Як і з чого роблять сонячні батареї?

Як і з чого роблять сонячні батареї?

Щорічно зростаюча популярність сонячної енергетики призвела до зацікавленості геліотехнологіями величезної маси людей. Не тільки інженери, а й мільйони звичайних обивателів починають цікавитися питаннями, з чого роблять сонячні батареї, які їхні перспективи і як це впливає на цінову політику в енергетичній сфері. Не заглиблюючись у професійні аспекти фізики напівпровідникових матеріалів, розберемо процес виробництва сучасних панелей і їх класифікацію в цілому.

Виготовлення фотоелектричних осередків і їх об’єднання в батарею

Основою сонячного модуля будь-якого типу є фотоелектричні комірки. Їх завдання – перетворення потоку фотонів в електричний струм. Єдиний відомий на сьогодні шлях для цього – використання матеріалів з напівпровідниковими властивостями. Сонячні батареї можуть містити один або кілька шарів таких напівпровідників, з міцним поверхневим захистом високого коефіцієнту прозорості. На питання, з чого складаються захисні шари, можна відповісти однозначно. Для великих моделей застосовується загартоване скло, для мініатюрних міні-панелей – стійка до всіх видів впливів полімерна плівка.

Для розуміння складності і енергомісткості процесу виробництва розглянемо етапи створення найбільш поширеного виду напівпровідникового перетворювача – монокристалічного кремнію.

Етап №1. Очищення і вирощування кристалів.

Початковою сировиною для кремнієвих модулів є звичайний кварцовий пісок, або SiO2. Для отримання чистого кремнію матеріал піддається:

  • плавленню при температурах близько 1500 °C для відділення кремнію Si від кисню O2;
  • введенню в розплав спеціальних хімічних речовин, що дозволяють поліпшити його характеристики;
  • вирощування кристалів з правильною кристалічною решіткою за технологією Чохральського.

Етап №2. Процеси механічної обробки.

На наступній стадії з заготовками овальної форми, з чого роблять основу сонячної панелі, проводять такі операції:

  • сплющення для отримання кубовидної конфігурації;
  • нарізка на надтонкі пластини (товщина 250-300 мікрон);
  • поверхневе очищення;
  • калібрування і перевірка характеристик генерування енергії.

Етап №3. Хімічна обробка.

Пластини обробляються:

  • бором (B) – для створення шару «електронних дірок», p-тип;
  • фосфором (P) – для формування шару з вільними електронами, n-тип;

До повністю готового напівпровідника з класичним переходом p/n типу з обох сторін припаюють струмопровідні елементи.

Етап №4. Збірка сонячної батареї – з чого роблять модуль.

На останній, складальної стадії, проводиться:

  • з’єднання стандартних пластинчастих осередків в блоки заданої довжини та ширини для отримання заданих параметрів потужності, напруги і сили струму готового модуля послідовним, паралельним або змішаним методом;
  • нанесення захисної плівки;
  • укладання на скляну підкладку;
  • укладання в раму прямокутної форми (в деяких сучасних моделях застосовується безрамна конструкція);
  • перевірка вольт-амперних характеристик.

На популярне питання, з чого зроблені сонячні батареї полікристалічного типу, і в чому відмінність їх виробництва від монокристалічних, досить сказати, що розбіжності тільки в методиці створення кристалів на першому етапі.

Якими виходять модулі

Найбільш поширеними конфігураціями є батареї з таким набором значущих параметрів.

  • Рама – анодований алюміній, прямокутна форма.
  • Осередки – розміри 125х125 мм, 156х156 мм, кількість 36, 60, 72, 96 штук.
  • Поверхневий захист – гартоване скло високої міцності.

В останні роки спостерігається поступовий перехід на напівтверді та гнучкі технології, що не володіють стійким каркасом і використовують надміцні багатошарові плівки в якості поверхневого захисту. Напівпровідниковими елементами в них служать інші матеріали, в перспективі здатні кардинально змінити всю індустрію геліоенергетики.

Щоб зрозуміти, з чого складаються сонячні панелі обох типів, перерахуємо коротко їх основні параметри.

1. Монокристалічні.

Напівпровідник – монокристали Si. Колір осередків – повністю чорний або глибокий темно-синій через хімічне травлення. ККД найбільш сучасних моделей в ідеальних умовах – 22-24%. Ступінь щорічної деградації ≈ 0,8%. Оптимальні регіони використання – помірно теплий клімат з великою кількістю сонячних днів.

2. Полікристалічні.

Робочий матеріал – полікристалічний Si. Забарвлення поверхні переважно синя. Продуктивність трохи нижче монокристала – 15-20%, що частково окупається меншою вартістю. Деградують швидше, приблизно на 1% на рік. Рекомендовані регіони установки – аналогічнімоноаналогам.

