Изготовление фотоэлементов для солнечных батарей

Фотоэлементы солнечной панели

Отзывы: 35

Цена 49.00 грн

Солнечная батарея 0.5v 0.3w

Скидки на опт

Отзывы: 8

Цена 11.00 грн

Солнечная батарея 0.5v 0.5-1.8w

5 грн./ Ватт — уп. 40 шт. — 324 грн., 4.5 грн./ Ватт — 3 уп. 120 шт. — 864 грн., 4 грн./ Ватт

Отзывы: 12

Цена 25.00 грн

Фотоэлементы (фотоячейки) являются наиболее важной конструктивной частью солнечных панелей, так как позволяют непосредственно преобразовывать энергию солнечного света в электричество. Эффективность фотоячеек напрямую связана с размерами фотопанелей (батарей), в которые их монтируют. Чем выше коэффициент полезного действия фотоэлементов, тем меньшей должна быть площадь фотобатареи для выработки единицы электроэнергии.

Существуют различные типы солнечных элементов, среди которых наиболее распространённые — поликристаллические, монокристаллические и тонкоплёночные.

Поликристаллические фотоэлементы являются очень популярными ввиду своей стоимости, которая заметно ниже монокристаллических аналогов при отсутствии принципиальной разницы в функциональных возможностях. Коэффициент полезного действия поликристаллических солнечных элементов составляет от 12% до 15%, что делает их наиболее оптимальными по соотношению цены к мощности. Поликристаллические элементы отличаются от монокристаллических заметной неоднородностью структуры. Такая структура связана с поликристаллическим составом кремниевой отливки, из которой изготавливают фотоэлементы и небольшим количество примесей в ней.

Вторыми по популярности являются монокристаллические фотоэлементы. От поликристаллических они отличаются в первую очередь технологией изготовления. Монокристаллические фотоячейки производят из искусственно выращенных кремниевых стержней. Это позволяет добиться однородности и равномерности кристаллической структуры. Коэффициент полезного действия монокристаллических фотоячеек находится в пределах от 15% до 19%. Данные показатели немного выше, нежели у поликристаллических элементов, но их стоимость порою существенно больше из-за особенностей производственного процесса. Их положительная характеристика — это более длительный срок эксплуатации.

Тонкоплёночные фотоэлементы являются наиболее доступными по причине относительной простоты производства и использования меньшего количества кремния. Производятся данные фотоэлементы, как правило, из аморфного кремния. Помимо этого, существуют элементы из теллурида кадмия или синтетических материалов с органическими добавками. Коэффициент полезного действия таких фотоячеек в 2-3 раза ниже предыдущих и составляет от 6% до 8%, поэтому они не столь популярны. Они характеризуются меньшим сроком эксплуатации, что связано с ускоренной деградацией светочувствительных компонентов. Варианты из теллурида кадмия являются опасными для окружающей среды, потому нуждаются в специфической утилизации после отработки. К положительным характеристика тонкоплёночных солнечных элементов относится физическая гибкость конструкции, что даёт возможность расширить границы их использования. К примеру, их можно применять в переносных солнечных панелях или при монтаже на кровлю сложной формы. Кроме этого, производят фотоячейки, состоящие их тонкоплёночного материала в составе двухшарового стекла. Такая конструкция характеризуется увеличенным весом, но вместе с этим повышенной мощностью.

Существуют также фотоэлементы, в конструкции которых совмещаются поликристаллический или монокристаллический кремний с полупрозрачным тонкоплёночным, что позволяет существенно повысить общий КПД фотосистемы.

© 2009-2024 simant shop Все права защищены.

• simant.com.ua
• Системы водяного охлаждения
• Игровые суперкомпьютеры
• Дошка оголошень ПК комплектуючих
• Ювелірні вироби
• Игрушки

Производство фотоэлементов для солнечных батарей

Основой любой установки в фотовольтаике всегда является фотоэлектрический модуль. Фотоэлектрический модуль — это комбинация электрически соединенных между собой фотоэлементов. Термин фотовольтаик состоит из двух слов «фото» (от греч. свет) и «вольт» (Алессандро Вольта — 1745-1827, итальянский физик) — единица измерения напряжения в электротехнике. Анализируя термин фотовольтаик, можно сказать — это преобразование света в электричество.

Фотоэлектрический элемент (фотоэлемент) используется для получения электроэнергии за счет преобразования солнечного излучения. Фотоэлемент можно рассмотреть как диод, состоящий из полупроводников n-типа и p-типа с образованной зоной, обеднённой носителями, поэтому неосвещенный фотоэлемент подобен диоду и может быть описан как диод.

