Из чего состоит фотоэлемент солнечной батареи. Производство фотоэлементов для солнечных батарей
Основой любой установки в фотовольтаике всегда является фотоэлектрический модуль. Фотоэлектрический модуль - это комбинация электрически соединенных между собой фотоэлементов. Термин фотовольтаик состоит из двух слов «фото» (от греч. свет) и «вольт» (Алессандро Вольта - 1745-1827, итальянский физик) - единица измерения напряжения в электротехнике. Анализируя термин фотовольтаик, можно сказать - это .
Фотоэлектрический элемент (фотоэлемент) используется для получения электроэнергии за счет преобразования солнечного излучения. Фотоэлемент можно рассмотреть как диод, состоящий из полупроводников n-типа и p-типа с образованной зоной, обеднённой носителями, поэтому неосвещенный фотоэлемент подобен диоду и может быть описан как диод.
Для полупроводников, имеющих ширину запрещенной зоны между 1 и 3 эВ, максимальное теоретическое КПД может быть достигнуто 30%. Ширина запрещенной зоны и есть минимальная энергия фотона, которая способна поднять электрон из валентной зоны в зону проводимости. Наиболее распространенными из выпускаемых промышленностью солнечных элементов являются .
Монокристаллины и поликристалинны кремния. Кремний на сегодняшний день является одним из самых распространенных элементов для производство фотоэлектрических модулей. Однако из-за маленькой абсорбции солнечного излучения, солнечные элементы из кристалла кремния изготавливаются обычно шириной 300 мкм. КПД фотоэлемента из монокристалла кремния достигает 17%.
Если взять фотоэлемент из поликристалла кремния, то для него КПД лежит на 5% ниже, чем из монокристалла кремния. Граница зерен поликристалла является центром для рекомбинации носителей зарядов. Размер кристалла поликристаллина кремния может колебаться от нескольких мм до одного см.
Арсенид галия (GaAs). Солнечные элементы из арсенида галлия в лабораторных условиях уже показали КПД, равный 25%. Арсенид Галлия, разработанный для оптоэлектроники, сложно производить в больших количествах и для солнечных элементов является достаточно дорогим. Солнечные элементы из арсенида галлия применяются , а так же для космонавтики.
Тонкопленочные фотоэлементы технологии. Основным недостатком кремневых элементов является их высокая стоимость. Имеются тонкопленочные элементы, которые изготовляются из аморфного кремния (а-Si), телурида кадмия (CdTe) или купрум-индиум диселинида (CuInSe 2). Преимущество тонкопленочных фотоэлементов – экономия сырья и материалов и более дешевое производство по сравнению с кремнивыми фотоэлементами. Поэтому можно сказать, что тонкопленочные изделия имеют перспективы для применения в фотоэлементах.
Недостатком является, что некоторые материалы являются достаточно токсичными, поэтому безопасность продукции, а так же “recycling” играют важную роль. Кроме того, теллурид является исчерпаемым ресурсом, по сравнению с кремнием. КПД тонкопленочных фотоэлементов достигает 11 % (CuInSe2).
В начале 60-х годов фотоэлементы приблизительно стоили 1000$/Вт пиковой мощности и изготавливались главным образом в космосе. В 70-х годах начался серийный выпуск фотоэлементов, и их цена снизилась до 100$/Вт. Дальнейший прогресс и снижение стоимости фотоэлементов сделали возможным использование фотоэлементов для бытовых нужд. Особенно для части населения, живущего далеко от линий электропередачи и стандартного электрообеспечения, фотоэлектрические модули стали хорошей альтернативой.
На фото - первая солнечная батарея на основе кремния. Ее создали, ученые и инженеры американской компании Bell Laboratories в 1956-м году. Солнечная батарея представляет собой комбинацию электрически соединенных между собой фотоэлектрических модулей. Комбинация выбирается в зависимости от необходимых электрических параметров как ток и напряжение. Одна ячейка такой солнечной батареи, производившая менее 1 ватт электроэнергии, стоила 250 долларов. Вырабатываемая электроэнергия была в 100 раз дороже, чем из обычной сети.
