Солнечные элементы. Виды и работа. Применение и особенности
Фотогальванические полупроводниковые фотоэлементы преобразуют энергию электромагнитного излучения в электрическую. По принципу действия они являются фотодиодами, не требующими приложения внешнего напряжения, и создающими электродвижущую силу самостоятельно.
Первые такие элементы были разработаны в 1926 году, в качестве полупроводникового материала использовалась закись меди. Далее были разработаны селеновые фотоэлементы. В 1958 году в США и СССР были запущены спутники с использованием солнечных батарей.
В настоящее время используются в основном кремниевые фотоэлементы, преобразующие энергию солнечных лучей, и называются подобные ячейки обычно солнечными элементами. Полупроводниковый кремний широко распространен на земле в виде диоксида кремния (обычного песка, или кремнезема).
Путем последовательного и параллельного соединения элементов создаются солнечные батареи мощностью до нескольких киловатт.
Виды солнечных элементов
Кремниевые солнечные элементы выпускаются 4 видов:
- Поликристаллические.
- Монокристаллические.
- Тонкопленочные.
- Гибридные.
Все эти виды солнечных элементов производятся по разным технологиям.
Производство солнечных элементов
Для производства поликристаллических элементов прежде всего, путем медленного охлаждения расплава кремния, выращиваются призматические заготовки квадратного сечения, разрезаемые далее на тонкие квадратные пластинки. Поверхность ячеек темного (черного) оттенка с неоднородной структурой.
Неоднородность вызывается тем, что заготовка не представляет собой единого кристалла, а состоит из большого количества кристалликов случайной ориентации.
Выращивание поликристаллов требует меньших затрат, чем производство монокристаллов, что удешевляет поликристаллические солнечные элементы в сравнении с другими типами.
Монокристаллические солнечные элементы производятся из монокристаллов кремния высокой чистоты с не более чем 0,01% примесей, и они отличаются более высокой стоимостью и эксплуатационными характеристиками, чем поликристаллические элементы.
Монокристаллы кремния выращиваются при температуре 1300 °С в виде призмы с поперечным сечением в виде многоугольника, соответственно ячейки этого типа имеют форму квадрата со скошенными углами, либо многоугольника. Монокристалличность заготовки определяет однородный характер поверхности элементов. Самый верхний слой ячейки выполнен из антиотражающего материала, придающего элементу яркий синий цвет.
Тонкопленочные солнечные элементы называют также «гибкими панелями». Производятся подобные ячейки напылением в вакууме при температуре 300 °С полупроводникового аморфного кремния на тонкую гибкую подложку из стекла, пластика или металла. Кристаллы кремния при этом осаждаются на подложке неравномерно и направлены своими осями в разные стороны случайным образом.
Как альтернатива, взамен кремния напыляются теллурид кадмия или селенид меди-индия. Слой полупроводникового материала покрывается сверху защитной пленкой. Технологии производства подобных элементов непрерывно совершенствуются. Тонкопленочные солнечные элементы отличаются минимальной толщиной (около 1 мкм) и малыми затратами на изготовление.
При производстве гибридных солнечных элементов над кристаллическим полупроводниковым материалом располагается тонкий слой аморфного полупроводника.
Принцип действия солнечных элементов
В основе работы фотоэлементов лежит давно открытое явление фотоэффекта – испускания веществом электронов под действием света или любого другого электромагнитного изучения.
Солнечный элемент представляет собой p-n переход, это по сути два соприкасающихся полупроводника разной проводимости с разделяющим слоем между ними. В p-полупроводнике электронов недостаток, а в n-полупроводнике напротив, избыток. В сторону источника излучения направлен n-полупроводник (внешний электрод), он располагается на подложке поверх p-полупроводника (внутреннего электрода). При попадании на элемент солнечных лучей электроны n-полупроводника выбиваются с атомных орбит и переходят в лежащий ниже p-полупроводник. Образуется направленный поток электронов, который можно замкнуть на внешнюю нагрузку с протеканием в ней непрерывного электрического тока.
