Солнечные панели аморфные – Солнечные батареи из аморфного кремния: уникальные возможности новых технологий

Аморфные солнечные батареи или панели

Содержание:

1. Поколения аморфных солнечных батарей
2. Преимущества аморфных батарей
3. Недостатки
4. Конструктивные особенности и применение

Поколения аморфных солнечных батарей

На сегодняшний день, тонкоплёночные фотоэлектрические солнечные модули, это технология-кандидат номер один на будущее массовое производство и выход в лидеры рынка в сфере солнечных батерей. Конечно, сегодня абсолютное большинство выпускаемых солнечных панелей — это кристаллические батареи. Больше 80%.

Какие бывают аморфные солнечные батареи, в чём их преимущество и недостатки

Однако, развитие плёночных аморфных модулей происходит так быстро, что очень скоро ситуация может измениться. Именно модуль из аморфного кремния, был первой технологией, которая получила широкое коммерческое будущее. На данный момент солнечные панели из аморфного кремния представлены уже тремя поколениями:

• Первое поколение: однопереходные солнечные элементы. Основной минус состоял в том, что такие батареи работали только 10 лет, а потом приходили в негодность. Также недостаток состоял в крайне низком КПД — до 5%.

• Второе поколение: те же однопереходные солнечные элементы, но при этом развитие привело к тому, что работали они дольше, а уровень КПД был поднят почти в два раза. До 8%.

• Третье поколение тонкоплёночных аморфных солнечных батарей выдаёь КПД до 12% и при этом ещё дольше служит. Такой тип солнечных панелей уже вполне может составлять конкуренцию на современном рынке солнечных элементов.

• Есть конечно и комбинированный вариант из кооперации аморфных и кристаллических элементов
  , но стоят такие модули очень дорого, поэтому имеют не такое уж и широкое применение.

Аморфные солнечные батареи второго поколения

Самые популярные аморфные солнечные панели на сегодняшний день — именно аморфные тонкоплёночные однопереходные модули. Свою популярность они достигли, во-первых благодаря низкой стоимости элементов, а во-вторых хорошим показателям мощности, которые могут составить конкуренцию кристаллическим батареям. Низкая стоимость аморфных батарей связана с тем, что на их производство идёт куда меньше кремния, чем на кристаллические панели.

Аморные солнечные батареи

В чём заключаются преимущества аморфных батарей?

Конечно самое первое преимущество для потребителей — это более низкая стоимость при таком же уровне КПД как у кристаллических элементов. Но помимо этого есть масса других преимуществ, которые располагают при покупке, всё-таки отдать предпочтение аморфным солнечных модулям.

Итак, преимущества аморфных батарей:

• Тонкоплёночные солнечные элементы из аморфного кремния, намного лучше работают при изменении температуры на повышение. В течение солнечной поры года, такие батареи способны производить куда больше энергии, чем кристаллические. Ведь кристаллические модули при повышении температуры теряют уровень своей эффективности. Конечно и тонкоплёночные технологии теряют мощность при нагреве, но не так сильно, как это делают привычные для нас солнечные панели, которые могут терят до 20% мощности.

• Ещё один весьма весомый плюс аморфных батарей — это выработка энергии при рассеянном освещении. Такие системы продолжают свою работу в то время, когда обычные кристаллические модули уже перестают генерировать энергию. При слабом или рассеянном освещении, панели из аморфного кремния генерируют до 20% больше энергии.

• Более выгодная стоимость за каждый Ватт мощности. Сейчас именно отрасль аморфных солнечных элементов очень бурно и быстро развивается. Вливаются всё новые и новые инвестиции в технологии и развитие, а значит стоимость таких батарей продолжит падать благодаря наращиванию производства.

• Меньше дефектов. Производство аморфных панелей — очень простой процесс, соответственно и в готовом продукции на порядок меньше дефектов. Основное отличие в том, что обычные кристаллические модули спаиваются между собой, в то время, как тонкоплёночные модули сразу формируются в готовые конструкции любых размеров. Значит и проблем со структурным недочётом такого типа не будет.

• Меньше потери в мощности при пасмурной погоде. Обычные кремниевые модули теряют около четверти своей производительности при тени или грязи на панелях. Аморфные тонкоплёночные модули при тех же факторах теряют намного меньше своей эффективности.

Недостатки аморфных тонкоплёночных батарей.

Основной и пожалуй,

единственный минус таких панелей — это в два раза меньший КПД по сравнению с поликристаллическими модулями. Но он, конечно, перекрывается всеми вышеперечисленными плюсами.

Конструктивные особенности аморфных панелей и область применения

Для солнечных элементов данного типа могут использоваться в качестве подложки либо стекло, либо гибкие материалы, которые пропускают солнечные лучи. Именно благодаря тому, что для таких панелей может использоваться гибкая основа и они обладают повышенной световосприимчивостью по сравнению с другими батареями, область их применения очень широка. Аморфные модули можно применять:

• в одежде, сумках

• для дома, для бытовых нужд

• в условиях облачной погоды

• в условиях особо жаркого климата

• Когда необходимо интегрировать солнечные панели прямо в здание

Напоследок хочется сказать, что тонкоплёночные аморфные модули изнашиваются с такой же скоростью как обычные кристаллические батареи, но при этом имеют массу других преимуществ на которые стоит обратить внимание. Ну а дальше решать Вам.

www.solnpanels.com

Аморфные солнечные батареи

Внешне панель из аморфного кремния выглядит блекло-сероватой.