Почти 20 лет солнечные батареи использовались только для космоса. В 1977 году стоимость электроэнергии удалось снизить до 76 долларов за 1 ваттную ячейку. Постепенно КПД повышалось: 15% в середине 90-х годов прошлого века и 20% к 2000 году. Современные наиболее актуальные данные по этой теме -
Производство фотоэлементов из кремния можно условно разделить на три основные стадии:
производство кремния высокой степени чистоты;
изготовление тонких кремниевых шайб;
сборка фотоэлемента.
Основным сырьем для производства кремния высокой степени чистоты является кварцевый песок (SiO 2). С помощью электролиза расплава получают металлургический кремний , который имеет степень чистоты до 98%. Процесс восстановления кремния происходит при взаимодействии песка с углеродом при высокой температуре 1800 °С:
Такая степень чистоты недостаточна для производства фотоэлемента, поэтому он подлежит дальнейшей обработке. Дальнейшее очищение кремния для полупроводниковой индустрии осуществляется практически по всему миру с помощью технологии, разработанной фирмой Siemens.
"Siemens процесс" представляет собой очищение кремния путем взаимодействия металлургического кремния с соляной кислотой, в результате чего получают трихлорсилан (SiHCl 3):
При температуре 30 °С трихлорсилан (SiHCl 3) находится в жидкой фазе, поэтому он легко отделяется от водорода. Далее, неоднократная дистилляция трихлорсилана повышает его чистоту до 10 -10 %.
Последующим процессом - пиролизом из очищенного трихлорсилана получают поликристаллический кремний высокой степени чистоты. Полученный поликристаллический кремний не совсем удовлетворяет условиям для использования в полупроводниковой индустрии, однако, для солнечной фотоэлектрической индустрии качество материала предостаточно.
Поликристаллический кремний является сырьем для производства монокристаллического кремния. Для производства монокристаллического кремния применяются два способа – метод Чохральского и метод зонного плавления.
Метод Чохральского является энергоемким, а также материалоемким. Сравнительно небольшое количество поликристаллического кремния закладывается в тигель и в вакууме расплавляется. Небольшая затравка монокремния опускается на поверхность расплава и затем, закручиваясь, поднимается, вытягивая за собой слиток цилиндрической формы, за счет силы поверхностного натяжения.
В настоящее время диаметры вытягиваемых слитков доходят до 300 мм. Длина слитков диаметром 100-150 мм достигает 75-100 см. Кристаллическая структура вытянутого слитка повторяет монокристаллическую структуру затравки. Увеличение диаметра и длины слитка, а также усовершенствование в технологии его распилки позволят уменьшить количество отходов, тем самым, удешевить стоимость получаемых фотоэлементов.
Ленточная технология. Технологический процесс, разработанный Mobil Solar Energy Corporation, основан на вытягивании из расплава кремниевых лент и формировании на них фотоэлементов. В расплав кремния погружается частично матрица и благодаря каппилярнному эффекту, поликристаллический кремний поднимается, образуя ленту. Расплав кристаллизуется и вынимается из матрицы. Для увеличения производительности конструируется оборудование, на котором возможно получать до девяти лент одновременно. В результате получается девятиугольная призма.
Преимущество лент в том, что они малоотходны из-за того, что исключается процесс резки слитка. К тому же можно легко получать фотоэлементы прямоугольной формы, в то время как круглая форма монокристаллических пластин не способствует хорошей компоновки фотоэлемента в фотоэлектрическом модуле.
Полученные поликристаллические или монокристаллические кремниевые стержни далее должны быть распилены на тонкие шайбы, толщиной 0,2 – 0,4 мм. При распиливании стержня монокристаллического кремния на потери уходят порядка 50% материала. Далее круглые шайбы, не всегда, но зачастую, обрезают для получения квадратной формы.