Такой элемент является некоторым аналогом батареи с катодом (отводом от n-полупроводника) и анодом (отводом от p-полупроводника). Отрицательным полюсом этой «батареи» является внешний электрод (сетка поверх n-полупроводника), а положительным – внутренний (подложка с нанесенным p-полупроводником).
Солнечные элементы как источники питания
Освещенный светом солнечный элемент создает на своих выводах некоторую электродвижущую силу (ЭДС), значение которой зависит от интенсивности падающего на ячейку света. С увеличением освещенности ЭДС возрастает, но лишь до определенного предела (для кремниевых элементов до 0,6 В), т.е. зависимость ЭДС от освещенности нелинейная. От размеров элементов ЭДС не зависит, но она снижается примерно на 2 мВ при нагреве элемента на 1 С.
Для получения более высокой ЭДС устройства соединяют последовательно. Отдаваемый элементом ток зависит от вида элемента и падающего светового потока, в свою очередь определяемого освещенностью и площадью ячейки. Элемент с коэффициентом полезного действия (КПД) 17% размером 156 х 156 мм выдает при коротком замыкании ток 9 А. Максимальную мощность элемент выдает при просадке напряжения под нагрузкой до 0,47-0,5 В, такой режим работы элемента наиболее оптимален. Поскольку площадь ячейки ограничивается технологией изготовления (ячейка – поперечный срез кристалла ограниченных размеров), для повышения отдаваемой мощности отдельные элементы соединяют также и параллельно.
При подключении к элементу или батарее нагрузки напряжение падает, а поскольку оно зависит и от высоты солнца, состояния неба и атмосферы (в пасмурную погоду мощность световых панелей падает в 15-20 раз), солнечные электростанции снабжаются автоматическими регуляторами и буферными аккумуляторами, сглаживающими пики потребления электроэнергии и изменения интенсивности падающего светового потока.
Особенности солнечных элементов разных видов
Солнечным элементам свойственны как общие свойства, так и отличные в зависимости от их вида и технологии изготовления.
Поликристаллические солнечные элементы
Поскольку в элементах этого типа кристаллики кремния ориентированы случайно, их эффективность снижается при прямом падении солнечного света, но, в порядке некоторой компенсации, снижается незначительно при наклонном падении света. Их характеристики незначительно зависят от угловой высоты солнца и его положения на небосводе. КПД таких элементов невысок и составляет 17-20%.
Монокристаллические солнечные элементы
КПД монокристаллических элементов выше КПД поликристаллических элементов и доходит до 25%, и даже до 44% в элементах, предназначенных для космической отрасли. Эти элементы более критичны к углу падения солнечных лучей, и их целесообразно ориентировать на Солнце с изменением положения в течение дня. Хорошо работают они и при высокой облачности, а также при отрицательных температурах.
Аморфные элементы
КПД элементов из кремния низок (около 7-10%), для элементов из современных материалов он достигает 15-20%. К достоинствам этих элементов относится возможность монтажа их на изогнутых конструкциях, они хорошо работают при рассеянном освещении. К недостатку можно отнести большие размеры – вследствие низкого КПД они требуют при равенстве мощности вдвое большей установочной площади в сравнении с кристаллическими элементами. Также со временем слой аморфного кремния постепенно деградирует, и батарея теряет эффективность, примерно на 20% мощности за первые 2 года эксплуатации.
Гибридные солнечные элементы
Поскольку кристаллический кремний и аморфный кремний наиболее эффективно работают каждый в своей области солнечного спектра, при освещении солнечным светом смешанного состава общий КПД солнечного элемента повышается.
