Технология изготовления солнечных батарей: Методы производства солнечных элементов

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:




  1. Получение «солнечного» кремния.


    В качестве сырья используется кварцевый песок с высоким массовым содержанием диоксида кремния (SiO2). Он проходит многоступенчатую очистку, чтобы избавиться от кислорода. Происходит путем высокотемпературного плавления и синтеза с добавлением химических веществ.



  2. Выращивание кристаллов.


    Очищенный кремний представляет собой просто разрозненные куски. Для упорядочивания структуры и выращиваются кристаллы по методу Чохральского. Происходит это так: куски кремния помещаются в тигель, где раскаляются и плавятся. В расплав опускается затравка – так сказать, образец будущего кристалла. Атомы, располагаются в четкую структуру, нарастают на затравку слой за слоем. Процесс наращивания длительный, но в результате образуется большой, красивый, а главное однородный кристалл.



  3. Обработка.


    Этот этап начинается с измерения, калибровки и обработки монокристалла для придания нужной формы. Дело в том, что при выходе из тигля в поперечном сечении он имеет круглую форму, что не очень удобно для дальнейшей работы. Поэтому ему придается псевдо квадратная форма. Далее обработанный монокристалл стальными нитями в карбид — кремниевой суспензии или алмазно — импрегнированной проволокой режется на пластинки толщиной 250-300 мкм. Они очищаются, проверяются на брак и количество вырабатываемой энергии.



  4. Создание фотоэлектрического элемента.


    Чтобы кремний мог вырабатывать энергию, в него добавляют бор (B) и фосфор (P). Благодаря этому слой фосфора получает свободные электроны (сторона n-типа), сторона бора – отсутствие электронов, т.е. дырки (сторона p-типа). По причине этого между фосфором и бором появляется p-n переход. Когда свет будет падать на ячейку, из атомной решетки будут выбиваться дырки и электроны, появившись на территории электрического поля, они разбегаются в сторону своего заряда. Если присоединить внешний проводник, они будут стараться компенсировать дырки на другой части пластинки, появится напряжение и ток. Именно для его выработки с обеих сторон пластины припаиваются проводники.



  5. Сборка модулей.


    Пластинки соединяются сначала в цепочки, потом в блоки. Обычно одна пластина имеет 2 Вт мощности и 0,6 В напряжения. Чем больше будет ячеек, тем мощнее получится батарея. Их последовательное подключение дает определенный уровень напряжения, параллельное увеличивает силу образующегося тока. Для достижения необходимых электрических параметров всего модуля последовательно и параллельно соединенные элементы объединяются. Далее ячейки покрывают защитной пленкой, переносят на стекло и помещают в прямоугольную рамку, крепят распределительную коробку. Готовый модуль проходит последнюю проверку – измерение вольт — амперных характеристик. Все, можно использовать!


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, SinH2n+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.



Читайте также:


Разновидность солнечных батарей


Сравнение моно, поли и аморфных солнечных батарей


Расчет мощности солнечных батарей


КПД солнечной батареи — что это?


новые технологии и особенности производства солнечных батарей

В этой статье мы расскажем о видах современных солнечных батарей и новейших технологиях производства фотоэлементов, предлагаемых ведущими производителями. Также перечислим некоторые наиболее новые популярные солнечные панели, с использованием этих инноваций, которые уже доступны к продаже.


Солнечные батареи с использованием новейших инноваций


Большинство производителей панелей предлагают ряд моделей, это могут быть монокристаллические и поликристаллические варианты продукции с различной номинальной мощностью. За последние несколько лет эффективность панелей существенно возросла благодаря многим достижениям в технологии и материалах, из которых делают солнечные батареи.


На текущий момент можно отметить 8 основных технологий, при производстве высокоэффективных солнечных батарей:

  • PERC (Passivated Emitter Rear Cell) — диэлектрический слой на обратной стороне ячейки;
  • Bifacial — Двухсторонние;
  • Multi Busbar — Многолинейные;
  • Split panels – Половинчатые;
  • Dual Glass — Безрамочные, с двойным стеклом;
  • Shingled Cells — Безразрывные элементы;
  • IBC (Interdigitated Back Contact cells) — переплетеные контакты сзади ячейки;
  • HJT (Heterojunction cells) — гетероструктурные ячейки.

Пять основных типов солнечных панелей с использованием новейших технологий солнечных фотоэлементов в 2020 году:


Применяя инновационные решения, в производстве солнечных модулей, постоянно происходят различные улучшения эффективности, уменьшения влияния затенения и повышения надежности, при этом несколько производителей в настоящее время дают гарантию производительности до 30 лет.

Учитывая все новые доступные варианты выбора современных солнечных батарей, стоит провести некоторые исследования, прежде чем инвестировать в солнечную установку. В нашей полной обзорной статье о солнечных панелях мы расскажем, как выбрать надежную солнечную панель и на что обратить внимание.

Технология PERC, в чем особенность?


Профессор Мартин Грин, директор Австралийского центра передовой фотогальваники UNSW, изобрел концепцию PERC, которая в настоящее время широко используется многими ведущими производителями солнечных батарей во всем мире.


За последние два года PERC стал предпочтительной технологией для многих производителей как моно, так и поликристаллических ячеек. PERC буквально расшифровывается как «Пассивированный Эммитер Сзади Ячейки». Представляет собой более продвинутую архитектуру ячейки, использующую дополнительные слои на задней стороне ячейки для поглощения большего количества световых фотонов и увеличения «квантовой эффективности». Особенностью технологии PERC является алюминиевый задний слой Al-BSF — Local Aluminium Back Surface Field (см. Диаграмму ниже). Еще были разработаны несколько других вариантов, таких как PERT (Passivated Emitter Rear Totally Diffused) и PERL (Passivated Emitter and Rear Locally-diffused), но они пока не получили широкого применения.


LeTID — потенциальная проблема PERC

Обычные клетки PERC P-типа могут страдать от так называемого LeTID или деградации, вызванной светом и повышенной температурой. Явление LeTID похоже на хорошо известную деградацию, вызванную LID или светом, когда панель может потерять 2-3% от номинальной мощности в первый год воздействия УФ-излучения и от 0,5% до 0,8% в год после. К сожалению, потери из-за LeTID могут быть выше — до 6% в первые 2 года. Если эта потеря не будет полностью учтена производителем, это может привести к снижению производительности и потенциальным претензиям по гарантии.


К счастью, кремниевые элементы N-типа, не страдают от воздействия LeTID. Кроме того, некоторые производители поли и моно PERC ячееек P-типа, разработали процессы уменьшения или устранения LeTID. Некоторые производители заявили о применении технологии анти-LeTID на своей продукции и утверждают, что уменьшили или устранили эффекты LeTID.


Multi Busbar — Многолинейные солнечные элементы

Busbar или токоведущие шины представляют собой тонкие провода или ленты, которые проходят по каждой ячейке и переносят электроны (ток) от солнечных элементов. Поскольку фотоэлементы становятся более эффективными, они, в свою очередь, генерируют больше тока, и за последние годы большинство производителей перешли с 3 шин на 5 или 6 шин. Некоторые производители, сделали еще один шаг вперед и разработали многопроволочные системы, использующие до 12 очень тонких круглых проводов, а не плоских шин. Выгода заключается в том, что сборные шины фактически затеняют часть ячейки и поэтому могут немного снизить производительность, поэтому их необходимо тщательно проектировать. Несколько тонких шин обеспечивают более низкое сопротивление и более короткий путь перемещения электронов, что приводит к более высокой производительности.

Маленькие дорожки ( тонкие шины) на каждой ячейке передают ток на 5 ленточных шин:

Если в ячейке возникли микротрещины из-за ударов или высоких нагрузок, большее количество шин помогает снизить вероятность того, что трещина перерастет в горячую точку, поскольку они обеспечивают альтернативные пути прохождения тока.


В модулях LG Neon 2 впервые использовались 12 маленьких круглых проводных шин, LG называет свою технологию «Cello», которая означает соединение элементов, с низкими электрические потерями. Многопроволочная технология Cello снижает электрическое сопротивление, тем самым уменьшаются потери напряжения, а уменьшение площади и применение закругленных шин дает лучшее оптическое поглощение света, тем самым повышается эффективность.


Trina Solar вместе со многими другими производителями недавно начали предлагать тонкие круглые шинные ячейки под названием multi-bus (MBB) в качестве опции для ряда модулей на 2019 год. Как объяснялось ранее, еще одним преимуществом наличия большего количества шин является то, что при микротрещинах возникновение в ячейке из-за внешних напряжений, меньше вероятность того, что это создаст горячую точку, так как электроны имеют много альтернативных шин для протекания тока. Это показано на рисунке:


Split panels – Новые половинчатые солнечные батареи

Еще одно недавнее новшество — использование ячеек с половинным размером вместо квадратных ячеек полного размера и перемещение распределительной коробки в центр модуля. Тем самым разделяя солнечную панель на 2 меньшие панели по 50% площади, каждая из которых работает параллельно. Это имеет множество преимуществ, в том числе повышение производительности благодаря снижению резистивных потерь через шины (токосъемники). Поскольку каждая ячейка имеет половинный размер, она производит половину тока при одном и том же напряжении, что означает, что ширина шины может быть уменьшена наполовину, уменьшая затенение и потери ячейки. Снижение тока также приводит к снижению температуры в ячейке, что, в свою очередь, уменьшает потенциальное образование и серьезность горячих точек из-за локального затенения, загрязнения или повреждения ячейки.


Кроме того, более короткое расстояние до центра панели сверху и снизу повышает эффективность в целом, повышая выходную мощность панели аналогичного размера до 20 Вт. Другое преимущество заключается в том, что при частичном затенении верхней или нижней части панели, затененная часть не влияет на выработку электроэнергии от другой половины солнечной батареи.



Bifacial — Двухсторонние солнечные батареи


Технология двухсторонних солнечных батарей была известна уже нескольких лет, но сейчас начинает становиться популярной, поскольку стоимость производства монокристаллических элементов очень высокого качества продолжает снижаться. Двухсторонние элементы поглощают свет с обеих сторон панели и в таких условиях могут производить до 27% больше энергии, чем традиционные односторонние панели. В двухсторонних солнечных панелях обычно применяют стекло на передней стороне, а сзади, для герметизации ячеек — прозрачный полимерный слой. Он позволяет отраженному свету проникать с задней стороны панели. Двухсторонние модули также могут иметь стеклянный задний слой, который имеет больший срок службы и может значительно снизить риск отказа, поэтому некоторые производители теперь предлагают 30-летнюю гарантию на свою продукцию.


Традиционно двухсторонние солнечные панели использовались только в наземных установках, где солнечный свет легко отражался от окружающих поверхностей, в частности заснеженных районов. Хотя было доказано, что они хорошо работают и при монтаже на светлые поверхности, что позволяет увеличить выработку до 10%.

Двухсторонние модули поглощают отраженный солнечный свет обратной стороной панели:

Dual Glass – Солнечные батареи с двойным стеклом


Многие производители в настоящее время производят так называемые стеклянные или двойные стеклянные солнечные панели, которые не следует путать с двухсторонними. Задний традиционный белый EVA (пластиковый) слой заменяют стеклом. Таким образом получается сэндвич стекло-стекло, которое не реагирует и не портится со временем и не страдает от ультрафиолетового излучения. Из-за более длительного срока службы стеклянных панелей некоторые производители предлагают 30-летнюю гарантию производительности.

Безрамочные солнечные батареи

Многие двойные стеклянные панели являются безрамными (без алюминиевой рамы), что может усложнить монтаж панелей, так как требуются специальные системы креплений. Тем не менее, бескаркасные модули имеют ряд преимуществ, особенно в отношении очистки: отсутствует рама, которая создает ступеньку, об нее задерживается пыль и грязь. Соответственно, без ступеньки получается плоская поверхность, которую проще мыть и способствующая самоочищению с помощью дождя и ветра, что приводит к большей производительности. Однако без прочности алюминиевой рамы двойные стеклянные панели, хотя и более долговечные, не такие жесткие и могут изгибаться, особенно при горизонтальном монтаже.


Умные панели и оптимизаторы мощности


Технология, которая становится все более популярной — это добавление в солнечную панель оптимизаторов мощности постоянного тока. Оптимизаторы наряду с микроинверторами, обычно известны как MLPE (Module Level Power Electronics), которые состоят из небольших блоков преобразования энергии, прикрепленных непосредственно к солнечным батареям. Оптимизаторы предназначены для подачи оптимального напряжения для максимальной выработки электроэнергии. Если панель затенена, загрязнена или не работает, что приводит к низкому напряжению или току, оптимизаторы могут обойти или компенсировать плохую работу панели, чтобы обеспечить оптимальное напряжение для инвертора.


Оптимизаторы мощности от таких компаний, как Tigo и SolarEdge, были доступны в качестве дополнительного компонента в течение многих лет, но теперь и SolarEdge, и Tigo разрабатывают панели со встроенными оптимизаторами в распределительной коробке на задней панели. SolarEdge отличается от Tigo тем, что оптимизаторы SolarEdge должны использоваться вместе с инверторами SolarEdge, а оптимизаторы Tigo могут быть подключены к любым существующим панелям в качестве дополнительного оптимизатора.



Большим преимуществом «дополнительных» оптимизаторов, таких как Tigo и SolarEdge, является возможность контролировать производительность каждой солнечной панели в отдельности, что также может помочь выявить любые неисправности и проблемы в солнечной батарее. Микроинверторы также предлагают это преимущество перед обычными сетевыми инверторами.


Maxim Integrated пошли еще дальше и разработали чипы для оптимизации подмодулей. Эти интеллектуальные чипы от Maxim Integrated выходят за рамки традиционного дополнительного оптимизатора и разделяют панель на 3 ряда ячеек, что позволяет панели работать при оптимальном напряжении MPPT при частичном затенении или загрязнении. Стоит отметить, что некоторые установщики сообщают о том, что клиенты сталкиваются с проблемами помех RFI (ТВ и радио), используя эту новую технологию, однако чипы Maxim следующего поколения, как утверждается, решили проблему.