Производство элементов из аморфного кремния является безотходным, что существенно уменьшает их стоимость. Несмотря на низкий КПД, элементы из аморфного кремния способны более эффективно использовать рассеянный солнечный свет, а при нагреве элементов выход электроэнергии больше, чем у кристаллических в аналогичных условиях.

Исходным материалом для производства кремниевых аморфных фотоэлементов является силан (Sih5), так называемый кремневодород, который наносится на материал подложки. Слой нанесенного кремния в 100 раз тоньше кристаллического кремниевого фотоэлемента.

В сравнении с кристаллическими кремниевыми элементами аморфные обладают рядом преимуществ, одним из которых является возможность и сравнительная простота создания элементов большой площади (более 1 м) при более низких температурах осаждения, а также наличие специфических полупроводниковых свойств, которыми можно управлять для получения требуемых характеристик, подбирая оптимальные комбинации компонентов пленки.

Аморфный кремний является гидрогенизированной формой кремния (a-Si:H), поскольку в его составе содержится водород в количестве от 5 до 20 ат. %, который изменяет электрофизические свойства аморфного кремния и придает пленке полупроводниковые свойства.

Элементы на основе пленки а-Si:H толщиной менее 1 мкм, полученной в результате разложения силана в тлеющем разряде, могут быть созданы на подложках не только из металла, но и из самых различных материалов: стекла, полимеров , керамики и т. д., поскольку температура осаждения кремния 250-400 градусов С. Однако, наиболее распространенной по-прежнему остается подложка из нержавеющей стали. Основными направлениями разработок в области аморфных гидрогенизированных элементов (a-Si:H) является повышение КПД и стабильности параметров элементов. Наиболее высокая эффективность (13%) в настоящее время получена на элементе с тройным переходом p-i-n.

Оптическое поглощение аморфного кремния в 20 раз превышает аналогичный показатель у кристаллического кремния, что позволяет использовать пленки аморфного кремния толщиной всего 0,5-1,0 мкм, вместо более дорогих пластин из кристаллического кремния толщиной 300 мкм.

Солнечные элементы из аморфного кремния

Технология, при которой тонкая пленка кремния осаждается на подложку и защищается покрытием, получила название «техники испарительной фазы». Эта технология отличается низкой энерго- и трудоемкостью, а, следовательно, и соответствующей ценой.

Для получения гибких фотоэлементов, используются гибкие подложки, такие как металлические или полимерные ленты.В этом случае осаждение происходит непрерывно при протягивании подложки через реактор. Поскольку данная технология высокоэффективна, то и пленки аморфного кремния, полученные этим способом, имеют более низкую стоимость.

Тонкопленочные элементы, к которым относятся элементы из аморфного кремния, способны вырабатывать электричество при рассеянном излучении, что делает их востребованными в регионах, где пасмурная погода не является редкостью, а также в местах расположения промышленных предприятий, загрязняющих воздух. Несмотря на более низкую себестоимость тонкопленочных панелей, им требуется площадь в 2-2,5 раза большая, чем для моно- или мультикристаллических панелей, из-за низкого КПД.

Чаще всего тонкопленочные панели применяют для систем, вырабатывающих энергию прямо в сеть, т. к. наибольшая эффективность у тонкопленочных панелей при их использовании в мощных системах (выше 10 кВт). Для выработки электроэнергии маломощными автономными или резервными системами энергоснабжения более применимы моно- или мультикристаллические панели.

neftregion.ru

Аморфные солнечные батареи — их преимущества и недостатки.

В сфере солнечных батарей аморфные солнечные батареи выходят в лидеры. Во всяком случае им прогнозируют такое светлое будущее. Тонкоплёночные фотоэлектрические солнечные модули имеют по сравнению с кристаллическими имеют неоспоримые преимущества. Безусловно сегодня порядка 80% батарей выпускается в кристаллах, однако совсем скоро показатель будет меняться.

Содержание:

Аморфные батареи второго поколения.
Основные преимущества.
Недостатки.
Конструктивные особенности.

В настоящее время развитие пленочных аморфных солнечных батарей происходит ударными темпами, в этой области постоянно делаются все новые шаги для их массового внедрения. Широкое коммерческое будущее получили именно модули из аморфного кремния. В настоящий момент уже существует три поколения солнечных аморфных кремниевых батарей:

1. Однопереходные солнечные элементы. Они относятся к первому поколению аморфных кремниевых батарей. КПД таких батарей было крайне небольшое, порядка 5%, также такие батареи могли работать не более  10-ти лет, затем они просто приходили в негодность.

2. Второе поколение было представлено теми же однопереходными батареями, однако более совершенными. В частности КПД был увеличен практически вдвое, да и срок эксплуатации их тоже увеличился.

3. Батареи третьего поколения имеют уже серьезный КПД и могут уже конкурировать с кристаллическими. КПД уже составляет 12%. Срок эксплуатации также значительно увеличился и составляет более 15-ти лет.

Производятся и комбинированные солнечные батареи, в которых имеются как аморфные элементы, так и кристаллические. Однако стоимость комбинированных батарей значительная, поэтому их использование носит ограниченный характер.

Интересное:
Монокристаллические солнечные панели.
Поликристаллические солнечные панели.
Как устроена солнечная батарея и принцип ее работы.

Аморфные батареи второго поколения.

Именно тонкопленочные аморфные однопереходные батареи на сегодняшний момент считаются наиболее перспективными в плане внедрения. Преимущества таких батарей очевидны. Прежде всего себестоимость составляющих элементов достаточно приемлемая. Аморфные батареи имеют лучшие по отношению с кристаллическими показатели мощности. Аморфные батареи имеют меньшую стоимость еще и потому, что для их производства требуется значительно меньше кремния, чем для изготовления кристаллических батарей.

