости, но стоят очень дорого.

Коммерческое применение пока ограничено только космосом и авиационной отраслью, поскольку добыча индия и галлия на планете ограничена всего несколькими сотнями тонн в год. Даже если бы все они пошли на изготовление батарей, общая мощность панелей едва достигла бы 10 ГВт.

6. Из чего состоят солнечные батареи типов GaAs и InP

Базовыми редкоземельными элементами этой группы панелей служат арсенид галлия GaAs и фосфид индия InP. Отличительная черта обоих вариантов ячеек – практически полное сохранение КПД при температурах в несколько сотен градусов Цельсия.

Применение их на земле финансово нецелесообразно, но практически все солнечные панели космических спутников, зондов, МКС и телескопов сделаны именно на их основе. Теоретический КПД этой группы, при условии использовании в конструкции дополнительных концентраторов, может достигать 85%. Практические рекорды сегодня колеблются в зоне 35-45%.

7. Из чего делают органические солнечные батареи

Несмотря на низкий КПД (лабораторный рекорд на сегодня – 10,8%, коммерческие прототипы – до 7%) панели на органической основе 3-го поколения сегодня активно исследуются. Для полимеров органического происхождения характерны следующие важные черты:

• простота и дешевизна создания;
• отсутствие проблем с утилизацией;
• неограниченность сфер применения;
• возможность изготовления в прозрачном виде.

Подобные панели практически невесомы, а при использовании технологии «tandem solar batteries» (тандемное соединение) их можно встраивать в окна и регулировать прозрачность.

8. Из чего состоят солнечные батареи на красителях

Конструктивно в них присутствует тонкая стеклянная подложка и напыляемая токопроводящая «краска». Ее основой является нанокристаллические «катод» и «анод», а также неагрессивный электролит – например, диоксид титана. Удобство использования состоит в возможности получения любых цветовых оттенков и нанесения на любые поверхности сверхтонким слоем.

9. Особенности солнечных батарей с квантовыми точками

Последний перспективный вид батарей ближайшего будущего построен на свойствах физических квантовых точек – микроскопических включений полупроводников в тот или иной материал. Геометрически такие «точки» имеют размер в несколько нанометров и распределяются в материале так, чтобы охватить поглощение излучения всего солнечного спектра – ИК, видимого света и УФ.

Огромным преимуществом подобных панелей является возможность работать даже ночью, генерируя около 40% максимальной дневной мощности.

Физико-технические характеристики, сертификация и маркировка

Независимо от того, из чего сделаны солнечные батареи, каждая из них обладает рядом следующих важных характеристик:

• механические – геометрические параметры, общая масса, тип рамы, защитного стекла, количество ячеек, вид и ширина коннекторов;
• электрические или вольтамперные – мощность, напряжение холостого хода, сила тока при максимальной нагрузке, эффективность панели в целом и отдельных ячеек в частности;
• температурные – изменение КПД при повышении температуры на определенную единицу величины (обычно – 1 градус);
• качественные – срок службы, скорость деградации ячеек, присутствие в рейтинговых списках Bloomberg;
• функциональные – необходимость и удобство ухода, простота монтажа/демонтажа.

Промышленные солнечные панели, из каких бы материалов они не были сделаны, обязательно должны быть сертифицированы. Минимальными требованиями являются сертификаты качества ISO, СE, TUV (международные) и/или Таможенного союза (при продаже в его пределах).

Обязательной является и международные правила маркировки. Например, аббревиатура CHN-350M-72 содержит следующие сведения:

• CHN – идентификатор компании-изготовителя (в данном случае – китайской СhinaLand);
• 350 – мощность панели в ваттах;
• M – обозначение монокристаллического кремния;
• 72 – число фотоэлектрических ячеек в модуле.

Из чего можно сделать солнечные батареи своими руками дома

Для этого необходимо следующее:

1. Предварительно начерченная схема и проведенные расчеты.
2. Определенное количество солнечных ячеек заводского изготовления – купить их дешевле всего в сети, например, на сайте Aliexpress или в других сетевых магазинах. Обращайте внимание на то, чтобы все элементы имели одинаковые электрические характеристики.
3. Самодельный каркас из бруса и фанеры – правила его сборки можно посмотреть на многочисленных видео в сети.
4. Оргстекло или плексиглас для поверхностного защитного покрытия.
5. Краска и термостойкий клей для обработки деревянных поверхностей.
6. Контактные полосы и провода для соединения ячеек. Схемы различные способов соединения также можно изучить в интернете.
7. Паяльник и припой. Паяльные работы следует проводить очень внимательно, чтобы не испортить будущее изделие.
8. Силиконовый клей и саморезы для закрепления сборной батареи в каркасе.

Небольшая батарея потребует около 30-50 долларов вложений, в то время как заводской вариант аналогичной мощности обойдется всего на 10-20% дороже. Разумеется, подобная самодельная конструкция не прослужит 25 лет, не будет обладать мощностью полноценной солнечной электростанции и не сможет похвастаться значительным КПД. Однако стоимость ее будет минимальной настолько, насколько это возможно.

Источник