Shingled Cells — Безразрывные солнечные элементы

Безразрывные ячейки — это новая технология, в которой для солнечных панелей используются перекрывающиеся узкие ячейки, которые группируются горизонтально или вертикально по всему модулю. Безразрывная ячейка изготавливается путем лазерной резки нормального полноразмерного элемента на 5 или 6 полос и наслоения их друг с другом, с использованием специального клея. Небольшое перекрытие каждой полосы ячеек скрывает одну шину, которая соединяет полосы ячеек. Применение такого новшества позволяет покрывать большую площадь поверхности панели, ведь так не требуются располагать соединительные шины поверх элемента, которые частично затеняют ячейку. Таким образом увеличивается эффективность панели так же, как ячейки IBC, описанные ниже.

Другое преимущество состоит в том, что длинные безразрывные ячейки обычно соединяются параллельно, что значительно снижает эффект затенения — каждая длинная ячейка эффективно работает независимо.Кроме того, ячеистые ячейки относительно дешевы в изготовлении, поэтому они могут быть очень экономически эффективным вариантом, особенно если частичное затенение является проблемой.

Seraphim был одним из первых производителей, выпустивших ячейки с гибкой ячейкой с высокопроизводительными панелями Eclipse. Серия SunPower P — это новейшее дополнение к линейке SunPower, предлагающее более дешевый вариант, прежде всего для крупномасштабных станций. Другие производители, производящие безразрывные солнечные панели Yingli Solar и Znshine.


Прочность солнечных ячеек

Наряду с многочисленными усовершенствованиями элементов для повышения эффективности, существуют также новые технологии для повышения надежности и производительности в течение ожидаемого 25-летнего срока службы солнечного модуля. Солнечные панели могут подвергаться экстремальным нагрузкам из-за сильного ветра, вибраций, сильной жары и морозов, вызывающих расширение и сжатие. Это может привести к появлению микротрещин, горячих точек и деградации PID (Potential induced degradation) элементов, что приводит к снижению производительности и ускорению отказа.


Производители, такие как Winaico и LG energy, разработали чрезвычайно прочные алюминиевые рамы, чтобы помочь уменьшить нагрузку на элементы и модули. Win Win Technology, материнская компания Winaico, сделала еще один шаг вперед и разработала так называемую технологию «HeatCap», которая, по сути, представляет собой упрочняющую структуру элемента, которая помогает предотвращать образование микротрещин и горячих точек, когда элементы находятся в условиях экстремальных нагрузок. Эта технология также имеет дополнительное преимущество улучшенной производительности при более высоких температурах ячейки.


Солнечные элементы IBC — высокая прочность и долговечность

IBC не только более эффективны, но и прочность намного выше, чем у обычных элементов, так как задние слои укрепляют весь элемент и помогают предотвратить микротрещины, которые в конечном итоге могут привести к выходу из строя.

Sunpower использует высококачественный задний слой IBC из твердой меди на своей запатентованной ячейке Maxeon вместе с высокоотражающей металлической зеркальной поверхностью, чтобы отражать любой свет, который проходит обратно в ячейку. Задняя сторона ячейки IBC Maxeon, показанная ниже, чрезвычайно устойчива к нагрузкам и изгибам, в отличие от обычных ячеек, которые по сравнению с ними относительно хрупкие.


Высокоэффективные солнечные элементы N-типа

В то время как PERC и Bifacial появились в солнечном мире, самой эффективной и надежной технологией по-прежнему остается монокристаллическая ячейка N-типа. В первом типе солнечных элементов, разработанном в 1954 году лабораториями Bell, использовалась кремниевая пластина N-типа, но со временем более экономичный кремний P-типа стал доминирующим типом элементов: в 2017 году более 80% мирового рынка с использованием P-типа клетки. Поскольку большой объем и низкая стоимость являются основным движущим фактором, стоящим за P-типом, ожидается, что N-тип станет более популярным, так как производственные затраты снижаются, а эффективность увеличивается.


Гетероструктурная технология HJT

Технология HJT используется несколькими производителями солнечных батарей. В настоящее время и российская компания Хевел производит серийные панели с использованием гетеропереходных элементов, а так же Panasonic и ряд других компаний. Группа компаний REC недавно анонсировала новые панели серии Alpha, в которых используются ячейки HJC с 16 микро шинами для достижения впечатляющей эффективности в 21,7%. Вслед за первоначальной разработкой HJC, проделанной UNSW и Sanyo, Panasonic создала эффективную серию панелей ‘HIT’ и уже много лет является лидером в технологии ячеек HJT.

Солнечные элементы HJT используют основу из обычного кристаллического кремния с дополнительными тонкопленочными слоями аморфного кремния по обе стороны ячейки, образуя так называемый гетеропереход. В отличие от обычных P-N-соединительных ячеек, многослойные гетеропереходные ячейки могут значительно повысить эффективность. В лабораторных испытаниях достигается эффективность до 26,5% в сочетании с технологией IBC.


В Panasonic разработали ячейку HIT, с использованием высокопроизводительной кремниевой основы N-типа для производства солнечных батарей с КПД более 20,0% и превосходными характеристиками при высоких температурах. Кремниевые элементы N-типа также обеспечивают исключительную долговременную производительность, гарантирующую 90,76% остаточной мощности через 25 лет, что является вторым по величине из доступных после SunPower.

HJT лидер при высоких температурах

Наиболее впечатляющей характеристикой ячеек Panasonic HIT является невероятно низкий температурный коэффициент, который на 40% меньше, чем у обычных поли и монокристаллических ячеек. Выходная мощность панелей приводится при температуре на элементах 25 градусов Цельсия, при стандартных условиях STC (Standard Test Conditions), и каждый градус выше немного снижает выходную мощность.

Температурный коэффициент влияет на снижение мощности при увеличении температуры на солнечных элементах.


В обычных поли и моноэлементах это значение составляет от 0,38% до 0,42% на градус C, что может привести к снижению общей производительности на 20% или более в очень жаркие безветренные дни. Для сравнения, у HIT от Panasonic очень низкий температурный коэффициент 0,26% на градус, что является самым низким показателем среди всех производимых сегодня элементов.


На температуру панели и ячейки также влияют цвет крыши, угол наклона и скорость ветра, поэтому установка плоских панелей на очень темной крыше обычно снижает производительность панели по сравнению с крышами более светлого цвета.


Уникальные панели Panasonic HIT доступны только в Японии и Северной Америке и, к сожалению, в настоящее время недоступны в России, но не стоит расстраиваться на этот счет, ведь стоимость таких панелей пока очень высока и благо существуют альтернативные варианты.

Купить солнечные батареи по новым технологиям, можно у нас в магазине, пройди по ссылке: https://mywatt.ru/solnechnie_batarei/

Производство солнечных батарей: пошагово.

Всё большей популярности набирает потребление энергии солнца, что неизменно влечет за собой увеличение спроса на оборудование, которое преобразует солнечное излучение в электроэнергию. Самым распространенным методом получения таковой считается фотовольтаика. Разумеется, одной из причин есть то, что производство солнечных батарей базируется на использовании кремния. Этот химический элемент – второй по численности на земном шаре.

Сейчас на рынке солнечных батарей функционируют огромные мировые компании, которые имеют многомиллионные обороты и многолетний опыт. Технологии, положенные в основу производства, из года в год совершенствуются. Вы с легкостью найдете солнечную батарею, которая вам нужна. Будь то устройство для автомобиля, микрокалькулятора или освещения дома. Если приобрести одиночный фотоэлемент, вы заметите, что у них очень маленькая мощность. Потому чаще их соединяют в солнечный модуль. Давайте разбираться, как.

Технология изготовления солнечных панелей.

Она делится на этапы, разберем каждый из них:

Конечно же, первое, с чего начинается абсолютно любое производство, и не только солнечных панелей, это с подготовки сырья (материала). Как говорилось ранее, в основном панели делают из кремния, а если быть точнее, то из кварцевого песка определенной породы. Технология подготовки материала включает два процесса:

  1. Высокотемпературное плавление.
  2. Синтез с добавлением разнообразных химических элементов.

После прохождения этих процессов можно достигнуть очищения кремния до 99,99 %.

Чаще всего для производства солнечных панелей берут поликристаллический или монокристаллический кремний. И хоть технология производства у них разная, тем не менее получение поликристаллического кремния считается более экономной. Поэтому, выбираю солнечную батарею из такого сырья, вы заплатите за нее меньше.

После очистки кремния, его режут тонкими пластинами, которые потом пройдут тестирование. Производится оно путем замера электропараметров с помощью световой вспышки ксеноновой лампы очень высокой мощности. По окончанию испытаний пластин, их отправляют на следующий этап.

  • На втором этапе пластины спаивают в секции, после чего из них формируют блоки на стекле. Чтобы перенести эти секции на стекло, используются держатели из вакуума. С их помощью исключается механическое воздействие на готовый солнечный элемент. Обычно секции состоят из 10 элементов, а блоки из 4 секций, реже – из 6.
  • Блоки, которые получили на втором этапе, ламинируются с помощью этиленвинилацетатной пленки и специального защитного покрытия. Компьютерное управление позволяет проследить за температурой, давлением и уровнем вакуума, а также запрограммировать условия для ламинирования.
  • Это последний этап производства солнечных панелей. Заключается он в монтировании алюминиевой рамы и соединительной коробки. Специальный клей-герметик обеспечивает надежное соединение модуля и коробки. Потом солнечные батареи тестируют, измеряя ток короткого замыкания, напряжение точки максимальной мощности  и напряжение холостого хода.

Оборудование для производства солнечных батарей.

В производстве солнечных панелей используют только лучшее оборудование. Благодаря высокому качеству оборудования достигается минимальная погрешность при тестировании и измерении показателей. Также это гарантирует более длительный срок эксплуатации, что в свою очередь снижает затраты на покупку нового оборудования. Низкое же качество влечет за собой нарушения в технологии производства.

Основное оборудование, которое используют при изготовлении  солнечных панелей:

  • Инструмент для резки ячеек. Ячейки режутся с помощью волоконного лазера. Размеры можно задать с помощью различных программ.
  • Ламинатор. Название говорит само за себя.С его помощью ламинируют солнечные элементы. Имеет специальные контроллеры для поддержки выбранных параметров. Ламинаторы работают в двух режимах: ручном и автоматизированном.
  • Столик для перемещения. Очень сложно обойтись без данного предмета. Именно на нем производят такие операции, как обрезка краев, укладка соединительной коробки и многие другие. Столешница имеет закрепленные шарики, с помощью которого можно открыть и переместить модуль, не боясь его повредить.
  • Машинка для очистки стекла. Ее используют при очистке стеклянных подложек. Стекло сначала очищают при помощи моющего средства, позже ополаскивают деионизированной водой два раза. Уже после подложки сушатся с помощью холодного и горячего воздуха.
Производители солнечных батарей.

Изготовление солнечных панелей из кремния – довольно перспективный и прибыльный бизнес. Спрос на солнечные панели растет каждый год. Соответственно, растут объемы продаж.

Безусловно, первое место по производству солнечных батарей занимают китайцы. Их главный козырь – очень низкая стоимость. Естественно, многие компании по всему миру не выдерживают напора и конкуренции китайских компаний. Это стало следствием закрытия, например, четырех немецких брендов за последние пару лет. Это такие гиганты, как Solon, Solarhybrid, Q-Cells и SolarMillennium. Вслед за ними закрыла свой филиал в Германии американская компания FirstSolar, а вслед за ней и компании Siemens, Bosch. И это неудивительно. Китайские солнечные панели стоят в два раза дешевле своих заграничных аналогов.

Топ компаний-производителей солнечных панелей:
  • YingliGreenEnergy. YGE за время своего существования установила солнечных батарей больше, чем на 2 ГВт.
  • FirstSolar. Несмотря на то, что компании пришлось закрыть свой завод в Германии, она не сдала свои позиции в топе. Профилем ее являются тонкопленочные панели, которых они выпустили более, чем на 4 ГВт.
  • SuntechPower Ко. Производитель выпустил на рынок около 13 миллионов батарей.
Российские популярные производители батарей:
  • Завод «Солнечный ветер».
  • Завод «Хевел».
  • Завод «Телеком-СТВ».
  • «Рязанский завод металлокерамических приборов».
  • «Термотрон-завод».

Страны СНГ также не пасут задних. Например, в Астане тоже запустили завод, выпускающий солнечные батареи из кремния. Для Казахстана это пионер в подобной отрасли. В качестве материалов там планируется использование кремния, которое находится в Казахстане. Оборудование, закупленное для производства, отвечает всем стандартам и отличается высоким качеством.

Высокие темпы строительства заводов свидетельствуют о высоком спросе на солнечные батареи. Потому в ближайшем будущем можно ожидать повсеместное использования солнечных модулей. И это, однозначно, положительно повлияет на нашу атмосферу, избавив ее от загрязнений и истощений запасов топлива.

Изготовление кремниевых солнечных фотопреобразователей | ВИЭ от Avenston

Стандартный тестер состоит из эталонного солнечного элемента и встроенного компьютера, обобщающего полученные при измерении значения и приводящий их к значениям, которые были бы получены при полном соблюдении стандартов измерения. Это только на первый взгляд измерение представляется достаточно простой и тривиальной задачей, но на самом деле, чтобы получить корректные значения, необходимо учесть целый ряд факторов, основными из которых можно выделить следующие:

  • Поскольку вырабатываемый солнечным элементом электрический ток прямо пропорционален интенсивности освещения, при проведении тестирования необходимо добиться стабильности освещенности, её значение должно быть известным и постоянным.
  • Необходимо достичь как можно большей однородности света по всей поверхности тестируемой панели.
  • Спектральное распределение создаваемой освещенности должно максимально точно соответствовать спектральному распределению, характерному для естественного солнечного света.
  • Необходимо определить температуру солнечного элемента и поддерживать её фиксированной на протяжении всего времени тестирования.
  • Потребуется исключить нестабильность напряжения в электрической цепи измерительного комплекса и непосредственно на контактах – падение напряжения существенно влияет на точность проводимых измерений.

Добиться однородности излучения можно, воспользовавшись двумя самыми распространенными способами:

  • Задействовать точечный источник излучения – в этом случае необходимой однородности можно добиться, разнеся тестируемый образец солнечной панели и источник света на значительные расстояния, например, на несколько десятков метров.
  • Воспользоваться специальной оптикой с рассеивающими и отражающими элементами – достаточно сложный в плане практической реализации способ, ведь в этом случае придется постоянно контролировать настройку оборудования, своевременно внося необходимые коррективы. Кроме того, потребуется компенсировать влияние рефлектора (а также и прочих используемых оптических приборов) на спектральное распределение мощности излучения, применив дополнительную фильтрацию.

