Из чего делают солнечные батареи?

Из чего делают солнечные батареи
Из чего делают солнечные батареи?

Ежегодно растущая популярность солнечной энергетики привела к заинтересованности гелиотехнологиями огромной массы людей. Не только инженеры, но и миллионы обычных обывателей начинают интересоваться вопросами, из чего делают солнечные батареи, каковы их перспективы и как это влияет на ценовую политику в энергетической сфере. Не углубляясь в профессиональные аспекты физики полупроводниковых материалов, разберем процесс производства современных панелей и их классификацию в целом.

Изготовление фотоэлектрических ячеек и их объединение в батарею

Основой солнечного модуля любого типа являются фотоэлектрические ячейки. Их задача – преобразование потока фотонов в электрический ток. Единственный известный на сегодня путь для этого – использование материалов с полупроводниковыми свойствами. Солнечные батареи могут содержать один или несколько слоев таких полупроводников, защищенных прочной поверхностной защитой с высоким коэффициентом прозрачности. На вопрос, из чего состоят защитные слои, нельзя ответить однозначно. Для крупных моделей применяется закаленное стекло, для миниатюрных мини-панелей – устойчивая ко всем видам воздействий полимерная пленка.

Для понимания сложности и энергоемкости процесса производства рассмотрим этапы создания наиболее распространенного вида полупроводникового преобразователя – монокристаллического кремния.

Этап №1. Очистка и выращивание кристаллов.

Исходным сырьем для кремниевых модулей является обычный кварцевый песок, или SiO2. Для получения чистого кремния материал подвергается:

  • плавлению при температурах около 1500°C для отделения кремния Si от кислорода O2;
  • введению в расплав специальных химических веществ, позволяющих улучшить его характеристики;
  • выращивание кристаллов с правильной кристаллической решеткой по технологии Чохральского.

Этап №2. Процессы механической обработки.

На следующей стадии с заготовками овальной формы, из чего делают основу солнечной панели, проводят следующие операции:

  • сплющивание для получения кубообразной конфигурации;
  • нарезка на сверхтонкие пластины (толщина 250-300 микрон);
  • поверхностная очистка;
  • калибровка и проверка характеристик генерирования энергии.

Этап №3. Химическая обработка.

Пластины обрабатываются:

  • бором (B) – для создания слоя «электронных дырок», p-тип;
  • фосфором (P) – для формирования слоя со свободными электронами, n-тип;

К полностью готовому полупроводнику с классическим переходом p/n типа с обеих сторон припаивают токопроводящие элементы.

Этап №4. Сборка солнечной батареи – из чего делают модуль.

На последней, сборочной стадии, производится:

  • соединение стандартных пластинчатых ячеек в блоки заданной длины и ширины для получения заданных параметров мощности, напряжения и силы тока готового модуля последовательным, параллельным или смешанным методом;
  • нанесение защитной пленки;
  • укладка на стеклянную подложку;
  • помещение в раму прямоугольной формы (в некоторых современных моделях применяется безрамная конструкция);
  • проверка вольт — амперных характеристик.

На популярный вопрос, из чего сделаны солнечные батареи поликристаллического типа, и в чем отличие их производства от монокристаллических, достаточно сказать, что расхождения наблюдаются только в методике создания кристаллов на первом этапе.

Какими получаются модули

Наиболее распространенными конфигурациями являются батареи с таким набором значимых параметров.

  • Рама – анодированный алюминий, прямоугольная форма.
  • Ячейки – размеры 125х125 мм, 156х156 мм, количество 36, 60, 72, 96 штук.
  • Поверхностная защита – каленое стекло высокой прочности.

В последние годы наблюдается постепенный переход на полужесткие и гибкие технологии, не обладающие устойчивым каркасом и использующие сверхпрочные многослойные пленки в качестве поверхностной защиты. Полупроводниковыми элементами в них служат другие материалы, в перспективе способные кардинально изменить всю индустрию гелио энергетики.

Чтобы понять, из чего состоят солнечные панели обоих типов, перечислим коротко их основные параметры.

  1. Монокристаллические.

Полупроводник – монокристаллы Si. Цвет ячеек – полностью черный или глубокий темно-синий из-за химического травления. КПД наиболее современных моделей в идеальных условиях – 22-24%. Степень ежегодной деградации ≈ 0,8%. Оптимальные регионы использования – умеренно теплый климат с большим количеством солнечных дней.

  1. Поликристаллические.

Рабочий материал – поликристаллический Si. Окраска поверхности преимущественно синяя. Производительность несколько ниже, 15-20%, что частично окупается меньшей стоимостью. Деградируют быстрее, примерно на 1% в год. Рекомендуемые регионы установки – аналогичные.

