«

»

Окт 02

Солнечные элементы

Устройства для непосредственного преобразования световой энергии в электрическую называются фотоэлементами. Название фотоэлементы или по-английски Photovoltaics произошло от греческого слова photos, что значит — свет и названия единицы электродвижущей силы – вольт.

Фотоэлементы изготавливаются из неоднородных полупроводниковых материалов, основным из которых на сегодняшний день является кремний. Принцип действия таких элементов основан на явлении внутреннего фотоэффекта, при котором под воздействием солнечного излучения между двумя полупроводниками с различными электрическими свойствами возникает электрический ток.

Неоднородность полупроводников возникает при добавлении различных примесей к одному и тому же полупроводнику. Совокупность электрически соединенных между собой фотоэлектрических солнечных элементов (ФЭС), имеющих выходные клеммы для подключения нагрузок, называется фотоэлектрическим модулем. При соединении модулей друг с другом, варьируя их мощностями и количеством, возможно создавать фотоэлектрические станции с заданными параметрами. КПД фотоэлектрических установок составляет на сегодняшний день в среднем 10%, КПД же отдельно взятых фотоэлементов может доходить до 20 и более процентов. В лабораторных условиях уже достигнут КПД элементов 40 % и в перспективе 50%-ный рубеж.

Несмотря на открытие явления фотоэффекта Эдмондом Беккерелем в 1839 году, прошло еще долгих 44 года, прежде чем был изготовлен первый в мире фотоэлемент из селена. КПД этого первого элемента составлял всего 1-2%, однако начало эры солнечной энергетики было положено. Поиски новых материалов и развитие технологий привели к изобретению кремниевых солнечных преобразователей, ставших предшественниками современных фотоэлементов. В течение еще почти ста лет развитие солнечной энергетики переживало то взлеты, то падения и лишь энергетический кризис 1973-1974 годов послужил толчком к массовому запуску программ по использованию фотоэлементов. Только в США было установлено свыше 3100 солнечных фотоэлектрических систем, многие из которых и в настоящее время успешно эксплуатируются.

Кремний и сейчас остается основным материалом для производства фотоэлементов. Модули из моно- или поликристаллического кремния составляют около 80% всех производимых модулей, остальные 20% — модули из аморфного кремния. Кристаллические фотоэлементы – это наиболее распространенный тип фотоэлементов, обычно они имеют синий с отблеском цвет. Аморфные или некристаллические фотоэлементы меняют цвет в зависимости от угла зрения и гладкие на вид.

Модули из монокристаллического кремния

Наибольшее КПД преобразования солнечной энергии имеют монокристаллические элементы (около14%). Срок их службы около 20 лет. Технология изготовления сверхчистого кремния «солнечного» качества, являющегося базовым материалом для монокристаллических фотоэлементов хорошо освоена и отработана. Монокристалл кремния вырастает из семени, медленно вытягивающегося из кремниевого расплава. Полученные в результате стержни нарезаются на диски толщиной 0,2-0,4 мм. Затем диски подвергаются ряду производственных операций, превращающих их в собственно монокристаллические фотоэлементы:

-обтачивание, очистка и шлифовка;

-защитные покрытия;

-антирефлексионные покрытия;

-металлизация.

Основной недостаток монокристаллических фотоэлементов – это высокая стоимость, 50-70% которой составляет цена самого кремния. Снижение мощности при затенении или сильной облачности — это еще один существенный минус этих фотоэлементов.

Модули из поликристаллического кремния

Модули из поликристаллического кремния обладают меньшей эффективностью в сравнении с монокристаллическими (КПД составляет 10-12 %) и имеют меньший ресурс – до 10 лет, но и стоимость их меньше за счет меньшего расхода энергии при изготовлении. К тому же, мощность поликристаллических фотоэлементов зависит от затенения в меньшей степени, чем монокристаллических. Образование поликристаллического кремния происходит при медленном охлаждении кремниевого расплава. Меньшая эффективность объясняется наличием внутри кристалла поликристаллического кремния областей, отделенных своеобразными зернистыми границами, которые препятствуют более высокой производительности элементов.