В первом варианте необходимо часто контролировать и настраивать оборудование, а также компенсировать влияние рефлектора и других оптических элементов на спектральное распределение с помощью дополнительной фильтрации, что приводит к большим трудностям в использовании. Во втором варианте необходимо однородность достигается разнесением источника и тестируемого образа на значительное расстояние. Наиболее распространенными в промышленности являются импульсные тестеры с ксеноновой лампой.

Итак, выше были изложены основы традиционной технологии, разработанной в Украине и внедренной в серийное производство. Это была, наверное наиболее распространенная технология создания кремниевых солнечных элементов с контактами, нанесенными методом трафаретной печати. Как может показаться, процесс производства фотоэлектрических преобразователей достаточно простой по сравнению с изделиями традиционной микроэлектроники. Но это только на первый взгляд. На самом деле в технологии фотоэлементов существует огромное множество трудностей, подводных камней и нюансов.

Солнечные батареи космического и наземного применения

К проблеме освоения энергии солнечного света привлечено в настоящее время внимание специалистов разных научных дисциплин. Особенно большие успехи достигнуты на пути создания полупроводниковых солнечных элементов и батарей различных конструкций. Все больше, легче и мощнее становятся солнечные батареи (СБ) космических аппаратов и станций, все шире их применения на земле, все выше КПД и разнообразнее их свойства.

Развитие теории и опыт прошлых лет позволили описать физические механизмы фотоэффекта, определить источники потерь мощности в ФЭП, объяснить реально полученные КПД и указать пути их повышения. Зонная теория твердых тел в сочетании с термодинамикой системы полупроводник-излучение позволил сделать оптимальный выбор исходного полупроводника, введя понятие и определив значение предельного теоретического КПД. И хотя не всегда удавалось довести уровень знаний к пониманию всех сложных электронных процессов, происходящих в объеме полупроводника или на его поверхности — контактах с воздухом, металлами или другими веществами. Однако, как правило выяснялось, как можно избежать влияния негативных явлений, усилить роль положительных и разработать модели совершенствования.

Необычные эксплуатационные условия (невесомость, глубокий вакуум, контрастные изменения температуры) не позволяют широко использовать в условиях космоса известные на Земле традиционные методы получения электричества. Поэтому основным источником электроэнергии для космических аппаратов являются солнечные батареи. И развитие космической техники требует дальнейшего совершенствования и повышения их технико-экономических показателей. Работа в космосе предъявляет СЕ очень жесткие и порой противоречивые требования. Действительно, поглощая максимум мировой энергии, они не должны перегреваться. В то время как диоды и транзисторы размещаются в герметичных, иногда теплоизолированных приборных отсеках, панели солнечных элементов нагреваются до 80 ° С, когда их освещает Солнце, и остывают до -150 ° С при заходе космических аппаратов в тень Земли. Кроме этого, солнечные батареи должны обладать способностью длительное время противостоять потокам корпускулярного излучения, воздействия частиц высоких энергий и метеоритным потокам.

Но не менее жесткие требования предъявляются к фотоэлектрическим преобразователям эксплуатируемым в наземных условиях. Это связано с растущим спектром применения СБ Украины. Сначала солнечные батареи использовались только в портативной технике, срок службы и энергопотребление которых невелика. Сейчас ФЭП используются как автономные источники питания для систем навигации и связи, систем телекоммуникаций и дополнительные источники электроэнергии, которые работают в часы пиковой нагрузки в электросети. Эти источники энергии должны обладать большой мощностью, большим сроком службы и устойчивостью к климатическим условиям. Сами же ФЭП должны быть недорогими и иметь возможность соединения в большие батареи.

Наибольшее распространение получили кремниевые ФЭП, что связано с хорошо развитой технологией, относительной дешевизной сырья и хорошими параметрами кремния с точки зрения непосредственного преобразования солнечной энергии в электрическую. Основными направлениями улучшения параметров фотоэлектрических преобразователей являются: оптимизация параметров существующих преобразователей, совершенствование технологии изготовления ФЭП с целью снижения материальных и энергетических затрат на их изготовление, применение новых материалов в технологии ФЭП. Об этом и многом другом мы будем писать еще не раз.

Влияние дефектов на количество ФЭП

В полупроводниковых материалах, используемых при производстве фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), сначала имеют место дефекты различного типа, которые зависят в первую очередь от способа и условий получения полупроводника. Активность дефектов определяется их типом, размером поля деформации, взаимодействием дефектов друг с другом и примесями, расположением дефектов по отношению к активным областям ФЭП, типу и особенностями изготовления ФЭП.

Различные термические и механические процессы, которые имеют место на всех этапах изготовления твердотельных ФЭП, могут приводить к появлению новых структурных дефектов, а также дополнительных примесей в обрабатываемом материале. Кроме того, в ходе проведения технологических операций возможны изменения природы существующих дефектов и развитие новых дефектов. Дефектообразования на каждой стадии технологического процесса сильно зависит от предыдущих операций и режимов проведения дальнейших операций.

Структурные дефекты существенно влияют на продолжительность жизни носителей заряда и удельное сопротивление материала, что приводит в результате к изменению вольтамперных характеристик ФЭП. Дефекты вызывают увеличение токов утечек, приводят к появлению локального пробоя p-n перехода, неоднородности фронта диффузии примесей, обрыва металлизации, проколов оксида, в свою очередь приводит к деградации ФЭП, а также снижение процента выхода годных изделий и их надежности.

Дефекты конструкции кремниевых ФЭП

К выходным дефектам структуры фотоэлектрических преобразователей относятся агломераты точечных дефектов, дислокации и их скопления, планарные дефекты типа двойников, дефекты упаковки, границы зерен, а также преципитаты и микродефекты, которые расположены внутри зерен, макродефектов материала и т.п. Отклонение в ходе проведения технологических операций, загрязнение поверхности и объема полупроводникового материала, жидких и газообразных технологических сред, термические и механические процессы также приводят к появлению и развитию дефектов, связанных с несовершенством конструкции ФЭП.

При исследовании образцов были обнаружены следующие виды конструктивных дефектов кремниевых ФЭП: дефекты структуры и загрязнения поверхности кремниевых пластин, дефекты структуры антиотражающего покрытия (АОП), неравномерность глубины залегания тыльной изотипных переходов, механические сколы по периметру пластин, дефекты контактной металлизации.

Остатки нарушенного слоя кремния приводят к увеличению скорости поверхностной рекомбинации и уменьшения спектрального отклика ФЭП. Неравномерность высоты пирамид текстуры может быть причиной неравномерности толщины АОП и, соответственно, увеличения интегрального коэффициента оптического отражения от поверхности ФЭП. Наличие на поверхности пластин частиц металла и других загрязнений приводит к шунтированию эмиттерного перехода.

Трещины и поры в АОП возникают при высокотемпературной обработки пластин вследствие различия коэффициентов термического расширения материала покрытия и кремния. Эти дефекты приводят к уменьшению оптического коэффициента пропускания АОП и увеличения оптических потерь.

Неравномерность глубины залегания тыльной изотипного перехода возможно при неоптимальных или нестабильных режимах нанесения и вжигания алюминия на тыльной поверхности ФЭП. Уменьшение глубины тыльной изотипного перехода приводит к росту скорости рекомбинации на тыльной поверхности пластины и снижения напряжения холостого хода прибора.

Механические сколы появляются при контактах пластин с технологическим оснащением, пинцетами и т.п., а также в результате неаккуратных манипуляций с пластинами. Механические с тех пор являются причиной образования в пластинах микротрещин, которые приводят к существенной деградации электрических параметров ФЭП.

К дефектам контактной металлизации относятся:

  • разрывы и неравномерность ширины серебряной контактной шины, появление белых участков и отклонения геометрии рисунка металлизации вследствие дефектов трафарета при нанесении контактов методом трафаретной печати;
  • неравномерность толщины металлизации;
  • отсутствие адгезии лицевой или тыльной контактной металлизации в результате отклонения от оптимальных режимов вжигания и загрязнений на поверхности пластин
  • отслаивание и отпадение алюминиевой металлизации из-за разницы коэффициентов термического расширения кремния и алюминия.

Дефекты контактной металлизации приводят к возникновению механических напряжений пластин, уменьшение плотности тока короткого замыкания и невозможности соединения ФЭП в модуле для получения заданных значений тока и напряжения в рабочей точке.

Снижение потерь энергии в ФЭП наземного применения

Для снижения оптических потерь, связанных с неполным использованием падающего на поверхность фотоэлектрического преобразователя излучения, в настоящее время наиболее широко применяются следующие методы:

  • структурирования поверхности приводит к снижению интегрального коэффициента отражения ФЭП;
  • нанесение на поверхность ФЭП одно- или двухслойного антиотражающего покрытия;
  • уменьшение площади контактов на лицевой поверхности для снижения потерь на затенение;
  • нанесение на тыльную поверхность ФЭП металлического слоя увеличивает эффективность поглощения длинноволнового излучения за счет его многократного прохождения через объем полупроводника;
  • уменьшение глубины эмиттерного перехода и снижение концентрации легирующей примеси вблизи лицевой поверхности для повышения чувствительности ФЭП в коротковолновой части спектра.

Электрические потери энергии обычно уменьшаются с помощью следующих методов:

  • выбор оптимального шага и толщины контактных шин на лицевой поверхности для снижения последовательного сопротивления ФЭП;
  • использование гетерирующих обработок, увеличивают время жизни неосновных носителей заряда;
  • пассивация лицевой поверхности для снижения скорости поверхностной рекомбинации;
  • пассивация тыльной поверхности и создания изотипних перехода;
  • минимизация площади контактов и дополнительное легирование приконтактных областей для уменьшения рекомбинационных потерь на границе раздела металл-полупроводник.

Ниже вы можете ознакомиться с наглядным графиком, который иллюстрирует последние достижения по эффективности фотоэлектрических преобразователей, изготовленных по различным технологиям.

Кто и как производит солнечные панели?

Неизменный рост потребления энергии солнечного света способствует увеличению спроса на оборудование, с помощью которого эту энергию можно накапливать и использовать для дальнейших нужд. Наиболее популярным способом получения электроэнергии является солнечная фотовольтаика. В первую очередь объясняется это тем, что производство солнечных батарей основано на использовании кремния – химического элемента, занимающего второе место по содержанию в земной коре.

Рынок солнечных батарей на сегодняшний день представляют крупнейшие мировые компании с многомиллионными оборотами и многолетним опытом. В основе производства солнечных панелей лежат различные технологии, которые постоянно совершенствуются. В зависимости от ваших нужд вы можете найти солнечные батареи, размеры которых позволяют встроить их в микрокалькулятор, или панели, которые без проблем разместятся на крыше здания или автомобиля. Как правило, одиночные фотоэлементы вырабатывают очень небольшое количество мощности, поэтому используются технологии, позволяющие соединять их в так называемые солнечные модули. О том, кто и как это делает и пойдет речь дальше.

Технологический процесс изготовления солнечных панелей

1 этап

Первое с чего начинается любое производство, в том числе и производство солнечных батарей – это подготовка сырья. Как мы уже упоминали выше, основным сырьем в данном случае служит кремний, а точнее кварцевый песок определенных пород. Технология подготовки сырья состоит из 2 процессов:

  1. Этап высокотемпературного плавления.
  2. Этап синтеза, сопровождающийся добавлением различных химических веществ.

Путем этих процессов достигают максимальной степени очистки кремния до 99,99%. Для изготовления солнечных батарей чаще всего используют монокристаллический и поликристаллический кремний. Технологии их производства различны, но процесс получения поликристаллического кремния менее затратный. Поэтому солнечные батареи, изготовленные из этого вида кремния, обходятся потребителям дешевле.

После того, как кремний прошел очистку, его разрезают на тонкие пластины, которые, в свою очередь, тщательно тестируют, производя замер электрических параметров посредством световых вспышек ксеноновых ламп высокой мощности. После проведенных испытаний пластины сортируют и отправляют на следующий этап производства.

2 этап

Второй этап технологии представляет собой процесс пайки пластин в секции, с последующим формированием из этих секций блоков на стекле. Для переноса готовых секций на поверхность стекла используют вакуумные держатели. Это необходимо для того, чтобы исключить возможность механического воздействия на готовые солнечные элементы. Секции, как правило, формируют из 9 или 10 солнечных элементов, а блоки – из 4 или 6 секций.

3 этап

3 этап – это этап ламинирования. Спаянные блоки фотоэлектрических пластин ламинируют этиленвинилацетатной пленкой и специальным защитным покрытием. Использование компьютерного управления позволяет следить за уровнем температуры, вакуума и давления. А также программировать требуемые условия ламинирования в случае использования разных материалов.

4 этап

На последнем этапе изготовления блоков солнечных батарей монтируется алюминиевая рама и соединительная коробка. Для надежного соединения коробки и модуля используется специальный герметик-клей. После чего солнечные батареи проходят тестирование, где измеряют показатели тока короткого замыкания, тока и напряжения точки максимальной мощности и напряжения холостого хода. Для получения необходимых значений силы тока и напряжения возможно объединение не только солнечных элементов, но и готовых солнечных блоков между собой.

Какое оборудование необходимо?

При производстве солнечных панелей необходимо использовать только качественное оборудование. Это обеспечивает минимальные погрешности при измерении различных показателей в процессе тестирования солнечных элементов и состоящих из них блоков. Надежность оборудования предполагает более долгий срок эксплуатации, следовательно, минимизируются расходы на замену вышедшего из строя оборудования. При низком качестве возможны нарушения технологии изготовления.

Основное оборудование, используемое в процессе производства солнечных панелей:

  1. Стол для перемещения. Незаменим при осуществлении различных действий с солнечными модулями. Обрезка краев, укладка, установка соединительной коробки – эти и многие другие операции производят исключительно на данном столе. Закрепленные на столешнице неметаллические шарики позволяют без каких-либо усилий перемещать модуль, не повреждая его при этом.
  2. Ламинатор для солнечных батарей. Как понятно из названия, данное оборудование применяется при ламинации солнечных элементов. Все необходимые параметры поддерживаются специальными контроллерами. Имеется возможность выбора как полностью автоматизированного режима работы, так и ручного управления.
  3. Инструмент для резки ячеек (рисунок справа). Разрезание ячеек осуществляется волоконным лазером. Размеры задаются программно.
  4. Машина для очистки стекла. Оборудование используется для очистки стеклянных подложек. Процесс происходит в несколько этапов. Сначала стекло очищают с использованием моющего средства, для чего применяют нейлоновые щетки, а затем споласкивают деионизированной водой в 2 этапа. Затем стеклянные подложки сушат холодным и горячим воздухом.