Основные преимущества кристаллических аморфных батарей.

Безусловно первым и основным преимуществом тонкопленочных аморфных модулей является их стоимость. Она намного ниже, чем у кристаллических батарей при том КПД, однако существуют и другие преимущества, которые являются решающими при выборе для потребителя. К основным преимуществам можно отнести:

1. Если температура меняется на повышение, то солнечные аморфные батареи работают намного более эффективно. В яркий солнечный день аморфные батареи производят электрической энергии намного больше, чем кристаллические. При повышении температуры кристаллические батареи становятся значительно менее эффективными. Не секрет и тонкопленочные батареи теряют свою эффективность при нагреве, однако потери здесь существенно ниже. Например, при нагреве эффективность кристаллической батареи снижается на пятую часть.

2. Безусловный плюс аморфных батарей — это возможность вырабатывать электроэнергию даже при рассеянном освещении. Аморфные батареи продолжают функционировать даже тогда, когда кристаллические батареи просто становятся неэффективными. Даже при слабом освещении аморфные кремниевые элементы могут генерировать электроэнергию.

3. Стоимость выработанной электроэнергии у аморфного кремния ниже.

Аморфные солнечные батареи сегодня развиваются максимально возможными темпами, инвесторы охотно вкладывают в эту энергетическую сферу все больше средств. Объемы производства значительно увеличиваются, а значит уменьшается стоимость конечной продукции. Также растет качество товара и его энергоэффективность.

В процессе производства аморфных панелей не является достаточно сложным технологическим процессом, вот почему отходов в процессе производства меньше. Кристаллические батареи между собой спаиваются, тогда как тонкопленочные модули производятся как готовые конструкции, причем формат их может быть самым разным.

Даже при рассеянном свете, то есть в пасмурную погоду потери по мощности у аморфных батарей существенно меньше. Кремниевые батареи, находящиеся в тени или загрязненные, теряют до четверти мощности. В пасмурную погоду эффективность аморфных батарей намного выше.

В чем недостатки тонкопленочных аморфных солнечных батарей.

КПД у аморфных батарей все же в два раза ниже. Это является основным минусом в сравнении с кристаллическими модулями. Однако плюсов у аморфных батарей несравненно больше и недостаток КПД перекрывается с лихвой.

Основные конструктивные особенности тонкостенных аморфных батарей.

В качестве подложки используется либо различные гибкие материалы, либо стекло. Подложка должна пропускать солнечные лучи. Использование в качестве основы гибких материалов позволяет аморфные батареи размещать на одежде или сумках, в условиях жаркого климата, на фасадах зданий. Батарея достаточно эффективна в облачную погоду. Время эксплуатации аморфных батарей такое же как и кристаллических. Однако технология производства совершенствуется. В общем выбирать безусловно потребителю.

ekobatarei.ru

Солнечные батареи из аморфного кремния: уникальные возможности новых технологий

Создание первых образцов аморфных пленочных батарей стало новым открытием в сфере альтернативных источников электрической энергии. За несколько лет модель удалось усовершенствовать, добившись от простой конструкции выдающихся технико-эксплуатационных характеристик. Эксперты, занимающиеся исследованиями в области энергетики, утверждают: очень скоро аморфные солнечные панели займут лидирующее положение в своем сегменте и будут запущены в массовое производство.

Технологии производства солнечных панелей из аморфного кремния

Изготовление моделей солнечных панелей осуществляется с использованием тщательно очищенного кремния цилиндрической формы диаметром несколько десятков миллиметров. Заготовку режут на диски толщиной в несколько микрон, после чего подвергают легированию. В обработанной пластине образуются области с разной электрической проводимостью, в зависимости от количества электронов, – р-проводимостью и n-проводимостью. Соединение нескольких дисков в различных вариантах позволяет получить пластину, вырабатывающую электрическую энергию под воздействием света. В качестве основы для пластины кремния могут выступать:

• специальные виды керамики;
• стекло особой очистки;
• кристаллы сапфиров и другие материалы, обладающие светопропускной способностью.

Благодаря безотходному характеру производства, готовые панели имеют относительно невысокую стоимость, что немало способствует их популярности.

Этапы совершенствования аморфных солнечных батарей из кремния

Быстрое развитие и постоянное усовершенствование технологии производства панелей позволило предложить на выбор сразу несколько поколений устройств:

• первое поколение – так называемые однопереходные конструкции с относительно низким КПД до 5% и непродолжительным сроком службы;
• второе поколение – доработанные модели с КПД до 8% и увеличенным сроком эксплуатации, идеальное сочетание качества и стоимости;
• третье поколение – эффективные батареи с КПД до 12%, которые планируется запустить в массовое производство.

Не уступая своим прямым конкурентам – кристаллическим батареям – по уровню мощности, аморфные солнечные батареи значительно опережают их по доступности цене.

Плюсы и минусы аморфных солнечных панелей

В числе основных достоинств конструкций из кремния стоит отметить:

• незначительную потерю мощности в условиях стабильного повышения температуры. В отличие от кристаллических моделей, теряющих до 20% первоначальной мощности, аморфные солнечные батареи сохраняют эффективность на всем протяжении солнечного сезона года;
• возможность эксплуатации в условиях рассеянного освещения, благодаря которому объем вырабатываемой электроэнергии увеличивается на 20%. В свою очередь кристаллические панели в условиях рассеянного освещения практически бесполезны;
• вопрос стоимости. Цена ватта мощности кремниевых батарей ниже, чем этот же показатель у кристаллических моделей. Удешевлению альтернативной энергии дополнительно способствует усовершенствование производственного процесса и применение инновационных технологических решений;
• незначительный процент дефектов в готовом изделии за счет простой конструкции без сложных соединений элементов;
• незначительную потерю мощности в условиях пасмурной погоды, когда кристаллические модели теряют до 25% в условиях недостаточного освещения или загрязнения поверхности.