Долгое время уделом солнечных батарей были либо громоздкие панели спутников и космических станций, либо маломощные фотоэлементы карманных калькуляторов. Это было связано с примитивностью первых монокристаллических кремниевых фотоэлементов: они имели не только низкий КПД (не более 25% в теории, на практике – около 7%), но и заметно теряли эффективность при отклонении угла падения света от 90˚. Учитывая, что в Европе в облачную погоду удельная мощность солнечного излучения может падать ниже 100 Вт/м 2 , для получения сколько-нибудь значительной мощности требовались слишком большие площади солнечных батарей. Поэтому первые солнечные электростанции строились только в условиях максимальной мощности светового потока и ясной погоды, то есть в пустынях вблизи экватора.
Значительный прорыв в создании фотоэлементов вернул интерес к солнечной энергетике: так, наиболее дешевые и доступные поликристаллические кремниевые элементы, хотя и имеют меньший КПД, чем у монокристаллических, но зато и менее чувствительны к условиям работы. Солнечная панель на основе поликристаллических пластин выдаст достаточно стабильное напряжение при переменной облачности . Более современные фотоэлементы на основе арсенида галлия имеют КПД до 40%, но слишком дороги для изготовления солнечной батареи своими руками.
На видео идет рассказ об идее постройки солнечной батареи и ее реализации
Стоит ли делать?
Во многих случаях солнечная батарея окажется очень полезной : например, владелец частного дома или дачи, расположенного вдалеке от электросети, сможет даже от компактной панели поддержать свой телефон заряженным, подключить маломощные потребители наподобие автомобильных холодильников.С этой целью выпускаются и продаются готовые компактные панели, выполненные в виде быстро сворачиваемых сборок на основе из синтетической ткани. В средней полосе России такая панель размером около 30х40 см сможет обеспечить мощность в пределах 5 Вт при напряжении 12 В.
Более крупная батарея сможет обеспечить до 100 Вт электрической мощности. Казалось бы, это не так много, но стоит вспомнить принцип работы небольших : в них вся нагрузка запитывается через импульсный преобразователь от батареи аккумуляторов, которые заряжаются от маломощного ветряка. Таким образом становится возможным использование более мощных потребителей.
Использование аналогичного принципа при постройке домашней солнечной электростанции делает ее более выгодной по сравнению с ветряком: летом солнце светит большую часть дня, в отличие от непостоянного и часто отсутствующего ветра. По этой причине аккумуляторы смогут набирать заряд днем гораздо быстрее, а сама солнечная панель гораздо проще в установке, чем требующий высокой мачты .
Есть свой смысл и в использовании солнечной батареи исключительно как источника аварийного питания. Например, если в частном доме установлен газовый котел отопления с циркуляционными насосами, при отключении электропитания можно через импульсный преобразователь (инвертор) запитать их от аккумуляторов, которые поддерживаются заряженными от солнечной батареи, сохраняя систему отопления работоспособной.
Телевизионный сюжет на эту тему
Солнечные элементы – это части батарей, которые генерируют электрический ток. Появились они сравнительно недавно, в XIX веке, и только сейчас их начали использовать в качестве недорогого, но эффективного способа добычи энергоресурсов. Принцип работы солнечных батарей довольно прост. Ими можно оснастить жилое или нежилое помещения. Существуют различные виды данных элементов питания. Разберем их более подробно.
Элементы солнечных батарей
Зачастую энергия солнечной панели используется для дома и его нужд. Вырабатываемого электрического тока достаточно для двухэлементной бойлерной системы, холодильника, телевизора и прочих бытовых приборов.
Солнечные лучи – это экологически чистое «топливо». Ведь в процессе работы модуль солнечной батареи не выделяет обилие вредных выхлопов, углекислый газ и не расходует невосполнимые природные ископаемые.
Стоит понимать, что солнечные батареи складываются из множества модулей. И то, что мы видим на крыше зданий или на стенах, является только частью системы.