Кто поставляет нам солнечные батареи?

Солнечные панели – дело очень перспективное, а главное прибыльное. Количество покупаемых солнечных батарей увеличивается с каждым годом. Что обеспечивает постоянный рост объемов продаж, в котором заинтересован любой завод по производству солнечных батарей, а их по всему миру немало.

На первом месте стоят, конечно, китайские компании. Низкая стоимость солнечных батарей, которые китайцы экспортируют по всему миру, привела к появлению множества проблем у других крупнейших компаний. За последние 2-3 года о закрытии производства солнечных панелей объявили, по меньшей мере, 4 немецких бренда. Началось все с банкротства компании Solon, после которой закрылись Solarhybrid, Q-Cells и Solar Millennium. Американская компания First Solar также заявила о закрытии своего завода во Франкфурте-на-Одере. Свое производство панелей свернули и такие гиганты как Siemens и Bosch. Хотя, учитывая, что китайские солнечные батареи стоят, к примеру, почти в 2 раза дешевле немецких аналогов, удивляться здесь нечему.

Первые места в топе компаний, производящих солнечные панели, занимают:

  • Yingli Green Energy (YGE) является ведущим производителем солнечных батарей. За 2012 год ее прибыль составила более 120 млн. $. Всего она установила солнечных модулей более чем на 2 ГВт. Среди ее продукции панели из монокристаллического кремния мощностью 245-265 Вт и поликристаллические кремниевые батареи мощностью 175-290 Вт.
  • First Solar. Хоть эта компания и закрыла свой завод в Германии, в числе крупнейших она все-таки осталась. Ее профиль – это тонкопленочные панели, мощность которых за 2012 год составила около 3,8 ГВт.
  • Suntech Power Ко. Производственные мощности этого китайского гиганта составляют примерно 1800 МВт в год. Около 13 млн солнечных батарей в 80 странах мира – это результат труда этой компании.

Среди российских заводов следует выделить:

  • «Солнечный ветер»
  • ООО «Хевел» в Новочебоксарске
  • «Телеком-СТВ» в Зеленограде
  • ОАО «Рязанский завод металлокерамических приборов»
  • ЗАО «Термотрон-завод» и другие.

Более полный перечень фирм, изготавливающих и поставляющих оборудование и изделия для солнечной энергетики, вы найдете в нашем Каталоге производителей и поставщиков.

Не отстают и страны СНГ. Так, например, завод по производству солнечных батарей еще в прошлом году был запущен в Астане. Это первое предприятия подобного рода в Казахстане. В качестве сырья планируется использовать 100% казахского кремния, а оборудование, установленное на заводе, отвечает всем последним требованиям и полностью автоматизировано. Запуск аналогичного завода есть и в планах у Узбекистана. Инициатором строительства выступила крупнейшая китайская компания Suntech Power Holdings Co, такое же предложение поступило и от российского нефтяного гиганта «ЛУКОЙЛ».

При таких темпах строительства, следует ожидать повсеместного использования солнечных модулей. Но это и неплохо. Экологичный энергетический источник, дающий бесплатную энергию, сможет решить множество проблем, связанных с загрязнением окружающей среды и истощением запасов природного топлива.

Статью подготовила Абдуллина Регина

Видео о процессе изготовления солнечных панелей:

Как сделать солнечные батареи своими руками.

В мастер-классе показывается изготовление солнечной панели из 36 поликристаллических солнечных элементов размером 81×150 мм. Исходя из этих размеров, можно вычислить размеры будущей солнечной батареи. При расчете размеров важно между элементами делать небольшое расстояние, которое будет учитывать изменение размеров основы под атмосферным воздействием, то есть между элементами должно быть 3–5 мм. Результирующий размер заготовки должен быть 835х690 мм при ширине уголка 35 мм.

Подбор и пайка солнечных элементов

В настоящий момент на аукционе Еbay представлен огромный ассортимент изделий для самостоятельного изготовления солнечных батарей.
Так как солнечная батарея, сделанная своими руками, практически в 4 раза дешевле готовой, самостоятельное изготовление — это значительная экономия средств. На Еbay можно приобрести солнечные элементы с дефектами, но они не теряют своей функциональности, таким образом, стоимость солнечной батареи может существенно сократиться, если вы можете дополнительно пожертвовать внешним видом батареи.

При первом опыте лучше приобретать наборы для изготовления солнечных панелей, в продаже имеются солнечные элементы с припаянными проводниками. Пайка контактов — это достаточно сложный процесс, сложность усугубляется хрупкостью солнечных элементов.

Если вы приобрели кремниевые элементы без проводников, то сначала необходимо провести пайку контактов.
Пайка элементов — это достаточно кропотливая работа. Если не удастся получить нормального соединения, то необходимо повторить работу. По нормативам серебряное напыление на проводнике должно выдерживать 3 цикла пайки при допустимых тепловых режимах, на практике сталкиваешься с тем, что напыление разрушается. Разрушение серебряного напыления происходит из-за использования паяльников с нерегулируемой мощностью (65Вт), этого можно избежать, если понизить мощность следующим образом — нужно последовательно с паяльником включить патрон с лампочкой в 100 Вт. Номинальная мощность нерегулируемого паяльника слишком высока для пайки кремниевых контактов.

Даже если продавцы проводников уверяют, что припой на соединителе имеется, его лучше нанести дополнительно. Во время пайки старайтесь аккуратно обращаться с элементами, при минимальном усилии они лопаются; не стоит складывать элементы пачкой, от веса нижние элементы могут треснуть.

Сборка и пайка солнечной батареи

При первой самостоятельной сборке солнечной батареи лучше воспользоваться разметочной подложкой, которая поможет расположить элементы ровно на некотором расстоянии друг от друга (5 мм).

Основа выполняется из листа фанеры с маркированием уголков. После пайки на каждый элемент с обратной стороны крепится кусок монтажной ленты, достаточно прижать заднюю панель к скотчу, и все элементы переносятся.
При таком типе крепления сами элементы дополнительно не герметизируются, они могут свободно расширяться под действием температуры, это не приведет к повреждению солнечной батареи и разрыву контактов и элементов. Герметизации поддаются только соединительные части конструкции. Такой вид крепления больше подходит для опытных образцов, но вряд ли может гарантировать долгосрочную эксплуатацию в полевых условиях.

Последовательный план сборки батареи выглядит так:

Основные проблемы сборки солнечной панели связаны с качеством пайки контактов, поэтому специалисты предлагают перед герметизацией панели ее протестировать.

Тестирование можно делать после пайки каждой группы элементов. Если вы обратите внимание на фотографии в мастер-классе, то часть стола под солнечными элементами вырезана. Это сделано намеренно, чтобы определить работоспособность электрической сети после пайки контактов.

Герметизация солнечной панели

Герметизация солнечных панелей при самостоятельном изготовлении — это самый спорный вопрос среди специалистов. С одной стороны, герметизация панелей необходима для повышения долговечности, она всегда применяется при промышленном изготовлении. Для герметизации зарубежные специалисты рекомендуют использовать эпоксидный компаунд «Sylgard 184», который дает прозрачную полимеризованную высокоэластичную поверхность. Стоимость «Sylgard 184» на Еbay составляет около 40 долларов.

С другой стороны, если вы не хотите нести дополнительные затраты, вполне можно использовать силиконовый герметик. Однако в этом случае не стоит полностью заливать элементы, чтобы избежать их возможного повреждения в процессе эксплуатации. В таком случае элементы к задней панели можно прикрепить при помощи силикона и герметизировать только края конструкции. Насколько эффективна такая герметизация, сказать сложно, но использовать не- рекомендованные гидроизоляционные мастики не советуем, очень высока вероятность разрыва контактов и элементов.

Схема электроснабжения дома

Системы электроснабжения домов с использованием солнечных батарей принято называть фотоэлектрическими системами, то есть системами, обеспечивающими генерацию энергии с использованием фотоэлектрического эффекта. Для индивидуальных жилых домов рассматриваются три фотоэлектрические системы: автономная система энергообеспечения, гибридная батарейно-сетевая фотоэлектрическая система, безаккумуляторная фотоэлектрическая система, подключенная к центральной системе энергоснабжения.

Каждая из систем имеет свое предназначение и преимущества, но наиболее часто в жилых домах применяют фотоэлектрические системы с резервными аккумуляторными батареями и подключением к централизованной энергосети. Питание электросети осуществляется при помощи солнечных батарей, в темное время суток от аккумуляторов, а при их разрядке — от центральной энергосети. В труднодоступных районах, где нет центральной сети, в качестве резервного источника энергоснабжения используются генераторы на жидком топливе.

Более экономной альтернативой гибридной батарейно-сетевой системе электроснабжения будет безаккумуляторная солнечная система, подсоединенная к центральной сети энергоснабжения. Электроснабжение осуществляется от солнечных батарей, а в темное время суток сеть питается от центральной сети. Такая сеть более применима для учреждений, потому что в жилых домах большая часть энергии потребляется в вечернее время.

Рассмотрим типичную установку батарейно-сетевой фотоэлектрической системы. В качестве генератора электроэнергии выступают солнечные панели, которые подсоединены через соединительную коробку. Далее в сети устанавливается контроллер солнечного заряда, чтобы избежать короткого замыкания при пиковой нагрузке. Электроэнергия накапливается в резервных батареях-аккумуляторах, а также подается через инвертор на потребители: освещение, бытовую технику, электроплиту и, возможно, используется для нагревания воды. Для установки системы отопления эффективнее применять гелиоколлекторы, которые относятся к альтернативной гелиотехнологии.

Существует два типа электросетей, которые используются в фотоэлектрических системах: на базе постоянного и переменного тока. Использование сети переменного тока позволяет размещать электропотребители на расстоянии, превышающем 10–15 м, а также обеспечивать условно-неограниченную нагрузку сети.

Для частного жилого дома обычно используют следующие комплектующие фотоэлектрической системы:

  • суммарная мощность солнечных панелей должна составлять 1000 Вт, они обеспечат выработку около 5 кВт ч;
  • аккумуляторы с общей емкостью в 800 А/ч при напряжении 12 В;
  • инвертор должен иметь номинальную мощность 3кВт с пиковой нагрузкой до 6 кВт, входное напряжение 24–48 В;
  • контроллер солнечного разряда 40–50 А при напряжении в 24 В;
  • источник бесперебойного питания для обеспечения кратковременного заряда с током до 150 А.

Таким образом, для фотоэлектрической системы электроснабжения понадобится 15 панелей на 36 элементов, пример сборки которых приведен в мастер-классе. Каждая панель дает суммарную мощность в 65 Вт. Более мощными будут солнечные батареи на монокристаллах. Например, солнечная панель из 40 монокристаллов имеет пиковую мощность 160 Вт, однако такие панели чувствительны к пасмурной погоде и облачности. В этом случае солнечные панели на базе поликристаллических модулей оптимальны для использования в северной части России.

Новая технология изготовления солнечных батарей.


Под давлением: Новая технология может удешевить и упростить изготовление  гибких солнечных батарей больших размеров.




Совершенно новая технология химического процесса под высоким давлением, позволяет производить огромные листы тонкопленочных кремниевых полупроводников при низких температурах в менее простых реакторах по сравнению с текущими технологиями, их размерами и стоимостью.


«Мы разработали новый подход к созданию тонкопленочных проводников большой площади без использования плазмы» сказал Джон Беддинг, профессор химии, физики, материаловедения и инженерии в Университете штата Пенсильвания. «Наша новая технология может упростить и удешевить изготовление гибких полупроводников большой площадью, которые используются в плоских панельных мониторах и в солнечных батареях, которые являются коммерчески важными полупроводниками».


Тонкопленочные кремниевые полупроводниковые приборы, как правило, изготавливаются с помощью способа химического осаждения, в котором силан — газ, состоящий из кремния и водорода — подвергается химической реакции, добавляя атомы кремния и водорода в тонком слое, чтобы покрыть поверхность. В данный момент для создания функционирующего производства полупроводников химической реакцией, нанесение кремния на поверхность должно происходить при достаточно низкой температуре, чтоб атомы водорода наносились на покрытие, а не испарялись подобно пару в кипящей воде. С учетом современных технологий, эта низкая температура достигается за счет создания плазмы — состояние вещества похожего на газ, состоящий из ионов и свободных электронов в большом объеме газа при низком давлении. Эти дорогостоящие реакторы настолько большие и тяжелые, что возникают большие трудности в их транспортировки. Для генерации плазмы, они требуют очень большие объемы газа.


«С нашим новым методом, путем химического процесса под высоким давлением мы можем создать низкотемпературные реакции в намного меньших местах и с намного меньшим объемом газа”, сказал Бэддинг.


“Уменьшенное необходимое пространство позволяет нам, впервые, создавать полупроводники на многократных, сложенных поверхностях одновременно, а не на просто единственной поверхности. Чтобы максимизировать площадь поверхности, скатанные гибкие поверхности для солнечных батарей могут использоваться в очень простом и намного более компактном реакторе. Область получающегося скатанного полупроводника, после дальнейшей размотки, может приблизиться или даже превысить квадратный километр”. Исследование финансировалось Национальным научным фондом (грант № DMR-1107894)


Источник: www.technology.org

Основы солнечной фотоэлектрической технологии | NREL

Солнечные элементы, также называемые фотоэлектрическими элементами, преобразуют солнечный свет непосредственно в электричество.

Фотоэлектрические системы (часто сокращенно PV) получили свое название от процесса преобразования
свет (фотоны) в электричество (напряжение), что называется фотоэлектрическим эффектом. Это явление было впервые использовано в 1954 году учеными Bell Laboratories, которые
создал рабочий солнечный элемент из кремния, который генерировал электрический ток
при воздействии солнечных лучей.Солнечные элементы вскоре стали использоваться для питания космических спутников.
и более мелкие предметы, такие как калькуляторы и часы. Сегодня электричество от солнечных батарей
стал конкурентоспособным по стоимости во многих регионах, и в настоящее время развертываются фотоэлектрические системы.
в больших масштабах, чтобы помочь электросети.