Для полупроводников, имеющих ширину запрещенной зоны между 1 и 3 эВ, максимальное теоретическое КПД может быть достигнуто 30%. Ширина запрещенной зоны и есть минимальная энергия фотона, которая способна поднять электрон из валентной зоны в зону проводимости. Наиболее распространенными из выпускаемых промышленностью солнечных элементов являются кремневые элементы.

Монокристаллины и поликристалинны кремния. Кремний на сегодняшний день является одним из самых распространенных элементов для производство фотоэлектрических модулей. Однако из-за маленькой абсорбции солнечного излучения, солнечные элементы из кристалла кремния изготавливаются обычно шириной 300 мкм. КПД фотоэлемента из монокристалла кремния достигает 17%.

Если взять фотоэлемент из поликристалла кремния, то для него КПД лежит на 5% ниже, чем из монокристалла кремния. Граница зерен поликристалла является центром для рекомбинации носителей зарядов. Размер кристалла поликристаллина кремния может колебаться от нескольких мм до одного см.

Арсенид галия (GaAs). Солнечные элементы из арсенида галлия в лабораторных условиях уже показали КПД, равный 25%. Арсенид Галлия, разработанный для оптоэлектроники, сложно производить в больших количествах и для солнечных элементов является достаточно дорогим. Солнечные элементы из арсенида галлия применяются совместно с солнечными концентраторами, а так же для космонавтики.

Тонкопленочные фотоэлементы технологии. Основным недостатком кремневых элементов является их высокая стоимость. Имеются тонкопленочные элементы, которые изготовляются из аморфного кремния (а-Si), телурида кадмия (CdTe) или купрум-индиум диселинида (CuInSe₂). Преимущество тонкопленочных фотоэлементов – экономия сырья и материалов и более дешевое производство по сравнению с кремнивыми фотоэлементами. Поэтому можно сказать, что тонкопленочные изделия имеют перспективы для применения в фотоэлементах.

Недостатком является, что некоторые материалы являются достаточно токсичными, поэтому безопасность продукции, а так же “recycling” играют важную роль. Кроме того, теллурид является исчерпаемым ресурсом, по сравнению с кремнием. КПД тонкопленочных фотоэлементов достигает 11 % (CuInSe2).

В начале 60-х годов фотоэлементы приблизительно стоили 1000$/Вт пиковой мощности и изготавливались главным образом в космосе. В 70-х годах начался серийный выпуск фотоэлементов, и их цена снизилась до 100$/Вт. Дальнейший прогресс и снижение стоимости фотоэлементов сделали возможным использование фотоэлементов для бытовых нужд. Особенно для части населения, живущего далеко от линий электропередачи и стандартного электрообеспечения, фотоэлектрические модули стали хорошей альтернативой.

На фото — первая солнечная батарея на основе кремния. Ее создали, ученые и инженеры американской компании Bell Laboratories в 1956-м году. Солнечная батарея представляет собой комбинацию электрически соединенных между собой фотоэлектрических модулей. Комбинация выбирается в зависимости от необходимых электрических параметров как ток и напряжение. Одна ячейка такой солнечной батареи, производившая менее 1 ватт электроэнергии, стоила 250 долларов. Вырабатываемая электроэнергия была в 100 раз дороже, чем из обычной сети.

Почти 20 лет солнечные батареи использовались только для космоса. В 1977 году стоимость электроэнергии удалось снизить до 76 долларов за 1 ваттную ячейку. Постепенно КПД повышалось: 15% в середине 90-х годов прошлого века и 20% к 2000 году. Современные наиболее актуальные данные по этой теме — Эффективность солнечных фотоэлементов и модулей

Производство фотоэлементов из кремния можно условно разделить на три основные стадии:

• производство кремния высокой степени чистоты;
• изготовление тонких кремниевых шайб;
• сборка фотоэлемента.

Основным сырьем для производства кремния высокой степени чистоты является кварцевый песок (SiO₂). С помощью электролиза расплава получают металлургический кремний, который имеет степень чистоты до 98%. Процесс восстановления кремния происходит при взаимодействии песка с углеродом при высокой температуре 1800 °С:

Такая степень чистоты недостаточна для производства фотоэлемента, поэтому он подлежит дальнейшей обработке. Дальнейшее очищение кремния для полупроводниковой индустрии осуществляется практически по всему миру с помощью технологии, разработанной фирмой Siemens.

«Siemens процесс» представляет собой очищение кремния путем взаимодействия металлургического кремния с соляной кислотой, в результате чего получают трихлорсилан ( SiHCl₃):

При температуре 30 °С трихлорсилан (SiHCl₃) находится в жидкой фазе, поэтому он легко отделяется от водорода. Далее, неоднократная дистилляция трихлорсилана повышает его чистоту до 10 -10 %.