Единственное, в чем проигрывают аморфные солнечные панели, – это пониженный КПД, в 2 раза отличающийся от уровня КПД кристаллических батарей. Однако этот недостаток полностью компенсируется перечисленными преимуществами.

Рекомендации по применению солнечных батарей из аморфного кремния

Благодаря преимуществам устройства можно без ограничений эксплуатировать:

• при повышенной облачности;
• жаркой погоде с повышением температуры воздуха до 55°С и выше;
• минимальных ограничениях по весу и размеру источника энергии;
• необходимости встроить батарею в стену или оконные проемы, установить непосредственно на фасад здания.

Использование в качестве основы под кремниевые пластины гибких материалов с хорошей светопропускной способностью позволяет использовать батареи в пошиве дизайнерских моделей одежды и аксессуаров. Кроме того, им находят полезное применение в бытовых условиях, для которых актуально получение недорогой электроэнергии. Возможно, дальнейшее совершенствование производства дополнительно расширит сферу применения кремниевых батарей и дополнительно снизит их себестоимость.

altenergiya.ru

Кремниевые солнечные батареи из аморфного кремния

Кремниевые солнечные батареи, основу которых составляет аморфный кремний, являются результатом технологического совершенствования методик изготовления солнечных элементов. Это, преимущественно, тонкопленочные модели. Если сравнивать их с «классическими» на основе кристаллов, технологии их изготовления имеют существенные отличия. Аморфный кремний, вещество, которому можно придать любую желаемую форму — парообразующий гидрид. Его горячие пары остаются на подложке, а образования обычных кристаллов не происходит. Это обеспечивает резкое снижение производственных затрат.

Аморфный и кристаллический кремний: главное отличие

Аморфные солнечные панели обладают существенным отличием от моно- и поликристаллических. Оно заключается в том, что прямой поток света, исходящий от Солнца, таким батареям не требуется. Они прекрасно генерируют рассеянный свет, исходящий от светила, которое закрыто облаками.

Благодаря гибкости, на них легко наносятся современные полупроводниковые элементы. Они могут эффективно работать в условиях сильной загазованности воздушной среды. Или на производстве, где воздух, по тем или иным причинам, перенасыщен аэрозольными веществами.

Из истории создания

Это может показаться удивительным, но сейчас уже начинают активно совершенствовать третье поколение таких панелей.

Коротко обо всех трех можно рассказать таким образом:

• Поколение №1 — солнечная батарея с одним переходом. Минус — срок работы не более десяти лет и низкая производительность с 5%-м КПД.
• Поколение №2 — также элементы с одним переходом, но срок работы стал вдвое больше — 20 лет, а КПД увеличился до 8.
• Поколение №3 — высокоэффективные тонкопленочные батареи с КПД до 12%. Могут работать еще более длительное время. Считается, что они имеют в перспективе очень большое будущее.

Кстати, благодаря широким возможностям технологии, кремниевый слой напыляется и на жесткое, и на гибкое основание. Именно поэтому в тонкопленочных моделях напыление применяется чаще всего. Хотя стоят они, конечно, очень дорого.

Аморфные солнечные батареи обладают удивительной способностью к поглощению неяркого, рассеянного светового потока. Они активно применяются в тех регионах, где преобладает прохладная и пасмурная погода. При высоких температурах они не теряют уровня своей производительности. Хотя панели из арсенида галлия по-прежнему их в этом превосходят.

Подводя итоги: достоинства аморфных аккумуляторов и их дальнейшие перспективы

Итак, кремниевые солнечные батареи с уникальным свойством аморфности имеют следующие перспективные преимущества:

1. Меньше нагреваются при высокой температуре. Следовательно, не теряют производительности, перерабатывая большее количество электроэнергии. Эффективность кристаллических модулей при сильном нагреве, как известно, резко снижается, со значительной потерей мощности.
2. Больше вырабатывают энергии при слабом уровне света. Кристаллические солнечные батареи в условиях рассеянного светового потока уже могут перестать работать вообще. Аморфные модули в условиях дождя и облачности накапливают на 10-20% больше энергии.
3. Они почти незаметны на зданиях. Размер их минимален, а внешний вид, похожий на пленку или тонкое стекло, легко можно скрыть или замаскировать.
4. У них минимум брака, так как производство гораздо более простое. Кристаллические же модули свариваются между собой методом пайки. И это — до сих пор их слабое место, которое исправить невозможно.
5. Они лучше переносят временное или частичное затенение и теряют при этом меньше мощности.

На фоне всех неоспоримых преимуществ недостаток у таких панелеи всего один, но пока еще весьма существенный. КПД у них, в любом случае, меньше, чем у кристаллов — как минимум, в 2 раза. Это является основным препятствием для их широкого применения.

Сфера применения

Несмотря на меньший показатель КПД, по сравнению с кристаллическими солнечными аккумуляторами, аморфные модели уже постепенно находят достойную нишу применения.