Кремниевые солнечные элементы

Подавляющее большинство современных солнечных элементов изготовлено из кремния и предлагает как разумные цены, так и хорошую эффективность (скорость, с которой солнечные батареи
ячейка преобразует солнечный свет в электричество).Эти ячейки обычно собираются в более крупные
модули, которые можно устанавливать на крышах жилых или коммерческих зданий
или развернуты на наземных стойках для создания огромных систем полезного действия.

Тонкопленочные солнечные элементы

Другая широко используемая фотоэлектрическая технология известна как тонкопленочные солнечные элементы, потому что они сделаны из очень тонких слоев полупроводникового материала, такого как кадмий.
теллурид меди или диселенид галлия индия.Толщина этих слоев клеток
составляет всего несколько микрометров, то есть несколько миллионных долей метра.

Тонкопленочные солнечные элементы могут быть гибкими и легкими, что делает их идеальными для портативных устройств.
приложения — например, в солдатском рюкзаке — или для использования в других продуктах, таких как окна
которые производят электричество от солнца. Некоторые типы тонкопленочных солнечных элементов также приносят пользу.
от производственных технологий, которые требуют меньше энергии и легче масштабируются
чем технологии производства кремниевых солнечных элементов.

III-V Солнечные элементы

Третий тип фотоэлектрической технологии назван в честь элементов, из которых они состоят.
Солнечные элементы III-V в основном состоят из элементов III группы, например галлия и индия, а также элементов группы III.
V — например, мышьяк и сурьма — периодической таблицы. Эти солнечные элементы обычно
намного дороже в производстве, чем другие технологии.Но они преобразуют солнечный свет
в электричество с гораздо более высокой эффективностью. Из-за этого эти солнечные элементы
часто используется на спутниках, беспилотных летательных аппаратах и ​​других приложениях, требующих
высокое соотношение мощности к весу.

Солнечные элементы нового поколения

Исследователи солнечных элементов из NREL и других организаций также разрабатывают множество новых фотоэлектрических
технологии, такие как солнечные элементы из органических материалов, квантовые точки и гибридные органо-неорганические материалы (также известные как перовскиты).Эти технологии следующего поколения могут предложить более низкие затраты,
большая простота изготовления или другие преимущества. Дальнейшие исследования покажут,
обещания могут быть реализованы.

Исследование надежности и интеграции сетей

Исследования в области фотоэлектрической энергии — это больше, чем просто создание высокоэффективных и недорогих солнечных элементов.
Домовладельцы и предприятия должны быть уверены, что устанавливаемые ими солнечные панели будут
не ухудшатся в производительности и продолжат надежно вырабатывать электроэнергию в течение многих лет.Коммунальные предприятия и государственные регулирующие органы хотят знать, как добавить солнечные фотоэлектрические системы в электрическую сеть, не дестабилизируя тщательный баланс между спросом и предложением электроэнергии.

Материаловеды, экономические аналитики, инженеры-электрики и многие другие
NREL работает над решением этих проблем и обеспечением чистой солнечной фотоэлектрической энергии.
и надежный источник энергии.


Дополнительные ресурсы

Для получения дополнительной информации о солнечной фотоэлектрической энергии посетите следующие ресурсы:

Основы солнечной фотоэлектрической технологии
U.S. Управление энергоэффективности и возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США

Energy Kids: Solar Photovoltaic
Управление энергетической информации США

Energy Saver: Использование солнечной энергии в домашних условиях
Министерство энергетики США

Фотоэлектрические исследования в NREL

Основы солнечных фотоэлектрических элементов | Министерство энергетики

Кремний

Кремний, безусловно, является наиболее распространенным полупроводниковым материалом, используемым в солнечных элементах, составляя примерно 95% модулей, продаваемых сегодня.Это также второй по распространенности материал на Земле (после кислорода) и наиболее распространенный полупроводник, используемый в компьютерных микросхемах. Кристаллические кремниевые ячейки состоят из атомов кремния, соединенных друг с другом, чтобы сформировать кристаллическую решетку. Эта решетка обеспечивает организованную структуру, которая делает преобразование света в электричество более эффективным.

Солнечные элементы, изготовленные из кремния, в настоящее время обеспечивают сочетание высокой эффективности, низкой стоимости и длительного срока службы. Ожидается, что модули прослужат 25 или более лет, и по истечении этого срока все еще будут производить более 80% своей первоначальной мощности.

Тонкопленочная фотогальваника

Тонкопленочный солнечный элемент изготавливается путем нанесения одного или нескольких тонких слоев фотоэлектрического материала на поддерживающий материал, такой как стекло, пластик или металл. Сегодня на рынке представлены два основных типа тонкопленочных фотоэлектрических полупроводников: теллурид кадмия (CdTe) и диселенид меди, индия, галлия (CIGS). Оба материала можно наносить непосредственно на переднюю или заднюю поверхность модуля.

CdTe является вторым по распространенности фотоэлектрическим материалом после кремния, и элементы CdTe могут быть изготовлены с использованием недорогих производственных процессов.Хотя это делает их рентабельной альтернативой, их эффективность по-прежнему не так высока, как у кремния. Ячейки CIGS обладают оптимальными свойствами для фотоэлектрического материала и высокой эффективностью в лаборатории, но сложность, связанная с объединением четырех элементов, делает переход от лаборатории к производству более сложным. И CdTe, и CIGS требуют большей защиты, чем кремний, чтобы обеспечить длительную работу на открытом воздухе.

Перовскитовые фотоэлектрические элементы

Перовскитные солнечные элементы представляют собой тип тонкопленочных элементов, названных в честь их характерной кристаллической структуры.Ячейки из перовскита состоят из слоев материалов, которые напечатаны, покрыты или нанесены в вакууме на нижележащий опорный слой, известный как подложка. Как правило, их легко собрать, и они могут достигать эффективности, аналогичной эффективности кристаллического кремния. В лаборатории эффективность перовскитных фотоэлементов повышается быстрее, чем у любого другого фотоэлектрического материала, с 3% в 2009 году до более 25% в 2020 году. Чтобы быть коммерчески жизнеспособными, перовскитные фотоэлементы должны стать достаточно стабильными, чтобы выдержать 20 лет работы на открытом воздухе, поэтому исследователи работают над тем, чтобы сделать их более долговечными и разрабатывают крупномасштабные и недорогие технологии производства.

Organic Photovoltaics

Органические фотоэлектрические элементы, или OPV, состоят из богатых углеродом (органических) соединений и могут быть адаптированы для улучшения определенных функций фотоэлектрических элементов, таких как ширина запрещенной зоны, прозрачность или цвет. Элементы OPV в настоящее время примерно вдвое менее эффективны, чем элементы из кристаллического кремния, и имеют более короткий срок службы, но могут быть дешевле в производстве в больших объемах. Их также можно наносить на различные вспомогательные материалы, такие как гибкий пластик, благодаря чему ОПВ может использоваться в самых разных целях.PV

5 самых захватывающих новых технологий солнечных панелей в 2021 году

2021 новая солнечная технология — куда мы движемся?

Когда большинство людей слышат слово «солнечная энергия», они сразу же думают о хороших «старых» солнечных батареях на крышах домов или на солнечных фермах в пустыне. И на то есть веская причина: до этого момента на рынке солнечной энергии преобладали традиционные солнечные панели для коммунальных предприятий и крышных домов.

Но сейчас есть несколько захватывающих новых технологий солнечных панелей, которые находятся на стадии разработки или уже представлены на рынке.Эти многообещающие технологии революционизируют наши представления не только о солнечной энергии, но и о производстве энергии в целом. Солнечная энергия больше не требует больших участков земли или крыши, и при этом она не должна выглядеть скучной. Читай дальше, чтобы узнать больше.

№ 1 Плавучие солнечные электростанции (также известные как «плавучая электрическая энергия»)

Кремниевые панели с каждым днем ​​становятся дешевле и эффективнее. По мнению экспертов, если фотоэлектрические панели размещаются на резервуарах и других водоемах, они предлагают еще большую эффективность, а также множество других преимуществ.

«Флотовольтаика» — фотоэлектрические солнечные энергетические системы, созданные для плавания на водохранилищах, плотинах и других водоемах.

Плавучие солнечные фермы могут вырабатывать огромное количество электроэнергии без использования ценных земель или недвижимости. Стоимость установки плавающих фотоэлектрических панелей меньше, чем у наземных фотоэлектрических панелей. Кроме того, исследования показали, что производство энергии плавающими солнечными панелями выше на 10% из-за охлаждающего эффекта воды.

Помимо производства чистой солнечной энергии, плавучие солнечные фермы могут помочь в управлении водными ресурсами. Они уменьшают потери воды на испарение, поскольку ограничивают циркуляцию воздуха и блокируют попадание солнечного света на поверхность воды. Кроме того, плавучие солнечные фермы предотвращают образование вредных водорослей, снижая затраты на очистку воды. Кроме того, вода под ним сохраняет солнечные панели в чистоте и сводит к минимуму потери энергии.

В 2008 году первая коммерческая система плавающих панелей мощностью 175 кВтч была установлена ​​в Калифорнии на винодельне Far Niente в долине Напа.

Рассчитайте, сколько будут стоить солнечные панели для вашего дома, исходя из вашего местоположения и последнего счета за электроэнергию.

# 2 BIPV солнечная техника

Интегрированные в здание фотоэлектрические элементы, как следует из названия, органично вписываются в архитектуру здания в виде крыш, навесов, навесных стен, фасадов и систем световых люков. В отличие от традиционных солнечных фотоэлектрических панелей, BIPV может быть эстетически привлекательным, а не компромиссом для дизайна здания.

Конечно, покупателям солнечной энергии одной эстетики недостаточно; экономика тоже имеет значение.Хорошая новость заключается в том, что системы солнечных панелей BIPV позволяют домовладельцам экономить на строительных материалах и затратах на электроэнергию. Заменив стандартные строительные материалы BIPV, вы можете сократить дополнительные расходы на монтажные системы солнечных панелей.

Технология

BIPV при использовании на фасадах здания, атриумах, перекрытиях террас и навесах дает следующие преимущества:

  • Повышенная энергоэффективность
  • Высокая тепло- и звукоизоляция
  • Чистая и свободная мощность от солнца
  • Снижение затрат на эксплуатацию и техническое обслуживание
  • Отсутствие углеродного следа

Фотоэлектрические фотоэлектрические стекла, установленные в качестве строительных материалов, действуют как устройство, генерирующее энергию, обеспечивая естественный свет внутри домов и офисов, как и обычные архитектурные стекла.

# 3 Солнечные скины

Солнечные панели — это новая фотоэлектрическая технология, позволяющая интегрировать нестандартные конструкции в системы солнечных панелей. Технология солнечной кожи похожа на рекламную пленку на окнах автобусов.

Сравнение стандартной солнечной панели (L) и солнечных панелей сверху (R). Кредиты изображений: Новости Массачусетского технологического института (MIT)

Sistine, производитель солнечных панелей, тестирует технологию в Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии США, чтобы повысить ее эффективность.Солнечные тонкопленочные покрытия обладают высокой эффективностью благодаря усовершенствованиям в области селективной фильтрации света. Солнечный свет, падающий на солнечную кожу, фильтруется, чтобы достичь солнечных элементов под ним. В результате он одновременно отображает настраиваемое изображение и обеспечивает солнечную энергию.

Эти отпечатанные на заказ изображения, встроенные в солнечные панели, могут точно соответствовать вашим травянистым лужайкам или крышам ваших домов.

Солнечные панели для кожи также могут быть полезны для предприятий или государственных учреждений. Их можно настроить для отображения бизнес-логотипов, бизнес-рекламы, флага страны и т. Д.

Кроме того, в солнечных панелях используются стеллажи без рельсов, они сидят ниже, имеют гладкую поверхность и скрывают металлические компоненты, придавая панелям супер крутой вид. Если эстетика панели мешает вам перейти на солнечную батарею, Sistine SolarSkins может быть тем решением, которое вы ищете.

Сколько денег солнечные панели могут сэкономить вам ежегодно?

В дополнение к этим преимуществам, Sistine Solar позволяет вам контролировать производительность вашей системы 24/7 с вашего телефона. Он также предоставляет вам предупреждения в случае каких-либо проблем или отключений солнечной энергии и предписывает правильные средства правовой защиты в нужное время.

Однако обратная сторона солнечных панелей — это их стоимость, которая примерно на 10% выше стоимости традиционных панелей.

# 4 Солнечная ткань

Солнечное излучение доступно по всей планете, так почему бы не генерировать собственную энергию там, где это необходимо? Представьте себе, что вы можете не только производить солнечную энергию в фиксированном месте, но и в пути, используя собственную одежду.

Исследователи разрабатывают солнечные ткани с целью включения солнечной энергии в каждое волокно.Эти солнечные нити можно встроить в ваши футболки, зимние куртки или любую другую одежду, чтобы помочь вам согреться, зарядить телефон и обеспечить энергией другие нужды, пока вы в пути.

Есть несколько областей, где исследователи пытались объединить солнечную ткань и солнечные панели, в том числе:

  • Фасады зданий, обеспечивающие одновременно тень и энергию
  • Навесы, которые освещают уличные фонари, и
  • Завесы, исключающие потребление энергии из сети

Одежда для дома, изготовленная на солнечных батареях, поможет вам сэкономить на установке и установке солнечных панелей.

Компании-производители солнечных батарей также работают над проектом армии США по созданию роботизированных палаток на солнечных батареях. Поскольку стоимость солнечной энергии постоянно снижается, вряд ли можно представить будущее, в котором почти все будет работать за счет бесплатной солнечной энергии, солнца.

# 5 Фотоэлектрические барьеры от солнечного шума (PVNB)

Шум от дорожного движения в США всегда беспокоил всех. Чтобы решить эту проблему, 48 штатов построили около 3000 миль барьеров от шума дорожного движения.Шумовые барьеры всегда создавались с единственной целью — разработать рентабельные барьеры, которые эффективно выполняют функции снижения шума. Тем не менее, цель Министерства энергетики США в настоящее время заключается в объединении снижения шума с устойчивым производством электроэнергии.

Учитывая широкое использование шумозащитных экранов в США, потенциал производства солнечной энергии из них, вероятно, составит около 400 гигаватт-часов (ГВт-ч) в год. Это примерно соответствует годовому потреблению электроэнергии 37 000 домов.

Солнечное будущее выглядит ярким

Солнечная энергия раньше вырабатывалась только с помощью наземных или крышных панелей. Но благодаря всем упомянутым выше достижениям солнечная энергия станет легче, гибче и применима повсюду.