Последующим процессом — пиролизом из очищенного трихлорсилана получают поликристаллический кремний высокой степени чистоты. Полученный поликристаллический кремний не совсем удовлетворяет условиям для использования в полупроводниковой индустрии, однако, для солнечной фотоэлектрической индустрии качество материала предостаточно.

Поликристаллический кремний является сырьем для производства монокристаллического кремния. Для производства монокристаллического кремния применяются два способа – метод Чохральского и метод зонного плавления.

Метод Чохральского является энергоемким, а также материалоемким. Сравнительно небольшое количество поликристаллического кремния закладывается в тигель и в вакууме расплавляется. Небольшая затравка монокремния опускается на поверхность расплава и затем, закручиваясь, поднимается, вытягивая за собой слиток цилиндрической формы, за счет силы поверхностного натяжения.

В настоящее время диаметры вытягиваемых слитков доходят до 300 мм. Длина слитков диаметром 100-150 мм достигает 75-100 см. Кристаллическая структура вытянутого слитка повторяет монокристаллическую структуру затравки. Увеличение диаметра и длины слитка, а также усовершенствование в технологии его распилки позволят уменьшить количество отходов, тем самым, удешевить стоимость получаемых фотоэлементов.

Ленточная технология. Технологический процесс, разработанный Mobil Solar Energy Corporation, основан на вытягивании из расплава кремниевых лент и формировании на них фотоэлементов. В расплав кремния погружается частично матрица и благодаря каппилярнному эффекту, поликристаллический кремний поднимается, образуя ленту. Расплав кристаллизуется и вынимается из матрицы. Для увеличения производительности конструируется оборудование, на котором возможно получать до девяти лент одновременно. В результате получается девятиугольная призма.

Преимущество лент в том, что они малоотходны из-за того, что исключается процесс резки слитка. К тому же можно легко получать фотоэлементы прямоугольной формы, в то время как круглая форма монокристаллических пластин не способствует хорошей компоновки фотоэлемента в фотоэлектрическом модуле.

Полученные поликристаллические или монокристаллические кремниевые стержни далее должны быть распилены на тонкие шайбы, толщиной 0,2 – 0,4 мм. При распиливании стержня монокристаллического кремния на потери уходят порядка 50% материала. Далее круглые шайбы, не всегда, но зачастую, обрезают для получения квадратной формы.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Что такое солнечные элементы, каково их предназначение?

Солнечный элемент (по-другому он еще именуется фотоэлемент) – это прибор, состоящий из полупроводников, основным предназначением которого является трансформация энергии света в ток. Научной основой рассматриваемого преобразования служит явление фотоэффекта. Солнечные элементы совершенно обоснованно называют наиболее значимой частью солнечных батарей, потому как последние и есть не что иное, как соединенные между собой в единую систему солнечные элементы (их количество определяется размерами системы). Функция солнечных элементов заключается в преобразовании световой энергии в ток (причем постоянный). Благодаря своим функциональным и структурным особенностям, солнечные элементы, как и построенные уже на их основе батареи, могут иметь самые разные размеры – начиная от микроскопических солнечных элементов калькулятора до покрытия машин и зданий (чаще всего вы можете их видеть установленными на крышах). С каждым годом актуальность использования энергии Солнца растет, ведь она считается достойной альтернативой устаревающей выработке электроэнергии, добываемой путем переработки ископаемых видов топлива и энергии атома. Поэтому в данном направлении отмечается систематический, неуклонный прогресс. Принцип работы любых фотоэлементов зиждется на полупроводниковом pn переходе. В случае проникновении фотона в область, непосредственно прилегающую к pn переходу, возникает пара носителей заряда. Таковыми являются электрон и дырка. С высокой долей вероятности одна из этих частиц, играющая роль неосновного заряда, проникает чрез переход. Результатом этого явления становится то, что появившиеся благодаря поглощению световой энергии фотона заряды, утрачивают способность к рекомбинированию и разделяются в пространстве. Соответственно, происходит нарушение равновесия плотности зарядов. При подсоединении элемента к внешней нагрузке в цепи появляется ток. Большая часть необратимых энергопотерь в фотоэлементах так или иначе связана с низким КПД трансформации фотона в электронно-дырочную пару.

Применение на практике

Солнечные элементы стали незаменимы для электроснабжения преимущественно в отдаленных от ЛЭП местах или на орбитальных станциях, не позволяющих использовать электросеть. Кроме того, современные технологии сделали возможным применение солнечных элементов для запиткикалькуляторов, радиотелефонов, а также зарядных устройств, насосов.
Август 2009 г. ознаменовался тем, что ученые смогли достичь рекордной эффективности КПД солнечных батарей – 43% (иначе говоря, в данном случае 43% солнечной энергии переходило в электрическую). Однако приведенный рекорд имел только лишь теоретическое значение – не было соблюдено несколько условий, имеющих место на практике. Например, до того момента, как свет попадал на батареи, он фокусировался особыми линзами. Помимо этого, стоимость всего задействованного в ходе эксперимента оборудования была далека от значений, позволительных в промышленном производстве. Поэтому рекорды практикой выглядят куда более скромными — в реальных условиях КПД рассматриваемого процесса не превышает 25%.