Применение солнечных элементов
Поскольку ЭДС одного элемента составляет 0,6 В, для получения достаточного напряжения их соединяют последовательно. Батарея из соединенных последовательно 36 элементов будет обладать ЭДС 0,6 х 36 = 21,6 В, а при оптимальной нагрузке будет выдавать напряжение порядка 17-18 В. Чтобы заряжать таким напряжением аккумулятор с номинальным напряжением 12 В, необходим контроллер заряда, избавляющий аккумулятор от перезаряда, а батарею от перегрузки. Подобный контроллер позволяет путем автоматического снижения напряжения увеличивать снимаемый ток, а тем самым постоянно поддерживать элементы в режиме съема максимальной в данных условиях мощности.
Изначально предполагалось, что устройства будут применяться в основном в космической промышленности и в военных целях. Солнечные батареи – основные источники питания на космических аппаратах, особо эффективны такие устройства при полетах от Земли в сторону Солнца, где мощность батарей значительно возрастает. Очень выгодно использование солнечных элементов для питания автоматических метеостанций.
В тропических и субтропических регионах с большим количеством часов солнечного сияния в году солнечные батареи позволяют решить проблемы энергоснабжения жилых домов и дач, при этом батареи размещают на крышах. В городах батареи на солнечных элементах используются для подзарядки автомобилей, а также для уличного освещения (накопленная в светлое время суток энергия расходуется в темное). Сфера применения солнечных элементов и батарей непрерывно расширяется по мере их удешевления и совершенствования характеристик.
Похожие темы:
Монокристаллические солнечные панели и их особенности
Все серийные солнечные фотомодули изготавливаются из кремниевых пластин. И это вполне логично. Дело в том, что кремний – не просто самый распространенный p-n проводник. Он еще и довольно дешев и прост в обработке, технологические процессы с его участием тщательно изучены, поэтому организовать производство кремниевых пластин не составляет труда.
Конечно, существуют материалы и сплавы, которые гораздо эффективнее преобразуют солнечную энергию, чем силикаты, но их производство (особенно в промышленных масштабах) обойдется гораздо дороже. Поэтому сегодня наиболее популярными по-прежнему остаются поли- и монокристаллические солнечные батареи на основе кремния.
Фотобатареи на монокристаллах широко используются и в бытовых, и в промышленных солнечных станциях. Более того, именно такие ячейки (правда, значительно усовершенствованные) применяются в космической сфере, на искусственных спутниках, орбитальных станциях и т.д. Используются эти изделия и для энергообеспечения морских кораблей, особенно рассчитанных на дальние плавания.
Особенности структуры солнечных монокристаллов
Монокристаллы кремния имеют множество отличительных черт, и, пожалуй, самой заметной является их насыщенный синий цвет при абсолютно однородной поверхности. Такой оттенок, как и равномерность поверхности, объясняется строгой кристаллографической структурой материала. Кроме того, для солнечных модулей из монокремния характерна особая, псевдоквадратная, форма со скругленными углами. Дело в том, что при выращивании монокристаллов образуются цилиндрические заготовки, поэтому после обработки и резки пластины принимают такой оригинальный вид.
Эффективность фотопреобразований
Именно солнечные элементы на монокристаллах имеют наибольший КПД среди всех кремниевых пластин. Объясняется это очень просто. Поскольку ячейка имеет однородную структуру, лучи солнца равномерно освещают всю ее поверхность. Также равномерно они преобразуются в электроток, не рассеиваясь на кристаллических неровностях. Иными словами, эффективность такой ячейки зависит только от свойств самого кристалла, она не снижается из-за побочных отражений лучей (как это происходит в полипластинах).
Такая особенность позволяет делать солнечные моноячейки более компактными, а значит, и уменьшить итоговые габариты собираемых из них батарей.
Преимущества эксплуатации
Монокристаллические солнечные панели не только продуктивнее полибатарей. Они также имеют несколько весомых эксплуатационных преимуществ:
- Равномерная работа в различных погодных условиях. Многие считают, что в пасмурную погоду производительность монокристаллических ячеек резко падает, тогда как поликристаллы работают практически с той же эффективностью. Когда-то это действительно было так, но с развитием технологий ситуация кардинально изменилась. Сегодня КПД монопанелей при затемнении не уменьшается, а значит, по этому показателю они вновь превосходят поликристаллические аналоги.