Из чего состоит солнечная система электроснабжения:
- Солнечные ячейки, складывающиеся в панели. Это те видимые нам батареи, которые крепятся на крышу или стены.
- . Данный элемент в системе необходим для накапливания лишней энергии, например, в ясный день. В пасмурную погоду, когда батареи работают не на полную мощность, ток на бытовые нужды берется из АКБ.
- регулирует заряд аккумулятора, подсказывает владельцу системы, что заряда недостаточно или слишком много. Излишнее напряжение губительно для аккумулятора.
- Преобразователь постоянного тока в переменный () необходим для работоспособности бытовых приборов. Ведь не все из них способны работать на постоянном потоке заряженных частиц.
Подключая солнечные модули, необходимо уже изначально определиться с местом их расположения, видом, количеством бытовой техники, необходимостью контролера АБК.
Стоит понимать, что такая системы является наборной, и вы с легкостью можете установить еще не один солнечный модуль.
Принцип работы солнечных батарей
Человечество научилось получать энергию из ископаемых, потоков воды и порывов ветра, дошли и до применения световых лучей. Существуют даже солнечные модули, которые поглощают невидимый инфракрасный спектр и работают ночью. Всепогодные батареи эффективны в пасмурную погоду, туман, дождь.
Принцип работы любой батареи – преобразование лучей солнца в электрический импульс.
Зачастую солнечные модули работают на кристаллах кремния, и этому есть объяснение. Данный металл чувствителен к воздействию лучей, он недорог в добыче, а составляет 17-25%. Кристалл кремния при попадании на него солнечных лучей образует направленное движение электронов. При средней площади батареи 1-1,5 м² можно достичь на выходе напряжение в 250 Вт.
В настоящее время применяется не только кремний, но и соединения селена, меди, иридия и полимеров. Но широкого распространения они не получили, даже несмотря на КПД в 30-50%. Все потому, что они очень дороги. Для электрификации обычного дачного или загородного дома отлично подойдет кремниевая фотоэлектрическая панель.
Виды солнечных батарей
Такие аккумуляторы постоянно видоизменяются. Эта область модифицируется и подвергается инновационным решениям.
Именно поэтому существует много видов солнечных панелей.
Монокристаллические
Данные батареи обладают хорошим КПД. Каждая ячейка являет собой отдельный кристалл кремния. Поверхность батареи слегка выпуклая, насыщенного синего цвета. Фотоэлектрические панели этого типа имеют самую высокую цену, которая обуславливается сложностью технологии. Ведь все кристаллы развернуты в одном направлении.
Необходимо будет дополнительное оборудование, которое будет разворачивать комплекс панелей в зависимости от положения Солнца на горизонте. Из-за необходимости прямых лучей такие элементы устанавливают на хорошо освещенных участках или возвышенностях.
Средний срок эксплуатации – 25 лет.
Поликристаллические (multi-Si)
Солнечные модули данного вида обладают неравномерно насыщенным синим цветом из-за разной направленности кристаллов кремния. Они дешевле аналогов, обладают хорошим КПД, их не нужно разворачивать к солнцу. В пасмурную погоду или облачность они показывают лучшие результаты, нежели вышеописанный вид.
Средний срок эксплуатации без потери качеств – 15-20 лет.
Аморфные (полимерные солнечные батареи)
В данном случае используются не цельные кристаллы, а гидрид кремния. Его наносят на твердую или гибкую подложку. Преимуществами является низкая стоимость. К тому же, полимерный солнечный элемент можно нанести на любую гибкую подложку. Значит, вы можете по максимуму использовать скат крыши, неровные поверхности.
Фотоэлектрическая структура полимерного кремния позволяет поглощать свет даже рассеянный. выгодно ставить в условиях севера, короткого светового дня, в областях с агрессивными атмосферными условиями.
Существуют и другие, более редкие разновидности.
Органические
Эти солнечные батареи только изучаются. Активные разработки появились в последнем десятилетии, поэтому достоверных данных насчет гарантированного срока эксплуатации у производителей нет. Солнечный элемент использует органическую основу – соединения углерода.
