Юрий Почанин – Конструкции и монтаж фотоэлектрических модулей (страница 3)

Принцип работы солнечного модуля (солнечной панели, солнечной батареи), основан на физических свойствах полупроводников, имеющих способность создавать, под воздействием солнечного света, электронную проводимость «р-n» типа. Солнечный модуль состоит из определенного количества фотоэлементов, соединенных между собой, поэтому принцип работы устройства можно рассмотреть на работе отдельного элемента. Схематично, работа фотоэлемента, представлена на рис. 2.1. Фотоэлемент изготавливается из двух слоев кремния, в каждый из которых добавляются различные вещества, определяющие тип проводимости конкретного слоя. Так в верхний слой добавляется фосфор (N – слой), а в нижний–бор (Р –слой). Наличие разности потенциалов обуславливает возникновение электрического поля, под воздействием которого, разнозаряженные частицы начинают движение. Положительно заряженные движутся в верхний слой, отрицательно заряженные – в нижний.

Рис.2.1. Схема работы фотоэлемента

Эмиттер (область n-типа) и база (область p-типа) соединяются проводами для протекания электронов по внешней цепи путем подключения нагрузки. Электроны рассеивают энергию на внешней нагрузке через цепь и возвращают к фотоэлементу.

Солнечные фотоэлектрические системы просты в обращении, однако, сами фотоэлементы содержат сложные полупроводниковые устройства, аналогичные используемым для производства интегральных схем. Совокупность таких элементов образует фотоэлектрическую панель, либо модуль.

Фотоэлектрические модули, благодаря своим электрическим свойствам, вырабатывают постоянный ток. Главные преимущества фотоэлектрических установок заключается в том, что они не имеют движущихся частей, их конструкция очень проста, производство – технологично. К их недостаткам можно отнести разрушение полупроводникового материала от времени, зависимость эффективности работы системы от ее запыленности. Все это ограничивает срок службы фотоэлектрических преобразователей. В настоящее время в ведущих странах мира проводятся работы по эффективности и снижения стоимости фотоэлектрических преобразователей. Внутренние поля фотоэлементов на основе структур полупроводник-полупроводник или металл-полупроводник создают разность потенциалов около 0,5 В и плотность тока порядка 200 А·М^-2 при плотности потока солнечного излучения около 1 кВт·М^-2. Промышленные фотоэлементы или солнечные элементы имеют КПД от 10 до 20%. При средней облученности могут вырабатывать от 1 до 2 кВт электроэнергии в день с 1 м².

Эффективность преобразования зависит от электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой структуры, а также оптических свойств ФЭП, среди которых наиболее важную роль играет фотопроводимость. Она обусловлена явлениями внутреннего фотоэффекта в полупроводниках при облучении их солнечным светом.

2.2. Поколения фотоэлементов

В зависимости от материала, конструкции и способа производства принято различать три поколения фотоэлементов:

–ФЭП первого поколения создаются на основе пластин кристаллического кремния;

–ФЭП второго поколения создаются на основе тонких пленок;

–ФЭП третьего поколения создаются на основе органических и неорганических материалов., а также на основе каскадных многослойных структур и развивающихся технологий, к которым относятся:

–фотоэлементы с квантовыми точками,

–фотоэлементы, сенсибилизированные красителем,

–фотоэлементы на основе полимеров,

–фотоэлементы на основе перовскита.

2.2.1. Первое поколение фотоэлементов

Первое поколение фотоэлементов – классические кремниевые элементы с традиционным p-n переходом. Как правило, это пластины из чистого монокристаллического или поликристаллического кремния толщиной 200-300 мкм. Они характеризуются высоким КПД (17-22%) и высокой себестоимостью. В последние годы производителям удалось сократить себестоимость производства их, что обеспечило укрепление их позиций на мировом рынке – около 82%

В ФЭП первого поколения используются следующие материалы:

–монокристаллический кремний (mc-Si),

–поликристаллический кремний (m-Si),

–на основе GaAs, арсени́д га́ллия – химическое соединение галлия и мышьяка,

–ribbon-технологии (EFG, S-web),

–тонкослойный поликремний (Apex).

Если основной элемент монокристаллической батареи – это искусственно выращенный монокристалл больших размеров, то другой вид светоприемников имеет полупроводниковый элемент поликристаллической структуры. Считается, что для потребления энергии Солнца оптимальным вариантом являются поликристаллические солнечные батареи. Они дешевле своего монокристаллического аналога, так как для производства используют обрезки, оставшиеся после монокристаллических элементов. Кремний при изготовлении рабочего элемента поликристаллической панели просто охлаждается из горячего расплава, что не требует высоких затрат и сложных технологий. По внешнему виду поликристалл кремния отличается от монокристалла неоднородностью цветовой гаммы, отливающей голубым и светло-синим цветом.

