Элемент солнечной батареи: Солнечные элементы купить с доставкой

Содержание

Солнечные элементы. Виды и работа. Применение и особенности

Фотогальванические полупроводниковые фотоэлементы преобразуют энергию электромагнитного излучения в электрическую. По принципу действия они являются фотодиодами, не требующими приложения внешнего напряжения, и создающими электродвижущую силу самостоятельно.

Первые такие элементы были разработаны в 1926 году, в качестве полупроводникового материала использовалась закись меди. Далее были разработаны селеновые фотоэлементы. В 1958 году в США и СССР были запущены спутники с использованием солнечных батарей.

В настоящее время используются в основном кремниевые фотоэлементы, преобразующие энергию солнечных лучей, и называются подобные ячейки обычно солнечными элементами. Полупроводниковый кремний широко распространен на земле в виде диоксида кремния (обычного песка, или кремнезема).

Путем последовательного и параллельного соединения элементов создаются солнечные батареи мощностью до нескольких киловатт.

Виды солнечных элементов

Кремниевые солнечные элементы выпускаются 4 видов:

  • Поликристаллические.
  • Монокристаллические.
  • Тонкопленочные.
  • Гибридные.

Все эти виды солнечных элементов производятся по разным технологиям.

Производство солнечных элементов

Для производства поликристаллических элементов прежде всего, путем медленного охлаждения расплава кремния, выращиваются призматические заготовки квадратного сечения, разрезаемые далее на тонкие квадратные пластинки. Поверхность ячеек темного (черного) оттенка с неоднородной структурой.

Неоднородность вызывается тем, что заготовка не представляет собой единого кристалла, а состоит из большого количества кристалликов случайной ориентации.

Выращивание поликристаллов требует меньших затрат, чем производство монокристаллов, что удешевляет поликристаллические солнечные элементы в сравнении с другими типами.

Монокристаллические солнечные элементы производятся из монокристаллов кремния высокой чистоты с не более чем 0,01% примесей, и они отличаются более высокой стоимостью и эксплуатационными характеристиками, чем поликристаллические элементы.

Монокристаллы кремния выращиваются при температуре 1300 °С в виде призмы с поперечным сечением в виде многоугольника, соответственно ячейки этого типа имеют форму квадрата со скошенными углами, либо многоугольника. Монокристалличность заготовки определяет однородный характер поверхности элементов. Самый верхний слой ячейки выполнен из антиотражающего материала, придающего элементу яркий синий цвет.

Тонкопленочные солнечные элементы называют также «гибкими панелями». Производятся подобные ячейки напылением в вакууме при температуре 300 °С полупроводникового аморфного кремния на тонкую гибкую подложку из стекла, пластика или металла. Кристаллы кремния при этом осаждаются на подложке неравномерно и направлены своими осями в разные стороны случайным образом.

Как альтернатива, взамен кремния напыляются теллурид кадмия или селенид меди-индия. Слой полупроводникового материала покрывается сверху защитной пленкой. Технологии производства подобных элементов непрерывно совершенствуются. Тонкопленочные солнечные элементы отличаются минимальной толщиной (около 1 мкм) и малыми затратами на изготовление.

При производстве гибридных солнечных элементов над кристаллическим полупроводниковым материалом располагается тонкий слой аморфного полупроводника.

Принцип действия солнечных элементов

В основе работы фотоэлементов лежит давно открытое явление фотоэффекта – испускания веществом электронов под действием света или любого другого электромагнитного изучения.

Солнечный элемент представляет собой p-n переход, это по сути два соприкасающихся полупроводника разной проводимости с разделяющим слоем между ними. В p-полупроводнике электронов недостаток, а в n-полупроводнике напротив, избыток. В сторону источника излучения направлен n-полупроводник (внешний электрод), он располагается на подложке поверх p-полупроводника (внутреннего электрода). При попадании на элемент солнечных лучей электроны n-полупроводника выбиваются с атомных орбит и переходят в лежащий ниже p-полупроводник. Образуется направленный поток электронов, который можно замкнуть на внешнюю нагрузку с протеканием в ней непрерывного электрического тока.

Такой элемент является некоторым аналогом батареи с катодом (отводом от n-полупроводника) и анодом (отводом от p-полупроводника). Отрицательным полюсом этой «батареи» является внешний электрод (сетка поверх n-полупроводника), а положительным – внутренний (подложка с нанесенным p-полупроводником).

Солнечные элементы как источники питания

Освещенный светом солнечный элемент создает на своих выводах некоторую электродвижущую силу (ЭДС), значение которой зависит от интенсивности падающего на ячейку света. С увеличением освещенности ЭДС возрастает, но лишь до определенного предела (для кремниевых элементов до 0,6 В), т.е. зависимость ЭДС от освещенности нелинейная. От размеров элементов ЭДС не зависит, но она снижается примерно на 2 мВ при нагреве элемента на 1 С.

Для получения более высокой ЭДС устройства соединяют последовательно. Отдаваемый элементом ток зависит от вида элемента и падающего светового потока, в свою очередь определяемого освещенностью и площадью ячейки. Элемент с коэффициентом полезного действия (КПД) 17% размером 156 х 156 мм выдает при коротком замыкании ток 9 А. Максимальную мощность элемент выдает при просадке напряжения под нагрузкой до 0,47-0,5 В, такой режим работы элемента наиболее оптимален. Поскольку площадь ячейки ограничивается технологией изготовления (ячейка – поперечный срез кристалла ограниченных размеров), для повышения отдаваемой мощности отдельные элементы соединяют также и параллельно.

При подключении к элементу или батарее нагрузки напряжение падает, а поскольку оно зависит и от высоты солнца, состояния неба и атмосферы (в пасмурную погоду мощность световых панелей падает в 15-20 раз), солнечные электростанции снабжаются автоматическими регуляторами и буферными аккумуляторами, сглаживающими пики потребления электроэнергии и изменения интенсивности падающего светового потока.

Особенности солнечных элементов разных видов

Солнечным элементам свойственны как общие свойства, так и отличные в зависимости от их вида и технологии изготовления.

Поликристаллические солнечные элементы

Поскольку в элементах этого типа кристаллики кремния ориентированы случайно, их эффективность снижается при прямом падении солнечного света, но, в порядке некоторой компенсации, снижается незначительно при наклонном падении света. Их характеристики незначительно зависят от угловой высоты солнца и его положения на небосводе. КПД таких элементов невысок и составляет 17-20%.

Монокристаллические солнечные элементы

КПД монокристаллических элементов выше КПД поликристаллических элементов и доходит до 25%, и даже до 44% в элементах, предназначенных для космической отрасли. Эти элементы более критичны к углу падения солнечных лучей, и их целесообразно ориентировать на Солнце с изменением положения в течение дня. Хорошо работают они и при высокой облачности, а также при отрицательных температурах.

Аморфные элементы

КПД элементов из кремния низок (около 7-10%), для элементов из современных материалов он достигает 15-20%. К достоинствам этих элементов относится возможность монтажа их на изогнутых конструкциях, они хорошо работают при рассеянном освещении. К недостатку можно отнести большие размеры – вследствие низкого КПД они требуют при равенстве мощности вдвое большей установочной площади в сравнении с кристаллическими элементами. Также со временем слой аморфного кремния постепенно деградирует, и батарея теряет эффективность, примерно на 20% мощности за первые 2 года эксплуатации.

Гибридные солнечные элементы

Поскольку кристаллический кремний и аморфный кремний наиболее эффективно работают каждый в своей области солнечного спектра, при освещении солнечным светом смешанного состава общий КПД солнечного элемента повышается.

Применение солнечных элементов

Поскольку ЭДС одного элемента составляет 0,6 В, для получения достаточного напряжения их соединяют последовательно. Батарея из соединенных последовательно 36 элементов будет обладать ЭДС 0,6 х 36 = 21,6 В, а при оптимальной нагрузке будет выдавать напряжение порядка 17-18 В. Чтобы заряжать таким напряжением аккумулятор с номинальным напряжением 12 В, необходим контроллер заряда, избавляющий аккумулятор от перезаряда, а батарею от перегрузки. Подобный контроллер позволяет путем автоматического снижения напряжения увеличивать снимаемый ток, а тем самым постоянно поддерживать элементы в режиме съема максимальной в данных условиях мощности.

Изначально предполагалось, что устройства будут применяться в основном в космической промышленности и в военных целях. Солнечные батареи – основные источники питания на космических аппаратах, особо эффективны такие устройства при полетах от Земли в сторону Солнца, где мощность батарей значительно возрастает. Очень выгодно использование солнечных элементов для питания автоматических метеостанций.

В тропических и субтропических регионах с большим количеством часов солнечного сияния в году солнечные батареи позволяют решить проблемы энергоснабжения жилых домов и дач, при этом батареи размещают на крышах. В городах батареи на солнечных элементах используются для подзарядки автомобилей, а также для уличного освещения (накопленная в светлое время суток энергия расходуется в темное). Сфера применения солнечных элементов и батарей непрерывно расширяется по мере их удешевления и совершенствования характеристик.

Похожие темы:

Как устроены и работают солнечные батареи

Солнечная энергетика становится все более популярной во всем мире. Вместе с коллегами из специализированного портала Elektrik мы разбирались, как устроена солнечная батарея, из чего она состоит и куда отправляется получаемая энергия.

В наше время практически каждый может собрать и получить в свое распоряжение свой независимый источник электроэнергии на солнечных батареях (в научной литературе они называются фотоэлектрическими панелями).

Дорогостоящее оборудование со временем компенсируется возможностью получать бесплатную электроэнергию. Важно, что солнечные батареи – это экологически чистый источник энергии. За последние годы цены на фотоэлектрические панели упали в десятки раз и они продолжают снижаться, что говорит о больших перспективах при их использовании.

В классическом виде такой источник электроэнергии будет состоять из следующих частей: непосредственно, солнечной батареи (генератора постоянного тока), аккумулятора с устройством контроля заряда и инвертора, который преобразует постоянный ток в переменный.

Солнечные батареи состоят из набора солнечных элементов (фотоэлектрических преобразователей), которые непосредственно преобразуют солнечную энергию в электрическую.

Большинство солнечных элементов производят из кремния, который имеет довольно высокую стоимость. Этот факт определят высокую стоимость электрической энергии, которая получается при использовании солнечных батарей.

Распространены два вида фотоэлектрических преобразователей: сделанные из монокристаллического и поликристаллического кремния. Они отличаются технологией производства. Первые имеют кпд до 17,5%, а вторые – 15%.

Наиболее важным техническим параметром солнечной батареи, которая оказывает основное влияние на экономичность всей установки, является ее полезная мощность. Она определяется напряжением и выходным током. Эти параметры зависят от интенсивности солнечного света, попадающего на батарею.

Электродвижущая сила отдельных солнечных элементов не зависит от их площади и снижается при нагревании батареи солнцем, примерно на 0,4% на 1 гр. С. Выходной ток зависит от интенсивности солнечного излучения и размера солнечных элементов. Чем ярче солнечный свет, тем больший ток генерируется солнечными элементами. Зарядный ток и отдаваемая мощность в пасмурную погоду резко снижается. Это происходит за счет уменьшения отдаваемой батареей тока.

Если освещенная солнцем батарея замкнута на какую либо нагрузку с сопротивлением Rн, то в цепи появляется электрический ток I, величина которого определяется качеством фотоэлектрического преобразователя, интенсивностью освещения и сопротивлением нагрузки. Мощность Pн, которая выделяется в нагрузке определяется произведением Pн = IнUн, где Uн напряжение на зажимах батареи.

Наибольшая мощность выделяется в нагрузке при некотором оптимальном ее сопротивлении Rопт, которое соответствует наибольшему коэффициенту полезного действия (кпд) преобразования световой энергии в электрическую. Для каждого преобразователя имеется свое значение Rопт, которая зависит от качества, размера рабочей поверхности и степени освещенности.

Солнечная батарея состоит из отдельных солнечных элементов, которые соединяются последовательно и параллельно для того, чтобы увеличить выходные параметры (ток, напряжение и мощность). При последовательном соединении элементов увеличивается выходное напряжение, при параллельном – выходной ток.

Для того, чтобы увеличить и ток и напряжение комбинируют два этих способа соединения. Кроме того, при таком способе соединения выход из строя одного из солнечных элементов не приводит в выходу из строя всей цепочки, т.е. повышает надежность работы всей батареи.

Таким образом, солнечная батарея состоит из параллельно-последовательно соединенных солнечных элементов. Величина максимально возможного тока отдаваемого батареей прямо пропорциональна числу параллельно включенных, а электродвижущая сила - последовательно включенных солнечных элементов. Так, комбинируя типы соединения, собирают батарею с требуемыми параметрами.

Солнечные элементы батареи шунтируются диодами. Обычно их 4 – по одному, на каждую ¼ часть батареи. Диоды предохраняют от выхода из строя части батареи, которые по какой-то причине оказались затемненными, т. е. если в какой-то момент времени свет на них не попадает.

Батарея при этом временно генерирует на 25% меньшую выходную мощность, чем при нормальном освещении солнцем всей поверхности батареи.

При отсутствии диодов эти солнечные элементы будут перегреваться и выходить из строя, так как они на время затемнения превращаются в потребителей тока (аккумуляторы разряжаются через солнечные элементы), а при использовании диодов они шунтируются и ток через них не идет.

Получаемая электрическая энергия накапливается в аккумуляторах, а затем отдается в нагрузку. Аккумуляторы – химические источники тока. Заряд аккумулятора происходит тогда, когда к нему приложен потенциал, который больше напряжения аккумулятора.

Число последовательно и параллельно соединенных солнечных элементов должно быть таким, чтобы рабочее напряжение подводимое к аккумуляторам с учетом падения напряжения в зарядной цепи немного превышало напряжение аккумуляторов, а нагрузочный ток батареи обеспечивал требуемую величину зарядного тока.

Например, для зарядки свинцовой аккумуляторной батареи 12 В необходимо иметь солнечную батарею состоящую из 36 элементов.

При слабом солнечном свете заряд аккумуляторной батареи уменьшается и батарея отдает электрическую энергию электроприемнику, т.е. аккумуляторные батареи постоянно работают в режиме разряда и подзаряда.

Это процесс контролируется специальным контроллером. При циклическом заряде требуется постоянное напряжение или постоянный ток заряда.

При хорошей освещенности аккумуляторная батарея быстро заряжается до 90% своей номинальной емкости, а затем с меньшей скоростью заряда до полной емкости. Переключение на меньшую скорость заряда производится контроллером зарядного устройства.