Как уже было отмечено, их рекомендуется использовать там, где часто наблюдается облачная и пасмурная погода. Они будут неплохо работать в условиях рассеянного или отраженного света. Также годятся они и для жаркого климата, так как лучше переносят нагревание и теряют при этом меньше мощности.

При необходимости интеграции аккумуляторов в здание такой вариант становится просто незаменимым, так как при первом взгляде от тонированных стекол их не отличить. Они дают широкий простор дизайнерским и архитектурным решениям, если речь идет о современных зданиях, в конструкцию которых они прекрасно впишутся. Это отличная отделка фасадов, которые при желании могут быть частично прозрачными.

Уровень деградации у аморфных модулей аналогичен кристаллическим. Считается, что за десятилетний период применения показатель их мощности снизится только на 10% (по одному проценту в год), со сроком работы до 25 лет. Конечно, они не могут быть использованы в качестве постоянных источников энергии. Но роль альтернативных ее накопителей выполняют очень даже неплохо.

batteryk.com

Аморфные солнечные батареи (из аморфного кремния)

Солнечные батареи начали изготавливать с 1954 г. Сначала это были фотоэлектрические элементы на основе полупроводникового кремния. Намного позже была разработана технология получения аморфных солнечных батарей. Солнечные батареи целиком не изготавливаются, а собираются из отдельных элементов, преобразующих свет в электричество.

Современная малогабаритная солнечная батарея

Единичный фотоэлектрический полупроводниковый преобразователь изготавливается из металла кремния высочайшей степени очистки. Чаще всего в технологическом процессе очистки получают кристаллический кремний в виде цилиндра диаметром несколько десятков миллиметров.
Из цилиндра нарезают диски, имеющие толщину в доли миллиметра.

Кремниевые диски легируют нанесением на их поверхность различных примесей, как металлических, так и неметаллических. При этом в пластине кремния формируются зоны с разной степенью насыщенности электронами, с n-проводимостью (электронной) и «дырками» с p-проводимостью.

«Дырки» – это металл, из которого дозированными примесями удалили часть электронов и получили p-проводимость, т.е. положительную, а металл с избытком электронов имеет n-проводимость, т.е. отрицательную или электронную.

Структура кремниевого ФЭП

Комбинацией примесей, их составом, очередностью нанесения, толщиной и мн.др. в толще пластины получают p-n переходы или гетеропереходы. В результате этих процессов полупроводниковые пластины получают способность при облучении светом давать электрический ток. Так были созданы фотоэлектрические преобразователи (ФЭП).

К концу первого десятилетия 21-го века КПД кремниевых солнечных батарей промышленного производства, в зависимости от производителя, достиг величины в 28-30%. Эту величину значительно снижает (до 20-22%) нагрев от солнечного освещения, без которого обойтись невозможно.

Некоторые недостатки кремниевых элементов

Металлический кремний полупроводниковой чистоты – материал очень дорогой, т.к. при производстве он проходит множество стадий очистки.

При резке монокристалла значительная часть материала уходит в стружку – толщина пластины около 0,25 – 0,4 мм.

При облучении ФЭП светом, падающая на элемент энергия преобразуется в электричество не полностью:

• часть отражается с поверхности обратно;
• часть проходит «насквозь» без поглощения и преобразования;
• часть вызывает тепловые колебания кристаллической решетки;
• часть расходуется на рекомбинацию (взаимное уничтожение «дырки» и электрона с выделением тепла) фото-пар в поверхностном слое и т.д.

Эти явления уменьшают КПД кремниево-кристаллических ФЭП до 12-15%, иногда до 22-25%.

Производство ФЭП из аморфного кремния

Сырьем для производства являются подложки из различных материалов:

• металла, часто из нержавеющей стали;
• полимерных пленок разного состава;
• керамики специальных марок;
• стекла высокой степени очистки;
• кристаллов искусственного сапфира и т.п.

Сырьем для главного слоя аморфных ФЭП является силан – кремневодород. Его химическая формула Sih5. Кремний обрабатывают водородом и получают соединение типа (a-Si:H) или гидрогенизированный кремний.

Для нанесения аморфного кремния на подложку силан в закрытой камере подвергают воздействию тлеющего электрического разряда. Он испаряется, и пары кремния осаждаются на подложку. Толщина слоя около 1 мкм и менее. Температура осаждения около 250 – 400°С, поэтому для подложек можно выбрать разные материалы невысокой стоимости.

Гибкая солнечная батарея

Производство безотходное, поэтому цена продукции относительно невелика.

Процесс напыления позволяет производить ФЭП значительно большей площади, чем диски из кремния, диаметром в десятки миллиметров. Модули, изготовленные по такой технологии, могут иметь площадь до нескольких квадратных метров.

Гидрогенизация кремния позволяет получить полупроводниковые свойства у очень тонких пленок, толщиной до 1 мкм, чему способствует увеличенное в 15 – 20 раз оптическое поглощение этого материала по отношению к кремнию.

Солнечная батарея с использованием аморфного кремния на стеклянной подложке

Гибкий ФЭП на основе аморфного кремния

Особенности тонкопленочных солнечных батарей

Солнечные батареи, изготовленные из аморфного кремния, для работы не требуют облучения прямым потоком солнечного света. Им достаточно рассеянного света, например, света Солнца, закрытого облаками. В результате этого такие батареи за год вырабатывают на 10 – 15% больше электроэнергии, чем традиционные кремниевые батареи. Они работают при большой запыленности воздуха или при насыщении его аэрозолями.

Элементы малой мощности использоваться начали еще в конце прошлого века в калькуляторах, электронных часах, в карманных радиоприемниках и т.п.

