Солнечная фотовольтаика. Основные принципы работы кремниевых солнечных ячеек
Каталог первых двух разделов
Раздел 3. Солнечная фотовольтаика
1. Введение
2. Понятие «фотовольтаика»
3. Кремниевые солнечные ячейки: основные принципы
4. Монокристаллические ячейки кремния
На практике, самая высокая эффективность, достигнутая в модулях монокристаллических кремниевых солнечных ячеек (в отдельных индивидуальных солнечных ячейках) при одном переходе, что коммерчески целесообразно, достигает в настоящее время 17 %. Эффективность модулей солнечных ячеек обычно ниже, чем у ячеек, проходящих испытания в лаборатории, так как:
■ трудно достичь такой же высокой эффективности в серийно выпущенных устройствах, как и в лабораторных ячейках, полученных при оптимальных условиях производства;
■ лабораторные модули обычно не закрыты стеклом или крепежными капсулами;
■ в модуле солнечных ячеек обычно есть неактивные области, как среди установленных ячеек, так и в зоне окружающей рамки модуля, которые недоступны для выработки электроэнергии;
■ при передаче энергии от ячеек к диодам возникают дополнительные сопротивления, которые возни-кают в элементах защиты;
■ эти потери возникают из-за того, что в модули соединяют солнечные ячейки, электрические характеристики которых слегка отличаются. Многие из наиболее эффективных одно-переходных монокристаллических модулей солнечных ячеек, использование которых возможно в настоящее время, имеют сетчатую структуру с желобками, прорезанными при помощи лазера, рисунок:
Монокристаллическая структура солнечных ячеек сетчатой структуры с желобками, прорезанными при помощи лазера, разработанных в Университете Нового Южного Уэльса, которые используются для изготовления высокоэффективных модулей солнечных батарей. Создана на поверхности ячейки структура в форме пирамид увеличивает количество солнечных «ловушек». Углубленные электрические контакты имеют очень низкое электрическое сопротивление, что позволяет уменьшить потери, возникающие при снижении освещенности. Символами p+ и n+ обозначены насыщенные специальными добавками слои, в контактных областях которых снижено электрическое сопротивление.
Перевод надписей: Оксид. Покрытые металлом верхние контакты (в желобках, нарезанных лазером). Нижний металлический контакт.
5. Поликристаллический кремний
5.1. Как устроены ячейки
Поликристаллический кремний, по сути, состоит из маленьких зерен монокристаллического кремния. Солнечные сотовые ячейки могут быть сделаны непосредственно из поликристаллического кремния различными путями. Для контролируемого отбора поликристаллический кремний сплавляют в слитки кубической формы и обрабатывают тонкими проволочными пилами. Затем их укладывают в ячейки формы, похожей на вафли.
Такой способ производства дешевле, чем монокристаллы, но эффективность ниже, чем у монокристаллов. Электроны, достигая границ ячеек, должны рекомбинироваться. Поэтому для повышения эффективности материал обрабатывают таким образом, чтобы отдельные его кристаллы (зерна) были больше по размеру и ориентированы книзу. Эти и другие усовершенствования должны облегчить коммерческое использование модулей поликристаллов (их называют «мультикристаллами» или «полукристаллами») с эффективностью выше 14%.
Такие компании как Pacific Solar (Пасифик Солар), Австралия, и Astropower (Астропауэр), США, ищут способы поместить поликристаллические блоки на керамическую или стеклянную основу, чтобы достичь эффективности этих объемных модулей в 10%. При этом используемые кремниевые блоки будут толще, чем «тонкие» объемные модули (см. ниже), поэтому блоки, сделанные тким способом будут называться «толстыми» модулями поликристаллических ячеек.
5.2. Сокращение затрат и увеличение эффективности
Хотя последние монокристаллические кремниевые модули солнечных ячеек чрезвычайно эффективны, они дорогие, потому что их промышленное изготовление идет очень медленно, необходимы высококвалифицированные сотрудники, и их производство сложное и энергоемкое. Другая причина их высокой стоимости определяется тем, что большинство высокоэффективных солнечных ячеек производится из чрезвычайно чистого на «электронном» уровне кремния. Однако, для ячеек солнечных батарей может быть использован менее чистый и менее дорогой кремний, что приведет к небольшому сокращению его энергоэффективности.
В течение последних 30 лет был выполнен целый ряд разработок, направленных на снижение стоимости кристаллических солнечных ячеек и модулей, на увеличение их энергоэффективности. В этих ячейках используют не монокристаллический материал, а поликристаллический, выращенных в виде ленты или листов, для чего используют другие кристаллические материалы для солнечных ячеек - например, арсенид галлия.
5.3. Кремниевые ленты и листы
Их получают после плавки кремния и вытягивания в тонкие пласты мультикристалла. Американская компания Mobil Solar (Мобил Солар) испльзует для ихпроизводства оригинальную методику выращивания этих кристаллов - EFG (edge-defined, filmfed growth - «подкармливаемого роста», «роста на острие»). Это показано на рисунке ниже. EFG ячейки производятся немецкой компанией RWE Schott Solar (RWE Шот Солар) под брендовым названием ASE. Кремниевые ленты ячеек производит Evergreen Solar (Эвергрин Солар) в США.
Рисунок. EFG процесс производства. Тонкие, полые, полигональные трубки из поликристаллического кремния более 6 м длиной медленно извлекают из форм, вложенных в плавильни с чистым кремнием, затем обрезают лазером до размера индивидуальных ячеек.
Перевод надписей: Расплавленный кремний. Кристаллический кремний. Ребра (форма). Трубка, извлеченная из плавильни. Плавка силикона при 1400°С. Трубку обрезают лазером. Завершенная кремниевая ячейка.
6. Арсенид галлия
Кремний - не единственный кристаллический материал, подходящий для солнечных элементов. Другой - арсенид галлия (GаAs), так называемый составной полупроводник. GаAs имеет кристаллическую структуру, подобную той, что из кремния, но состоящую из чередующихся атомов галлия и мышьяка. В принципе это чрезвычайно подходит для использования в солнечных батареях, так как материал этот имеет столь высокий коэффициент абсорбции света , что хватает даже его тонкого слоя. Ячейки GаAs также имеют ленточный промежуток, но шире, чем у кремния, и ближе к теоретическому оптимуму поглощения энергии земного солнечного спектра. Ячейки из GаAs эффективнее ячеек из моно-кристаллического кремния. Они работают также при относительно высоких температурах без ощутимого снижения эффективности по сравнения с ячейками из кремния при таком же повышении температуры. Это позволяет использовать их в более концентрированных объемных системах.
С другой стороны, ячейки, сделанные от GаAs, существенно дороже кремниевых, частично потому, что процесс их производства не так хорошо отработан, и частично потому, что галлий и мышьяк - более редкие на Земле элементы. Ячейки из GаAs используются, когда нужны их более высокая эффективность, а высокая стоимость второстепенна. Например, в космических программах, в гонках авто на солнечных батареях:
В следующем посте поговорим о том, как устроены тонкие модули солнечных батарей.
А еще рекомендую: Перспективы развития возобновляемой энергетики
.