Солнечные элементы

Как работают солнечные элементы и их основные показатели

Структура солнечного элемента из кремния

1. свет (фотоны)   2. лицевой контакт  3. отрицательный слой
4. переходной слой  5. положительный слой  6. задний контакт

Солнечные элементы (СЭ) изготавливаются из материалов, которые напрямую преобразуют солнечный свет в электричество. Большая часть из коммерчески выпускаемых в настоящее время СЭ изготавливается из кремния (химический символ Si). Кремний это полупроводник. Он широко распространен на земле в виде песка, который является диоксидом кремния (SiO2), также известного под именем «кварцит». Другая область применения кремния — электроника, где кремний используется для производства полупроводниковых приборов и микросхем.

Структура солнечного элемента

Прежде всего , в СЭ имеется задний контакт и 2 слоя кремния разной проводимости. Сверху имеется сетка из металлических контактов и антибликовое просветляющее покрытие, которое дает СЭ характерный синий оттенок. Различают солнечные элементы с переходом p- и n-типа. Первые дешевле и более распространены в настоящее время. Вторые немного дороже, но имеют большую эффективность, и применяются в  солнечных элементах нового типа (например, PERC)

Типы солнечных элементов

Монокристаллические, поликристаллические и аморфные солнечные элементы
Монокристаллические, поликристаллические и аморфные солнечные элементы
Типичные размеры солнечных элементов и их электрические параметры
Типичные размеры солнечных элементов и их электрические параметры
Максимальный КПД солнечных элементов, полученный в ведущих лабораториях мира

СЭ может быть следующих типов: монокристаллический, поликристаллический и аморфный (тонкопленочный). Различие между этими формами в том, как организованы атомы кремния в кристалле. Различные СЭ имеют разный КПД преобразования энергии света. Моно- и поликристаллические элементы имеют почти одинаковый КПД, который выше, чем у солнечных элементов, изготовленных из аморфного кремния.

В последние годы разработаны новые типы материалов для СЭ. Например, тонкопленочные фотоэлектрические элементы из медь-индий-диселенида и из CdTe (теллурид кадмия). Эти СЭ в последнее время также коммерчески используются. Технологии их производства постоянно развиваются, за последнее десятилетие КПД тонкопленочных элементов вырос примерно в 2 раза. Одной из последних технологий солнечных модулей из аморфного кремния являются тандемные солнечные модули, которые имеют повышенных КПД. В нашем ассортименте есть такие модули — Tianwei TF-120

Последние технологии используют гибридные методы. Так появились элементы, которые имеют как кристаллический переход, так и тонкий полупрозрачный аморфный переход, расположенный над кристаллическим. Так как кристаллы и аморфный кремний наиболее эффективно преобразуют только часть спектра света, и эти спектры немного отличаются, применение таких гибридных элементов позволяет повысить общий КПД солнечного элемента. В России такие солнечные элементы выпускает завод Хевел по названием «гетероструктурные» элементы и модули.

КПД серийно выпускаемых солнечных элементов, %:
монокристаллические:15-22
поликристаллические:12-18
аморфные:6-12
теллурид кадмия:8-12

Новая многообещающая технология для кристаллических кремниевых элементов — это PERC. Такие элементы имеют КПД выше примерно на 15-20% по сравнению со стандартными элементами. Подробная информация об этой технологии — по ссылке выше.

На рисунке выше приведен график изменения КПД солнечных элементов за последние десятилетия. Как видим, в лабораториях уже получены результаты, приближающиеся к 45%. Конечно, до массового коммерческого использования такие технологии дойдут еще не скоро, но работа по удешевлению изготовления солнечных элементов постоянно ведется во всем мире. Как видно, максимальный КПД получают на многопереходных элементах и концентрированном освещении.

Пиковый ватт

Солнечный элемент производит электричество когда освещается светом. В зависимости от интенсивности света (измеряемой в Вт/м2), солнечный элемент производит больше или меньше электричества: яркий солнечный свет более предпочтителен, чем тень, и тень более предпочтительна, чем электрический свет. Для сравнения СЭ и модулей необходимо знать так называемую номинальную мощность элемента или модуля. Номинальная мощность, выращенная в ваттах пиковой мощности Wp, это мера того, сколько электроэнергии может произвести фотоэлектрический модули при оптимальных условиях.