Для создания тонкого слоя полупроводникового материала для солнечной энергетической панели нужно в сотни раз меньше, и это тоже уменьшает конечную цену.

Использование энергетических солнечных батарей большой мощности позволяет уменьшить зависимость от энергетических компаний, а при наличии в государстве законов по альтернативной энергетике – даже зарабатывать, подавая в промышленную сеть избыток энергии.

solarb.ru

Сравнительный обзор различных видов солнечных батарей

Альтернативная энергетика максимально развивается в Европе, показывая результатами свою перспективность. Появляются новые виды солнечных батарей, повышается их КПД.

При желании обеспечить работу промышленного здания или жилого помещения за счет энергии солнца, необходимо предварительно узнать об отличиях оборудования, понять, какие солнечные панели подходят под климатические условия определенного региона.

Мы поможем разобраться в этом вопросе. В статье рассмотрен принцип работы фотоэлектрических преобразователей, приведен обзор разных видов солнечных батарей с указанием их характеристик, преимуществ и недостатков. Ознакомившись с материалом, вы сможете сделать правильный выбор для обустройства эффективной гелиосистемы.

Содержание статьи:

Принцип работы солнечных панелей

Подавляющее большинство солнечных панелей являются в физическом смысле фотоэлектрическими преобразователями. Электрогенерирующий эффект возникает в месте полупроводникового p-n перехода.

Именно кремниевые пластины составляют основу себестоимости солнечных панелей, но при их использовании в качестве круглосуточного источника электроэнергии придется дополнительно купить дорогостоящие аккумуляторные батареи

Панель состоит из двух кремниевых пластин с различными свойствами. Под действием света в одной из них возникает недостаток электронов, а в другой – их избыток. Каждая пластина имеет токоотводящие полоски из меди, которые подсоединяются к преобразователям напряжения.

Промышленная солнечная панель состоит из множества ламинированных фотоэлектрических ячеек, скрепленных между собой и закрепленных на гибкой или жесткой подложке.

КПД оборудования зависит во многом от чистоты кремния и ориентации его кристаллов. Именно эти параметры пытаются улучшить инженеры последние десятилетия. Основной проблемой при этом является высокая стоимость процессов, которые лежат в основе очищения кремния и расположения кристаллов в одном направлении на всей панели.

Ежегодно максимальные КПД различных солнечных панелей изменяются в большую сторону, потому что в исследования новых фотогальванических материалов вкладываются миллиарды долларов (+)

Полупроводники фотоэлектрических преобразователей могут изготавливаться не только из кремния, но и из других материалов – при этом не изменяется.

Типы фотоэлектрических преобразователей

Классифицируют промышленные солнечные панели по их конструкционным особенностям и типу рабочего фотоэлектрического слоя.

Различают такие виды батарей по типу устройства:

• ;
• жесткие модули.

Гибкие тонкопленочные панели постепенно занимают всё большую нишу на рынке благодаря своей монтажной универсальности, ведь установить их можно на большинстве поверхностей с разнообразными архитектурными формами.

Реальные характеристики солнечных панелей обычно ниже, чем указанные в инструкции. Поэтому перед их установкой дома желательно самому увидеть похожий реализованный проект

По типу рабочего фотоэлектрического слоя солнечные батареи разделяются на такие разновидности:

1. Кремниевые: монокристаллические, поликристаллические, аморфные.
2. Теллурий-кадмиевые.
3. На основе селенида индия- меди-галлия.
4. Полимерные.
5. Органические.
6. На основе арсенида галлия.
7. Комбинированные и многослойные.

Интерес для широкого потребителя представляют не все типы солнечных панелей, а только лишь первые два кристаллических подвида.

Хотя некоторые другие типы панелей и имеют большие КПД, но из-за высокой стоимости они не получили широкого распространения.

Галерея изображений

Фото из

Массив монокристаллических солнечных фотоэлементов

Солнечная панель на основе поликристаллов кремния

Солнечная панель в виде пленки

Фотогальванические элементы из селенида индия-меди-галлия

Фотоэлемент на основе арсенида галлия

Солнечные панели со слоем теллурида кадмия

Производство органических солнечных панелей

Солнечная батарея из полиэфира

Кремниевые фотоэлектрические элементы довольно чувствительны к нагреву. Базовая температура для измерения электрогенерации составляет 25°C. При её повышении на один градус эффективность панелей снижается на 0,45-0,5%.

Далее будут подробно рассмотрены солнечные панели, которые представляют наибольший потребительский интерес.

Характеристики панелей на основе кремния

Кремний для солнечных батарей изготавливают из кварцевого порошка – размолотых кристаллов кварца. Богатейшие залежи сырья есть в Западной Сибири и Среднем Урале, поэтому перспективы данного направления солнечной энергетики практически безграничны.

Даже сейчас кристаллические и аморфные кремниевые панели занимают уже более 80% рынка. Поэтому стоит рассмотреть их более подробно.

Монокристаллические кремниевые панели

Современные монокристаллические кремниевые пластины (mono-Si) имеют равномерный темно-синий цвет по всей поверхности. Для их производства используется наиболее чистый кремний. Монокристаллические фотоэлементы среди всех кремниевых пластин имеют самую высокую цену, но обеспечивают и наилучший КПД.

Большие монокристаллические солнечные панели с поворотными механизмами идеально вписываются в пустынные пейзажи. Там обеспечиваются условия для максимальной производительности

Высокая стоимость производства обусловлена сложностью ориентации всех кристаллов кремния в одном направлении. Из-за таких физических свойств рабочего слоя максимальный КПД обеспечивается только лишь при перпендикулярном падении солнечных лучей на поверхность пластины.