В настоящее время основным материалом для производства солнечных элементов является достаточно распространенный химический элемент – кремний (Si), составляющий почти четвертую часть массы земной коры. Однако встречается он в природе в связанном виде (SiO2).

ФЭП на основе монокристаллической пластины из кремния представлена на рис.2.2. Отличие этих преобразователей в том, что светочувствительные ячейки направлены только в одну сторону. Это дает возможность получать самый высокий КПД – до 25%. Но при этом панель должна все время быть направлена на источник света (Солнце), иначе мощность отдачи существенно снижается. Такая панель хороша только в солнечную погоду и станет оптимальной для южных районов нашей страны.

Рис.2.2. ФЭП на основе монокристаллического кремния

Кремниевые монокристаллические панели легко узнать при визуальном осмотре. В углах элементов хорошо различимы квадратики белого цвета. Для самих же пластин характерна поверхность однородного синего цвета. Солнечным панелям монокристаллическим большой площади необходимы поворотные устройства, которые бы поворачивали конструкцию вслед за движущимся солнцем, стараясь, чтобы на лучи падали на пластину максимально близко к прямому углу. Период их эксплуатации достигает 25 и более лет.

ФЭП на основе поликристаллической пластины из кремния представлена на рис 2.3.

Рис.2.3. ФЭП на основе поликристаллического кремния

Наибольшее распространение на сегодняшний день получили модули, изготовленные на основе фотоэлектрических поликристаллических элементов. Востребованность данного типа альтернативных энергоресурсов объясняется наиболее оптимальным соотношением стоимости изделия и количества получаемой с его помощью энергии. Данную разновидность можно определить по синему цвету и кристаллической структуре образующих деталей, а установка модулей не составит особого труда. Поликристаллические элементы имеют строго квадратную форму. Поликристаллы получаются в результате постепенного охлаждения расплавленного кремния. Метод этот предельно прост, поэтому такие фотоэлементы и стоит недорого

ФЭП на основе поликристаллической пластины содержат кристаллы кремния, которые направлены в разные стороны, что дает более низкий КПД, до 20%. Однако главным преимуществом этого вида солнечных панелей является наличие отличной эффективности при плохом и рассеянном свете. Такая батарея все равно будет питать аккумуляторы в пасмурную погоду.

2.2.2. Второе поколение фотоэлементов

Второе поколение фотоэлементов так же основывается на использовании p-n перехода, однако не используют кристаллический кремний как основной материал. Обычно используются следующие материалы:

–аморфный кремний (a-Si),

–микро- и нанокремний (pc-Si/nc-Si),

–кремний на стекле (CSG),

–теллурид кадмия (CdTe),

–селенид меди -индия-галлия (CIGS).

Фотоэлементы второго поколения являются тонкопленочными, и они производятся вакуумным методом. Вакуумная технология по сравнению с технологией производства кристаллических ФЭП является менее энергозатратной, а также характеризуется меньшим объемом капитальных вложений. Она позволяет выпускать гибкие дешевые ФЭП большой площади, однако коэффициент преобразования таких элементов ниже по сравнению с ФЭП первого поколения.

Как правило, толщина поглощающего свет слоя полупроводника составляет всего от 1 до 3 мкм. Тонкопленочные фотоэлементы, представляющие собой тонкую пластину из стекла с нанесенными слоями полупроводников либо фольгу, можно размещать на поверхности любой конфигурации, а также наносить на ткани, и даже использовать вместо жалюзи.

Наиболее распространены аморфный кремний, теллурид кадмия (CdTe) и. селенид индия/галлия/меди (CIGS).

Аморфные кремниевые тонкопленочные солнечные элементы присутствуют на рынке уже более 20 лет, и a-Si, вероятно, является наиболее хорошо развитой технологией тонкопленочных солнечных элементов. Аморфный кремний выступил в качестве более дешевой альтернативы монокристаллическому. Первые СЭ на его основе были созданы в 1975 году. Оптическое поглощение аморфного кремния в 20 раз выше, чем кристаллического. Поэтому для существенного поглощения видимого света достаточно пленки а-Si:Н толщиной 0,5–1,0 мкм вместо дорогостоящих кремниевых 300-мкм подложек. Кроме того, благодаря существующим технологиям получения тонких пленок аморфного кремния большой площади, не требуется операции резки, шлифовки и полировки, необходимых для СЭ на основе монокристаллического кремния. По сравнению с поликристаллическими кремниевыми элементами изделия на основе a-Si:Н производят при более низких температурах (300°С) и при этом можно использовать дешевые стеклянные подложки, что сократит расход кремния в 20 раз.