Представьте, что все эти технологии доступны, и вы посещаете другой город. Вы можете купить еду в тележке для еды, работающей на солнечной энергии, съесть ее, путешествуя по шоссе, работающему на солнечной энергии, и зарядить свой телефон от одежды на солнечной энергии.Так выглядит ближайшее будущее!

И на самом деле существует множество других инновационных солнечных технологий для жилых домов, которые разрабатываются или внедряются в 2021 году. Возможно, наиболее многообещающей новой технологией являются перовскитные солнечные элементы, которые вскоре можно будет использовать для создания солнечной краски.

Следите за нашим блогом, чтобы быть в курсе последних событий в области солнечной энергии.

Рассчитайте срок окупаемости солнечной энергии для вашего дома

Технологии фотоэлектрических солнечных элементов: анализ современного состояния

  • 1.

    Шокли, В. и Кайссер, Х. Дж. Подробный предел баланса эффективности солнечных элементов с p – n-переходом. J. Appl. Phys. 32 , 510–519 (1961).

    CAS
    Статья

    Google Scholar

  • 2.

    Наяк, П. К., Бискерт, Дж. И Кахен, Д. Оценка возможностей и ограничений для солнечных батарей. Adv. Матер. 23 , 2870–2876 (2011). Это исследование вводит эксплуатационные потери как параметр для сравнения и анализа технологий солнечных элементов .

    CAS
    Статья

    Google Scholar

  • 3.

    Наяк, П. К. и Кахен, Д. Обновленная оценка возможностей и ограничений для солнечных элементов. Adv. Матер. 26 , 1622–1628 (2014).

    CAS
    Статья

    Google Scholar

  • 4.

    Рау, У., Бланк, Б., Мюллер, Т. К. М. и Кирхартц, Т. Потенциал эффективности фотоэлектрических материалов и устройств, выявленный с помощью детального анализа баланса.Phys. Rev. Appl. 7 , 044016 (2017). Это исследование представляет концепцию определения фотоэлектрического зазора солнечного элемента с помощью EQE элемента .

    Артикул

    Google Scholar

  • 5.

    Wang, Y. et al. Оптические промежутки органических солнечных элементов как эталон для сравнения потерь напряжения. Adv. Energy Mater. 8 , 1801352 (2018).

    Артикул

    Google Scholar

  • 6.

    Маркварт Т. Термодинамика оптических свойств. J. Opt. А 10 , 015008 (2008).

    Артикул

    Google Scholar

  • 7.

    Херст, Л. К. и Экинс-Даукс, Н. Дж. Фундаментальные потери в солнечных элементах. Прог. Фотовольт. 19 , 286–293 (2011). В данной статье представлены аналитические выражения для фундаментальных потерь в солнечных элементах .

    Артикул

    Google Scholar

  • 8.

    Миллер О. Д., Яблонович Э. и Курц С. Р. Сильная внутренняя и внешняя люминесценция при приближении солнечных элементов к пределу Шокли – Кейсера. IEEE J. Photovolt. 2 , 303–311 (2012).

    Артикул

    Google Scholar

  • 9.

    Рау У. Связь взаимности между фотоэлектрической квантовой эффективностью и электролюминесцентным излучением солнечных элементов. Phys. Ред. B 76 , 085303 (2007).

    Артикул

    Google Scholar

  • 10.

    Green, M.A. et al. Таблицы эффективности солнечных элементов (версия 53). Прог. Фотовольт. 27 , 3–12 (2019). В этой статье представлены параметры солнечных элементов для современных элементов .

    Артикул

    Google Scholar

  • 11.

    Шнитцер И., Яблонович Э., Кано К. и Гмиттер Т. Дж. Сверхвысокая квантовая эффективность спонтанного излучения, 99,7% внутри и 72% снаружи, из двойных гетероструктур AlGaAs / GaAs / AlGaAs.Прил. Phys. Lett. 62 , 131–133 (1993).

    CAS
    Статья

    Google Scholar

  • 12.

    Грин М.А. Излучательная эффективность современных фотоэлектрических элементов. Прог. Фотовольт. 20 , 472–476 (2012).

    CAS
    Статья

    Google Scholar

  • 13.

    Sheng, X. et al. Архитектура устройств для улучшенной рециркуляции фотонов в тонкопленочных многопереходных солнечных элементах.Adv. Energy Mater. 5 , 1400919 (2015).

    Артикул

    Google Scholar

  • 14.

    Гейс, Дж. Ф., Штайнер, М. А., Гарсия, И., Курц, С. Р. и Фридман, Д. Дж. Повышенная эффективность внешнего излучения для однопереходных солнечных элементов GaInP с эффективностью 20,8%. Прил. Phys. Lett. 103 , 041118 (2013).

    Артикул

    Google Scholar

  • 15.

    Штайнер, М.A. et al. Упорядочение CuPt в сплавах Ga x In с высокой запрещенной зоной, 1-x P на релаксированных ступенчатых марках GaAsP. J. Appl. Phys. 106 , 063525 (2009).

    Артикул

    Google Scholar

  • 16.

    Green, M. A. et al. Таблицы эффективности солнечных элементов (версия 49). Прог. Фотовольт. 25 , 3–13 (2017).

    Артикул

    Google Scholar

  • 17.

    Ванласс, М.Системы и методы для современных ультравысокопроизводительных солнечных элементов InP. Патент США US95

    B2 (2014).

  • 18.

    Грин, М. А., Эмери, К., Хисикава, Ю., Варта, В. и Данлоп, Е. Д. Таблицы эффективности солнечных элементов (версия 42). Прог. Фотовольт. 21 , 827–837 (2013).

    Артикул

    Google Scholar

  • 19.

    Yoshikawa, K. et al. Кремниевый солнечный элемент на гетеропереходе с встречно-штыревыми тыловыми контактами для эффективности фотопреобразования более 26%.Nat. Энергетика 2 , 17032 (2017). В данном исследовании представлен эффективный (PCE = 26,6%) c-Si солнечный элемент с архитектурой IBC – SHJ .

    CAS
    Статья

    Google Scholar

  • 20.

    Грин М.А. и др. Таблицы эффективности солнечных элементов (версия 52). Прог. Фотовольт. 26 , 427–436 (2018).

    Артикул

    Google Scholar

  • 21.

    Тагучи, М.и другие. Солнечный элемент HIT на тонкой кремниевой пластине с рекордной эффективностью 24,7%. IEEE J. Photovolt. 4 , 96–99 (2014).

    Артикул

    Google Scholar

  • 22.

    Рихтер А., Хермл М. и Глунц С. В. Переоценка предельной эффективности солнечных элементов из кристаллического кремния. IEEE J. Photovolt. 3 , 1184–1191 (2013).

    Артикул

    Google Scholar

  • 23.

    Трупке Т., Чжао Дж., Ван А., Коркиш Р. и Грин М. А. Очень эффективное излучение света объемным кристаллическим кремнием. Прил. Phys. Lett. 82 , 2996–44107 (2003).

    CAS
    Статья

    Google Scholar

  • 24.

    Yang, Y. M. et al. Разработка высокоэффективного мультикристаллического кремния для фотоэлектрической промышленности. Прог. Фотовольт. 23 , 340–351 (2015).

    CAS
    Статья

    Google Scholar

  • 25.

    Macdonald, D. & Geerligs, L.J. Рекомбинационная активность межузельного железа и точечных дефектов других переходных металлов в кристаллическом кремнии p- и n-типа. Прил. Phys. Lett. 85 , 4061–4063 (2004).

    CAS
    Статья

    Google Scholar

  • 26.

    Benick, J. et al. Высокоэффективные кремниевые солнечные элементы HP mc n-типа. IEEE J. Photovolt. 7 , 1171–1175 (2017).

    Артикул

    Google Scholar

  • 27.

    Кирилэ А. и др. Модификация поверхности под действием калия тонких пленок Cu (In, Ga) Se 2 для высокоэффективных солнечных элементов. Nat. Матер. 12 , 1107–1111 (2013).

    Артикул

    Google Scholar

  • 28.

    Чантана, Дж., Като, Т., Сугимото, Х. и Минемото, Т. Тонкопленочный Cu (In, Ga) (Se, S) 2 Солнечный элемент на основе с (Cd, Zn) S буферный слой и Zn 1 − x Mg x O оконный слой. Прог. Фотовольт. 25 , 431–440 (2017).

    CAS
    Статья

    Google Scholar

  • 29.

    Kato, T., Wu, J.-L., Hirai, Y., Sugimoto, H. & Bermudez, V. Рекордная эффективность для тонкопленочных поликристаллических солнечных элементов до 22,9%, достигнутая с помощью Cs- обработанная Cu (In, Ga) (Se, S) 2 . IEEE J. Photovolt. 9 , 325–330 (2018).

    Артикул

    Google Scholar

  • 30.

    Общество электронных устройств IEEE.Информационный бюллетень IEEE Electron Devices Society: основные моменты конференции IEEE Photovoltaic Specialists 2017. IEEE https://eds.ieee.org/images/files/newsletters/newsletter_oct17.pdf (2017).

  • 31.

    Poplawsky, J. D. et al. Структурная и композиционная зависимость фотоактивности слоя сплава CdTe x Se 1 − x в солнечных элементах на основе CdTe. Nat. Commun. 7 , 12537 (2016).

    CAS
    Статья

    Google Scholar

  • 32.

    Паудель, Н. Р., Поплавски, Дж. Д., Мур, К. Л. и Ян, Ю. Текущее усовершенствование солнечных элементов на основе CdTe. IEEE J. Photovolt. 5 , 1492–1496 (2015).

    Артикул

    Google Scholar

  • 33.

    Zhao, Y. et al. Монокристаллические солнечные элементы из CdTe с напряжением холостого хода более 1 В и КПД 17%. Nat. Энергетика 1 , 16067 (2016).

    CAS
    Статья

    Google Scholar

  • 34.

    Gloeckler, M., Sankin, I. & Zhao, Z. Солнечные элементы с CdTe на пороге до 20% эффективности. IEEE J. Photovolt. 3 , 1389–1393 (2013).

    Артикул

    Google Scholar

  • 35.

    Локанк, М., Эггерт, Р. и Редлингер, М. Доступность индия: в настоящее время, в среднесрочной и долгосрочной перспективе. NREL https://www.nrel.gov/docs/fy16osti/62409.pdf (2015).

  • 36.

    Гокмен Т., Гунаван О., Тодоров Т.К. и Митци, Д. Б. Остаточная полоса и ограничение эффективности в солнечных элементах с кестеритом. Прил. Phys. Lett. 103 , 103506 (2013).

    Артикул

    Google Scholar

  • 37.

    Ng, T. M. et al. Оптоэлектронные и спектральные характеристики монокристаллов Cu 2 ZnSnS 4 , выращенных методом переноса пара. J. Mater. Chem. А 5 , 1192–1200 (2017).

    CAS
    Статья

    Google Scholar

  • 38.

    Yan, C. et al. Эффективность сульфидного кестерита выше 11% Cu 2 Zn x Cd 1 − x SnS 4 Солнечный элемент: эффекты легирования кадмия. ACS Energy Lett. 2 , 930–936 (2017).

    CAS
    Статья

    Google Scholar

  • 39.

    Kronik, L., Cahen, D. & Schock, H. W. Влияние натрия на поликристаллический Cu (In, Ga) Se 2 и его характеристики солнечного элемента. Adv. Матер. 10 , 31–36 (1998).

    CAS
    Статья

    Google Scholar

  • 40.

    Наяк, П. К., Гарсиа-Бельмонте, Г., Кан, А., Бискерт, Дж. И Кахен, Д. Пределы эффективности фотоэлектрических систем и материальный беспорядок. Energy Environ. Sci. 5 , 6022 (2012).

    CAS
    Статья

    Google Scholar

  • 41.

    Ким, С., Парк, Дж. С. и Уолш, А. Идентификация дефектов-убийц в тонкопленочных солнечных элементах из кестерита.ACS Energy Lett. 3 , 496–500 (2018).

    CAS
    Статья

    Google Scholar

  • 42.

    Снайт, Х. Дж. Текущее состояние и будущие перспективы перовскитной фотоэлектрической энергии. Nat. Матер. 17 , 372–376 (2018). Это недавний обзор галогенидных перовскитных материалов для оптоэлектронных приложений .

    CAS
    Статья

    Google Scholar

  • 43.

    Stranks, S.D. et al. Длины диффузии электронных дырок более 1 микрометра в металлоорганическом тригалогенидном перовскитном поглотителе. Наука 342 , 341–344 (2013).

    CAS
    Статья

    Google Scholar

  • 44.

    Edri, E. et al. Выяснение разделения носителей заряда и рабочего механизма CH 3 NH 3 PbI 3 − x Cl x перовскитных солнечных элементов. Nat. Commun. 5 , 3461 (2014).

    Артикул

    Google Scholar

  • 45.

    Ceratti, D. R. et al. Самовосстановление внутри APbBr 3 кристаллов галогенидного перовскита. Adv. Матер. 30 , 1706273 (2018).

    Артикул

    Google Scholar

  • 46.

    Брандт, Р. Э., Стеванович, В., Гинли, Д. С. и Буонассизи, Т. Идентификация дефектоустойчивых полупроводников с высоким временем жизни неосновных носителей заряда: помимо гибридных перовскитов галогенида свинца.MRS Commun. 5 , 265–275 (2015).

    CAS
    Статья

    Google Scholar

  • 47.

    Закутаев А. и др. Устойчивые к дефектам полупроводники для преобразования солнечной энергии. J. Phys. Chem. Lett. 5 , 1117–1125 (2014).

    CAS
    Статья

    Google Scholar

  • 48.

    De Wolf, S. et al. Металлоорганические галогенидные перовскиты: острый край оптического поглощения и его связь с фотоэлектрическими характеристиками.J. Phys. Chem. Lett. 5 , 1035–1039 (2014).

    Артикул

    Google Scholar

  • 49.

    Sutter-Fella, C.M. et al. Хвосты полос и глубокие дефекты в CH 3 NH 3 Pb (I 1 − x Br x ) 3 перовскитов, выявленных с помощью субзонного фототока. ACS Energy Lett. 2 , 709–715 (2017).

    CAS
    Статья

    Google Scholar

  • 50.