  1. Аморфные.

Используют аморфный Si. Простота в производстве обеспечивает очень низкие цены, но эффективность таких панелей пока не превышает 7-8%. Могут изготавливаться в жестком, полужестком и гибком виде. Основное преимущество – хорошая работа в неблагоприятных условиях. Главный недостаток – быстрая деградация, до 20% ежегодно.

  1. Арсенид-галлиевые.

Долгое время подробная технология, из чего и, главное, как делают солнечные батареи на базе редкоземельного галлия (Ga), держалась в секрете. Сложности изготовления были связаны с хрупкостью материала и огромными трудностями использования его в качестве подложки. Это делало галлиевые панели чрезмерно дорогими, но обладающими недостижимым на сегодня КПД 25-30% (с применением концентраторов – 40%, а при условии отвода излишнего тепла – 60%). Батареи активно используются в аэрокосмической технике, но массового спроса из-за высокой стоимости не получили.

5. Селенидовые солнечные батареи (CIGS).

Из чего состоят: основой преобразователя энергии солнца в электричество является многослойный композит из трех типов пленок – селенидов меди, индия и галлия. Каждый из слоев поглощает излучение в разной части спектра, что позволяет достигнуть коэффициента полезного действия в 25-35%, а при определенных условиях – 40%. Кроме того, селенидовые панели практически не теряют эффективности при температурах нагрева рабочей поверхности до 130-150°C. Единственной причиной, по которой данный тип батарей составляет всего 3% рыночных продаж, является их высокая стоимость, связанная с дороговизной редкоземельных индия и галлия. Оптимальная сфера применения – крупные проекты с комбинацией фотоэлектрических и теплоэлектрических систем в наиболее жарких и солнечных регионах планеты.

  1. Теллур-кадмиевые солнечные батареи (CdTe).

Из чего делают: основой панелей являются пленки теллурида кадмия. Обладая почти такими же характеристиками, как и CIGS, такие модули значительно дешевле – цена редкоземельного теллура на 30% ниже галлия и на 125% – индия. Современные батареи данного типа превосходно переносят перегрев и эффективно функционируют в рассеянном свете. Потенциальным пределом эффективности для пленок CdTe является показатель в 60%, лимит кремниевых технологий вдвое ниже.

  1.  Органические и полимерные соединения.

Несмотря на пока еще очень невысокий КПД и нерешенность проблемы быстрой деградации рабочей зоны, эти материалы активно используются из-за дешевизны и функциональности конструкции. На часто задаваемые вопросы, из чего сделаны солнечные батареи столь необычного образца, каждая из команд инженеров и ученых предлагает свой вариант. В качестве наиболее многообещающих пленок называют:

  • полифенилены;
  • фталоцианин меди;
  • фуллерены на основе углерода;
  • перовскиты и т.д.

Среди главных достоинств подобных батарей следует также упомянуть простоту, безопасность утилизации и возможность изготовления методом обычной печати на сравнительно дешевом оборудовании. И из чего состоят солнечные панели из экологически чистых материалов? Как правило, их выпуск ведется в виде обычных длинных рулонов с впечатанными токопроводящими дорожками, а толщина не превышает 1 мм – как у настенных моющихся обоев.

Сравнение – что покупать?

При покупке оборудования для будущей собственной СЭС перед потенциальным покупателем встает сложная проблема. Очевидно, что при выборе следует учитывать две группы факторов.

Первая – технологические, связанные с характеристиками самих панелей. Сюда входит КПД ячеек, гарантированный срок их службы, температурный коэффициент, скорость деградации, светочувствительность, удельная мощность на единицу площади и стоимость.

Вторая – климатические и географические, отличающиеся для разных регионов Украины довольно существенно.

Понимая, из чего делают солнечные панели, и как это отражается на среднегодовой производительности, можно сделать следующий вывод – на 75-80% территории страны оптимальным выбором будут тонкопленочные варианты на базе теллурида кадмия. На сегодняшний день лучшим мировым производителем такой продукции является американская фирма First Solar. Среднегодовая выработка их батарей на 18-20% превышает показатели кремниевых моделей, что позволяет сократить срок окупаемости на 8-10 месяцев.

В Украине официальным дилером компании выступает Green Tech Trade. Сделать расчет станции, заказать комплект оборудования и/или установку СЭС «под ключ» можно на официальном сайте компании или путем обращения к нашим менеджерам по телефону.

 

 

 

 

СТРОИТЕЛЬСТВО СОЛНЕЧНЫХ
ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ "ПОД КЛЮЧ"

ГОТОВЫЕ ИНВЕСТИЦИОННЫЕ ПРОЕКТЫ