Наиболее эффективно использование специальных аккумуляторов – гелевых (в батарее в качестве электролита применяется серная кислота) и свинцовыех батарей, которые сделанны по AGM-технологии. Этим батареям не нужны специальные условия для установки и не требуется обслуживание. Паспортный срок службы таких батарей – 10 - 12 лет при глубине разряда не более 20%. Аккумуляторные батареи никогда не должны разряжаться ниже этого значения, иначе их срок службы резко сокращается!

Аккумулятор подсоединяется к солнечной батарее через контроллер, который контролирует ее заряд. При заряде батареи на полную мощность к солнечной батареи подключается резистор, который поглощает избыточную мощность.

Для того чтобы преобразовать постоянное напряжение от аккумуляторной батареи в переменное напряжение, которой можно использовать для питания большинства электроприемников совместно с солнечной батарей можно использовать специальные устройства – инверторы.

Без использования инвертора от солнечной батареи можно питать электроприемники, работающие на постоянном напряжении, в т.ч. различную портативную технику, энергосберегающие источники света, например, те же светодиодные лампы.

Автор текста: Андрей Повный. Текст впервые опубликован на сайте Electrik.info. Перепечатано с согласия редакции.

Фотоэлектрические модули 156х156мм 4.1 W

ВНИМАНИЕ!!! 

Минимальное количество отправляемых солнечных элементов 10 штук одного размера

Магазин "Мир солнечной энергии" комрании Solbat Company предлагает:

Солнечные батареи влагозащищенные и ударопрочные

Солнечные элементы для сборки солнечных батарей

Аксессуары для сборки солнечных батарей 

Светодиодное освещение и оборудование

==============================================================

В магазине "Мир солнечной энергии" г. Стерлитамак комрании Solbat Company Вы можете купить солнечные элементы из поликристаллического кремния 156х156мм 4.1W, с доставкой во все регионы России.

==============================================================

Фотоэлектрические модули 156х156мм 4.1 W 18% для сборки солнечной батареи  - солнечные фотоэлементы из поликристаллического кремния 156х156мм, напряжение 1 фотоэлектрического преобразователя 0.5 вольт, ток до 8А, КПД 18%, мощность 4.1 ватта.

==============================================================

Описание солнечных элементов 156х156мм 4.1W 8А

Солнечные фотоэлементы из поликристаллического кремния 156х156мм 4.1W 8А 18% предназначены для сборки солнечной батареи.

Солнечные батареи собранные  из поликристаллического кремния сохраняют работоспособность даже в пасмурную погоду, с некоторым уменьшением мощности.

Из фотоэлектрических модулей 156х156мм можно в домашних условиях изготовить солнечную батарею мощностью до 144W.

Изготовление солнечной батареи в домашних условиях по силам практически 
любому радиолюбителю, «кулибину», или человеку который любит мастерить всё 
своими руками.

И по финансовым затратам солнечная батарея собранная своими руками на порядок 
дешевле промышленной солнечной батареи.

К тому же при проектировании, расчёте и сборке солнечной батареи можно учесть 
все технические нюансы и личные потребности, в любом конкретном случае.

==============================================================

Характеристики солнечных элементов 156х156мм 4.1W 8А:

Размер одного солнечного фотоэлемента составляет 156мм на 156мм.
Класс солнечных фотоэлектрических модулей: А
Средняя мощность (Ватт): 4.1 Wp
Средний ток (А): 8 Imax
Среднее напряжение (В): 0.5 Vmax
Эффективность, КПД (%): 18%
Один фотоэлектрический преобразователь имеет среднюю мощность 4.1 W рабочее напряжение – 0.5В при нагрузке до 8А.

==============================================================

Применение солнечных элементов 156х156мм 4.1W 8А

Для самостоятельной сборки солнечной батареи мы так же предлагаем аксессуары для изготовления солнечных батарей:

луженая медная шина для пайки 2 мм

луженая медная шина для пайки 5 мм

флюс-карандаш для пайки

контроллер заряда для солнечной батареи

Из 3 солнечных элементов, при последовательном соединении, Вы получите источник энергии 1.5В при нагрузке до 8А (12W).

Это позволит Вам заряжать любые аккумуляторы напряжением 1.2В (типа AA и AAA) – средним током7.8А.

Из 12 солнечных фотоэлементов можно собрать солнечную батарею 40W (5V – 8А) – подходит для обеспечения электропитания, освещения и зарядки различных устройств с рабочим напряжение 5В - любое устройство, которое питается или заряжает свои аккумуляторы через USB-порт.
Питание и зарядка любого мобильного устройства, сотовые телефоны и КПК, фото и видео камеры, MP3 и MP4 плееры, GPS-навигаторы, игровые консоли типа SONY PSP, совместим с большинством сотовых телефонов, а также iPhone, Ipad и другими продуктами Apple, зарядка всех типов аккумуляторов AA, AAA, Li-Ion, Li-Pol с помощью зарядного устройства (приобретается отдельно).

Из 36 фотоэлектрических модулей можно собрать солнечную батарею 144W (18V – 8А), что позволяет подключать любое устройство, которое питается или заряжает свои аккумуляторы от автомобильного прикуривателя 12 – 24 вольта. А так же позволит Вам заряжать любые аккумуляторы напряжением 12В.

Солнечной батареи собранные  из поликристаллического кремния сохраняют работоспособность даже в пасмурную погоду, с некоторым уменьшением мощности.

==============================================================

У нас Вы можете купить и заказать:

У нас выгодно покупать, потому что:

Индивидуальный подход к каждому клиенту
Предусмотрена гибкая система скидок
Техническая поддержка наших клиентов
Бесплатные консультации по телефону

Будем рады ответить на Ваши вопросы, в любой день, кроме субботы, с 9 до 21 часов


Солнечные элементы 52х26мм 0.25W | solbatcompany.ru

ВНИМАНИЕ!!! 

Минимальное количество отправляемых солнечных элементов 10 штук одного размера

=======================================================

Солнечные элементы 52х26мм 0.25W для сборки солнечной батареи - солнечные фотоэлементы из поликристаллического кремния для сборки своими руками солнечной батареи, ток до 0.48 ампера, напряжение 1 элемента 0.5 вольт, размер элемента 52х26 миллиметров, эффективность 17.4%.

=======================================================

Характеристики солнечного элемента 52х26мм 0.25W из поликристаллического кремния:

Размер одного солнечного элемента составляет 52 х 26 мм

Средняя мощность (Ватт): 0.25 Wp

Средний ток (А): 0.48 Imax

Среднее напряжение (В): 0.5 Vmax

Эффективность преобразования солнечного фотоэлемента, КПД: 17.4%

Один фотоэлемент имеет среднюю мощность 0.25W рабочее напряжение – 0.54В при нагрузке до 0.48А.

=======================================================

Описание солнечного элемента 52х26мм 0.25W из поликристаллического кремния

Солнечные элементы из поликристаллического кремния 52х26мм 0.25 W предназначены для сборки солнечных батарей своими руками в домашних условиях.

Солнечные батареи собранные из поликристаллического кремния сохраняют работоспособность даже в пасмурную погоду, правда, с некоторым уменьшением мощности.

Немного теории

   Что такое солнечный элемент?

Солнечный фотоэлемент это одна единица, одна ячейка, одна клетка, который способен самостоятельно выдать хоть и маленькое – порядка 0.5 вольт, но всё таки напряжение не зависимо от своих размеров. А вот выходной ток или мощность одного солнечного элемента очень сильно зависит от его размеров.

   Что такое солнечная батарея?

Солнечная батарея это некоторое количество солнечных элементов соединенных последовательно при помощи специальной шинки (плоская полоска медной фольги).

От количества этих солнечных элементов соединенных последовательно и зависит напряжение на выходе солнечной батареи.

Количество солнечных ячеек соединенных последовательно в одной солнечной батарее может быть абсолютно любым.

Для увеличения выходного тока или мощности одной солнечной батареи эти цепочки солнечных клеток, соединенных последовательно, соединяют параллельно.

И так - выходной ток или мощность одной солнечной батареи зависит и от размеров самих солнечных элементов и от количества параллельно включённых цепочек.

А сами солнечные батареи, в свою очередь, можно собрать в солнечные модули.

Из солнечных элементов 52х26мм 0.25W поликристаллического кремния можно в домашних условиях собрать портативную солнечную батарею, практически, неограниченной мощности.

Изготовление солнечной батареи в домашних условиях по силам практически любому радиолюбителю, «кулибину», или человеку который любит мастерить всё своими руками.

И по финансовым затратам солнечная батарея собранная своими руками на порядок дешевле промышленной солнечной батареи.

К тому же при проектировании, расчёте и сборке солнечной батареи можно учесть все технические нюансы и личные потребности, в любом конкретном случае.

Для самостоятельной сборки солнечной батареи мы так же предлагаем аксессуары для изготовления солнечных батарей:

луженая медная шина для пайки 1.8 мм

флюс-карандаш для пайки

=======================================================

Применение солнечного элемента 52х26мм 0.25W из поликристаллического кремния

Из 3 солнечных элементов 52х26мм 0.25W, при последовательном соединении, Вы сможете собрать мини солнечную батарею, напряжением 1.5 вольта при нагрузке до 0.48A (0.72W).

Это позволит Вам заряжать любые аккумуляторы напряжением 1.2В (типа AA и AAA) – средним током 0.48 ампера.

Из 12 фотоэлементов 52х26мм можно собрать солнечную батарею 2.4W (5V - 0.48A) – которая подходит для освещения, электропитания и зарядки различных устройств с рабочим напряжение 5В - любое портативное устройство, которое питается или заряжает свои аккумуляторы через USB-порт.

Питание и зарядка любого мобильного устройства, сотовые телефоны и КПК, фото и видео камеры, MP3 и MP4 плееры, GPS-навигаторы, игровые консоли типа SONY PSP, совместим с большинством сотовых телефонов, а также iPhone, Ipad и другими продуктами Apple, зарядка всех типов аккумуляторов AA, AAA, Li-Ion, Li-Pol с помощью зарядного устройства (приобретается отдельно).

Из 36 солнечных фотоэлементов можно собрать солнечную батарею 8.6 W (18V - 0.48A), что позволяет подключать любое устройство, которое питается или заряжает свои аккумуляторы от автомобильного прикуривателя 12 вольт. А так же позволит Вам заряжать любые аккумуляторы напряжением 12 вольт, средним током до 0.48 ампера.
Собранные таким образом солнечной батареи сохраняют работоспособность даже в пасмурную погоду, с некоторым уменьшением мощности.

============================================================

У нас вы всегда можете купить или заказать

  • Фотоэлементы, солнечные элементы любых размеров и мощности
  • Солнечные батареи, солнечные панели водонепроницаемые, ударопрочные
  • Широкий ассортимент аксессуаров для самостоятельной сборки солнечных батарей
  • Измерительные, диагностические цифровые приборы
  • Мобильные зарядные устройства от батареек или аккумуляторов
  • Мобильные источники питания на солнечных батареях
  • Аккумуляторы Ni-MH, LI-PO и LI-ION 
  • Преобразователи напряжения – 12/24В- 220 вольт – инверторы
  • Повышающие, понижающие, стабилизированные, преобразователи напряжения
  • Светодиоды, светодиодное освещение, светодиодное оборудование
  • Электронные гаджеты на солнечных батареях
  • Светодиодное освещение для автомобиля

 

У нас выгодно покупать, потому что:

Индивидуальный подход к каждому клиенту
Предусмотрена гибкая система скидок
Техническая поддержка наших клиентов
Бесплатные консультации по телефону

Будем рады ответить на Ваши вопросы, в любой день, кроме субботы, с 9 до 21 часов

Солнечные элементы для фотоэлектрических систем.

Солнечные элементы  → Солнечные элементы - Общие сведения


Каталог солнечных элементов и солнечных модулей находится здесь

 

  Большинство из нас не догадываются, что идея и принцип, лежащий в основе работы солнечных батарей открыт более 170 лет назад. Явление фотоэлектрического эффекта Эдмон Беккерель первым открыл и наблюдал в электролите еще в далеком 1839г. Произошло это в общем то случайно и до 1873 года никто не обращал на это открытие внимание, пока в 1873 году, тогда У.Смит  заметил схожий эффект при освещении солнечным светом пластины из селена. Через 14 лет Г.Герц продолжил изучение этого эффекта. Естественно на сегодняшний день подобные опыты довольно примитивны, но именно они послужили основой для развития солнечных элементов на основе полупроводников. Используя все те же пластины из селена  Чарльз Фриттс смог сделать фотоэлементы с КПД 1-2%. Работали его фотоэлементы в видимом спектре света. Кстати из селена по нынешний день производят светочувствительные элементы для фотоаппаратов и видеокамер. Следующим шагом в совершенствовании  элементов солнечных батарей стало изобретение в знаменитой лаборатории Белла(Bell Labs) кремниевого элемента. Именно эти солнечные элементы на основе кремния явились прототипом современных фотоэлементов. Более менее приемлемый КПД 6% был достигнут американскими учеными Г. Пирсоном, К. Фуллером и Д. Чаплиным (США) в 1953-54. А уже в 1958 г. США вывелили на орбиту спутник "Авангард" на борту которого были солнечные батареи. Мощность солнечной батареи на этом спутнике была всего лишь 1Вт и служила она для питания радиопередатчика. Именно потребность в солнечных элементах в космосе дала важный толчок для их развития. Кризис в нефтяной отрасли в середине 70-х годов XIX века также оказал влияние на развитие отрасли, подстегнув некоторые страны, и в частности США к установке большого количества солнечных батарей. Только в США их было установлено более 4000 тысяч. Большинство тех установок успешно работают и поныне. Основа преобразования световой энергии в электричество - это фотовольтаический эффект.  Солнечные элементы "р" типа имеют фронтальную(лицевую) в качестве отрицательного полюса, а тыльная сторона это положительный контакт. Элементы "n" типа имеют тыльную сторону в качестве отрицательного контакта, а рабочую/лицевую сторону в качестве положительного контакта. Элементы "р" типа гораздо более распространены. Строение солнечного элемента напоминает бутерброд, который состоит из двух полупроводников в виде пластинок. В одной пластинке избыток электронов, а в другой дефицит. Фотон света пробуждает спящий электрон и проникновение этого электрона в пластинку с недостатком электронов вызывает электрический ток. Повышение КПД элементов напрямую связано с усовершенствованием материалов "р" и "n" слоев. Физика этого явления чрезвычайно сложна, и не углубляясь в неё, опишем лишь практическую сторону дела. В основном для производства солнечных элементов используются  кремний (Si) и арсенид галлия(GaAs). Кремний более дешев и доступен, но GaAs имеет  более высокий КПД -  28 % и более. Кремний же в массовом производстве достиг показателя в 18-20%. Для "наземки"- фотоэлектрических станций наземного базирования кремний это основной материал. Арсенид галлия из-за дороговизны в основном применяется в космических программах. Кремний различают монокристаллический(монокремний) и поликристаллический(мультикремний) . На фото ниже можете видеть солнечные элементы одного и другого типа. Слева  монокристаллический ФЭП, а справа поликристалл.