    Braly, I. L. et al. Пленки гибридного перовскита, приближающиеся к пределу излучения, с квантовой эффективностью фотолюминесценции более 90%. Nat. Фотоника 12 , 355–361 (2018).

    CAS
    Статья

    Google Scholar

  • 51.

    Tiedje, T. Предел рекомбинации хвоста полосы для выходного напряжения солнечных элементов из аморфного кремния. Прил. Phys. Lett. 40 , 627–629 (1982). Эта статья демонстрирует влияние хвостовых состояний на эффективность солнечных элементов .

    CAS
    Статья

    Google Scholar

  • 52.

    Liu, M. et al. Гибридные органические и неорганические чернила выравнивают энергетический ландшафт в твердых телах с коллоидными квантовыми точками. Nat. Матер. 16 , 258–263 (2017).

    CAS
    Статья

    Google Scholar

  • 53.

    Swarnkar, A. et al. Индуцированная квантовыми точками фазовая стабилизация перовскита α-CsPbI 3 для высокоэффективной фотовольтаики.Наука 354 , 92–95 (2016).

    CAS
    Статья

    Google Scholar

  • 54.

    Sanehira, E. M. et al. Повышенная мобильность CsPbI 3 массивов квантовых точек для высоковольтных фотоэлектрических элементов с рекордной эффективностью. Sci. Adv. 3 , eaao4204 (2017).

    Артикул

    Google Scholar

  • 55.

    Mori, S. et al. Разработка органических фотоэлектрических модулей с инвертированной структурой устройства.Матер. Res. Soc. Symp. Proc. 1737 , 26–31 (2015).

    Артикул

    Google Scholar

  • 56.

    Yan, C. et al. Акцепторы нефуллеренов для органических солнечных элементов. Nat. Rev. Mater. 3 , 18003 (2018).

    CAS
    Статья

    Google Scholar

  • 57.

    Маркус, Р. А. Реакции переноса электрона в химии. Теория и эксперимент. Ред. Мод. Phys. 65 , 599–610 (1993).

    CAS
    Статья

    Google Scholar

  • 58.

    Benduhn, J. et al. Собственные безызлучательные потери напряжения в органических солнечных элементах на основе фуллеренов. Nat. Энергетика 2 , 17053 (2017).

    CAS
    Статья

    Google Scholar

  • 59.

    Nayak, P. K. et al. Влияние структурного порядка на параметры солнечного элемента, как показано на модели перехода SiC-органика.Energy Environ. Sci. 6 , 3272 (2013).

    CAS
    Статья

    Google Scholar

  • 60.

    Qian, D. et al. Правила проектирования для минимизации потерь напряжения в высокоэффективных органических солнечных элементах. Nat. Матер. 17 , 703–709 (2018).

    CAS
    Статья

    Google Scholar

  • 61.

    Чен, К. и Бредас, Дж. Л. Потери напряжения в органических солнечных элементах: понимание вклада внутримолекулярных колебаний в безызлучательные рекомбинации.Adv. Energy Mater. 8 , 1702227 (2018).

    Артикул

    Google Scholar

  • 62.

    Jean, J. et al. Предел эффективности излучения с хвостовой частью полосы превышает 30% для солнечных элементов с квантовыми точками. ACS Energy Lett. 2 , 2616–2624 (2017).

    CAS
    Статья

    Google Scholar

  • 63.

    Venkateshvaran, D. et al. Приближение беспорядочного транспорта в высокоподвижных сопряженных полимерах.Природа 515 , 384–388 (2014).

    CAS
    Статья

    Google Scholar

  • 64.

    Грин М.А. Точность аналитических выражений для коэффициентов заполнения солнечных элементов. Солнечные элементы 7 , 337–340 (1982).

    CAS
    Статья

    Google Scholar

  • 65.

    Oxford PV. Перовскитный солнечный элемент Oxford PV обеспечивает эффективность 28%. Oxford PV https: //www.oxfordpv.ru / news / oxford-pv-perovskite-solar-cell-desire-28-КПД (2018).

  • 66.

    Хаксел Г. Б., Хедрик Дж. Б. и Оррис Г. Дж. Редкоземельные элементы: важнейшие ресурсы для высоких технологий: информационный бюллетень Геологической службы США 087–02. USGS https://pubs.usgs.gov/fs/2002/fs087-02/ (обновлено 17 мая 2005 г.).

  • 67.

    Chuangchote, S. et al. Обзор состояния окружающей среды, здоровья и безопасности фотоэлектрических установок CdTe на протяжении всего их жизненного цикла. Первый солнечный http: // www.firstsolar.com/-/media/First-Solar/Sustainability-Documents/Sustainability-Peer-Reviews/Thai-EHS-Peer-Review_EN.ashx (2012).

  • 68.

    CHEOPS. Первые результаты относительно воздействия на окружающую среду тандемных фотоэлектрических модулей перовскит / кремний. CHEOPS https://www.cheops-project.eu/news-in-brief/first-results-regarding-the-environmental-impact-of-perovskitesilicon-tandem-pv-modules (2017).

  • 69.

    Meng, L. et al. Органические и обработанные на растворе тандемные солнечные элементы с 17.КПД 3%. Наука 361 , eaat2612 (2018).

    Артикул

    Google Scholar

  • 70.

    Экинс-Даукс, Н. Дж. И Херст, Л. К. на 24-й Европейской конференции по фотоэлектрической солнечной энергии. 457–461 (WIP-Мюнхен, 2009 г.).

  • 71.

    Грин, М. А., Эмери, К., Хисикава, Ю., Варта, В. и Данлоп, Е. Д. Таблицы эффективности солнечных элементов (версия 40). Прог. Фотовольт. 20 , 606–614 (2012).

    Артикул

    Google Scholar

  • 72.

    Грин, М. А., Эмери, К., Хисикава, Ю., Варта, В., Данлоп, Е. Д. Таблицы эффективности солнечных элементов (версия 47). Прог. Фотовольт. 24 , 3–11 (2016).

    Артикул

    Google Scholar

  • 73.

    Адачи, Д., Эрнандес, Дж. Л. и Ямамото, К. Влияние рекомбинации носителей на коэффициент заполнения для солнечного элемента из кристаллического кремния с гетеропереходом большой площади с эффективностью 25,1%. Прил. Phys. Lett. 107 , 233506 (2015).

    Артикул

    Google Scholar

  • 74.

    Green, M. A. et al. Таблицы эффективности солнечных элементов (версия 50). Прог. Фотовольт. 25 , 668–676 (2017).

    Артикул

    Google Scholar

  • 75.

    Кодзима А., Тешима К., Шираи Ю. и Миясака Т. Металлоорганические перовскиты в качестве сенсибилизаторов видимого света для фотоэлектрических элементов. Варенье. Chem. Soc. 131 , 6050–6051 (2009).

    CAS
    Статья

    Google Scholar

  • 76.

    Kim, H.-S. и другие. Твердотельный субмикронный тонкопленочный мезоскопический солнечный элемент, сенсибилизированный перовскитом иодидом свинца, с эффективностью более 9%. Sci. Отчет 2 , 591 (2012).

    Артикул

    Google Scholar

  • 77.

    Ли М. М., Тушер Дж., Миясака Т., Мураками Т. Н. и Снайт Х. Дж. Эффективные гибридные солнечные элементы на основе мезо-надстройки металлоорганических галогенидных перовскитов.Наука 338 , 643–647 (2012).

    CAS
    Статья

    Google Scholar

  • 78.

    Gong, W. et al. Влияние энергетического беспорядка на излучение электролюминесценции в полимерно-фуллереновых солнечных элементах. Phys. Ред. B 86 , 024201 (2012).

    Артикул

    Google Scholar

  • 79.

    Liu, J. et al. Быстрое разделение заряда в нефуллереновом органическом солнечном элементе с небольшой движущей силой.Nat. Энергетика 1 , 16089 (2016).

    CAS
    Статья

    Google Scholar

  • 80.

    Грин, М. А., Эмери, К., Хисикава, Ю., Варта, В. и Данлоп, Е. Д. Таблицы эффективности солнечных элементов (версия 44). Прог. Фотовольт. 22 , 701–710 (2014).

    Артикул

    Google Scholar

  • 81.

    Green, M. A. et al. Таблицы эффективности солнечных элементов (версия 51). Прог.Фотовольт. 26 , 3–12 (2018).

    Артикул

    Google Scholar

  • 82.

    Грин, М. А., Эмери, К., Хисикава, Ю., Варта, В. и Данлоп, Е. Д. Таблицы эффективности солнечных элементов (версия 45). Прог. Фотовольт. 23 , 1–9 (2015).

    Артикул

    Google Scholar

  • солнечная батарея | Определение, принцип работы и развитие

    Солнечный элемент, также называемый фотоэлектрическим элементом, любое устройство, которое напрямую преобразует энергию света в электрическую посредством фотоэлектрического эффекта.Подавляющее большинство солнечных элементов изготавливается из кремния — с повышением эффективности и снижением стоимости, поскольку материалы варьируются от аморфных (некристаллических) до поликристаллических и кристаллических (монокристаллических) форм кремния. В отличие от батарей или топливных элементов, в солнечных элементах не используются химические реакции и не требуется топливо для производства электроэнергии, и, в отличие от электрических генераторов, они не имеют движущихся частей.

    Схема структуры солнечного элемента

    Обычно используемая структура солнечного элемента.Во многих таких ячейках абсорбирующий слой и задний переходный слой изготовлены из одного и того же материала.

    Encyclopædia Britannica, Inc.

    Солнечные элементы можно объединять в большие группы, называемые массивами. Эти массивы, состоящие из многих тысяч отдельных ячеек, могут функционировать как центральные электростанции, преобразовывая солнечный свет в электрическую энергию для распределения между промышленными, коммерческими и бытовыми пользователями. Солнечные элементы в гораздо меньшей конфигурации, обычно называемые панелями солнечных батарей или просто солнечными панелями, были установлены домовладельцами на своих крышах, чтобы заменить или увеличить их обычное электроснабжение.Панели солнечных батарей также используются для выработки электроэнергии во многих удаленных земных точках, где обычные источники электроэнергии либо недоступны, либо чрезмерно дороги в установке. Поскольку у них нет движущихся частей, которые могли бы нуждаться в обслуживании, или топлива, которое потребовало бы пополнения, солнечные элементы обеспечивают питание для большинства космических установок, от спутников связи и метеорологических спутников до космических станций. (Однако солнечной энергии недостаточно для космических зондов, отправляемых к внешним планетам Солнечной системы или в межзвездное пространство, из-за распространения лучистой энергии по мере удаления от Солнца.) Солнечные элементы также используются в потребительских товарах, таких как электронные игрушки, карманные калькуляторы и портативные радиоприемники. Солнечные элементы, используемые в устройствах такого типа, могут использовать искусственный свет (например, от ламп накаливания и люминесцентных ламп), а также солнечный свет.

    Международная космическая станция

    Международная космическая станция (МКС) была построена секциями, начиная с 1998 года. К декабрю 2000 года основные элементы частично завершенной станции включали построенный американцами соединительный узел Unity и два российских объекта — электростанцию ​​«Заря». модуль, Звезда — начальные жилые помещения.Российский космический корабль, на борту которого находился первый экипаж из трех человек, пришвартован в конце «Звезды». Фотография сделана с космического корабля «Индевор».

    Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства

    Изучите способы сделать солнечные элементы более эффективными, действенными и доступными

    Узнайте об усилиях по повышению эффективности солнечных элементов.

    Contunico © ZDF Enterprises GmbH, Майнц См. Все видео к этой статье

    Хотя общее производство фотоэлектрической энергии незначительно, оно, вероятно, будет увеличиваться по мере сокращения ресурсов ископаемого топлива.Фактически, расчеты, основанные на прогнозируемом мировом потреблении энергии к 2030 году, показывают, что глобальные потребности в энергии будут удовлетворяться за счет солнечных панелей, работающих с 20-процентной эффективностью и покрывающих лишь около 496 805 квадратных километров (191 817 квадратных миль) поверхности Земли. Потребности в материалах будут огромными, но выполнимыми, поскольку кремний является вторым по распространенности элементом в земной коре. Эти факторы побудили сторонников солнечной энергии предвидеть будущую «солнечную экономику», в которой практически все потребности человечества в энергии будут удовлетворяться за счет дешевого, чистого, возобновляемого солнечного света.

    Структура и работа солнечных элементов

    Солнечные элементы, независимо от того, используются ли они в центральной электростанции, спутнике или калькуляторе, имеют одинаковую базовую структуру. Свет проникает в устройство через оптическое покрытие или антиотражающий слой, который сводит к минимуму потери света на отражение; он эффективно улавливает свет, падающий на солнечный элемент, способствуя его передаче нижним слоям преобразования энергии. Антиотражающий слой обычно представляет собой оксид кремния, тантала или титана, который образуется на поверхности ячейки методом центрифугирования или вакуумного осаждения.

    солнечная энергия; солнечная батарея

    Солнечная энергетическая установка производит мегаватты электроэнергии. Напряжение генерируется солнечными элементами, изготовленными из специально обработанных полупроводниковых материалов, таких как кремний.

    Предоставлено Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии
    Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.
    Подпишитесь сейчас

    Три слоя преобразования энергии ниже антиотражающего слоя — это верхний переходной слой, абсорбирующий слой, составляющий сердцевину устройства, и задний переходный слой.Два дополнительных электрических контактных слоя необходимы для отвода электрического тока к внешней нагрузке и обратно в элемент, замыкая электрическую цепь. Слой электрического контакта на поверхности ячейки, куда проникает свет, обычно присутствует в виде некоторой сетки и состоит из хорошего проводника, такого как металл. Поскольку металл блокирует свет, линии сетки должны быть настолько тонкими и широко разнесенными, насколько это возможно, без ухудшения сбора тока, производимого элементом. Задний электрический контактный слой не имеет таких диаметрально противоположных ограничений.Он должен просто функционировать как электрический контакт и, таким образом, покрывать всю заднюю поверхность ячеистой структуры. Поскольку задний слой также должен быть очень хорошим проводником электричества, он всегда делается из металла.

    Поскольку большая часть энергии солнечного света и искусственного света находится в видимом диапазоне электромагнитного излучения, поглотитель солнечных элементов должен эффективно поглощать излучение на этих длинах волн. Материалы, которые сильно поглощают видимое излучение, относятся к классу веществ, известных как полупроводники.Полупроводники толщиной около одной сотой сантиметра или меньше могут поглощать весь падающий видимый свет; Поскольку переходные и контактные слои намного тоньше, толщина солнечного элемента по существу равна толщине поглотителя. Примеры полупроводниковых материалов, используемых в солнечных элементах, включают кремний, арсенид галлия, фосфид индия и селенид индия меди.