Монокристаллические батареи требуют дополнительного оборудования, которое автоматически поворачивает их в течение дня, чтобы плоскость панелей была максимально перпендикулярна солнечным лучам.

Слои кремния с односторонне ориентированными кристаллами вырезаются из цилиндрического бруска металла, поэтому готовые фотоэлектрические блоки имеют вид закруглённого по углам квадрата.

К преимуществам монокристаллических кремниевых батарей относят:

1. Высокий КПД со значением 17-25%.
2. Компактность – меньшая площадь размещения оборудования из расчета на единицу мощности, в сравнении с поликристаллическими кремниевыми панелями.
3. Долговечность – достаточная эффективность генерации электроэнергии обеспечивается до 25 лет.

Недостатков у таких батарей всего два:

1. Высокая стоимость и длительная окупаемость.
2. Чувствительность к загрязнению. Пыль рассеивает свет, поэтому у покрытых ею солнечных панелей резко снижается КПД.

Из-за потребности в прямых солнечных лучах монокристаллические в основном на открытых площадках или на высоте. Чем ближе местность к экватору и чем больше в ней солнечных дней, тем более предпочтительна установка именно этого типа фотоэлектрических элементов.

Поликристаллические солнечные батареи

Поликристаллические кремниевые панели (multi-Si) имеют неравномерный по интенсивности синий окрас из-за разносторонней ориентированности кристаллов. Чистота кремния, используемого при их производстве, несколько ниже, чем у монокристаллических аналогов.

Разнонаправленность кристаллов обеспечивает высокий КПД при рассеянном свете – 12-18%. Он ниже, чем в однонаправленных кристаллах, но в условиях пасмурной погоды такие панели оказываются более эффективны.

Неоднородность материала приводит и к снижению себестоимости производства кремния. Очищенный металл для поликристаллических солнечных панелей без особых ухищрений заливается в формы.

На производстве используются специальные технические приемы для формирования кристаллов, однако их направленность не контролируется. После остывания кремний нарезают слоями и обрабатывают по специальному алгоритму.

Поликристаллические панели не требуют постоянной ориентации в сторону солнца, поэтому для их размещения активно используются крыши домов и промышленных зданий.

Днем при легкой облачности преимуществ солнечных панелей из аморфного кремния заметно не будет, их достоинства раскрываются только при плотных тучах или в тени (+)

К достоинствам солнечных батарей с разнонаправленными кристаллами относят:

1. Высокая эффективность в условиях рассеянного света.
2. Возможность стационарного монтажа на крышах зданий.
3. Меньшая стоимость по сравнению с монокристаллическими панелями.
4. Длительность эксплуатации – падение эффективности через 20 лет эксплуатации составляет всего 15-20%.

Недостатки у поликристаллических панелей также имеются:

1. Пониженный КПД со значением 12-18%.
2. Относительная громоздкость – требуется больше пространства для установки из расчета на единицу мощности в сравнении с монокристаллическими аналогами.

Поликристаллические солнечные панели завоевывают всё большую рыночную долю среди других кремниевых батарей. Это обеспечивается широкими потенциальными возможностями для удешевления стоимости их производства. Ежегодно увеличивается и КПД таких панелей, стремительно приближаясь к 20% у массовых продуктов.

Солнечные панели из аморфного кремния

Механизм производства солнечных панелей из аморфного кремния принципиально отличается от изготовления кристаллических фотоэлектрических элементов. Здесь используется не чистый неметалл, а его гидрид, горячие пары которого осаждаются на подложку.

В результате такой технологии классические кристаллы не образуются, а затраты на производство резко снижаются.

Фотоэлементы из осажденного аморфного кремния можно закреплять как на гибкой полимерной подложке, так и на жестком стеклянном листе

На данный момент существует уже три поколения панелей из аморфного кремния, в каждом из которых заметно повышается КПД. Если первые фотоэлектрические модули имели эффективность 4-5%, то сейчас на рынке массово продаются модели второго поколения с КПД 8-9%.

Аморфные панели последней разработки имеют эффективность до 12% и уже начинают появляться в продаже, но они пока ещё достаточно дорогие.

За счет особенностей данной производственной технологии, создать слой кремния можно как на жесткой, так и на гибкой подложке. Из-за этого модули из аморфного кремния активно используются в гибких тонкоплёночных солнечных модулях. Но варианты с эластичной подложкой стоят намного дороже.

Физико-химическая структура аморфного кремния позволяет максимально поглощать фотоны слабого рассеянного света для генерации электроэнергии. Поэтому такие панели удобны для применения в северных районах с большими свободными площадями.

Не снижается эффективность батарей на основе аморфного кремния и при высокой температуре, хотя они и уступают по этому параметру панелям из арсенида галлия.

При одинаковой стоимости оборудования солнечные панели из гидрида кремния показывают большую производительность, чем их моно- и поликристаллические аналоги (+)

Подытоживая, можно указать такие преимущества аморфных солнечных панелей:

1. Универсальность – возможность изготовления гибких и тонких панелей, монтаж батарей на любые архитектурные формы.
2. Высокий КПД при рассеянном свете.
3. Стабильная работа при высоких температурах.
4. Простота и надежность конструкции. Такие панели практически не ломаются.
5. Сохранение работоспособности в сложных условиях – меньшее падение производительности при запыленности поверхности, чем у кристаллических аналогов

Срок службы таких фотоэлектрических элементов, начиная со второго поколения, составляет 20-25 лет при падении мощности в 15-20%. К недостаткам панелей из аморфного кремния можно отнести лишь потребность в бо́льших площадях для размещения оборудования требуемой мощности.