 В последние несколько лет в мире наблюдался дефицит солнечного кремния, и как следствие изменилась толщина пластин. Вместо прежних 350-500мкм нынешняя толщина стала 180-200мкм. Чтобы сохранить прочностные характеристики фотоэлементов на время сборки их в солнечные модули также была изменена и ориентация кристаллов кремния. Вместо ориентации "100", используется ориентация "111". Это можно заметить, если попытаться сломать пластину фотоэлемента- она неизменно ломается по диагонали. Именно это свойство не позволяет элементу трескаться вдоль токосъемной дорожки при напаивании монтажной шинки. Если при пайке солнечных элементов при помощи робота или же вручную будет разница температур между жалом паяльника и фотоэлементом, то также возможны микротрещины, которые проявятся сразу или позже при ламинировании схемы из элементов. Именно поэтому столик для пайки элементов должен иметь высокую температуру, обычно 60-70 градусов. Это уменьшает разницу температур между элементом и паяльником и ощутимо снижает процент микротрещин. Обратная ситуация при тестировании элементов. Всеми производителями продуктов для солнечной энергетики приняты определенные условия для тестирования и паспортизации. Они называются стандартными(STC- Standart Test Сondition). Одно из условий температура поверхности солнечного  элемента(или модуля) должна быть равна 25°С. Имитатор солнечного света производит измерение очень быстро, но даже за это время элемент толщиной 180 мкм успевает нагреться и возникает погрешность измерения. Поэтому температура столика поддерживается такой, чтобы при замере температура солнечного элемента была равна 25°С. Обычно внутри столика циркулирует жидкость определенной температуры. Кроме температуры STC включают в себя еще два параметра. Это величина освещенности и спектр излучения:

• - освещенность 1000 Вт/м2;
• - температура 25°С;
• - спектр АМ 1,5 (солнечный спектр на географической широте 45°)

  Наша фирма находится в Краснодаре как раз на 45-й параллели. Здесь находится наше производство солнечных батарей.

  Солнечная батарея представляет собой источник тока, т.е. они могут поддерживать протекание в проводнике тока определенной силы. Им не страшно короткое замыкание и они переносят его совершенно безболезненно. В остальном использовать энергию, получаемую от солнечных модулей можно использовать также как и энергию, получаемую из других источников. Но мощность генерируемая этим источником тока находится в большой зависимости от  освещения. В большей степени это касается величины тока, напряжение меньше подвержено зависимости от освещенности. Набежавшее облако может существенно уменьшить мощность, генерируемую фотоэлементом. Зависимость тока, а следовательно и мощности фотоэлемента от освещенности близка к линейной. Даже серийно производимые элементы не могут быть полностью идентичны, В последовательной цепочке один элемент с током отличающимся от тока остальных элементов в меньшую сторону по причине затененности или дефекта качества может уменьшить мощность всего изделия. Ситуация аналогична ситуации с засорившимся участком водопроводной трубы. Именно поэтому элементы перед сборкой подвергаются сортировке. Характеристики ФЭП из кристаллического кремния нелинейны  и закон Георга Ома для их описания не подходит. Кривая для описания их характеристик носит название  вольтамперной характеристики (ВАХ), рис 1.
— Wp - максимальная мощность, Вт;
— Uхх - напряжение холостого хода, В;
— Uр - рабочее напряжение, В;
— Uн - номинальное напряжение, В;
— Iкз - ток короткого замыкания, А;
— Iр - рабочий ток, А;
 

 Напряжение без нагрузки(Uxx) незначительно колеблется при изменении освещенности и обычно равно 0.6В. Оно также вне зависимости от производителя, партии, типа кремния и площади фотоэлемента. По другому обстоит дело с током этого элемента. Ток генерируемый элементом в прямой зависимости от освещенности и площади солнечного элемента. Фотоэлемент размером 50х50 мм в 100 раз больше по площади чем элемент размером 5*5 мм и, естественно что при аналогичной освещенности он сгенерирует ток в 100 раз больше. Варьируя нагрузку на фотоэлемент, можно получить кривую зависимости мощности солнечного элемента от его рабочего напряжения. На рис.2 можете видеть типичную зависимость мощности элемента от напряжения нагрузки:

  

Максимум мощности наблюдается у качественного фотоэлемента при рабочем напряжении 0.47-0.49В. Современные тестеры солнечных элементов мгновенно "снимают" с элемента ВАХ и проблем с оценкой качества элемента нет. Предыдущее поколение тестеров нагружало элемент так, чтобы рабочее напряжение составляло 0.47В. По величине тока при этом напряжении и сортировались элементы. На серийные фотоэлементы наносится токосъемная сетка из серебряной пасты. Токосъемная сетка состоит из двух элементов: тонкой сетки из "ресничек" и перпендикулярной им широкой дорожки, которая служит для напаивания  монтажной шинки. Температура солнечного элемента в сильной степени влияет на КПД. Каждый фотоэлемент теряет в рабочем напряжении 0.002В при возрастании температуры на 1°С свыше 25°С. Рисунок 3 показывает как изменяется ВАХ при повышении температуры элемента. Ток короткого замыкания наоборот имеет положительный коэффициент роста и увеличивается при нагревании фотоэлемента или модуля. КПД современных  фотоэлементов составляет 15-18%. Это значит к примеру , что с фотоэлемента 100×100 мм при STC возможно снять 1.5-1.8 Вт. Габариты стандартных солнечных элементов, которые производят все фирмы мира в настоящий момент такие:125×125мм, 156×156мм. Для производства маломощных солнечных модулей помощи лазера фотоэлементы режутся на доли. Элементы 103х103мм уже трудно встретить на мировом рынке, а фотоэлементы 85х85мм исчезли вовсе. Элементы для систем наземного базирования постепенно укрупняются. На странице "Обзор продукции: солнечные элементы" Вы можете подробнее ознакомиться с солнечными элементами.

 

Солнечные элементы • Ваш Солнечный Дом

Структура солнечного элемента

Солнечные элементы (СЭ) изготавливаются из материалов, которые напрямую преобразуют солнечный свет в электричество. Большая часть из коммерчески выпускаемых в настоящее время СЭ изготавливается из кремния (химический символ Si). Кремний это полупроводник. Он широко распространен на земле в виде песка, который является диоксидом кремния (SiO2), также известного под именем “кварцит”. Другая область применения кремния – электроника, где кремний используется для производства полупроводниковых приборов и микросхем.

Структура солнечного элемента из кремния 1. свет (фотоны)   2. лицевой контакт  3. отрицательный слой 4. переходной слой  5. положительный слой  6. задний контакт

Прежде всего , в СЭ имеется задний контакт и 2 слоя кремния разной проводимости. Сверху имеется сетка из металлических контактов и антибликовое просветляющее покрытие, которое дает СЭ характерный синий оттенок. Различают солнечные элементы с переходом p- и n-типа. Первые дешевле и более распространены в настоящее время. Вторые немного дороже, но имеют большую эффективность, и применяются в  солнечных элементах нового типа (например, PERC)

Типы солнечных элементов

СЭ может быть следующих типов: монокристаллический, поликристаллический и аморфный (тонкопленочный). Различие между этими формами в том, как организованы атомы кремния в кристалле. Различные СЭ имеют разный КПД преобразования энергии света. Моно- и поликристаллические элементы имеют почти одинаковый КПД, который выше, чем у солнечных элементов, изготовленных из аморфного кремния.

В последние годы разработаны новые типы материалов для СЭ. Например, тонкопленочные фотоэлектрические элементы из медь-индий-диселенида и из CdTe (теллурид кадмия). Эти СЭ в последнее время также коммерчески используются. Технологии их производства постоянно развиваются, за последнее десятилетие КПД тонкопленочных элементов вырос примерно в 2 раза. Одной из последних технологий солнечных модулей из аморфного кремния являются тандемные солнечные модули, которые имеют повышенных КПД. В нашем ассортименте есть такие модули – Tianwei TF-120

Последние технологии используют гибридные методы. Так появились элементы, которые имеют как кристаллический переход, так и тонкий полупрозрачный аморфный переход, расположенный над кристаллическим. Так как кристаллы и аморфный кремний наиболее эффективно преобразуют только часть спектра света, и эти спектры немного отличаются, применение таких гибридных элементов позволяет повысить общий КПД солнечного элемента. В России такие солнечные элементы выпускает завод Хевел по названием “гетероструктурные” элементы и модули.

Новая многообещающая технология для кристаллических кремниевых элементов – это PERC. Такие элементы имеют КПД выше примерно на 15-20% по сравнению со стандартными элементами. Подробная информация об этой технологии – по ссылке выше.

На рисунке выше приведен график изменения КПД солнечных элементов за последние десятилетия. Как видим, в лабораториях уже получены результаты, приближающиеся к 45%. Конечно, до массового коммерческого использования такие технологии дойдут еще не скоро, но работа по удешевлению изготовления солнечных элементов постоянно ведется во всем мире. Как видно, максимальный КПД получают на многопереходных элементах и концентрированном освещении.

Пиковый ватт

КПД серийно выпускаемых солнечных элементов, %:
монокристаллические: 15-22
поликристаллические: 12-18
аморфные: 6-12
теллурид кадмия: 8-12

Солнечный элемент производит электричество когда освещается светом. В зависимости от интенсивности света (измеряемой в Вт/м2), солнечный элемент производит больше или меньше электричества: яркий солнечный свет более предпочтителен, чем тень, и тень более предпочтительна, чем электрический свет. Для сравнения СЭ и модулей необходимо знать так называемую номинальную мощность элемента или модуля. Номинальная мощность, выращенная в ваттах пиковой мощности Wp, это мера того, сколько электроэнергии может произвести фотоэлектрический модули при оптимальных условиях.

Для определения и сравнения номинальной мощности солнечных панелей, выходная мощность измеряется при стандартных тестовых условиях (СТУ). Эти условия предполагают:
– освещенность 1000 Вт/м2
– солнечный спектр AM 1.5 (он определяет тип и цвет света)
– температура элемента 25 °C (это важно, так как эффективность СЭ падает при повышении его температуры).

Так как в реальных условиях работы такие параметры практически недостижимы, в последнее время все больше производителей указывают параметры модуля в так называемых “нормальных условиях” (NOCT), т.е. при температуре модуля 40-45 градусов и освещенности 800 Вт/м2. Тем не менее, NOCT также не отражает реальную мощность модуля, так как во время работы солнечной батареи освещенность может быть даже выше 1000 Вт/м2, а температура существенно ниже 45С.

Пример:

Большинство панелей с площадью 1 квадратный метр имеют номинальную мощность около 120-150 Втпик
(уточнение: если они сделаны из кристаллических кремниевых элементов).

Ни NOCT, ни тем более STC мощности не позволяют определить, сколько именно энергии будет вырабатывать солнечная панель в реальных условиях. Для того, чтобы иметь более точное представление о производительности солнечного модуля, в мире делаются попытки ввести новые, дополнительные, показатели эффективности солнечных панелей. Одним из таких дополнительных параметров является PTC, с помощью которого можно более реально определить, сколько энергии можно ожидать от того или иного модуля. На настоящий момент PTC, наряду с NOCT, являются показателями, по которым можно проводить сравнение различных фотоэлектрических модулей. Подробнее о PTC…

Сравнение тонкопленочных и кристаллических фотоэлектрических модулей

Тонкопленочные солнечные элементы бывают обычно 4 основных типов:

  1. из аморфного кремния (a-Si) или тонкопленочного кремния (TF-Si)
  2. из теллурида кадмия (Cd-Te)
  3. из деселенида галлия-меди-индия copper indium gallium deselenide (CIS or CIGS)
  4. из синтетических (dye-sensitized solar cell) материалов с органическими добавками.

Тонкопленочные модули из аморфного кремния. В отличие от кристаллического материала, здесь нет структурированного положения атомов. Поэтому у аморфного кремния хуже полупроводниковые свойства и, следовательно, меньше КПД преобразования света. Однако для производства элементов необходимо гораздо меньше кремния и он может быть нанесен практически на любую поверхность – стекло, металл или другой материал. КПД элементов из аморфного кремния с одним слоем – около 6%. Доля модулей из аморфного кремния на рынке незначительна.

CSG (Crystalline Silicon on Glass) выглядят как модули из аморфного кремния, но на самом деле являются кристаллическими. Специальный технологический процесс позволяет наносить тонкий слой кристаллического кремния (около 2мкм) прямо на стекло (тогда как толщина «обычного» ФЭП составляет 200-300мкм). Контакты внедряются с использованием лазера и трафаретной печати. Первые фотоэлектрические модули, произведенные по такой технологии, имели КПД около 7%.

CdTe модули (кадмий-теллуровые). Эта специальная тонкопленочная технология имеет большой потенциал для снижения стоимости фотоэлектрических модулей. КПД модулей достигает 18%. Содержание кадмия в модуле меньше, чем в обычной пальчиковой батарейке, и производители обещают принимать на переработку все произведенные ими «отработанные» модули.

CIS модули. Основные ингредиенты CIS модулей – медь, индий, селен, и иногда галлий (тогда элементы обозначаются как CIGS). CIS имеют наибольший КПД в группе тонкопленочных ФЭП (до 16-18% в модуле).

В Южной Корее была разработана принципиально новая технология тонкопленочных модулей, что может значительно способствовать массовому их распространению за счет удешевления и увеличения энергоемкости. В новых солнечных элементах присутствуют 3 цветных слоя на базе наногранул из диоксида титана. Благодаря количеству слоев новые солнечные элементы могут собирать видимый свет в трех наиболее активных длинах – красной, синей и зеленой. В результате, солнечный элемент производит электроэнергии почти в 3 раза больше, чем обыкновенные фотоэлектрические панели. 