Для определения и сравнения номинальной мощности солнечных панелей, выходная мощность измеряется при стандартных тестовых условиях (СТУ). Эти условия предполагают:
— освещенность 1000 Вт/м2
— солнечный спектр AM 1.5 (он определяет тип и цвет света)
— температура элемента 25 °C (это важно, так как эффективность СЭ падает при повышении его температуры).

Так как в реальных условиях работы такие параметры практически недостижимы, в последнее время все больше производителей указывают параметры модуля в так называемых «нормальных условиях» (NOCT), т.е. при температуре модуля 40-45 градусов и освещенности 800 Вт/м2. Тем не менее, NOCT также не отражает реальную мощность модуля, так как во время работы солнечной батареи освещенность может быть даже выше 1000 Вт/м2, а температура существенно ниже 45С.

Пример:

Большинство панелей с площадью 1 квадратный метр имеют номинальную мощность около 120-150 Втпик
(уточнение: если они сделаны из кристаллических кремниевых элементов).

Ни NOCT, ни тем более STC мощности не позволяют определить, сколько именно энергии будет вырабатывать солнечная панель в реальных условиях. Для того, чтобы иметь более точное представление о производительности солнечного модуля, в мире делаются попытки ввести новые, дополнительные, показатели эффективности солнечных панелей. Одним из таких дополнительных параметров является PTC, с помощью которого можно более реально определить, сколько энергии можно ожидать от того или иного модуля. На настоящий момент PTC, наряду с NOCT, являются показателями, по которым можно проводить сравнение различных фотоэлектрических модулей. Подробнее о PTC…

Сравнение тонкопленочных и кристаллических фотоэлектрических модулей

Тонкопленочные солнечные элементы бывают обычно 4 основных типов:

  1. из аморфного кремния (a-Si) или тонкопленочного кремния (TF-Si)
  2. из теллурида кадмия (Cd-Te)
  3. из деселенида галлия-меди-индия copper indium gallium deselenide (CIS or CIGS)
  4. из синтетических (dye-sensitized solar cell) материалов с органическими добавками.

Тонкопленочные модули из аморфного кремния. В отличие от кристаллического материала, здесь нет структурированного положения атомов. Поэтому у аморфного кремния хуже полупроводниковые свойства и, следовательно, меньше КПД преобразования света. Однако для производства элементов необходимо гораздо меньше кремния и он может быть нанесен практически на любую поверхность — стекло, металл или другой материал. КПД элементов из аморфного кремния с одним слоем — около 6%. Доля модулей из аморфного кремния на рынке незначительна.

CSG (Crystalline Silicon on Glass) выглядят как модули из аморфного кремния, но на самом деле являются кристаллическими. Специальный технологический процесс позволяет наносить тонкий слой кристаллического кремния (около 2мкм) прямо на стекло (тогда как толщина «обычного» ФЭП составляет 200-300мкм). Контакты внедряются с использованием лазера и трафаретной печати. Первые фотоэлектрические модули, произведенные по такой технологии, имели КПД около 7%.

CdTe модули (кадмий-теллуровые). Эта специальная тонкопленочная технология имеет большой потенциал для снижения стоимости фотоэлектрических модулей. КПД модулей достигает 18%. Содержание кадмия в модуле меньше, чем в обычной пальчиковой батарейке, и производители обещают принимать на переработку все произведенные ими «отработанные» модули.

CIS модули. Основные ингредиенты CIS модулей — медь, индий, селен, и иногда галлий (тогда элементы обозначаются как CIGS). CIS имеют наибольший КПД в группе тонкопленочных ФЭП (до 16-18% в модуле).

В Южной Корее была разработана принципиально новая технология тонкопленочных модулей, что может значительно способствовать массовому их распространению за счет удешевления и увеличения энергоемкости. В новых солнечных элементах присутствуют 3 цветных слоя на базе наногранул из диоксида титана. Благодаря количеству слоев новые солнечные элементы могут собирать видимый свет в трех наиболее активных длинах – красной, синей и зеленой. В результате, солнечный элемент производит электроэнергии почти в 3 раза больше, чем обыкновенные фотоэлектрические панели. 