Обзор бескремниевых устройств

Некоторые солнечные панели, изготовленные с применением редких и дорогостоящих металлов, имеют КПД более 30%. Они в разы дороже своих кремниевых аналогов, но всё-таки заняли высокотехнологичную торговую нишу, благодаря своим особенным характеристикам.

Солнечные панели из редких металлов

Существует несколько типов солнечных панелей из редких металлов, и не все они имеют КПД выше, чем у монокристаллических кремниевых модулей.

Однако способность работать в экстремальных условиях позволяет производителям таких солнечных панелей выпускать конкурентоспособную продукцию и проводить дальнейшие исследования.

Панели из теллурида кадмия активно используются при облицовке зданий в экваториальных и аравийских странах, где их поверхность нагревается днем до 70-80 градусов

Основными сплавами, применяемыми для изготовления фотоэлектрических элементов, являются теллурид кадмия (CdTe), селенид индия- меди-галлия (CIGS) и селенид индия-меди (CIS).

Кадмий – токсический металл, а индий, галлий и теллур являются довольно редкими и дорогостоящими, поэтому массовое производство солнечных панелей на их основе даже теоретически невозможно.

КПД таких панелей находится на уровне 25-35%, хотя в исключительных случаях может доходить до 40%. Ранее их применяли в основном в космической отрасли, а сейчас появилось новое перспективное направление.

Из-за стабильной работы фотоэлементов из редких металлов при температурах 130-150°C их используют в солнечных тепловых электростанциях. При этом лучи солнца от десятков или сотен зеркал концентрируются на небольшой панели, которая одновременно генерирует электроэнергию и обеспечивает передачу тепловой энергии водяному теплообменнику.

В результате нагрева воды образуется пар, который заставляет вращаться турбину и генерировать электроэнергию. Таким образом солнечная энергия преобразуется в электрическую одновременно двумя путями с максимальной эффективностью.

Полимерные и органические аналоги

Фотоэлектрические модули на основе органических и полимерных соединений начали разрабатывать только в последнем десятилетии, но исследователи уже добились значительных успехов. Наибольший прогресс демонстрирует европейская компания Heliatek, которая уже оснастила органическими солнечными панелями несколько высотных зданий.

Толщина её рулонной пленочной конструкции типа HeliaFilm составляет всего 1 мм.

При производстве полимерных панелей используются такие вещества, как углеродные фуллерены, фталоцианин меди, полифенилен и другие. КПД таких фотоэлементов уже достигает 14-15%, а стоимость производства в разы меньше, чем кристаллических солнечных панелей.

Остро стоит вопрос срока деградации органического рабочего слоя. Пока что достоверно подтвердить уровень его КПД через несколько лет эксплуатации не представляется возможным.

Преимуществами органических солнечных панелей являются:

• возможность экологически безопасной утилизации;
• дешевизна производства;
• гибкая конструкция.

К недостаткам таких фотоэлементов можно отнести относительно низкий КПД и отсутствие достоверной информации о сроках стабильной работы панелей. Возможно, что через 5-10 лет все минусы органических солнечных фотоэлементов исчезнут, и они станут серьезными конкурентами для кремниевых пластин.

Какую солнечную панель выбрать?

Выбор солнечных панелей для загородных домов на широте 45-60° не труден. Здесь стоит рассматривать лишь два варианта: поликристаллические и монокристаллические кремниевые панели.

При дефиците места предпочтение лучше отдать более эффективным моделям с односторонней ориентацией кристаллов, при неограниченной площади рекомендуется приобрести поликристаллические батареи.

Ориентироваться на прогнозы аналитических компаний развития рынка солнечных панелей не стоит, ведь лучшие их образцы, возможно, ещё не изобретены

Выбирать конкретного производителя, требуемую мощность и дополнительное оборудование лучше при участии менеджеров компаний, занимающихся продажей и установкой такого оборудования. Следует знать, что качество и цена фотоэлектрических модулей у крупнейших производителей отличаются мало.

Следует учитывать, что при заказе комплекта оборудования «под ключ», стоимость самих солнечных панелей будет составлять всего лишь 30-40% от общей суммы. Сроки окупаемости таких проектов составляют 5-10 лет, и зависят от уровня энергопотребления и возможности продажи излишков электроэнергии в городскую сеть.

Некоторые мастера предпочитают собирать солнечные батареи собственноручно. На нашем сайте есть статьи с подробным описанием технологии изготовления таких панелей, их подключению и обустройству отопительных гелиосистем .

Советуем ознакомиться:

Выводы и полезное видео по теме

Представленные видеоролики показывают работу различных солнечных панелей в реальных условиях. Также они помогут разобраться в вопросах выбора сопутствующего оборудования.

Правила выбора солнечных панелей и сопутствующего оборудования:

Виды солнечных панелей:

Тестирование монокристаллической и поликристаллической панелей:

Для населения и небольших промышленных объектов реальной альтернативы кристаллическим кремниевым панелям пока что нет. Но темпы разработки новых типов солнечных батарей позволяют надеяться, что скоро энергия солнца станет главным источником электроэнергии во многих загородных домах.

Всем заинтересованным в вопросе выбора и использования солнечных батарей предлагаем оставлять комментарии, задавать вопросы и участвовать в обсуждениях. Форма для связи расположена в нижнем блоке.

sovet-ingenera.com