Еще одним преимуществом таких элементов является их высокая светопропускаемость, поэтому их можно располагать на крышах и окнах жилых домов. Для создания этих элементов использовался метод хроматографии и совсем не использовался кремний, что делает производство недорогим и не зависящим от исчерпаемых природных ресурсов. Толщина готовой пленки составляет всего 20 нанометров, она способна производить до 30 миллиампер электричества с каждого квадратного сантиметра. Ее КПД составляет около 17-18%.

Тонкопленочные солнечные модули состоят из примерно 6 слоев. Прозрачное покрытие закрывает антиотражающий слой, затем идут полупроводники P и N типа, затем контактный слой и подложка. Принцип работы тонкопленочных солнечных элементов тот же самый, что и у кристаллических солнечных элементов.

Ниже приведены основные особенности и отличия в применении тонкопленочных и кристаллических фотоэлектрических модулей.

Тонкопленочные модули в общем случае должны быть дешевле кристаллических за счет меньшего расхода кремния и более простой технологии изготовления. Однако на практике разница в цене не очень большая, так как в последние годы цена на кристаллические солнечные модули сильно снизилась. Эффективность обеих технологий быстро растет, а различие в цене уменьшается. Более того, тонкопленочные модули обычно выполняются с использованием 2 слоев стекла, поэтому они могут быть даже дороже поликристаллических модулей той же мощности. Двойное стекло также делает тонкопленочные модули тяжелее кристаллических модулей, в которых стекло только с лицевой стороны, а с тыльной – PVC пленка (это не относится к новым double glass кристаллическим солнечным модулям).

Есть другой тип тонкопленочных солнечных модулей, в которых полупроводниковый слой нанесен на гибкую основу. Такие модули – легкие и их можно изгибать. Обычно такие модули используются в переносных системах или на кровлях со сложной формой.

Для конечных потребителей и установщиков важно рассмотреть некоторые важные особенности, которые имеют место при проектировании солнечной электростанции на основе различных типов солнечных элементов. На основе этой информации проектировщик может решить, какую технологию солнечных элементов – тонкопленочную или кристаллическую – лучше использовать в конкретном проекте.

В таблице ниже приведено очень короткое сравнение этих двух технологий. При выборе модулей для конкретного проекта необходимо также учитывать много других моментов.

Технология Кристаллический кремний Тонкопленочные модули
Разновидности технологии Монокристаллический кремний (c-Si)
Поликристаллический кремний(pc-Si/ mc-Si)
String Ribbon
Аморфный кремний (a-Si)
Теллурид кадмия (CdTe)
Copper Indium Gallium Selenide (CIG/ CIGS)
Органические фотоэлементы (OPV/ DSC/ DYSC)
Отношение напряжения в рабочей точке к напряжению холостого хода (Vmp/ Voc)
(выше – лучше, т.к. меньше разница между Voc и Vmp)
80%-85% 72%-78%
Температурные коэффициенты (низкий температурный коэффициент лучше при работе при высоких температурах окружающей среды) выше (-0,4-0,5%/градус) ниже (-0,1-0,2%/градус)
Заполнение вольт-амперной характеристики
(идеальный элемент имеет 100% заполнение)
73%-82% 60%-68%
Конструкция модуля в раме из анодированного алюминия без рамы, между 2 стеклами – цена ниже, вес больше
на гибком основании – легче, дешевле
КПД модуля 13%-19% 4%- 12%
Совместимость с инверторами Чем меньше температурный коэффициент, тем лучше. Можно использовать бестрансформаторные инверторы Проектировщик должен учитывать такие факторы, как температурный коэффициент, отношение Voc/Vmp, сопротивление изоляции и т.п. Обычно для тонкопленочных модулей требуется инвертор с гальванической развязкой
Монтажные конструкции Типовые Типовые, но может потребоваться специальные зажимы или крепеж. Во многих случаях стоимость установки намного меньше
Соединения постоянного тока Типовые Типовые, иногда может потребоваться больше разветвителей и предохранителей
Типовое применение Жилые дома/Коммерческие объекты/Генерация в сеть Жилые дома/Коммерческие объекты/Генерация в сеть
Требуемая площадь около 150 Вт/м2 может потребоваться до 50% больше площади для той же мощности СБ

Источник: CIVICSolar

Как видно из таблицы, основное отличие кристаллических и тонкопленочных элементов – в их КПД. Также, у кристаллических элементов дольше срок службы. Расходы на установку кристаллических модулей меньше, так как для одной и той же мощности нужно устанавливать примерно в 2 раза меньше по площади модулей. К недостаткам кристаллических модулей можно отнести высокую стоимость исходного материала (кристаллического кремния), его хрупкость.

КПД солнечных элементов различных типов

  • поликристаллические – 15 …18%
  • монокристаллические обычные – 16.5 … 19%
  • поликристаллические PERC – 17 …19.5%
  • монокристаллические PERC – 17.5 … 20%
  • монокристаллические N-type – 19 to 20.5%
  • монокристаллические N-type HJT – 19 to 21.7%
  • монокристаллические N-type IBC – 20 to 22.6% 
Установка тонкопленочных солнечных батарей на крыше

Установка тонкоплёночных модулей на гибкой основе требует определённых навыков от монтажников. Мы не знаем в России никого, кто мог бы качественно установить такие модули (более того, недавно установленные в Сколково тонкоплёночные модули TegoSolar были смонтированы с грубыми нарушениями, что привело к возгоранию крыши и уничтожению довольно дорогостоящей солнечной батареи из гибких фотоэлектрических модулей).

Справедливости ради нужно отметить, что в реальных условиях модули из аморфного кремния вырабатывают больше энергии с пикового ватта, чем моно и поликристаллические солнечные панели. Последние 2 года в Москве в ИВТАНе ведутся сравнительные испытания различных модулей, предварительные результаты говорят о том, что тонкопленочные модули GET вырабатывают примерно на 13% больше электроэнергии, чем все лучшие экземпляры модулей из кристаллических солнечных элементов.

Различия между моно и поликристаллическими солнечными элементами

Этот вопрос выделен в отдельную статью

Выбор солнечных панелей: Моно или поли?

Эта статья прочитана 18351 раз(а)!

Продолжить чтение

  • 10000

    2 основных параметра для оценки качества солнечных модулей Нам часто задают вопрос - почему у вас солнечные панели стоят столько, а у каких-то других продавцов - дешевле. Простой ответ похож на известную и набившую оскомину фразу. Согласно известной рекламе, "не…
  • 10000

    Тестирование параметров солнечных батарей Что такое STC и PTC? Как оценить и сравнить параметры солнечных батарей При выборе солнечных модулей очень важно понимать параметры, которыми описывается модуль - мощность, напряжения, токи в различных режимах. Но не менее важно знать, при…
  • 10000

    Руководство для покупателя по выбору солнечных панелей При перепечатке ссылка на этот сайт обязательна, См. Правила копирования. "Ваш Солнечный Дом" Общее правило при покупке солнечных батарей Последние несколько лет, очень много компаний, начиная от ландшафтных дизайнеров до установщиков окон, крыш,…
  • 10000

    Солнечные фотоэлектрические модули с двойным стеклом Модули с двойным остеклением (double glass) Солнечные модули с двойным стеклом  появились на рынке сравнительно недавно - 5-7 лет назад, но до недавнего времени они были дороже обычных модулей. В 2017 году они стали…
  • 56

    Как правильно выбирать солнечные элементы и модули Вы собрались купить солнечную батарею? В первую очередь, нужно обратить внимание на технические параметры солнечного модуля. Основные из них перечислены ниже. Также, нужно проверить качество изготовления и отсутствие визуальных дефектов на солнечных элементах,…
  • 56

    Классификация солнечных фотоэлектрических электростанций - Автономные, соединенные с сетью, резервные. Солнечные батареи в системах электроснабжения.

Солнечные элементы. Принципы работы солнечных батарей. Материалы для солнечных элементов



Основные принципы работы солнечных батарей

Рис.1. Конструкция солнечного элемента

Простейшая конструкция солнечного элемента (СЭ) – прибора для преобразования энергии солнечного излучения – на основе монокристаллического кремния показана на рис.1. На малой глубине от поверхности кремниевой пластины p-типа сформирован p-n-переход с тонким металлическим контактом. На тыльную сторону пластины нанесен сплошной металлический контакт.

Когда СЭ освещается, поглощенные фотоны генерируют неравновесные электрон-дырочные пары. Электроны, генерируемые в p-слое вблизи p-n-перехода, подходят к p-n-переходу и существующим в нем электрическим полем выносятся в n-область.

Аналогично и избыточные дырки, созданные в n-слое, частично переносятся в p-слой (рис.2а). В результате n-слой приобретает дополнительный отрицательный заряд, а p-слой – положительный. Снижается первоначальная контактная разность потенциалов между p- и n-слоями полупроводника, и во внешней цепи появляется напряжение (рис.2б).

Отрицательному полюсу источника тока соответствует n-слой, а p-слой – положительному.

Рис.2. Зонная модель разомкнутого p-n-перехода:
а) - в начальный момент освещения;
б) - изменение зонной модели под действием
постоянного освещения и возникновение фотоЭДС

Величина установившейся фотоЭДС при освещении перехода излучением постоянной интенсивности описывается уравнением вольт-амперной характеристики (ВАХ) (рис.3):

U = (kT/q)ln((Iph-I)Is/+1)

где Is– ток насыщения, а Iph – фототок.

ВАХ поясняет эквивалентная схема фотоэлемента (рис.4), включающая источник тока

Iph=SqNoQ

где S – площадь фотоэлемента, а коэффициент собирания Q – безразмерный множитель (

Рис.3. Вольт-амперная характеристика солнечного элемента

Уравнение ВАХ справедливо и при освещении фотоэлемента светом произвольного спектрального состава, изменяется лишь значение фототока Iph. Максимальная мощность отбирается в том случае, когда фотоэлемент находится в режиме, отмеченном точкой а (см. рис. 3).

Рис.4. Эквивалентная схема солнечного элемента

Максимальная мощность, снимаемая с 1 см2, равна

P = Iph*U = x*Iкз*Uхх,

где x – коэффициент формы или коэффициент заполнения вольт-амперной характеристики, Iкз – ток короткого замыкания, Uхх – напряжение холостого хода.

Материалы для солнечных элементов

Для эффективной работы солнечных элементов необходимо соблюдение ряда условий:

  • оптический коэффициент поглощения (a) активного слоя полупроводника должен быть достаточно большим, чтобы обеспечить поглощение существенной части энергии солнечного света в пределах толщины слоя;
  • генерируемые при освещении электроны и дырки должны эффективно собираться на контактных электродах с обеих сторон активного слоя;
  • солнечный элемент должен обладать значительной высотой барьера в полупроводниковом переходе;
  • полное сопротивление, включенное последовательно с солнечным элементом (исключая сопротивление нагрузки), должно быть малым для того, чтобы уменьшить потери мощности (джоулево тепло) в процессе работы;
  • структура тонкой пленки должна быть однородной по всей активной области солнечного элемента, чтобы исключить закорачивание и влияние шунтирующих сопротивлений на характеристики элемента.

Производство структур на основе монокристаллического кремния, удовлетворяющих данным требованиям, – процесс технологически сложный и дорогостоящий. Поэтому внимание было обращено на такие материалы, как сплавы на основе аморфного кремния (a-Si:H), арсенид галлия и поликристаллические полупроводники.

Аморфный кремний выступил в качестве более дешевой альтернативы монокристаллическому. Первые СЭ на его основе были созданы в 1975 году. Оптическое поглощение аморфного кремния в 20 раз выше, чем кристаллического. Поэтому для существенного поглощения видимого света достаточно пленки а-Si:Н толщиной 0,5–1,0 мкм вместо дорогостоящих кремниевых 300-мкм подложек. Кроме того, благодаря существующим технологиям получения тонких пленок аморфного кремния большой площади не требуется операции резки, шлифовки и полировки, необходимых для СЭ на основе монокристаллического кремния. По сравнению с поликристаллическими кремниевыми элементами изделия на основе a-Si:Н производят при более низких температурах (300°С): можно использовать дешевые стеклянные подложки, что сократит расход кремния в 20 раз.

Пока максимальный КПД экспериментальных элементов на основе а-Si:Н – 12% – несколько ниже КПД кристаллических кремниевых СЭ (~15%). Однако не исключено, что с развитием технологии КПД элементов на основе а-Si:Н достигнет теоретического потолка – 16 %.

Наиболее простые конструкции СЭ из а-Si:Н были созданы на основе структуры металл – полупроводник (диод Шотки) (рис. 6). Несмотря на видимую простоту, их реализация достаточно проблематична – металлический электрод должен быть прозрачным и равномерным по толщине, а все состояния на границе металл/а-Si:Н – стабильными во времени. чаще всего солнечные элементы на основе а-Si:Н формируют на ленте из нержавеющей стали или на стеклянных подложках, покрытых проводящим слоем.

Рис.5. Конструкция фотоэлемента с барьером Шотки

При использовании стеклянных подложек на них наносят прозрачную для света проводящую оксидную пленку (ТСО) из SnO2, In2O3 или SnO2+In2O3 (ITO), что позволяет освещать элемент через стекло. Поскольку у нелегированного слоя электронная проводимость выражена слабо, барьер Шотки создается за счет осаждения металлических пленок с высокой работой выхода (Pt, Rh, Pd), которая обуславливает образование области положительного объемного заряда (обедненного слоя) в а-Si:Н.

При нанесении аморфного кремния на металлическую подложку образуется нежелательный потенциальный барьер а-Si:Н/металлическая подложка, высоту которого необходимо уменьшать. Для этого используют подложки из металлов с малой работой выхода (Mo, Ni, Nb). Перед нанесением аморфного кремния желательно осадить на металлической подложке тонкий слой (10–30 нм) а-Si:Н, легированный фосфором. Не рекомендуется использовать в качестве материалов электродов легко диффундирующие в аморфный кремний металлы (например, Au и Al), а также Cu и Ag, поскольку а-Si:Н обладает плохой адгезией к ним. Отметим, что Uxx солнечных элементов с барьером Шотки на основе а-Si:Н обычно не превышает 0,6 В.