3. Аморфні.

Використовують аморфний Si. Простота у виробництві забезпечує дуже низькі ціни, але ефективність таких панелей поки не перевищує 7-8%. Можуть виготовлятися в жорсткому, напівжорсткому і гнучкому вигляді. Основна перевага – хороша робота в несприятливих умовах. Головний недолік – швидка деградація, до 20% щорічно.

4. Арсенід-галієві.

Довгий час детальна технологія, з чого і, головне, як роблять сонячні батареї на базі рідкоземельного галію (Ga), трималася в секреті. Складності виготовлення були пов’язані з крихкістю матеріалу і величезними труднощами використання його в якості підкладки. Це робило галієві панелі надмірно дорогими, але з недосяжним, для кремнію, ККД 25-30% (із застосуванням концентраторів – 40%, а за умови відведення зайвого тепла – 60%). Батареї активно використовуються в аерокосмічній техніці, але масового попиту через високу вартість не отримали.

5. Селенідовие сонячні батареї (CIGS).

З чого складаються: основою перетворювача енергії сонця в електрику є багатошаровий композит з трьох типів плівок – селенідів міді, індію і галію. Кожен з шарів поглинає випромінювання в різній частині спектра, що дозволяє досягти коефіцієнта корисної дії у 25-35%, а при певних умовах – 40%. Крім того, селенідові панелі практично не втрачають ефективності при температурах нагріву робочої поверхні до 130-150 °C. Єдиною причиною, по якій даний тип батарей становить всього 3% ринкових продажів, є їх висока вартість, пов’язана з дорожнечею рідкоземельних індію і галію. Оптимальна сфера застосування – великі проекти з комбінацією фотоелектричних і теплоелектричних систем в найбільш спекотних і сонячних регіонах планети.

6. Телур-кадмієві сонячні батареї (CdTe).

З чого роблять: основою панелей є плівки телуриду кадмію. Володіючи майже такими ж характеристиками, як і CIGS, такі модулі значно дешевші – ціна рідкоземельного телуру на 30% нижче галію і на 125% – індію. Сучасні батареї даного типу чудово переносять перегрів і ефективно функціонують в розсіяному світлі. Потенційною межею ефективності для плівок CdTe є показник в 60%, ліміт кремнієвих технологій вдвічі нижче.

7. Органічні та полімерні сполуки.

Поприне дуже високий ККД і невирішеність проблеми швидкої деградації робочої зони, ці матеріали активно використовуються через дешевизну і функціональність конструкції. На запитання, з чого зроблені сонячні батареї настільки незвичайного зразка, кожна з команд інженерів і вчених пропонує свій варіант. Найбільш багатообіцяючими плівками називають:

  • поліфенілени;
  • фталоціанін міді;
  • фулерени на основі вуглецю;
  • перовскіти і т.д.

Серед головних переваг подібних батарей слід також згадати простоту, безпеку утилізації та можливість виготовлення методом звичайного друку на порівняно дешевому обладнанні. І з чого складаються сонячні панелі з екологічно чистих матеріалів? Як правило, їх випуск ведеться у вигляді звичайних довгих рулонів з надрукованими струмопровідними доріжками, а товщина їх не перевищує 1 мм – як у якісних настінних шпалер.

Порівняння – що купувати?

При купівлі обладнання для майбутньої власної СЕС перед потенційним покупцем встає складна проблема. Очевидно, що при виборі слід враховувати дві групи чинників.

Перша – технологічні нюанси, пов’язані з характеристиками самих панелей. Сюди входить ККД осередків, гарантований термін їх служби, температурний коефіцієнт, швидкість деградації, світлочутливість, питома потужність на одиницю площі та вартість.

Друга – кліматичні та географічні, щодосить істотно відрізняються для різних регіонів України.

Розуміючи, з чого роблять сонячні панелі, і як це відбивається на середньорічній продуктивності, можна зробити наступний висновок – для 75-80% території країни оптимальним вибором будуть тонкоплівкові варіанти на базі телуриду кадмію. На сьогодні найкращим світовим виробником такої продукції є американська фірма FirstSolar. Середньорічна генерація їх батарей на 18-20% перевищує показники кремнієвих моделей і дозволяє скоротити термін окупності на 8-10 місяців.

В Україні офіційним дилером компанії виступає GreenTechTrade. Зробити розрахунок станції, замовити комплект обладнання та/або установку СЕС «під ключ» можна на офіційному сайті компанії або звернувшись до наших менеджерів по телефону.

 

Будівництво сонячних
електростанцій "під ключ"

Готові інвестиційні проекти