Некоторые виды солнечных панелей данного строения обладают хорошим КПД, они пластичны, экологичны, просты в утилизации и значительно дешевле кремниевых аналогов.
Безкремниевые
Изготовлены на основе редких металлов. Вместо кремния применяются соединения теллура, селена, меди, индия. Данные металлы редкие и дорогие, поэтому стоимость батарей очень высокая. Однако панели этого типа могут работать в широком температурном диапазоне.
Сравнение КПД батарей разного типа
Как подобрать солнечную панель?
Как видите, типы солнечных батарей различны.
Подбирать устройство необходимо, исходя из многих факторов:
- степени освещенности территории;
- климата;
- площади помещения;
- количества бытовых приборов;
- финансового бюджета;
- площади крыши;
- возможности пользования стационарными электросетями;
- отдаленности от населенного пункта.
Естественно, если вы собираетесь поставить солнечные панели на дачу, где проводите время только летом, стоит побеспокоиться о безопасности вашего имущества.
Если у вас длинный световой день, хорошо освещаемая территория, то отдайте предпочтение моно- и поликристаллическим моделям. В холодных широтах приобретайте поликристаллические или полимерные фотоэлементы.
Виды подключения
Вы уже купили фотоэлементы для солнечных батарей, АКБ и все остальные составляющие. Осталось определиться с типом электроснабжения вашего жилища. Они бывают:
- Автономные. В данном случае ваш дом питается только от солнечных батарей и никак не связан с общей электрификацией.
- Смежные. Панели подключаются в общую сеть. Если бытовые приборы потребляют небольшое количество энергии, то стационарная сети не используется, ток берется из аккумулятора. В случае превышения потребностей электричество расходуется и из общей сети. Стоит учитывать, что без сети сами по себе батареи работать не будут.
- Комбинированные похожи на смежные. Но в данном случае излишек электроэнергии, получаемый панелями, идет не в аккумулятор, а в общую сеть.
Какую систему и панели выбрать, решать только вам. Перед покупкой проконсультируйтесь у нескольких специалистов, ведь такие системы приобретаются не на один год. При правильном подключении они будут радовать вас долгое время.
Эффективное преобразование бесплатных лучей солнца в энергию, которую можно использовать для электроснабжения жилья и иных объектов, – заветная мечта многих апологетов зеленой энергетики.
Но принцип работы солнечной батареи, и ее КПД таковы, что о высокой эффективности таких систем пока говорить не приходится. Было бы неплохо обзавестись собственным дополнительным источником электроэнергии. Не так ли? Тем более что уже сегодня и в России с помощью гелиопанелей “дармовой” электроэнергией успешно снабжается немалое количество частных домохозяйств. Вы все еще не знаете с чего начать?
Ниже мы расскажем вам об устройстве и принципах работы солнечной панели, вы узнаете, от чего зависит эффективность гелиосистемы. А размещенные в статье видеоролики помогут собственноручно собрать солнечную панель из фотоэлементов.
В тематике «солнечной энергетики» достаточно много нюансов и путаницы. Часто новичкам разобраться во всех незнакомых терминах поначалу бывает трудно. Но без этого заниматься гелиоэнергетикой, приобретая себе оборудование для генерации “солнечного” тока, неразумно.
По незнанию можно не только выбрать неподходящую панель, но и попросту сжечь ее при подключении либо извлечь из нее слишком незначительный объем энергии.
Галерея изображений
Максимум отдачи от солнечной панели можно будет получить, только зная, как она работает, из каких компонентов и узлов состоит и как все это правильно подключается
Второй нюанс – это понятие самого термина «солнечная батарея». Обычно под словом «батарея» понимается некое аккумулирующее электроэнергию устройство. Либо на ум приходит банальный отопительный радиатор. Однако в случае с гелиобатареями ситуация кардинально иная. Они ничего в себе не накапливают.