Модули из аморфного кремния

Модули из аморфного кремния еще менее эффективны, чем из кристаллического кремния, к тому же менее долговечны. Однако низкое энергопотребление, простота производства и невысокая его стоимость, возможность производства больших по размерам элементов делает модули из аморфного кремния востребованными в самых широких сферах человеческой деятельности. Аморфный кремний достаточно широко применяется при производстве часов и калькуляторов, однако для установок большой мощности он неприменим вследствие меньшей стабильности. «Метод испарительной фазы», при помощи которого происходит изготовление аморфного кремния, состоит в осаждении тонкой пленки кремния на подложку и нанесении защитного покрытия. Вследствие такого осаждения образуются проводящие электричество p-n переходы. Используемые при изготовлении модулей из аморфного кремния материалы абсолютно безвредны в экологическом отношении, такие модули эффективны даже в условиях слабой освещенности и облачности и лучше защищены от агрессивного влияния внешних факторов.

Кремний – второе по распространенности вещество на Земле. Встречается кремний чаще всего в виде диоксидов, которые можно увидеть практически повсеместно: это обычный песок, кварц, кремень и другие минералы. Однако для изготовления фотоэлементов нужен кремний высокой степени очистки и технологии такой очистки достаточно сложны, трудоемки и дорогостоящи, чем и вызвана сравнительно высокая цена конечного продукта. Фотоэлемент – это основная часть солнечной батареи, от которой зависит как эффективность работы солнечной энергосистемы, ее сроки службы и условия работы, так и стоимость вырабатываемого электричества и сроки окупаемости системы. Кристаллические кремниевые фотоэлементы, наиболее распространенные на рынке фотогальваники, уже многие годы успешно вырабатывают энергию на космических станциях и системах электроснабжения на Земле.

В настоящее время фотоэлементы изготавливаются из самых различных материалов, основными из которых являются кремний (Si) и арсенид галлия(GaAs), немало и новых технологий их изготовления. Однако неизменным остается основной принцип их действия, заключающийся в использовании явления фотоэффекта в неоднородных полупроводниковых структурах под воздействием квантов солнечного света. Классический кремниевый фотоэлемент похож на сэндвич из двух полупроводниковых пластин, внутренняя из которых изготавливается из кремния высокой степени очистки и прошедшего не один этап обработки, а внешняя – из, так называемого, «загрязненного кремния», полученного из такого же основного материала с добавлением точно рассчитанного количества специальных примесей (например, фосфора). Увеличение эффективности фотоэлементов, являющееся основной задачей исследователей и ученых, занимающихся проблемами солнечной энергетики, во многом зависит от совершенствования материала двух слоев полупроводников. Арсенид галлия, использующийся наряду с кремнием для изготовления фотоэлементов, более эффективен (КПД около 28%), чем кремний (КПД в среднем 17%), однако намного более существенные затраты на его производство и меньшая освоенность технологий, позволяют кремнию по-прежнему оставаться основным материалом для изготовления солнечных элементов.

Солнечные элементы бывают двух типов: «n» типа, у которых тыльная сторона является минусовым контактом, а лицевая, т. е. рабочая – плюсовым и элементы «р» типа с противоположным расположением контактов. Электрон под воздействием фотона света, попадающего на внешнюю «n» пластину, имеющую избыток электронов, возбуждается и перескакивает на внутреннюю р-пластину с недостатком электронов. Возникающее в результате направленное движение электронов и представляет собой электрический ток. Под воздействием светового излучения возникает постоянный ток силой около 0,5 ампер. Единичный фотоэлемент поддерживает определенную силу тока при заданном напряжении и использовать его можно совершенно так же, как и другие источники электроэнергии. Основная разница лишь в том, что в фотоэлементах невозможно короткое замыкание. Сила тока пропорциональна световой энергии (количеству квантов света). В фотоэлектрических системах напряжение почти постоянно, а сила тока зависит и пропорциональна размерам фотоэлементов и интенсивности падающего на них света. Облачность способна снизить выходную мощность фотоэлемента вдвое и более. Характеристики кремниевых фотоэлементов имеют нелинейный характер и закон Ома в его обычном написании для них неприменим. Графически поведение фотоэлектрических преобразователей отображается с помощью вольтамперных характеристик (ВАХ).

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>