Классификация солнечных элементов

• Монокристаллические — они являются наиболее сложными и дорогостоящими (из всех, использующихся в широком обиходе), потому как для их изготовления необходим кристаллический кремний. Вместе с тем, именно они обеспечивают максимальный КПД (14% -20% трансформации световой энергии в ток).
• Поликристаллические илимультикристаллическиефотоэлементы – изготовлены из более доступного по цене материала, но вместе с тем отличаются и меньшей эффективностью.
• Тонкопленочные фотоэлементы – их функционирование становится возможным благодаря использованию тонких пленок, изготавливаемых из расплавленного кремния. Эти фотоэлементы оказываются наименее эффективны.

Гетерофотоелементы (используются в космических аппаратах) – наиболее дорогостоящие, они состоят из большого количества pn-переходов (AlGaAs-GaAs), и обеспечивают максимальную эффективность – 35% — 50%. Но они стоят очень дорого, что значительно суживает их область применения.

Читайте также

СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА И ОБРАЗОВАНИЕ: РАЗВИТИЕ БУДУЩЕГО БЕЛАРУСИ

Методы производства солнечных элементов

Более 85% солнечных батарей производятся на основе моно и поли кремния. Технология их производства достаточно трудная, длительная и энергоемкая. Но обо всем по порядку.

Основные этапы изготовления солнечных монокристаллических элементов:

Получение «солнечного» кремния.

Выращивание кристаллов.

Обработка.

Создание фотоэлектрического элемента.

Сборка модулей.

Соединение самих солнечных батарей тоже может быть последовательным, параллельным или последовательно-параллельным для получения требуемых силы тока и напряжения.

Наглядное видео о этапах автоматической сборки, включая: пайку, ламинирование, коммутацию ячеек, установку распределительной коробки, стекла и алюминиевой рамы:

Производство поликристаллических батарей отличается только выращиванием кристалла. Есть несколько способов производства, но самый популярный сейчас и занимающий 75% всего производства это Сименс — процесс. Суть метода заключается в восстановлении силана и осаждении свободного кремния в результате взаимодействия парогазовой смеси из водорода и силана с поверхностью кремниевых слитков, разогретой до 650-1300°C. Освободившиеся атомы кремния, образовывают кристалл с древовидной (дендритной) структурой.

Тонкопленочные батареи производятся в основном по технике испарительной фазы. Сырьем для аморфных фотопреобразователей является кремневодород (силан, SinH_2n+2). Он напыляется на материал подложки (стекло, керамика, металлические или полимерные ленты и пр.) слоем менее 1 мкм. Водород в составе аморфного кремния (5-20%) меняет его электрофизические свойства и придает ему полупроводниковые качества.

Производство аморфных преобразователей значительно проще кристаллических: без труда создаются пластины площадью более 1 м при температурах осаждения всего 250-400°C. К тому же их полупроводниковыми свойствами можно управлять, подбирая соединения компонентов пленки для получения требуемых параметров.

Технология производства солнечных CIGS батарей тоже заключается в напылении полупроводников. Делается это с помощью вакуумных камер и электронных пушек. Медь (Cu), индий (In) или галлий (Ga) напыляются путем последовательного осаждения на подложку из стекла, покрытой молибденом слоем в 1 мкм. Полученная структура обрабатывается парами селена (Se).

Есть еще один способ изготовления CIGS батарей – метод трафаретной печати или струйного напыления. Основан он на использовании суспензии из частиц металлических оксидов. Ее вязкость позволяет получать как бы чернила для печати. «Бумагой» же могут быть разные материалы: стекло, фольга, пластик.

Метод трафаретной печати для изготовления тонкопленочных батарей используется только известными «солнечными» производителями. Имеет такие преимущества, как высокий коэффициент использования материалов (от 90%), сравнительная дешевизна оборудования, приличный КПД готового продукта – 14%.

Производство кристаллов арсенид галлия, может осуществляться, как и монокристаллов кремния, методом Чохральского — горизонтальной или вертикальной направленной кристаллизации. Кристаллы получаются путем вытягивания их вверх от свободной поверхности большого объёма расплава с инициацией начала кристаллизации путём приведения затравочного кристалла. На картинке приведены схемы выращивания.