Еще одним преимуществом таких элементов является их высокая светопропускаемость, поэтому их можно располагать на крышах и окнах жилых домов. Для создания этих элементов использовался метод хроматографии и совсем не использовался кремний, что делает производство недорогим и не зависящим от исчерпаемых природных ресурсов. Толщина готовой пленки составляет всего 20 нанометров, она способна производить до 30 миллиампер электричества с каждого квадратного сантиметра. Ее КПД составляет около 17-18%.

Тонкопленочные солнечные модули состоят из примерно 6 слоев. Прозрачное покрытие закрывает антиотражающий слой, затем идут полупроводники P и N типа, затем контактный слой и подложка. Принцип работы тонкопленочных солнечных элементов тот же самый, что и у кристаллических солнечных элементов.

Ниже приведены основные особенности и отличия в применении тонкопленочных и кристаллических фотоэлектрических модулей.

Тонкопленочные модули в общем случае должны быть дешевле кристаллических за счет меньшего расхода кремния и более простой технологии изготовления. Однако на практике разница в цене не очень большая, так как в последние годы цена на кристаллические солнечные модули сильно снизилась. Эффективность обеих технологий быстро растет, а различие в цене уменьшается. Более того, тонкопленочные модули обычно выполняются с использованием 2 слоев стекла, поэтому они могут быть даже дороже поликристаллических модулей той же мощности. Двойное стекло также делает тонкопленочные модули тяжелее кристаллических модулей, в которых стекло только с лицевой стороны, а с тыльной — PVC пленка (это не относится к новым double glass кристаллическим солнечным модулям).

Есть другой тип тонкопленочных солнечных модулей, в которых полупроводниковый слой нанесен на гибкую основу. Такие модули — легкие и их можно изгибать. Обычно такие модули используются в переносных системах или на кровлях со сложной формой.

Для конечных потребителей и установщиков важно рассмотреть некоторые важные особенности, которые имеют место при проектировании солнечной электростанции на основе различных типов солнечных элементов. На основе этой информации проектировщик может решить, какую технологию солнечных элементов — тонкопленочную или кристаллическую — лучше использовать в конкретном проекте.

В таблице ниже приведено очень короткое сравнение этих двух технологий. При выборе модулей для конкретного проекта необходимо также учитывать много других моментов.

ТехнологияКристаллический кремнийТонкопленочные модули
Разновидности технологииМонокристаллический кремний (c-Si)
Поликристаллический кремний(pc-Si/ mc-Si)
String Ribbon
Аморфный кремний (a-Si)
Теллурид кадмия (CdTe)
Copper Indium Gallium Selenide (CIG/ CIGS)
Органические фотоэлементы (OPV/ DSC/ DYSC)
Отношение напряжения в рабочей точке к напряжению холостого хода (Vmp/ Voc)
(выше — лучше, т.к. меньше разница между Voc и Vmp)
80%-85%72%-78%
Температурные коэффициенты (низкий температурный коэффициент лучше при работе при высоких температурах окружающей среды)выше (-0,4-0,5%/градус)ниже (-0,1-0,2%/градус)
Заполнение вольт-амперной характеристики
(идеальный элемент имеет 100% заполнение)
73%-82%60%-68%
Конструкция модуляв раме из анодированного алюминиябез рамы, между 2 стеклами — цена ниже, вес больше
на гибком основании — легче, дешевле
КПД модуля13%-19%4%- 12%
Совместимость с инверторамиЧем меньше температурный коэффициент, тем лучше. Можно использовать бестрансформаторные инверторыПроектировщик должен учитывать такие факторы, как температурный коэффициент, отношение Voc/Vmp, сопротивление изоляции и т.п. Обычно для тонкопленочных модулей требуется инвертор с гальванической развязкой
Монтажные конструкцииТиповыеТиповые, но может потребоваться специальные зажимы или крепеж. Во многих случаях стоимость установки намного меньше
Соединения постоянного токаТиповыеТиповые, иногда может потребоваться больше разветвителей и предохранителей
Типовое применениеЖилые дома/Коммерческие объекты/Генерация в сетьЖилые дома/Коммерческие объекты/Генерация в сеть
Требуемая площадьоколо 150 Вт/м2может потребоваться до 50% больше площади для той же мощности СБ

Источник: CIVICSolar

Установка тонкопленочных солнечных батарей на крыше
Установка тонкопленочных солнечных батарей на крыше

Как видно из таблицы, основное отличие кристаллических и тонкопленочных элементов — в их КПД. Также, у кристаллических элементов дольше срок службы. Расходы на установку кристаллических модулей меньше, так как для одной и той же мощности нужно устанавливать примерно в 2 раза меньше по площади модулей. К недостаткам кристаллических модулей можно отнести высокую стоимость исходного материала (кристаллического кремния), его хрупкость.

Установка тонкоплёночных модулей на гибкой основе требует определённых навыков от монтажников. Мы не знаем в России никого, кто мог бы качественно установить такие модули (более того, недавно установленные в Сколково тонкоплёночные модули TegoSolar были смонтированы с грубыми нарушениями, что привело к возгоранию крыши и уничтожению довольно дорогостоящей солнечной батареи из гибких фотоэлектрических модулей).

Справедливости ради нужно отметить, что в реальных условиях модули из аморфного кремния вырабатывают больше энергии с пикового ватта, чем моно и поликристаллические солнечные панели. Последние 2 года в Москве в ИВТАНе ведутся сравнительные испытания различных модулей, предварительные результаты говорят о том, что тонкопленочные модули GET вырабатывают примерно на 13% больше электроэнергии, чем все лучшие экземпляры модулей из кристаллических солнечных элементов.

Различия между моно и поликристаллическими солнечными элементами

Этот вопрос выделен в отдельную статью

Выбор солнечных панелей: Моно или поли?

Эта статья прочитана 7594 раз(а)!

Продолжить чтение

  • 10000
    2 основных параметра для оценки качества солнечных модулей Нам часто задают вопрос - почему у вас солнечные панели стоят столько, а у каких-то других продавцов - дешевле. Простой ответ похож на известную и набившую оскомину фразу. Согласно известной рекламе, "не…
  • 10000
    Тестирование параметров солнечных батарей Что такое STC и PTC? Как оценить и сравнить параметры солнечных батарей При выборе солнечных модулей очень важно понимать параметры, которыми описывается модуль - мощность, напряжения, токи в различных режимах. Но не менее важно знать, при…
  • 10000
    Руководство для покупателя по выбору солнечных панелей Каргиев В.М., "Ваш Солнечный Дом" Общее правило при покупке солнечных модулей Ситуация на рынке солнечных модулей Мифы продавцов солнечных панелей Как отличить хорошие модули от плохих? На какие параметры обращать внимание при покупке…
  • 10000
    Солнечные фотоэлектрические модули с двойным стеклом Модули с двойным остеклением (double glass) Солнечные модули с двойным стеклом  появились на рынке сравнительно недавно - 1-2 года назад, но до недавнего времени они были дороже обычных модулей. В 2017 году они стали…
  • 65
    Видео о фотоэлектрических батареях Производство солнечных батарей. (диктор вместо слова "элемент" употребляет слово "модуль". Остальное очень познавательно. Еще ссылки на полезные видеоролики про солнечные батареи https://youtu.be/1IEgsScI7fw Японский городок получает 100% энергии от солнца Чистое электричество из концентрированной солнечной энергии https://youtu.be/QE80q_ijoD8
  • 65
    Влияние препятствий солнечным лучам на выработку энергии солнечными панелями Только малая доля солнечного излучения достигает поверхности земли 1.прямая  2.поглощение   3.отражение  4.непрямая Солнечный свет проходит свой путь от Солнца до Земли по прямой линии. Когда он достигает атмосферы, часть свет а преломляется, а…

Google рекомендует

Реклама

Добавить комментарий

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