Более высокой эффективностью обладают СЭ на основе аморфного кремния с p-i-n-структурой (рис.6). В этом “заслуга” широкой нелегированной i-области a-Si:H, поглощающей существенную долю света. Но возникает проблема – диффузионная длина дырок в a-Si:H очень мала (~100 нм), поэтому в солнечных элементах на основе a-Si:H носители заряда достигают электродов в основном только благодаря внутреннему электрическому полю, т.е. за счет дрейфа носителей заряда. В СЭ на основе кристаллических полупроводников носители заряда, имея большую диффузионную длину (100 – 200 мкм), достигают электродов и в отсутствие электрического поля. Поскольку в простом p-n-переходе в a-Si:H область сильного электрического поля очень узка и диффузионная длина носителей заряда мала, в большей части СЭ не происходит эффективного разделения носителей заряда, генерируемых при поглощении света.

Следовательно, для получения эффективных СЭ на основе p-i-n-сруктуры аморфного гидрогенизированного кремния необходимо добиться во всей i-области однородного мощного внутреннего электрического поля, достаточного для достижения длины дрейфа носителей, соизмеримого с размерами области поглощения (см. рис.6).

Рис.6. Энергетическая зонная диаграмма p-i-n-структуры (а)
и расчетное распределение электрического поля (б)

Данная задача решается, если при изготовлении p-i-n-структуры первым формировать p-слой (рис.7). Для его создания необходимо небольшое количество бора (

Рис.7. р-i-n-Структура на стеклянной (а) и стальной (б) подложке

В то же время, если первым осаждать n-слой, то наличие остаточного фосфора изменяет свойства i-слоя. Формирование p-слоя на поверхности прозрачного проводящего электрода обеспечивает с ним хороший электрический контакт. Однако толщина p-слоя должна быть мала (10 нм), чтобы основная часть света поглощалась в i-области.

Используется и другая p-i-n-структура СЭ на основе a-Si:H с подложкой из металлической фольги, в частности из нержавеющей стали. Свет попадает со стороны прозрачного электрода, контактирующего с n-областью. В результате возрастает плотность тока короткого замыкания благодаря отражающей способности металлической подложки и меньшему оптическому поглощению света легированными фосфором пленками a-Si:H (n-область) по сравнению с легированными бором р-слоями.

Рис.8. Солнечная батарея с поперечным переходом

Проблема с применением рассмотренных p-i-n-элементов в том, что их можно оптимизировать только в одном измерении. Значительно больше возможностей в этом плане предоставляет СЭ с поперечным переходом [4]: на изолирующей подложке перпендикулярно к поверхности формируется p-i-n-структура a-Si:H (рис.8). Такой СЭ не требует прозрачного проводящего оксида в качестве контакта и широкозонного p-слоя для создания прозрачного оконного слоя, его можно изготовить посредством стандартных технологий микроэлектроники.

Один из наиболее перспективных материалов для создания высокоэффективных солнечных батарей — арсенид галлия. Это объясняется таким его особенностями, как:

  • почти идеальная для однопереходных солнечных элементов ширина запрещенной зоны 1,43 эВ;
  • повышенная способность к поглощению солнечного излучения: требуется слой толщиной всего в несколько микрон;
  • высокая радиационная стойкость, что совместно с высокой эффективностью делает этот материал чрезвычайно привлекательным для использования в космических аппаратах;
  • относительная нечувствительность к нагреву батарей на основе GaAs;
  • характеристики сплавов GaAs с алюминием, мышьяком, фосфором или индием дополняют характеристики GaAs, что расширяет возможности при проектировании СЭ

Главное достоинство арсенида галлия и сплавов на его основе —широкий диапазон возможностей для дизайна СЭ. Фотоэлемент на основе GaAs может состоять из нескольких слоев различного состава. Это позволяет разработчику с большой точностью управлять генерацией носителей заряда, что в кремниевых СЭ ограничено допустимым уровнем легирования. Типичный СЭ на основе GaAs состоит из очень тонкого слоя AlGaAs в качестве окна.

Основной недостаток арсенида галлия – высокая стоимость. Для удешевления производства предлагается формировать СЭ на более дешевых подложках; выращивать слои GaAs на удаляемых подложках или подложках многократного использования.

Поликристаллические тонкие пленки также весьма перспективны для солнечной энергетики.

Чрезвычайно высока способность к поглощению солнечного излучения у диселенида меди и индия (CuInSe2) – 99 % света поглощается в первом микроне этого материала (ширина запрещенной зоны – 1,0 эВ) [2,5]. Наиболее распространенным материалом для изготовления окна солнечной батареи на основе CuInSe2 является CdS. Иногда для улучшения прозрачности окна в сульфид кадмия добавляют цинк. Немного галлия в слое CuInSe2 увеличивает ширину запрещенной зоны, что приводит к росту напряжения холостого хода и, следовательно, повышению эффективности устройства. Один из основных способов получения CuInSe2 — электрохимическое осаждение из растворов CuSO4, In2(SO4)3 и SeO2 в деионизованной воде при соотношении компонентов Cu:In:Se как 1:5:3 и pH 1,2–2,0.

Рис.9. Структура солнечного элемента на основе CdTe

Еще один перспективный материал для фотовольтаики — теллурид кадмия (CdTe). У него почти идеальная ширина запрещенной зоны (1,44 эВ) и очень высокая способность к поглощению излучения. Пленки CdTe достаточно дешевы в изготовлении. Кроме того, технологически несложно получать разнообразные сплавы CdTe c Zn, Hg и другими элементами для создания слоев с заданными свойствами.

Подобно CuInSe2, наилучшие элементы на основе CdTe включают гетеропереход с CdS в качестве оконного слоя. Оксид олова используется как позрачный контакт и просветляющее покрытие. Серьезная проблема на пути применения CdTe – высокое сопротивление слоя p-CdTe, что приводит к большим внутренним потерям. Но она решена в p-i-n-структуре с гетеропереходом CdTe/ZnTe (рис.9).

Наиболее ответственный этап формирования СЭ на основе CdS/CdTe – осаждение поглощающего слоя CdTe толщиной 1,5–6 мкм. Для этого используют различные способы: сублимацию/конденсацию, электрохимическое осаждение, трафаретную печать, химическое осаждение из газовой фазы и распыление. Пленки CdTe, полученные данными методами, обладают высокой подвижностью носителей заряда, а СЭ на их основе – высокими значениями КПД, от 10 до 16%.

CuGaSe2 также весьма интересен как тонкопленочный элемент солнечных батарей. Благодаря запрещенной зоне шириной 1,68 эВ он используется как верхний элемент тандемной солнечной батареи с нижним элементом из CuInSe2. Слои CuGaSe2 формируют путем последовательного осаждения термическим испарением тонких слоев Ga, Se и Cu на поверхность стеклянной подложки, покрытой слоем молибдена толщиной 1 мкм (рис.10). Далее из полученной структуры в установке быстрого термического отжига в течение пяти минут при температуре 550°С получают соединение CuGaSe2.

Рис.10. Получение пленок CuGaSe2

Одним из перспективных материалов для дешевых солнечных батарей благодаря приемлемой ширине запрещенной зоны (1,4–1,5 эВ) и большому коэффициенту поглощения 104 см-1 является Cu2ZnSnS4. Его главное достоинство в том, что входящие в него компоненты широко распространены в природе и нетоксичны. Однако пока достигнута эффективность преобразования всего в 2,3% при использовании гетероперехода Cu2ZnSnS4 и CdS/ZnO.

Среди СЭ особое место занимают батареи, использующие органические материалы. В частности, КПД СЭ на основе диоксида титана, покрытого органическим красителем, весьма высок – ~11 %. Немаловажно, что подложками в таких элементах могут выступать полимерные пленки.

Основа СЭ данного типа – широкозонный полупроводник, обычно TiO2, покрытый монослоем органического красителя, как правило – цис-(NCS)2бис(4,4’-дикарбокси-2,2’бипиридин)-рутением (II) (рис.11). Фотоэлектрод такого устройства представляет собой нанопористую пленку TiO2 толщиной 1 мкм, осажденную на ТСО на стекле. Отражающим электродом служит тонкий слой Pt, осажденный на TCO на стекле. Пространство между двумя электродами заполняют электролитом, обычно содержащим иодид/трииодид (I-/I3-).

Принцип работы элемента основан на фотовозбуждении красителя и быстрой инжекции электрона в зону проводимости TiO2. При этом молекула красителя окисляется, через элемент идет электрический ток и на платиновом электроде происходит восстановление трииодида до иодида. Затем иодид проходит через электролит к фотоэлектроду, где восстанавливает окисленный краситель.

Для солнечной батареи на эффекте Шотки используют фталоцианин – органический полупроводник p-типа. В нем наиболее привлекают высокая фотопроводимость в видимой области спектра и термическая стабильность. Основной недостаток – низкое время жизни носителей вследствие большого числа ловушек. Для повышения времени жизни фталоцианин легируют фуллеренами или 2-, 4-, 7-тринитрофлуореноном, создающими акцепторные уровни.

Рис.11. Солнечная батарея на основе органических материалов

Фуллерены (С60) также весьма перспективны для органических солнечных батарей на основе гетероструктур С60/p-Si в связи с их способностью к сильному поглощению в коротковолновой области солнечного спектра. Поликристаллический фуллерен С60 толщиной ~1 мкм осаждают на кремниевую подложку в глубоком вакууме. Далее на слой С60 наносят алюминиевые контакты. В качестве заднего контакта используется сплав GaxIny на позолоченной подложке.

Рис.12. Схема термофотоэлектрического солнечного элемента

Термофотовольтаическое производство электроэнергии, т.е. преобразование длинноволнового (теплового) излучения посредством фотовольтаических ячеек было открыто в 1960 году и вызывает все больший интерес, особенно в связи с современными достижениями в области создания узкозонных полупроводников.

В термофотовольтаической ячейке (рис.12) тепло преобразуется в электроэнергию посредством селективных эмиттеров из оксидов редкоземельных элементов – эрбия и иттербия. Эти вещества поглощают инфракрасное излучение и вновь излучают его в узком энергетическом диапазоне. Излучение может быть эффективно преобразовано с помощью фотовольтаической ячейки с соответствующей шириной запрещенной зоны. В качестве материала для фотоэлектрической ячейки более всего подходит InxGa1-xAs, поскольку он позволяет добиться необходимой ширины запрещенной зоны.

Проблемы нахождения и использования конструкций и материалов для солнечных элементов

Большинство современных СЭ обладают одним p-n-переходом. В таком элементе свободные носители заряда создаются только теми фотонами, энергия которых больше или равна ширине запрещенной зоны. Другими словами, фотоэлектрический отклик однопереходного элемента ограничен частью солнечного спектра, энергия которого выше ширины запрещенной зоны, а фотоны меньшей энергии не используются. Преодолеть это ограничение позвляют многослойные структуры из двух и более СЭ с различной шириной запрещенной зоны. Такие элементы называются многопереходными, каскадными или тандемными. Поскольку они работают со значительно большей частью солнечного спектра, эффективность фотоэлектрического преобразования у них выше.

В типичном многопереходном солнечном элементе (рис.13) одиночные фотоэлементы расположены друг за другом таким образом, что солнечный свет сначала попадает на элемент с наибольшей шириной запрещенной зоны, при этом поглощаются фотоны с наибольшей энергией. Пропущенные верхним слоем фотоны проникают в следующий элемент с меньшей шириной запрещенной зоны и т.д.

Рис.13. Принцип построения многопереходного солнечного элемента

Основное направление исследований в области каскадных элементов связано с использованием арсенида галлия в качестве одного или нескольких компонентов. Эффективность преобразования подобных СЭ достигает 35 %. Кроме того в каскадных элементах широко применяются аморфный кремний, сплавы на его основе (a-Si1-xCx:H, a-Si1-xGex:H), а также CuInSe2.

Рис.14. Каскадный элемент

На рис.14 изображена каскадная батарея, в которой верхним элементом служит структура на основе GaInP c n-AlInP в качестве окна, далее следует туннельный диод на GaAs для прохождения носителей между элементами и нижний элемент из GaAs.

Рис.15. Трехкаскадный солнечный элемент на основе сплавов a-SiGe:H

Весьма перспективны каскадные батареи, состоящие из трех элементов с различной шириной запрещенной зоны (рис.15). Верхний слой, поглощающий коротковолновую область солнечного спектра, сформирован из сплава на основе a-Si:H с шириной оптической щели 1,8 эВ. Для серединного элемента в качестве слоя i-типа использован сплав a-SiGe:H с содержанием германия ~10–15%. Ширина оптической щели данного слоя (1,6 эВ) идеальна для поглощения зеленой области солнечного спектра. Нижняя часть СЭ поглощает длинноволновую часть спектра, для этого используется i-слой a-SiGe:H с концентрацией германия 40–50%. Непоглощенный свет отражается от заднего контакта на основе Ag/ZnO. Все три элемента каскадной солнечной батареи связаны между собой сильнолегированными слоями, образующими туннельные переходы между соседними элементами.



Развивается новый вид солнечной технологии

Сегодня в большинстве солнечных панелей, покрывающих крыши, поля и пустыни мира, используется один и тот же ингредиент: кристаллический кремний. Материал, сделанный из сырого поликремния, формируется в виде пластин и соединяется с солнечными элементами, устройствами, которые преобразуют солнечный свет в электричество. В последнее время зависимость отрасли от этой уникальной технологии стала чем-то вроде помехи. Узкие места в цепочке поставок замедляют появление новых солнечных установок по всему миру.Крупные поставщики поликремния в китайском регионе Синьцзян, обвиняемые в использовании уйгуров принудительного труда, столкнулись с торговыми санкциями США.

К счастью, кристаллический кремний - не единственный материал, который может помочь использовать солнечную энергию. В Соединенных Штатах ученые и производители работают над расширением производства солнечной технологии на основе теллурида кадмия. Теллурид кадмия - это тип «тонкопленочного» солнечного элемента, и, как следует из названия, он намного тоньше, чем традиционный кремниевый элемент.Сегодня панели, использующие теллурид кадмия, обеспечивают около 40 процентов рынка коммунальных услуг США и около 5 процентов мирового рынка солнечной энергии. И они выиграют от встречного ветра, с которым сталкивается более широкая солнечная промышленность.

«Это очень нестабильное время, особенно для цепочки поставок кристаллического кремния в целом», - сказала Келси Госс, аналитик по солнечным исследованиям консалтинговой группы по энергетике Wood Mackenzie. «У производителей теллурида кадмия есть большой потенциал для увеличения доли рынка в следующем году.«Особенно, - отметила она, - поскольку сектор теллурида кадмия уже расширяется.