    Когда свет падает на солнечный элемент, электроны в слое поглотителя возбуждаются из «основного состояния» с более низкой энергией, в котором они связаны с конкретными атомами в твердом теле, в более высокое «возбужденное состояние», в котором они может двигаться сквозь твердое тело.В отсутствие слоев, образующих переход, эти «свободные» электроны находятся в беспорядочном движении, и поэтому не может быть ориентированного постоянного тока. Однако добавление слоев, образующих переход, индуцирует встроенное электрическое поле, которое создает фотоэлектрический эффект. Фактически, электрическое поле обеспечивает коллективное движение электронам, которые проходят через слои электрического контакта во внешнюю цепь, где они могут выполнять полезную работу.

    Материалы, используемые для двух слоев, образующих переход, должны отличаться от поглотителя, чтобы создавать встроенное электрическое поле и пропускать электрический ток.Следовательно, это могут быть разные полупроводники (или один и тот же полупроводник с разными типами проводимости), или они могут быть металлом и полупроводником. Материалы, используемые для создания различных слоев солнечных элементов, по существу те же, что и материалы, используемые для производства диодов и транзисторов твердотельной электроники и микроэлектроники (см. Также Электроника: Оптоэлектроника). Солнечные элементы и микроэлектронные устройства используют одну и ту же базовую технологию. Однако при изготовлении солнечных элементов стремятся создать устройство большой площади, поскольку вырабатываемая мощность пропорциональна освещаемой площади.В микроэлектронике цель, конечно, состоит в создании электронных компонентов все меньших размеров, чтобы увеличить их плотность и скорость работы в полупроводниковых кристаллах или интегральных схемах.

    Фотогальванический процесс имеет определенное сходство с фотосинтезом, процессом, при котором энергия света преобразуется в химическую энергию в растениях. Поскольку солнечные элементы, очевидно, не могут производить электроэнергию в темноте, часть энергии, которую они вырабатывают при свете, сохраняется во многих приложениях для использования, когда свет недоступен.Одним из распространенных способов хранения этой электроэнергии является зарядка электрохимических аккумуляторных батарей. Эта последовательность преобразования энергии света в энергию возбужденных электронов, а затем в запасенную химическую энергию поразительно похожа на процесс фотосинтеза.

    Фотогальваника | SEIA

    Фотоэлектрические (PV) устройства вырабатывают электричество непосредственно из солнечного света посредством электронного процесса, который естественным образом происходит в определенных типах материалов, называемых полупроводниками. Электроны в этих материалах высвобождаются солнечной энергией и могут перемещаться по электрической цепи, питая электрические устройства или посылая электричество в сеть.

    Фотоэлектрические устройства

    могут использоваться для питания чего угодно, от небольшой электроники, такой как калькуляторы и дорожные знаки, до домов и крупных коммерческих предприятий.

    Как сравнить солнечные инверторы | Как сравнить солнечные панели

    Как работает фотоэлектрическая технология?

    Фотоны ударяют и ионизируют полупроводниковый материал на солнечной панели, в результате чего внешние электроны вырываются из своих атомных связей. Благодаря полупроводниковой структуре электроны движутся в одном направлении, создавая электрический ток.Солнечные элементы не на 100% эффективны в солнечных элементах из кристаллического кремния, отчасти потому, что только определенный свет в пределах спектра может быть поглощен. Часть светового спектра отражается, часть слишком слабая, чтобы создавать электричество (инфракрасный), а часть (ультрафиолет) создает тепловую энергию вместо электричества.
    Схема типичного кристаллического кремниевого солнечного элемента. Для изготовления этого типа ячейки пластины из высокочистого кремния «легируют» различными примесями и сплавляют друг с другом. Полученная структура создает путь для электрического тока внутри и между солнечными элементами.

    Другие типы фотоэлектрической техники

    Помимо кристаллического кремния (c-Si), существуют два других основных типа фотоэлектрических технологий:

    • Тонкопленочные фотоэлектрические панели — быстрорастущий, но небольшой сегмент коммерческого солнечного рынка. Многие фирмы, производящие тонкие пленки, представляют собой стартапы, разрабатывающие экспериментальные технологии. Как правило, они менее эффективны, но зачастую дешевле, чем модули c-Si.
    • В Соединенных Штатах концентрирующие фотоэлектрические батареи находятся в основном на юго-западе пустыни.Они используют линзы и зеркала для отражения концентрированной солнечной энергии на высокоэффективные элементы. Для их максимальной эффективности требуется прямой солнечный свет и системы слежения.
    • Интегрированные в здание фотоэлектрические элементы служат как внешним слоем конструкции, так и вырабатывают электроэнергию для использования на месте или экспорта в сеть. Системы BIPV могут обеспечить экономию материалов и затрат на электроэнергию, уменьшить загрязнение и повысить архитектурную привлекательность здания.
    История фотоэлектрической техники

    Эффект PV наблюдался еще в 1839 году Александром Эдмундом Беккерелем и был предметом научных исследований в начале двадцатого века.В 1954 году Bell Labs в США представила первое солнечное фотоэлектрическое устройство, которое производило полезное количество электроэнергии, а к 1958 году солнечные элементы использовались в различных небольших научных и коммерческих приложениях.

    Энергетический кризис 1970-х годов привел к появлению большого интереса к использованию солнечных элементов для производства электроэнергии в домах и на предприятиях, но непомерно высокие цены (почти в 30 раз выше нынешних) сделали крупномасштабные приложения непрактичными.

    Промышленные разработки и исследования в последующие годы сделали фотоэлектрические устройства более осуществимыми, и начался цикл увеличения производства и снижения затрат, который продолжается и сегодня.

    Затраты на солнечную фотовольтаику

    Быстро падающие цены сделали солнечную энергию более доступной, чем когда-либо. Средняя цена готовой фотоэлектрической системы упала на 59 процентов за последнее десятилетие.

    Для получения дополнительной информации о состоянии рынка фотоэлектрических солнечных батарей в США посетите нашу страницу данных по солнечной промышленности.

    Современная фотогальваника

    Стоимость фотоэлектрических систем резко упала, поскольку промышленность увеличила производство и постепенно улучшила технологию с использованием новых материалов.Стоимость установки также снизилась благодаря более опытным и обученным установщикам. В глобальном масштабе США занимают третий по величине рынок фотоэлектрических установок и продолжают быстро расти.

    Большинство современных солнечных элементов изготавливаются либо из кристаллического кремния, либо из тонкопленочного полупроводникового материала. Кремниевые элементы более эффективны при преобразовании солнечного света в электричество, но, как правило, имеют более высокие производственные затраты. Тонкопленочные материалы обычно имеют меньшую эффективность, но могут быть проще и дешевле в производстве.Специализированная категория солнечных элементов, называемых многопереходными или тандемными ячейками, используется в приложениях, требующих очень малого веса и очень высокой эффективности, таких как спутники и военные приложения. Все типы фотоэлектрических систем сегодня широко используются в самых разных областях.

    На сегодняшний день доступны тысячи индивидуальных моделей фотоэлектрических панелей от сотен компаний. Сравните солнечные панели по их эффективности, выходной мощности, гарантиям и другим параметрам на EnergySage.

    Фотогальваника и электричество — U.S. Управление энергетической информации (EIA)

    Фотоэлектрические элементы преобразуют солнечный свет в электричество

    Фотоэлектрический элемент, обычно называемый солнечным элементом, представляет собой немеханическое устройство, которое преобразует солнечный свет непосредственно в электричество. Некоторые фотоэлементы могут преобразовывать искусственный свет в электричество.

    Фотоны переносят солнечную энергию

    Солнечный свет состоит из фотонов или частиц солнечной энергии. Эти фотоны содержат разное количество энергии, соответствующее разным длинам волн солнечного спектра.

    Фотоэлемент изготовлен из полупроводникового материала. Когда фотоны попадают на фотоэлектрическую ячейку, они могут отражаться от нее, проходить через нее или поглощаться полупроводниковым материалом. Только поглощенные фотоны дают энергию для выработки электричества. Когда полупроводниковый материал поглощает достаточно солнечного света (солнечной энергии), электроны вытесняются из атомов материала. Специальная обработка поверхности материала во время производства делает переднюю поверхность ячейки более восприимчивой к смещенным или свободным электронам, так что электроны естественным образом мигрируют на поверхность ячейки.

    Поток электроэнергии

    Движение электронов, каждый из которых несет отрицательный заряд, к передней поверхности элемента создает дисбаланс электрического заряда между передней и задней поверхностями элемента. Этот дисбаланс, в свою очередь, создает потенциал напряжения, подобный отрицательному и положительному полюсу батареи. Электрические проводники на ячейке поглощают электроны. Когда проводники соединены в электрической цепи с внешней нагрузкой, такой как батарея, в цепи течет электричество.

    Эффективность фотоэлектрических систем зависит от типа фотоэлектрических технологий

    Эффективность, с которой фотоэлементы преобразуют солнечный свет в электричество, зависит от типа полупроводникового материала и технологии фотоэлементов. Эффективность имеющихся в продаже фотоэлектрических модулей в среднем составляла менее 10% в середине 1980-х годов, увеличилась примерно до 15% к 2015 году и сейчас приближается к 20% для современных модулей. Экспериментальные фотоэлементы и фотоэлементы для нишевых рынков, таких как космические спутники, достигли почти 50% эффективности.

    Как работают фотоэлектрические системы

    Фотоэлектрическая ячейка является основным строительным блоком фотоэлектрической системы. Размер отдельных ячеек может варьироваться от примерно 0,5 дюйма до примерно 4 дюймов в поперечнике. Однако одна ячейка производит только 1 или 2 Вт, что достаточно для небольших нужд, например, для питания калькуляторов или наручных часов.

    Фотоэлементы

    электрически соединены в корпусном, водонепроницаемом фотоэлектрическом модуле или панели. Фотоэлектрические модули различаются по размеру и количеству электроэнергии, которую они могут производить.Производительность фотоэлектрического модуля по выработке электроэнергии увеличивается с увеличением количества ячеек в модуле или площади поверхности модуля. Фотоэлектрические модули могут быть соединены в группы, чтобы сформировать фотоэлектрический массив. Массив фотоэлектрических модулей может состоять из двух или сотен фотоэлектрических модулей. Количество фотоэлектрических модулей, подключенных к фотоэлектрической матрице, определяет общее количество электроэнергии, которое может генерировать массив.

    Фотоэлектрические элементы вырабатывают электричество постоянного тока (DC). Это электричество постоянного тока можно использовать для зарядки батарей, которые, в свою очередь, приводят в действие устройства, использующие электричество постоянного тока.Почти вся электроэнергия поставляется в виде переменного тока (AC) в системах передачи и распределения электроэнергии. Устройства, называемые инверторами, используются на фотоэлектрических модулях или в массивах для преобразования электроэнергии постоянного тока в электричество переменного тока.

    фотоэлементов и модулей производят наибольшее количество электроэнергии, когда они обращены прямо к солнцу. Фотоэлектрические модули и массивы могут использовать системы слежения, которые перемещают модули так, чтобы они постоянно смотрели на солнце, но эти системы дороги. Большинство фотоэлектрических систем имеют модули в фиксированном положении, при этом модули обращены прямо на юг (в северном полушарии — прямо на север в южном полушарии) и под углом, который оптимизирует физические и экономические характеристики системы.

    Солнечные фотоэлектрические элементы сгруппированы в панели (модули), и панели могут быть сгруппированы в массивы разных размеров для производства небольшого или большого количества электроэнергии, например, для питания водяных насосов для воды для скота, для электроснабжения домов или коммунальных услуг. -масштабное производство электроэнергии.

    Источник: Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (защищено авторским правом)

    Применение фотоэлектрических систем

    Самые маленькие калькуляторы мощности и наручные часы для фотоэлектрических систем.Более крупные системы могут обеспечивать электричеством перекачку воды, питание коммуникационного оборудования, электроснабжение отдельного дома или предприятия или формировать большие массивы, которые снабжают электричеством тысячи потребителей электроэнергии.

    • Фотоэлектрические системы могут поставлять электроэнергию в местах, где отсутствуют системы распределения электроэнергии (линии электропередач), а также они могут поставлять электроэнергию в электрическую сеть.
    • Фотоэлектрические массивы

    • могут быть установлены быстро и могут быть любого размера.
    • Воздействие фотоэлектрических систем, расположенных на зданиях, на окружающую среду минимально.

    Источник: Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (защищено авторским правом)

    Источник: Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (защищено авторским правом)

    История фотовольтаики

    Первый практический фотоэлектрический элемент был разработан в 1954 году исследователями Bell Telephone. Начиная с конца 1950-х годов, фотоэлементы использовались для питания U.С. Космические спутники. К концу 1970-х фотоэлектрические панели обеспечивали электроэнергией удаленные или автономные районы, где не было линий электропередач. С 2004 года большинство фотоэлектрических систем в США подключены к электросети — они подключены к электросети — и установлены на / или рядом с домами и зданиями, а также на объектах электроснабжения коммунальных предприятий. Технологический прогресс, снижение затрат на фотоэлектрические системы, а также различные финансовые стимулы и государственная политика помогли значительно расширить использование фотоэлектрических систем с середины 1990-х годов.Сотни тысяч подключенных к сети фотоэлектрических систем сейчас установлены в Соединенных Штатах.

    Управление энергетической информации США (EIA) оценивает, что производство солнечной электроэнергии на фотоэлектрических электростанциях коммунального масштаба увеличилось с 76 миллионов киловатт-часов (кВтч) в 2008 году до примерно 88 миллиардов кВтч в 2020 году. По оценкам EIA, около 42 миллиардов кВтч вырабатывались малыми предприятиями. -масштабируйте подключенные к сети фотоэлектрические системы в 2020 году по сравнению с 11 млрд кВтч в 2014 году. Электростанции коммунального масштаба имеют мощность производства электроэнергии не менее 1000 киловатт (или один мегаватт (МВт), а малые системы вырабатывают менее одного мегаватта) вместимость.Большинство небольших фотоэлектрических систем расположены на зданиях и иногда называются фотоэлектрическими системами на крыше.

    Последнее обновление: 26 марта 2021 г.

    .