- Эффективная работа при минусовых температурах и сильных морозах. Именно монокристаллическими ячейками укомплектованы все солнечные батареи, рассчитанные на зимнюю эксплуатацию.
По сути, единственным недостатком таких панелей является их более высокая, по сравнению с поликристаллами, стоимость. Однако разница эта на самом деле не так велика (порядка 10%), а с учетом большей производительности она фактически неощутима.
Специфика производства
Технология производства монокристаллических солнечных панелей отлажена довольно давно. Отправной точкой служит получение высокочистого технического кремния (массовая доля – порядка 99,99%). Затем осуществляется плавление сырья при высоких температурах, с последующим синтезом при введении разного рода добавок. Добавки используются для повышения производительности фотоячеек и улучшения их эксплуатационных свойств.
Однородные монокристаллы выращиваются в специальных, постоянно вращающихся, тиглях. Такое вращение необходимо для формирования строгой кристаллографической структуры. Готовые технологические слитки монокремния имеют округлую цилиндрическую форму, поэтому их обычно обрабатывают для придания формы псведоквадратной призмы с нужной площадью сечения. Затем слитки при помощи алмазных пил нарезаются на тонкие пластины, которые тщательно очищаются от следов суспензии. На финальном этапе выполняется строгий контроль внешних дефектов и фотоэлектрических параметров. И если пластина соответствует всем стандартам, ее используют для создания солнечных фотобатарей.
Таким образом, на сегодняшний день именно монокристаллические кремниевые ячейки являются наиболее перспективным направлением развития серийных солнечных батарей.
Монокристаллические и поликристаллические солнечные. Инфографика | Блог SolarSoul
Несмотря на серьезный прогресс и применение различных материалов в сфере солнечной энергетики, кремний всё еще остается основным «строительным материалом» для солнечных батарей. Для этого используют два основных вида кремния для производства солнечного элемента:
- Монокристаллический кремний
- Поликристаллический кремний
Внешний вид
В первую очередь солнечные элементы из поли и моно кремния отличаются внешним видом. У монокристаллических элементов углы скруглены а поверхность однородная. Это связано с особенностями производства кристаллов, которые имеют цилиндрическую форму после процесса выращивания по методу Чохральского. При этом получается единый кристалл с однородным цветом.
В свою очередь, процесс литья при котором получается поликристаллический элемент технологически проще и поэтому есть возможность сразу получать прямоугольные заготовки. А неоднородная фактура пластин указывает на то, что элемент состоит из множества кристаллов кремния с примесями.
Эффективность солнечных элементов
Монокристаллические элементы и соответственно панели на их основе имеют на сегодняшний день наивысшую эффективность — до 22% среди серийных моделей. Для солнечных батарей из поликристаллических фотоэлементов КПД будет составлять до 18%. Благодаря этим параметрам мы можем сказать, что 1 м² монокристаллической солнечной батареи будет способен генерировать 190 Вт а 1 м² поликристаллической батареи — 180 Вт.
Стоимость солнечных элементов
Стоимость батареи из монокристаллических фотоэлементов немного выше в расчете на единицу мощности производимую панелью. Это связано с более дорогим процессом производства и применением кремния высокой степени очистки. Однако это различие незначительно и составляет в среднем не более 15%.
Инфографика показывает основные различия в этапах производства кремниевых солнечных элементов.
Поделиться «Сравнение монокристаллических и поликристаллических солнечных элементов. Инфографика»
Рекомендуемые статьи
Монокристаллические солнечные элементы в Украине
от 2 793 грн.
Телефон
Ваш номер будет использован только для обработки данного заказа.
Тип установки
Загрузка…
скатная кровля плоская кровля земля
Тип модуля
Загрузка…
поликристалл монокристалл
Мощность фотомодулей, кВт
Угол наклона, град.
Отправить