В июне производитель солнечных батарей First Solar заявил, что инвестирует 680 миллионов долларов в третий завод по производству солнечных батарей с теллуридом кадмия на северо-западе Огайо. Когда объект будет завершен, в 2025 году компания сможет производить в этом районе солнечные панели мощностью 6 гигаватт. Этого достаточно, чтобы обеспечить электроэнергией примерно 1 миллион американских домов. Другая солнечная компания из Огайо, Toledo Solar, недавно вышла на рынок и производит панели из теллурида кадмия для крыш жилых домов.А в июне Министерство энергетики США и его Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL) запустили программу стоимостью 20 миллионов долларов для ускорения исследований и расширения цепочки поставок теллурида кадмия. Одна из целей программы - помочь изолировать рынок солнечной энергии США от глобальных ограничений предложения.

Исследователи из NREL и First Solar, ранее называвшейся Solar Cell Inc., работали вместе с начала 1990-х годов над разработкой технологии теллурида кадмия. Кадмий и теллурид являются побочными продуктами плавления цинковых руд и рафинирования меди соответственно.В то время как кремниевые пластины соединяются вместе, чтобы сделать элементы, кадмий и теллурид наносятся тонким слоем - около одной десятой диаметра человеческого волоса - на оконное стекло вместе с другими электропроводящими материалами. First Solar, в настоящее время крупнейший в мире производитель тонких пленок, поставила панели для солнечных батарей в 45 стран.

Читать далее

Почему не на каждой крыше есть солнечные батареи?

Эта технология имеет определенные преимущества перед кристаллическим кремнием, сказала ученый NREL Лорелль Мэнсфилд.Например, для тонкопленочного процесса требуется меньше материалов, чем для метода на основе пластин. Тонкопленочная технология также хорошо подходит для использования в гибких панелях, таких как те, которые закрывают рюкзаки или дроны или интегрируются в фасады зданий и окна. Важно отметить, что тонкопленочные панели лучше работают при высоких температурах, в то время как силиконовые панели могут перегреваться и становиться менее эффективными при выработке электроэнергии, сказала она.

Но кристаллический кремний имеет преимущество в других областях, например в их средней эффективности, то есть в процентном соотношении солнечного света, который панели поглощают и преобразуют в электричество.Исторически сложилось так, что кремниевые панели имели более высокий КПД, чем технология теллурида кадмия, хотя разрыв сокращается. Сегодня производимые промышленным способом силиконовые панели могут достигать КПД от 18 до 22 процентов, в то время как First Solar сообщила о средней эффективности 18 процентов для своих новейших коммерческих панелей.

Тем не менее, основная причина доминирования кремния на мировом рынке относительно проста. «Все сводится к стоимости», - сказал Госс. «Рынок солнечной энергии, как правило, в значительной степени зависит от самых дешевых технологий.”

Кристаллический кремний стоит от 0,24 до 0,25 доллара на производство каждого ватта солнечной энергии, что меньше, чем у других претендентов, сказала она. First Solar заявила, что больше не сообщает о стоимости ватт для производства панелей из теллурида кадмия, а только о том, что затраты «значительно снизились» с 2015 года, когда компания сообщила о затратах в размере 0,46 доллара за ватт, и продолжают снижаться с каждым годом. Относительная дешевизна кремния объясняется несколькими причинами. Поликремний в качестве сырья, который также используется в компьютерах и смартфонах, более доступен и недорог, чем поставки кадмия и теллурида.По мере увеличения масштабов производства кремниевых панелей и связанных с ними компонентов общие затраты на изготовление и установку технологии снизились. Китайское правительство также активно поддерживало и субсидировало сектор кремниевой солнечной энергии в стране - настолько, что около 80 процентов мировой цепочки поставок солнечной энергии сейчас проходит через Китай.

Падение стоимости панелей привело к мировому буму солнечной энергии. По данным Международного агентства по возобновляемой энергии, за последнее десятилетие общая установленная мощность солнечных батарей в мире увеличилась почти в десять раз - с 74 000 мегаватт в 2011 году до почти 714 000 мегаватт в 2020 году.На Соединенные Штаты приходится примерно одна седьмая от общего количества электроэнергии в мире, а солнечная энергия в настоящее время является одним из крупнейших источников новых электрических мощностей, устанавливаемых в США каждый год.

Ожидается, что стоимость ватта теллурида кадмия и других тонкопленочных технологий будет снижаться по мере расширения производства. (First Solar заявляет, что, когда откроется ее новый объект в Огайо, компания обеспечит самую низкую стоимость ватт на всем рынке солнечной энергии.) Очистить.

Марк Видмар, генеральный директор First Solar, сказал, что запланированное расширение компании стоимостью 680 миллионов долларов является частью более масштабных усилий по построению самодостаточной цепочки поставок и «отделению» солнечной энергетики США от Китая. Хотя в панелях из теллурида кадмия не используется поликремний, First Solar столкнулась с другими проблемами, стоящими перед отраслью, такими как вызванные пандемией отставания в отрасли морского судоходства. В апреле First Solar сообщила инвесторам, что заторы в американских портах сдерживают отгрузку панелей с ее предприятий в Азии.По словам Видмара, увеличение производства в США позволит компании использовать автомобильные и железные дороги для отправки панелей, а не грузовые суда. А существующая программа утилизации солнечных панелей позволяет компании многократно повторно использовать материалы, что еще больше снижает ее зависимость от зарубежных цепочек поставок и сырья.

По мере того, как First Solar производит панели, ученые компании и NREL продолжают тестировать и улучшать технологию теллурида кадмия. В 2019 году партнеры разработали новый подход, который включает «легирование» тонкопленочных материалов медью и хлором для достижения еще более высокой эффективности.Ранее в этом месяце NREL объявил о результатах 25-летних полевых испытаний на своем открытом объекте в Голдене, штат Колорадо. 12-панельный массив панелей из теллурида кадмия работал с 88% своей первоначальной эффективности, что является хорошим результатом для панели, которая находилась снаружи более двух десятилетий. Согласно релизу NREL, деградация «соответствует тому, что делают кремниевые системы».

Мэнсфилд, ученый NREL, сказал, что цель не состоит в том, чтобы заменить кристаллический кремний теллуридом кадмия или сделать одну технологию лучше другой.«Я думаю, что всем им есть место на рынке, и у каждого из них есть свои приложения», - сказала она. «Мы хотим, чтобы вся энергия шла на возобновляемые источники, поэтому нам действительно нужны все эти различные типы технологий, чтобы решить эту проблему».


Руководство по покупке солнечных панелей: вот все, что вам нужно знать

Getty Images

Вопрос, покупать ли в доме солнечные панели - немаловажное решение.Возникает вопрос, компенсирует ли экономия энергии затраты. Вы можете задаться вопросом, нужна ли вам сначала новая крыша или как долго прослужат солнечные батареи. Перед покупкой солнечных панелей для дома необходимо учитывать множество факторов. Ниже мы рассмотрим основы солнечных панелей и ответим на все ваши насущные вопросы, чтобы вы могли сделать правильный выбор для своего дома, бюджета и целей в области энергетики.

Как работают солнечные панели

Во-первых, как работают солнечные панели? Солнечные панели сделаны из фотоэлементов.Солнце излучает солнечное излучение, которое поглощается фотоэлементами, когда солнце светит прямо на них. Энергия солнца создает электрические заряды, которые перемещаются в соответствии с электрическим полем в ячейке, направляя поток электрической энергии. Части солнечной панели также преобразуют энергию постоянного тока в переменный, поэтому ее можно использовать в домашних условиях. Некоторые компоненты массива солнечных панелей также сохраняют энергию для дальнейшего использования, даже когда солнце не встало. Вы можете узнать больше о том, как работают солнечные панели, в нашем руководстве.

Преимущества солнечных панелей

Зачем вам домашние солнечные панели? Солнечные панели для вашего дома имеют множество преимуществ:

  • Экономия энергии : Самым прямым преимуществом является то, что вы можете получить возможность питать свой собственный дом вне электросети. Это сэкономит вам деньги, а если вы произведете дополнительную мощность, вы даже сможете получить кредит на свой счет от электроэнергетической компании.
  • Солнечная энергия - изобильный источник энергии : По данным Министерства энергетики США, всего один час полуденного летнего солнца удовлетворяет годовой спрос на электроэнергию в США.Даже если вы находитесь в зоне с сильным дождем или затенением, вы все равно можете сэкономить на счетах за электроэнергию.
  • Помогите со стоимостью вашего дома : Если вы планируете продать свой дом в будущем, наличие домашних солнечных батарей может стать большим преимуществом для покупателей и может помочь повысить стоимость вашего дома.
  • Экологичность : Поскольку солнечная энергия является возобновляемым ресурсом, вы можете минимизировать углеродный след.
  • Независимость от сбоев в электросети : В некоторых районах электрические сети менее чем надежны.Если вы испытываете частые отключения электроэнергии в вашем районе, ваша собственная солнечная энергия может поддерживать свет.
  • Обеспечьте питание вашего кемпинга. : Некоторые небольшие батареи солнечных панелей подходят прямо на дома на колесах, или вы можете взять их с собой в кемпинг, чтобы у вас было электричество, независимо от того, насколько удаленно это место.

Где купить солнечные панели

Многие предприятия специализируются на продаже и установке солнечных панелей для домов. Выполните поиск в Интернете, чтобы найти поставщиков и установщиков солнечных батарей в вашем районе.

Вы можете купить солнечные панели даже в крупных магазинах товаров для дома, таких как Home Depot. Такие магазины могут даже настроить вас на профессиональную установку, чтобы помочь вам установить солнечную панель для дома.

Многие из этих услуг также помогут вам получить доступ к финансированию солнечных панелей для вашего дома. Люди обычно берут в аренду солнечные батареи и платят ежемесячно. Многие программы предлагают скидку в размере 0 долларов, а в вашем районе даже могут быть доступны скидки через местные коммунальные компании. Вы также можете узнать о любых активных налоговых льготах, таких как налоговый кредит в размере 26% от солнечной энергии в рамках Закона о консолидированных ассигнованиях от 2021 года, который может помочь оплатить значительную часть массива.

Обновите свой дом с помощью последних достижений в области автоматизации, безопасности, коммунальных услуг, сетей и многого другого.

Установка солнечной панели

Вы можете выбрать профессиональную установку или самостоятельно установить массивы, если вам это удобно. Выберите вариант, который лучше всего соответствует вашему уровню комфорта при установке солнечных батарей. Если вы выберете профессиональную установку, обязательно поговорите со своим поставщиком солнечных батарей.Некоторые поставщики предлагают специальные цены на установку или знают субподрядчика, который может сделать это по доступной цене.

Распространенной проблемой также является то, нужна ли вам новая крыша перед установкой солнечных батарей в вашем доме. Если у вас старая крыша, возможно, вам придется заменить крышу, прежде чем устанавливать солнечные батареи в жилых помещениях. В противном случае панели могут не иметь необходимой конструкции, способной выдержать вес, и, возможно, также придется снять панели, чтобы заменить крышу.

Сейчас играет: Смотри: Водород, солнце и ветер: как этот корабль создает свое собственное...

6:53

Уход за солнечными панелями и срок их службы

Срок службы многих солнечных панелей составляет от 20 до 30 лет, обычно 25 лет. Вдобавок ко всему, они практически не требуют обслуживания, просто необходимо, чтобы вы не содержали препятствий, таких как грязь, листья и снег. Гарантии также помогают при профессиональном ремонте.

Солнечные панели имеют так называемый «срок полезного использования». Это означает, что панели постепенно вырабатывают меньше энергии по мере старения. Вы можете заметить значительное снижение количества энергии, получаемой от панелей, примерно через 25 лет после установки. Например, многие гарантии гарантируют 90% производства панелей в течение первых десяти лет и 80% в течение оставшихся 25-30 лет. Но это не значит, что они сразу же бесполезны и могут еще долгое время производить энергию.

Учитывая срок службы солнечных панелей в жилых домах, часто возникает вопрос, когда вы начнете зарабатывать деньги. Многие факторы влияют на то, когда и как вы начнете зарабатывать деньги на солнечной батарее, в том числе от того, сколько у вас солнечных панелей, сколько энергии вы используете и решите ли вы арендовать или покупать солнечные панели для своего дома.

Узнайте больше о том, когда ваши солнечные батареи начнут приносить вам прибыль.

Еще один момент, на который следует обратить внимание

Иногда вам может потребоваться уменьшить вашу зависимость от электросети, но вы не ищете серьезного дополнения или переделки дома.Небольшие солнечные гаджеты помогут вам сэкономить на счетах за электроэнергию. Попробуйте небольшие способы перейти на солнечную энергию сегодня.

На конец 2020 года у

Europe было всего 650 МВт производственных мощностей солнечных элементов - pv magazine International

Последнее обновление отчета Photovoltaics Report , подготовленное исследовательской организацией Fraunhofer ISE, представило ряд интересных статистических данных о состоянии. солнечной энергии по всему континенту.

Max Hall

Последняя версия отчета Photovoltaics Report , подготовленная немецким исследовательским центром, Институтом солнечных энергетических систем им. Фраунгофера (ISE), раскрыла состояние европейского производства фотоэлектрических систем на конец 2020 года.

На тот момент на континенте было 22,1 ГВт мощности производства поликремния солнечного качества, согласно опубликованному вчера резюме последнего обновления документа. Согласно отчету, европейские мощности по производству поликремния принадлежали норвежскому китайскому государственному производителю Elkem и немецким компаниям Wacker и Silicon Products.

Напротив, в Европе на конец 2020 года было всего 1,25 ГВт производственных мощностей по производству солнечных пластин, согласно отчету Fraunhofer ISE, базирующемуся в Норвегии, на норвежских кристаллах Norsun и REC Silicon; и во Франции на предприятии Photowatt энергетической компании EDF. Отсутствие производственных мощностей в Европе по производству элементов питания было еще более очевидным: в исследовании оценивалось всего 650 МВт оборудования, принадлежащего финской компании Valoe на своем предприятии в Литве; итальянским энергетическим бизнесом Enel у себя на родине; и Ecosolifer в Венгрии.

Утилизация фотоэлектрических модулей

pv magazine Инициатива UP обратила свой взор на вторичную переработку фотоэлектрических модулей. Охват включал: обзор текущих процессов переработки; экономика переработки с точки зрения Bloomberg NEF; будущие сценарии утилизации; и обновленная информация о политическом ландшафте ЕС и США. Свяжитесь с [email protected], чтобы узнать больше.

На конец года на рынке было 6,75 ГВт производственных мощностей солнечных модулей, однако они были распределены между 29 компаниями, выявленными исследовательским институтом.В прошлом году это составило 3% мирового рынка кремниевых солнечных модулей, заявили авторы отчета, при этом на долю Китая приходится 67% из 95%, приходящихся на более широкий азиатский регион, а на производителей в США и Канаде - 2%.

Исследование позволило оценить время окупаемости энергии типичного китайского 60-элементного солнечного модуля PERC с КПД 19,9%. Такой панели, установленной в Индии, потребуется всего 160,6 дня для выработки количества энергии, потребляемой в процессе ее производства, при этом цифра возрастает до 1.42 года - 518,3 дня - в Канаде. В примерах, приведенных авторами отчета, для балансировки системы, не генерирующих компонентов, требовалось больше всего времени для замещения своего энергетического следа, от 138,7 до 167,9 дней.

Статистические данные, представленные вчера Fraunhofer ISE, включали факты, что на долю фотоэлектрической энергии приходилось 10,6% производственных мощностей Германии, 5,3% европейских и 3,2% мировых. Немецкие фотоэлектрические системы на крыше в прошлом году стоили от 890 до 1850 евро за киловатт-пик мощности; Крупные электростанции в стране предлагают текущую нормированную стоимость энергии в 0 евро.031-0,057 / кВтч; и самый низкий тариф на солнечную электроэнергию по-прежнему составляет 0,0433 евро / кВтч, зарегистрированный в феврале 2018 года.

Несмотря на резкий сдвиг в производстве модулей из Европы в Азию, наблюдаемый с 2010 года и далее, на долю Германии приходилось 7,6% всех установленных в мире солнечных мощностей. к концу прошлого года Европа в целом принимала 23%, Китай 36%, Северная Америка 12%, Япония 9%, Индия 6% и остальной мир 14%, включая мощности вне сети.

Инверторы

Ссылаясь на данные, предоставленные британской аналитической компанией IHS Markit, в отчете текущая стоимость инверторов оценивается в 0 евро.03-0.17 / Wp для струнной продукции, занимающей 64,4% рынка; 0,04 евро / Вт для центральных инверторов, обслуживающих 33,7%; 0,08 евро для оптимизаторов мощности постоянного / постоянного тока, занимающих 5,1% рынка; и 0,25 евро / Wp для микроинверторов, которые занимают 1,4% мировой ниши.

Рассматривая многочисленные графики более подробно, исследование также показывает, как зеленый тариф на солнечную энергию в Германии резко упал в тот момент, когда цены на электроэнергию для домашних хозяйств начали стабильно расти в течение 2008-13 гг. 7-8 ГВт солнечной мощности в 2010, 2011 и 2012 годах, сразу после того, как производство было перенесено на Дальний Восток.Однако для европейских производителей может быть обнадеживающий рост количества установок в Германии на стабильном уровне 1 ГВт или около того в год с 2017 года.

Этот контент защищен авторским правом и не может быть использован повторно. Если вы хотите сотрудничать с нами и хотели бы повторно использовать часть нашего контента, свяжитесь с нами: [email protected]

Сколько солнечных панелей мне нужно для питания моего дома?

Переключение на Солнечная энергия может помочь вам снизить или даже исключить ежемесячные счета за электричество, уменьшая при этом углеродный след.Однако перед тем, как установить в доме систему чистой энергии, вы должны сначала ответить на важный вопрос: «Сколько солнечных панелей мне нужно?»

Чтобы точно рассчитать идеальное количество солнечных панелей для вашего дома, вам потребуется профессиональная оценка. Однако вы можете оценить размер и стоимость системы на основе ваших счетов за электроэнергию, потребностей в энергии и доступного места на крыше. Эта статья расскажет вам, как это сделать.


Если вы совершите покупку по включенным ссылкам, мы можем получать комиссию.

Факторы, влияющие на количество необходимых солнечных панелей

Чтобы определить, сколько солнечных панелей необходимо для питания дома, необходимо учитывать несколько факторов. Например, если в Калифорнии и Нью-Йорке есть два идентичных дома, питающихся от солнечной энергии, с одинаковым энергопотреблением, для дома в Калифорнии потребуется меньше солнечных панелей, потому что штат получает больше солнечного света.

Ниже приведены некоторые из наиболее важных факторов, которые следует учитывать при выборе необходимого количества солнечных панелей:

Размер вашего дома и доступное пространство на крыше

Большие дома, как правило, потребляют больше электроэнергии, и им, как правило, требуется больше солнечных батарей.Однако у них также есть дополнительное пространство на крыше, необходимое для установки более крупных солнечных панелей. Из этого правила могут быть исключения - например, дом площадью 2000 квадратных футов с новыми приборами Energy Star может потреблять меньше энергии, чем дом площадью 1200 квадратных футов со старыми, менее эффективными устройствами.

Что касается установки, солнечные панели можно размещать на многих типах поверхностей. Однако состояние вашей крыши может ограничить количество солнечных панелей, которые может выдержать ваш дом.

Например, если у вас есть дымоход, кондиционер на крыше или световой люк, вам придется разместить панели вокруг этих приспособлений.Точно так же для панелей не подходят участки крыши, покрытые тенями. Кроме того, большинство ведущие компании, работающие в сфере солнечной энергии, не будут работать с асбестовыми крышами из-за потенциальных рисков для здоровья установщиков.

Количество прямого солнечного света в вашем районе

Там, где доступно больше солнечного света, больше энергии можно преобразовать в электричество. Годовая мощность каждой солнечной панели выше в таких штатах, как Аризона или Нью-Мексико, которые получают больше солнечного света, чем менее солнечные регионы, такие как Новая Англия.

Всемирный банк создал Карты солнечной радиации для более чем 200 стран и регионов, включая США. Карта ниже может дать вам представление о том, сколько солнечного света доступно в вашем регионе. Имейте в виду, что для домов в более солнечных регионах, как правило, требуется меньше солнечных батарей.

© 2020 Всемирный банк, Источник: Global Solar Atlas 2.0, данные о солнечных ресурсах: Solargis.

Количество жителей и количество используемой энергии

Домохозяйства с большим количеством членов обычно потребляют больше электроэнергии, а это также означает, что им нужно больше солнечных панелей для увеличения производства энергии.

Использование электроэнергии является очень важным фактором, так как от него зависит, сколько энергии должно вырабатывать солнечные панели. Если ваш дом потребляет 12 000 киловатт-часов (кВтч) в год и вы хотите полностью использовать солнечную энергию, ваша система должна быть способна вырабатывать такое количество энергии.

Тип солнечной панели и рейтинг эффективности

Высокоэффективные панели могут выдавать больше ватт на квадратный фут, а это означает, что вам нужно покупать их меньше, чтобы достичь цели по выработке электроэнергии.Есть три основных типа солнечных панелей: монокристаллические, поликристаллические и тонкопленочные. В целом, монокристаллические панели являются наиболее эффективными солнечными панелями, за ними следуют поликристаллические панели. Тонкопленочные панели наименее эффективны.

Как оценить необходимое количество солнечных панелей

Итак, исходя из этих факторов, сколько солнечных панелей питает дом? Чтобы приблизительно определить, сколько солнечных панелей вам нужно без профессиональной оценки, вам нужно выяснить две основные вещи: сколько энергии вы потребляете и сколько энергии будут производить ваши панели.

Согласно последним данным Управления энергетической информации США (EIA), средний американский дом потребляет 10 649 кВтч энергии в год. Однако это зависит от штата. Например:

  • Дома в Луизиане имеют самое высокое среднее потребление - 14 787 кВт / ч в год.
  • У
  • домов на Гавайях самое низкое среднее потребление - 6 298 кВт / ч в год.

Чтобы более точно оценить, сколько энергии вы потребляете ежегодно, сложите кВтч, указанные в ваших последних 12 счетах за электроэнергию.Эти цифры будут колебаться в зависимости от таких факторов, как размер вашего дома, количество жителей, ваши привычки потребления электроэнергии и рейтинг энергоэффективности ваших домашних устройств.

Удельная мощность панели солнечных батарей

После того, как вы определите, сколько кВтч электроэнергии использует ваш дом в год, вам нужно будет выяснить, сколько кВтч вырабатывается каждой из ваших солнечных панелей в течение года. Это будет зависеть от конкретного типа солнечной панели, состояния кровли и местных часов пикового солнечного света.

В солнечной энергетике обычным показателем, используемым для оценки производительности системы, является «удельная мощность» или «удельная производительность». Это можно определить как годовой объем энергии, произведенной на каждый киловатт установленной солнечной мощности. Конкретный урожай во многом зависит от количества солнечного света, доступного в вашем районе.

Вы можете получить лучшее представление о конкретной урожайности, которая может быть достигнута в вашем регионе, проверив надежные источники, такие как солнечные карты Всемирного банка или базу данных солнечного излучения Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии.

Чтобы оценить, сколько кВт необходимо для эксплуатации дома, вы можете разделить годовое потребление кВтч на удельную мощность на киловатт солнечной мощности. Например, если вашему дому требуется 15 000 кВт · ч энергии в год, а удельная мощность солнечных панелей в вашем регионе составляет 1500 кВт / кВт, вам потребуется система размером около 10 кВт.

Компания Paradise Energy Solutions также предложила общую формулу, которая приблизительно соответствует размеру системы солнечных батарей, который вам нужен. Вы можете просто разделить свой годовой кВтч на 1200, и вы получите необходимые киловатты солнечной мощности.Итак, если потребление энергии, указанное в ваших последних 12 счетах за электроэнергию, в сумме составляет 24 000 кВтч, вам понадобится система на 20 кВт (24 000/1 200 = 20).

Итак, сколько солнечных панелей мне нужно?

Как только вы узнаете, какой размер системы вам нужен, вы можете проверить мощность своей панели, чтобы определить, сколько панелей нужно приобрести для вашей солнечной батареи. Умножьте размер вашей системы на 1000, чтобы получить ватт, а затем разделите его на индивидуальную мощность каждой солнечной панели.

Большинство из Лучшие солнечные панели на рынке имеют мощность от 330 Вт до 360 Вт каждая.Мощность менее эффективных панелей может составлять всего 250 Вт.

Итак, если вам нужна солнечная установка мощностью 10 кВт и вы покупаете солнечные панели мощностью 340 Вт, вам понадобится 30 панелей. Ваша формула будет выглядеть так: 10 000 Вт / 340 Вт = 29,4 панели.

Если вы используете 250-ваттные солнечные панели с низкой эффективностью, вам понадобится 40 из них (10 000 Вт / 250 Вт = 40).

Имейте в виду, что, хотя Стоимость солнечных панелей ниже, если вы выберете модель с более низким КПД, а не более дорогую модель с высоким КПД, общая сумма, которую вы платите за свою солнечную энергетическую систему, может оказаться такой же или большей, потому что вам придется покупать больше панелей .

Сколько места на крыше нужно для домашней солнечной системы?

После того, как вы подсчитаете, сколько солнечных панелей питает дом, следующим шагом будет расчет площади крыши, необходимой для их установки. Точные размеры могут незначительно отличаться в зависимости от производителя, но типичная солнечная панель для домашнего использования имеет размеры 65 на 39 дюймов или 17,6 квадратных футов. Вам потребуется 528 квадратных футов пространства на крыше для установки 30 панелей и 704 квадратных футов для установки 40.

Помимо необходимого места для солнечных панелей, вам также понадобится конструкция крыши, которая выдержит их вес.Домашняя солнечная панель весит около 20 килограммов (44 фунта), а это означает, что 30 из них добавят вашей крыше около 600 килограммов (1323 фунта).

Вы заметите, что некоторые солнечные панели описаны как жилые, а другие - как коммерческие. Жилые панели имеют 60 индивидуальных солнечных элементов, в то время как коммерческие панели имеют 72 элемента, но оба типа будут работать в любом здании. Вот несколько ключевых отличий:

  • Коммерческие солнечные панели производят примерно на 20% больше энергии благодаря дополнительным элементам.
  • Коммерческие панели также дороже, а также на 20% больше и тяжелее.
  • 60-элементные солнечные панели для жилых помещений легче устанавливать в домашних условиях, что позволяет экономить трудозатраты, а их меньший размер помогает при ограниченных размерах крыши.

Некоторые из последних конструкций солнечных панелей имеют полуэлементы с более высокой эффективностью, что означает, что они имеют 120 ячеек вместо 60 (или 144 вместо 72). Однако это не меняет размеров панелей.

Заключение: стоят ли солнечные батареи для вашего дома?

Солнечные панели не производят выбросов углерода во время работы. Тем не менее, по оценкам EIA, ископаемое топливо по-прежнему производит около 60% электроэнергии поставляют электрические сети США.

Хотя первоначальные инвестиции в солнечные панели высоки, системы возобновляемых источников энергии имеют финансовый смысл для многих домовладельцев. По данным Министерства энергетики, они имеют типичный срок окупаемости около 10 лет, а их номинальный срок службы - до 30 лет.После окупаемости ваших первоначальных инвестиций у вас будет источник чистой и бесплатной электроэнергии примерно на два десятилетия.

Кроме того, даже если у вас большой дом или вам нужно больше солнечных панелей, чем вы изначально думали, имейте в виду, что существуют как федеральные, так и местные налоговые льготы, скидки и другие стимулы, которые помогут вам сэкономить на вашей солнечной энергетической системе.

Чтобы получить бесплатное предложение без каких-либо обязательств и узнать, сколько будет стоить система солнечных батарей для вашего дома, заполните 30-секундную форму ниже.

Солнечный свет, питающий солнечные батареи, также повреждает их. «Легирование галлием» дает решение

Солнечная энергия уже является самой дешевой формой производства электроэнергии, и ее стоимость будет продолжать снижаться по мере появления новых усовершенствований в технологии и ее мировом производстве. Теперь новое исследование изучает то, что может стать еще одним поворотным моментом в производстве солнечных элементов.

В Австралии более двух миллионов крыш имеют солнечные батареи (больше всего на душу населения в мире).Основной материал панелей - силикон. Кремний составляет большинство компонентов отдельных солнечных элементов, необходимых для преобразования солнечного света в энергию. Но необходимы и другие элементы.

Исследование, проведенное нашей группой в Школе фотоэлектрических и возобновляемых источников энергии Университета Нового Южного Уэльса, показывает, что добавление галлия к кремнию элемента может привести к очень стабильным солнечным панелям, которые гораздо менее подвержены деградации в течение их срока службы.

Это долгосрочная цель для следующего поколения солнечных панелей: чтобы они производили больше энергии в течение всего срока службы, а это означает, что электроэнергия, производимая системой, будет дешевле в долгосрочной перспективе.

Поскольку для этого все больше и больше используется галлий, наши результаты предоставляют надежные данные, которые могут позволить производителям принимать решения, которые в конечном итоге окажут глобальное влияние.

Процесс «легирования» солнечных элементов

Солнечный элемент преобразует солнечный свет в электричество, используя энергию солнечного света для «отделения» отрицательных зарядов или электронов в кремнии. Затем электроны собираются в виде электричества.

Однако, сияющий свет на простом куске кремния не генерирует электричество, поскольку электроны, высвобождаемые из света, не все текут в одном направлении.Чтобы электричество текло в одном направлении, нам нужно создать электрическое поле.


Прочитайте больше: Любопытные дети: как работают солнечные батареи?


В кремниевых солнечных элементах - тех, которые в настоящее время производят электроэнергию для миллионов австралийских домов - это достигается путем добавления к кремнию различных примесных атомов, чтобы создать область, которая имеет больше отрицательных зарядов, чем нормальный кремний (кремний n-типа) и область с меньшим количеством отрицательных зарядов (кремний p-типа).

Когда мы соединяем две части кремния, мы формируем так называемый «p-n переход». Это позволяет солнечной батарее работать. А добавление примесных атомов в кремний называется «легированием».

Неблагоприятный побочный эффект солнечного света

Наиболее часто используемым атомом для формирования части кремния p-типа с меньшим отрицательным зарядом, чем у простого кремния, является бор.

Бор - отличный атом для использования, поскольку он имеет точное количество электронов, необходимое для этой задачи.Он также может очень равномерно распределяться через кремний во время производства кристаллов высокой чистоты, необходимых для солнечных элементов.

Но, как ни крути, яркий свет на борсодержащий кремний может ухудшить качество кремния. Это часто называют «деградацией, вызванной светом», и это была горячая тема в исследованиях солнечной энергии в последнее десятилетие.

Причина такой деградации относительно хорошо понятна: когда мы делаем чистый кремниевый материал, мы должны целенаправленно добавлять некоторые примеси, такие как бор, для создания электрического поля, приводящего в движение электричество.Однако в результате в кремний встраиваются и другие нежелательные атомы.

Один из этих атомов - кислород, который попадает в кремний из тигля - большого горячего котла, в котором кремний очищается.

Когда свет падает на кремний, содержащий бор и кислород, они связываются вместе, вызывая дефект, который может задерживать электричество и уменьшать количество энергии, вырабатываемой солнечной панелью.

К сожалению, это означает, что солнечный свет, питающий солнечные батареи, также повреждает их в течение всего срока службы.Элемент под названием галлий, похоже, может решить эту проблему.

Разумный подход

Бор - не единственный элемент, который мы можем использовать для изготовления кремния p-типа. Беглое прочтение таблицы Менделеева показывает, что целый столбец элементов имеет на один отрицательный заряд меньше, чем кремний.

Добавление одного из этих атомов к кремнию нарушает баланс между отрицательным и положительным зарядом, который необходим для создания нашего электрического поля. Из этих атомов наиболее подходящим является галлий.

Галлий - очень подходящий элемент для изготовления кремния p-типа. Фактически, многочисленные исследования показали, что он не связывается с кислородом, вызывая разложение. Итак, вам может быть интересно, почему мы все время не использовали галлий?

Что ж, причина, по которой мы застряли в использовании бора вместо галлия в течение последних 20 лет, заключается в том, что процесс легирования кремния галлием был заблокирован патентом. Это помешало производителям использовать такой подход.

Кремниевый гетеропереходный солнечный элемент, легированный галлием.Роберт Андервуд / UNSW

Но срок действия этих патентов окончательно истек в мае 2020 года. С тех пор промышленность быстро перешла с бора на галлий для производства кремния p-типа.

Фактически, в начале 2021 года ведущий производитель фотоэлектрических элементов Hanwha Q Cells оценил, что около 80% всех солнечных панелей, произведенных в 2021 году, использовали легирование галлием, а не бор - значительный переход за такое короткое время!

Действительно ли галлий повышает стабильность солнечных панелей?

Мы исследовали, действительно ли солнечные элементы из кремния, легированного галлием, более стабильны, чем солнечные элементы из кремния, легированного бором.

Чтобы выяснить это, мы создали солнечные элементы с использованием конструкции «кремниевого гетероперехода», которая на сегодняшний день привела к созданию кремниевых солнечных элементов с наивысшей эффективностью. Эта работа была проделана в сотрудничестве с Hevel Solar в России.

Мы измерили напряжение солнечных элементов, легированных бором и галлием, в течение 300 000 секунд при испытании на пропускание света. Солнечный элемент, легированный бором, претерпел значительную деградацию из-за связывания бора с кислородом.

Между тем, солнечный элемент, легированный галлием, имел гораздо более высокое напряжение.Наш результат также продемонстрировал, что кремний p-типа, изготовленный с использованием галлия, очень стабилен и может помочь сэкономить на этом типе солнечных элементов.

Думать, что производители могут масштабно работать с галлием, производя солнечные элементы, которые являются одновременно более стабильными и потенциально более дешевыми, - это чрезвычайно захватывающая перспектива.

Самое приятное то, что наши выводы могут иметь прямое влияние на промышленность. А более дешевое солнечное электричество для наших домов означает светлое будущее и для нашей планеты.


Прочитайте больше: Это может показаться безумием, но скоро Австралия сможет экспортировать солнечный свет в Азию по кабелю длиной 3800 км.


Слой из трех кристаллов дает в тысячу раз больше мощности

Структурная характеристика сверхрешеток. (A) Поперечный разрез STEM, полученный из образца SBC222. (B) STEM с высоким разрешением из части отсканированной области. На схеме изображено расположение элементарных ячеек.RSM получил отражение около (103) в (C) BTO, (D) SBC555, (E) SBC252 и (F) SBC222. Звездочка и желтые стрелки указывают на субстрат STO и сателлитные пики от SL соответственно. Кредит: Science Advances (2021 г.). DOI: 10.1126 / sciadv.abe4206

Фотоэлектрический эффект сегнетоэлектрических кристаллов может быть увеличен в 1000 раз, если три разных материала периодически размещаются в решетке. Это было выявлено в исследовании ученых из Университета Мартина Лютера в Галле-Виттенберге (MLU).Они достигли этого путем создания кристаллических слоев титаната бария, титаната стронция и титаната кальция, которые они поочередно помещали друг на друга. Их выводы, которые могут значительно повысить эффективность солнечных элементов, были опубликованы в журнале Science Advances .

Большинство солнечных элементов в настоящее время основаны на кремнии; однако их эффективность ограничена.Это побудило исследователей изучить новые материалы, такие как сегнетоэлектрики, такие как титанат бария, смешанный оксид бария и титана. «Сегнетоэлектрик означает, что материал имеет пространственно разделенные положительные и отрицательные заряды», - объясняет физик д-р Акаш Бхатнагар из Центра инновационной компетенции SiLi-nano MLU. «Разделение зарядов приводит к асимметричной структуре, которая позволяет вырабатывать электричество из света». В отличие от кремния, сегнетоэлектрические кристаллы не нуждаются в так называемом pn-переходе для создания фотоэлектрического эффекта, другими словами, никаких положительно и отрицательно легированных слоев.Это значительно упрощает производство солнечных батарей.

Однако чистый титанат бария не поглощает много солнечного света и, следовательно, генерирует сравнительно низкий фототок. Последние исследования показали, что сочетание чрезвычайно тонких слоев различных материалов значительно увеличивает выход солнечной энергии. «Здесь важно то, что сегнетоэлектрический материал чередуется с параэлектрическим материалом. Хотя последний не имеет разделенных зарядов, он может стать сегнетоэлектрическим при определенных условиях, например, при низких температурах или когда его химическая структура немного изменена», - объясняет Бхатнагар.

Исследовательская группа Бхатнагара обнаружила, что фотоэлектрический эффект значительно усиливается, если сегнетоэлектрический слой чередуется не только с одним, но и с двумя разными параэлектрическими слоями. Есыль Юн, доктор философии. студент MLU и первый автор исследования объясняет: «Мы внедрили титанат бария между титанатом стронция и титанатом кальция. Это было достигнуто путем испарения кристаллов с помощью мощного лазера и повторного осаждения их на несущие подложки. 500 слоев толщиной около 200 нанометров.«

При проведении фотоэлектрических измерений новый материал облучали лазерным светом. Результат удивил даже исследовательскую группу: по сравнению с чистым титанатом бария такой же толщины ток был в 1000 раз сильнее - и это несмотря на то, что доля титаната бария как основного фотоэлектрического компонента была уменьшена почти на две трети. . «Взаимодействие между слоями решетки, по-видимому, приводит к гораздо более высокой диэлектрической проницаемости - другими словами, электроны могут двигаться намного легче из-за возбуждения световыми фотонами», - объясняет Акаш Бхатнагар.Измерения также показали, что этот эффект очень устойчив: он оставался почти постоянным в течение шести месяцев.

Теперь необходимо провести дальнейшие исследования, чтобы точно выяснить, что вызывает выдающийся фотоэлектрический эффект. Бхатнагар уверен, что потенциал, продемонстрированный новой концепцией, может быть использован для практических применений в солнечных батареях. «Слойная структура показывает более высокий выход во всех температурных диапазонах, чем чистые сегнетоэлектрики. Кристаллы также значительно более долговечны и не требуют специальной упаковки."


Выявлена ​​тонкая структура потенциальной альтернативы соединению свинца, используемому в датчиках
Дополнительная информация: Есеул Юн и др., Сильно усиленный и настраиваемый фотоэлектрический эффект в сегнето-параэлектрических сверхрешетках, Science Advances (2021).DOI: 10.1126 / sciadv.abe4206

Предоставлено Мартин-Лютер-Университет Галле-Виттенберг

Ссылка : Солнечные элементы: слой из трех кристаллов производит в тысячу раз больше энергии (2021 год, 20 июля) получено 4 августа 2021 г. из https: // techxplore.ru / news / 2021-07-солнечные-элементы-слой-кристаллы-тысяча.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

Новый голографический коллектор повышает эффективность панели солнечных батарей

Голографический коллектор света разделяет цвета солнечного света и направляет их на солнечные элементы.Предоставлено: R.K. Костук, Университет Аризоны,

Голограммы увеличивают выход солнечной энергии

Недавно разработанный голографический коллектор света повышает эффективность солнечных панелей, увеличивая преобразование энергии примерно на пять процентов в течение года.

Энергии, получаемой от солнечного света, в 10 000 раз больше, чем требуется для удовлетворения мировых потребностей в энергии. Солнечный свет имеет два основных свойства, которые полезны при проектировании систем возобновляемой энергии.Первый - это количество энергии, падающее на фиксированную область, например на землю или крышу человека. Это количество зависит от времени суток и сезона. Второе свойство - это цвета или спектр солнечного света.

Один из способов улавливать солнечную энергию - это использовать солнечные элементы, которые напрямую превращают солнечный свет в электричество. В солнечных модулях, подобных тем, которые люди размещают на крыше, многие элементы собраны на жесткой панели, соединены друг с другом, герметизированы и покрыты защитным стеклом. Солнечный элемент лучше всего работает, когда на него падает солнечный свет определенных цветов и когда вся площадь покрыта фотоэлементами.Однако для соединения ячеек требуется некоторая площадь панели, а форма солнечного элемента может не позволять всей оставшейся площади панели собирать солнечный свет. Эти эффекты делают солнечную панель менее эффективной, чем могла бы быть. Улавливание как можно большего количества солнечного света на солнечной панели имеет решающее значение для эффективного использования солнечной энергии.

Исследователи из Университета Аризоны недавно разработали инновационный метод улавливания неиспользованной солнечной энергии, которая освещает солнечную панель. Как сообщается в журнале Journal of Photonics for Energy (JPE), они создали специальные голограммы, которые можно легко вставить в корпус солнечной панели.Каждая голограмма разделяет цвета солнечного света и направляет их на солнечные элементы внутри солнечной панели. Этот метод может увеличить количество солнечной энергии, преобразуемой солнечной панелью в течение года, примерно на пять процентов. Это снизит стоимость и количество солнечных панелей, необходимых для питания дома, города или страны.

Исследование проводилось при поддержке Центра инженерных исследований QESST, спонсируемого Национальным научным фондом США и Министерством энергетики США для решения проблемы преобразования производства электроэнергии для устойчивого удовлетворения растущих потребностей в энергии.

Низкая стоимость, экологичный дизайн

Разработанный аспирантом Цзяньбо Чжао под руководством Раймонда К. Костука, профессора электротехники, компьютерной инженерии и оптических наук, и в сотрудничестве с другим аспирантом Бенджамином Крайслером, голографический светоприемник сочетает в себе недорогой голографический оптический элемент с диффузор. Оптический элемент расположен симметрично в центре фотоэлектрического модуля для получения максимально эффективного сбора света.

Оптический элемент голографического светоприемника расположен симметрично в центре фотоэлектрического модуля для получения максимально эффективного светосбора. Кредит: Чжао, Крайслер и Костук, doi 10.1117 / 1.JPE.11.027002

.

Команда вычислила ежегодное улучшение выработки энергии для Тусона, штат Аризона, и представила воспроизводимый метод оценки эффективности сбора энергии голографическим светоприемником в зависимости от угла наклона солнца в разное время дня, в разное время года и в разное время. географическое положение.

По словам главного редактора JPE Шона Шахина из Университета Колорадо в Боулдере, коллектор и связанный с ним метод заслуживают особого внимания, потому что они дешевы и масштабируемы, а также эффективны: «Увеличение годового выхода солнечной энергии примерно на пять процентов». Энергия, получаемая с помощью этого метода, может иметь большое влияние при масштабировании даже до небольшой доли из сотен гигаватт фотоэлектрических систем, устанавливаемых по всему миру. Команда профессора Костука продемонстрировала свой голографический подход с помощью недорогого материала на основе желатина, который легко производится в больших количествах.И хотя желатин обычно получают из коллагена животного происхождения, прогресс в лабораторных версиях сделал вероятным, что синтетические альтернативы можно будет использовать в больших масштабах ».

Чжао и его соавторы воодушевлены результатами своих исследований и надеются на будущую работу по дальнейшей оптимизации выхода энергии голографических светоприемников путем экспериментальной оценки материалов.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *