Солнечные элементы

Как работают солнечные фотоэлектрические элементы?

Структура солнечного элемента

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 из кремния
Структура солнечного элемента из кремния 1. свет (фотоны)   2. лицевой контакт  3. отрицательный слой 4. переходной слой  5. положительный слой  6. задний контакт

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

best research cell efficiencies rev210726 фотоэлектрические элементы,солнечные элементы

Кремниевые солнечные элементы могут быть следующих типов: монокристаллический, поликристаллический и аморфный (тонкопленочный). Есть также гетероструктурные элементы, которые совмещают в себе кристаллический и аморфный солнечные элементы (см.ниже). 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 КПД 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.

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.

Производителя солнечных элементов постоянно усовершенствуют их, что приводит к повышению их КПД и выработки электроэнергии на пиковый ватт. Современные технологии солнечных элементов и модулей описаны в нашей статье “Современные солнечные элементы и модули“. Сейчас применяются  PERC, HJT, IBC, Bi-facial, TopCon и другие новые многообещающие технологии для кристаллических кремниевых элементов, которые позволили достичь КПД в солнечном элементе 25 и более процентов (см. карту КПД СЭ справа).

На рисунке 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.

Размеры фотоэлектрических элементов

Тенденция при производстве солнечных элементов – это увеличение их размера. Большие пластины позволяют снизить удельную стоимость пикового ватта солнечного элемента. В настоящее время применяются в основном пластины размером 156 и более мм.

 

Первые модули мощностью 48 Вт появились в 1983 году, в них использовалось 36 ячеек размером 100 х 100 мм. После этого использовалось много ячеек с разными размерами, начиная с 100 х 100 мм, этот размер ячеек был доступен на рынке примерно до 1996 года. Другие размеры, такие как 125 х 125 мм, затем стали стандартными размерами на многие годы. Затем пластина размером 156 мм стала стандартом на более, чем 10 лет. Тогда для модуля размером 156 мм был определен термин «размер пластины M0». Позже этот размер был постепенно заменен на 156,75-мм (M2). Без увеличения габаритов модулей на 60 ячеек, пластины M2 могут увеличить мощность модуля более, чем на 5 Вт, что является значительным повышением конкурентоспособной стоимости, поэтому они стали основным размером и сохраняли этот статус в течение нескольких лет. Массовое производство пластин 156,75 мм началось в 2016 году. Согласно исследованию ITRPV, опубликованному в 2019 году, ожидается, что старый 6-дюймовый формат (156 мм x 156 мм), полностью исчезнет с рынка к концу 2019 года. Затем размер снова был увеличен на 2 мм до общего размера 158,75 мм (M3/G1), а пластина M4 – до 161,7 мм. M4 в основном использовалась для двусторонних модулей n-типа. В конце концов, на рынок был выпущен еще один вариант – M6. M6 имеет размер пластины 166 мм, что дает размер модуля 1776 x 1052 мм для варианта с полуячейками. В 2020 году массово появились размеры M12 и даже M12+. Площадь таких элементов в мм2 приведена на рисунке ниже.

фотоэлектрические элементы размеры пластин

Мощность солнечного элемента и мощность солнечного модуля на основе пластин различного размера
Размер пластины Мощность элемента (Вт) при КПД 22.5% Мощность модуля из 60 элементов, Вт Мощность модуля из 120 полуэлементов, Вт
M12 9.92 583 601
M10 9.00 529 545
M9 8.29 488 502
M6 6.17 363 374
G1 5.67 333 343
M4 5.81 342 352
M2 5.50 323 333
 
Снижение стоимости производства при увеличении размера солнечного элемента
Снижение стоимости производства при увеличении размера солнечного элемента Источник

Пиковый ватт

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

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.

Технология Кристаллический кремний Тонкопленочные модули
Разновидности технологии Монокристаллический 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 модуля в раме из анодированного алюминия без рамы, между 2 стеклами – цена ниже, вес больше
на гибком основании – легче, дешевле
КПД модуля 13%-19% 4%- 12%
Совместимость с инверторами Чем меньше температурный коэффициент, тем лучше. Можно использовать бестрансформаторные инверторы Проектировщик 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 конструкции Типовые Типовые, но может потребоваться специальные зажимы или крепеж. Во многих случаях стоимость установки намного меньше
Соединения постоянного тока Типовые Типовые, иногда может потребоваться больше разветвителей и предохранителей
Типовое применение Жилые дома/Коммерческие объекты/Генерация в сеть Жилые дома/Коммерческие объекты/Генерация в сеть
Требуемая площадь около 150 Вт/м2 может потребоваться до 50% больше площади для той же мощности СБ

Источник: CIVICSolar

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.

КПД солнечных элементов различных типов

 

Различия между моно и поликристаллическими солнечными элементами

Этот вопрос выделен в отдельную статью

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.

Выбор солнечных панелей: Моно или поли?

Различия между моно и поликристаллическими солнечными элементами

Этот вопрос выделен в отдельную статью

Эта статья прочитана 19096 раз(а)!

Продолжить чтение

  • 10000
    Качество солнечных элементов и модулей2 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
    STC, NOCT и PTC - что это такое ?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
    Солнечные батареи. Руководство для покупателяРуководство для покупателя по выбору солнечных панелей При перепечатке ссылка на этот сайт обязательна, См. Правила копирования. "Ваш Солнечный Дом" Общее правило при покупке солнечных батарей Последние несколько лет, очень много компаний, начиная от ландшафтных дизайнеров до установщиков окон, крыш,…
  • 10000
    12 преимуществ Double-Glass солнечных модулейСолнечные фотоэлектрические модули с двойным стеклом Модули с двойным остеклением (double glass) Солнечные модули с двойным стеклом  появились на рынке сравнительно недавно - 5-7 лет назад, но до недавнего времени они были дороже обычных модулей. В 2017 году они стали…
  • 66
    Как выбрать солнечную батарею и не пожалеть об этом?Как правильно выбирать солнечные элементы и модули Вы собрались купить солнечную батарею? В первую очередь, нужно обратить внимание на технические параметры солнечного модуля. Основные из них перечислены ниже. Также, нужно проверить качество изготовления и отсутствие визуальных дефектов на солнечных элементах,…
  • 62
    Тонкопленочные модули из аморфного кремнияТонкопленочные фотоэлектрические модули из аморфного кремния Тонкопленочные технологии часто рассматривают как будущее фотоэлектрической энергетики, несмотря на то, что в настоящее время более 90% всех производимых в мире солнечных модулей - кристаллические. Тем не менее, технологии тонкопленочных модулей развиваются очень быстро,…

Google рекомендует

Реклама

2 комментария “Солнечные элементы

  1. Feniks Ответ

    Аккумулятор подсоединяется к солнечной батарее через контроллер, который контролирует ее заряд. При заряде батареи на полную мощность к солнечной батареи подключается резистор, который поглощает избыточную мощность.

    • solarh Автор записиОтвет

      Это где вы такой древний контроллер нашли? Нет никаких резисторов, которые “поглощают мощность” в современных солнечных контроллерах. Принципы работы их давно намного изощреннее и используют ВАХ солнечной панели. Все описано в разделе по солнечным контроллерам на нашем сайте.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *