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.

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

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.

Чем больше размер, тем выше мощность и ниже стоимость, поэтому кремниевая промышленность продолжает выпускать пластины больших размеров от M2, M4, G1, M6 до M12 (G12).

В 2020 году массово появились размеры M12 и даже M12+. Площадь таких элементов в мм2 приведена на рисунке ниже.

Площадь пластин

Мощность солнечного элемента и мощность солнечного модуля на основе пластин различного размера

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.

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.

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.

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?

В видео ниже — обзор технологий солнечных элементов и их КПД на 2021 год. 

Неплохая статьи по теме на стороннем ресурсе:

Как делают солнечные элементы (17 фото + 2 видео)

Эта статья прочитана 29390 раз(а)!

Продолжить чтение