Кремниевые солнечные батареи: принцип работы, типы, преимущества и недостатки

Тонкопленочные технологии часто рассматривают как будущее фотоэлектрической энергетики, несмотря на то, что в настоящее время более 90% всех производимых в мире солнечных модулей — кристаллические. Тем не менее, технологии тонкопленочных модулей развиваются очень быстро, причем в нескольких направлениях. Самая первая технология тонкопленочных модулей, которая получила коммерческое распространение — пленка из аморфного кремния. Первое поколение с однопереходными солнечными элементами имело малый срок службы (до 10 лет) и КПД 4-5%. Второе поколение также имело однопереходные элементы, но их срок службы уже практически сравнялся со сроком службы кристаллических элементов, а КПД составлял 6-8%. К третьему поколению можно отнести наиболее современные многопереходные тонкопленочные элементы, которые позволяют достичь еще большего КПД (до 12%) при длительном сроке службы.

Также, существуют гибридные аморфно-кристаллические модули, которые позволяют комбинировать преимущества как аморфных, так и кристаллических модулей. В России такие многопереходные гетероструктурные модули производит компания Hevel Solar.

Тонкопленочные модули бурно развивались в начале 2000-х годов, когда был дефицит производства кремния для солнечной энергетики. Тогда производители пытались уменьшить расход кремния при производстве солнечных панелей и снизить их стоимость. Однако к концу «нулевых» в мире были введены огромные мощности по производству солнечного кремния, которые закрыли все потребности производителей. Это привело к тому, что тонкопленочные модули были практически полностью вытеснены с рынка. Основной причиной был низкий КПД таких модулей (практически в 2 раза ниже, чем у кристаллических), а также необходимость двойного стекла при производстве таких паналей (одно стекло использовалось как подложка для полупроводникового перехода, а второе было защитным), что приводило к большой удельной массе солнечных панелей.

При производстве тонкоплёночных модулей расходуется примерно в 10 раз меньше кремния, чем для кристаллического. Однако рыночная ситуация сейчас (в 2021 году)  такова, что ввиду закрытия большинства производств по изготовлению тонкоплёночных модулей из аморфного кремния, они зачастую за ватт продаются дороже, чем обычные кристаллические солнечные панели.

Объёмы производства тонкоплёночных кремниевых модулей сейчас составляют несколько процентов от общего объёма рынка солнечных панелей. В основном это некремниевые солнечные модули. Они используются в рыночной нише интегрированных в здания солнечных панелей — то есть там, где в первую очередь важен аутентичный внешний вид (тонкопленочные модули похожи на затонированное стекло).

Преимущества тонкопленочных солнечных модулей

Фотоэлектрические модули из аморфного кремния имеют ряд преимуществ по сравнению с моно- и поликристаллическими панелями, а именно:

Зависимость выработки различных типов фотоэлектрических модулей от интенсивности света

Сравнение выработки аморфных и кристаллических модулей
]
Влияние затенения на выработку солнечных тонкопленочных модулей

1. лучшая работа при повышении температуры. Фотоэлектрические модули из тонкой пленки аморфного кремния в течение теплого периода года производят больше электрической энергии, в то время как кристаллические модули по мере повышения температуры снижают свою эффективность. Тонкопленочные солнечные модули меньше подвержены снижению мощности при нагреве, при котором кристаллические модули теряют 15-20% мощности.
2. бОльшая удельная выработка при низкой освещенности и при рассеянном свете. Модули из аморфного кремния могут работать при освещенностях, при которых кристаллические модули уже прекращают генерацию энергии, поэтому при слабом и рассеянном солнечном свете работа фотоэлектрических модулей из аморфного кремния намного лучше, чем моно- и поликристаллических кремниевых панелей. В пасмурную и дождливую погоду тонкопленочные солнечные батареи генерируют на 10-20% больше энергии, чем кристаллические панели.
3. возможность незаметной интеграции в здание (замена окон, остекление стен, и т. п.)
4. меньшая вероятность производственных дефектов. Поскольку процесс производства аморфных модулей более прост, то в продукции значительно меньше дефектов. При производстве кристаллических солнечных модулей используется пайка для электрического соединения солнечных элементов между собой. Это было и остается слабым местом, где традиционные модули испытывают много гарантийных проблем. Совсем по-другому обстоит дело с тонкопленочными солнечными модулями — модуль формируется сразу практически любых размеров, пайка отдельных солнечных элементов не требуется.
5. меньшая потеря мощности при частичном затенении. Кристаллические кремниевые модули теряют 25% и более процентов своей производительности при даже незначительном затенении или грязи на модулях. Тонкопленочные модули уменьшают выработку совсем незначительно, что в результате приводит к реально лучшей производительности в течение всего срока службы модулей (примечание — падение выработки тонкопленочных модулей зависит от того, как затеняется модуль — по длине или ширине).

Недостаток у аморфных модулей один, но зачастую он перекрывает их достоинства — примерно в 2 меньший КПД по сравнению с кристаллическими модулями.

В качестве подложки для аморфных модулей можно использовать как стекло, так и другие гибкие прозрачные материалы. Есть модули на гибкой основе, которые используются в качестве гибкой черепицы, есть модули, которые можно скатывать в рулоны для транспортировки, есть интегрированные в различные бытовые предметы — одежду, сумки, головные уборы и т.п. Однако в большинстве случаев используются модули на стекле, причем для защиты задней стороны модулей также применяют стекло. Это ведет ко второму существенному недостатку аморфных модулей — большему весу за счет применения двойного стекла (как известно, у кристаллических модулей с задней стороны обычно используется защитная пленка.

Область применения аморфных модулей

Аморфные модули рекомендуется применять в следующих случаях:

• в регионах с обычно облачной погодой (рассеянный или отраженный свет)
• в жарком климате, когда модули обычно нагреваются более 50-60 градусов
• если нет ограничений по площади и максимальному весу солнечной батареи
• если нужно интегрировать фотоэлектрические модули в здание — аморфные модули практически невозможно отличить от тонированного стекла. В отличие от традиционных кристаллических, тонкопленочные модули могут быть использованы для различных дизайнерских и конструкторских решений. В дополнение к традиционной установке на крыше, прочные, стильные и изящные фотоэлектрические модули из аморфного кремния широко применяются для отделки фасадов зданий как отдельные элементы, архитектурные композиции и решения, что до последнего времени считалось невозможным.
• если нужна частичная прозрачность модулей — аморфные модули можно делать с прозрачностью от 5 до 20% (с соответствующим уменьшением вырабатываемой мощности).

Современные аморфные модули имеют такую же деградацию, как и кристаллические модули. Производитель дает гарантию на то, что мощность модулей снизится не более 10% от номинальной за 10 лет эксплуатации, и не более 20% — за 25 лет эксплуатации. Это соответствует деградации и гарантиям на модули из кристаллического кремния.

Как упоминалось выше, тонкоплёночные модули вырабатывают больше энергии на ватт установленной мощности. Это подтверждается многолетними испытаниями солнечных модулей различного типа в Институте Высоких Температур (ИВТАН) в Москве. Результаты испытаний показывают, что на кВт установленной мощности тонкоплёночные модули в условиях Москвы вырабатывают 726 кВт*ч/кВт/год, в то время как обычные монокристаллические модули — около 690 Вт*ч/кВт/год.

^{*В модуле Телеком-СТВ TSM210SB используются высокоэффективные солнечные элементы SunPower. В солнечном модуле Canadian Solar также применены высокоэффективные солнечные элементы, сделанные по проприетарной технологии ELPS
**GET AT2 — тонкопленочный модуль из аморфного кремния, второго поколения.}

См. также про Сравнение тонкопленочных и кристаллических фотоэлектрических модулей

Эта статья прочитана 18762 раз(а)!

Продолжить чтение

• Основы фотоэнергетики (Содержание)

  10000

  Что такое солнечные элементы, модули, инверторы, контроллеры, электростанции? Солнечная энергетика становится мейнстримом современной энергетики, и с каждым годом вызывает все больший интерес. Фотоэлектрическая энергетика — новая отрасль, которая стремительно развивается и уже сейчас современный мир невозможно представить без солнечных фотоэлектрических…

• Соединение солнечных панелей — 2 важных правила

  67

  Как правильно соединять солнечные модули в солнечную батарею? Для увеличения мощности солнечной батареи несколько фотоэлектрических модулей соединяют последовательно и/или параллельно. Увеличение мощности солнечной батареи позволяет больше использовать экологически чистую солнечную энергию для питания различных потребителей электроэнергии. Очень часто наши клиенты…

• 7 мифов о солнечной энергетике

  65

  Главные 7 мифов о солнечных батареях По разным причинам в интернете есть много неправильной информации о недостатках или проблемах солнечных батарей. Некоторые заявления о солнечной энергетике приносят вред делу борьбы с изменением климата и за уменьшение токсичных выбросов. Большая часть…

• Солнечные элементы

  63

  Как работают солнечные фотоэлектрические элементы? 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…

• Фотоэлектрические модули

  59

  Фотоэлектрические модули (солнечные панели) Солнечные панели состоят из солнечных элементов. Так как один солнечный элемент не производит достаточного количества электроэнергии для большинства применений, солнечные элементы собираются в солнечных модулях для того, чтобы производить больше электричества. Модули производятся из псевдоквадратных или…

• 12 преимуществ Double-Glass солнечных модулей

  59

  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…

Перовскит увеличит эффективность кремниевых солнечных батарей без ущерба для производства

Швейцарские ученые разработали технологию получения солнечного элемента, который одновременно включает в себя и кремниевую, и перовскитную части. Эффективность гибридной батареи составила 25,2 процента — это рекордный показатель для батарей такого типа. При этом стоимость технологии не сильно отличается от стоимости производства стандартных кремниевых элементов, пишут ученые в Nature Materials.

Наиболее распространенным полупроводниковым материалом, который может поглощать солнечный свет и преобразовывать его в электрическую энергию, остается кремний — именно из него сделано большинство современных солнечных батарей. Один из основных недостатков этого материала — фундаментальные ограничения в эффективности преобразования энергии: для однослойной солнечной батареи из кремния ее максимум не превышает 30 процентов. Значительно больших КПД удается добиться при использовании многослойных ячеек из других полупроводниковых материалов. Например, эффективность солнечных батарей из арсенидов галлия и индия приближается к 50 процентам, однако их производство очень дорого и в промышленных масштабах пока что не может быть реализовано.

В качестве замены кремнию именно для массового производства солнечных батарей чаще других материалов предлагают использовать соедиенения со структурой перовскита. Обычно перовскитные солнечные ячейки включают в себе органо-неорганические материалы на основе трииодида метиламмония свинца (CH₃NH₃PbI₃), и уже сейчас их эффективность превышает 20 процентов. Дополнительно повысить КПД батарей на основе перовскитных материалов тоже можно за счет использования многослойных полупроводниковых структур, однако, как и в случае с арсенидными элементами, производство эффективных перовскитных ячеек из большого числа слоев нанометровой толщины пока остается слишком дорогим.

Для уменьшения стоимости производства многослойных перовскитных солнечных элементов и одновременного увеличения их эффективности швейцарские ученые под руководством Кентена Жангро (Quentin Jeangros) из Федеральной политехнической школы Лозанны предложили наносить тонкий слой перовскитного полупроводника на поверхность более эффективных кремниевых ячеек. Использование подобных гибридных элементов позволяет увеличить эффективность поглощения солнечного света: перовскит лучше поглощает в синей и зеленой частях спектра, а кремний — в красной и инфракрасной.

Подобные гибридные ячейки уже пытались получать, однако все они использовали плоские полированные кремниевые поверхности, которые недостаточно эффективно поглощают свет. Более эффективные кристаллы кремния, которые используются сейчас в солнечных элементах, имеют на своей поверхности текстуру, состоящую из массива пирамидок микронного размера, что сильно снижает долю отраженного света. Однако такая текстура затрудняет осаждение на нее слоев других составов с помощью традиционных методов (таких как спин-коутинг). Поэтому в данном случае ученые предложили использовать для получения перовскитного и промежуточных слоев целый комплекс методов осаждения пленок из газовой фазы после совместного испарения компонентов, в том числе термическое напыление, атомно-слоевое осаждение и магнетронное распыление.

В результате правильного подбора составов всех слоев, необходимых для создания p-i-n-перехода, химикам удалось получить солнечный элемент, в котором поверхность кремния покрывала многослойная структура, включающая основной слой перовскита толщиной около 400 нанометров. Эффективность преобразования энергии солнечного элемента составила 25,2 процента — это рекордный показатель для гибридных батарей такого типа. А за счет использования именно пирамидальной кремниевой поверхности удалось добиться и высокого значения плотности тока в ячейке: она достигала 19,5 миллиампер на квадратный сантиметр.

По словам авторов работы, основное достоинство предложенного метода — это его полная совместимость с современной технологией производства кремниевых батарей. Поэтому добавление к процессу одной дополнительной стадии не сильно скажется на стоимости производства, зато значительно увеличит эффективность получаемых элементов. Ученые отмечают, что в дальнейшем с помощью такого подхода эффективность гибридных солнечных ячеек может быть увеличена и до 30 процентов.

Одна из главных недостатков современных перовскитных батарей — их химическая и физическая деградация, которая приводит к быстрому снижению эффективности. Чтобы решить эту проблему, исследователи предлагают различные подходы. Например, недавно для этого химики разработали перовскитную солнечную батарею с дополнительным слоем фторированного графена, который не дал КПД элемента упасть за месяц больше, чем на 18 процентов. Другой способ замедления деградации — снятие внутренних напряжений в кристалле, к которому может привести облучение батареи светом энергией больше ширины запрещенной зоны.

Александр Дубов

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

кремниевых солнечных батарей | GreenMatch

Как работают кремниевые солнечные батареи?

Основным компонентом солнечной батареи является чистый кремний, который десятилетиями использовался в качестве электрического компонента. Кремниевые солнечные панели часто называют панелями «1^{-го поколения} », поскольку технология кремниевых солнечных элементов получила распространение уже в 1950-х годах. В настоящее время более 90% текущего рынка солнечных элементов основано на кремнии .

Чистый кристаллический кремний плохо проводит электричество, так как по своей сути является полупроводниковым материалом. Чтобы решить эту проблему, кремний в солнечном элементе содержит примеси — это означает, что другие атомы целенаправленно смешиваются с атомами кремния, чтобы улучшить способность кремния улавливать солнечную энергию и преобразовывать ее в электричество.

Например, у атома галлия на один электрон меньше, чем у атома кремния, а у атома мышьяка на один электрон больше. Когда атомы мышьяка помещаются между множеством атомов кремния, в структуре появляются дополнительные электроны; поэтому будет создан слой, богатый электронами.

При использовании вместо этого атомов галлия будет не хватать электронов, а это означает, что будет создан слой с бедным электронами. В солнечном элементе слои располагаются рядом друг с другом, и таким образом создается электрическое поле. Когда солнечный свет попадает на солнечный элемент, энергия стимулирует электроны, которые оставляют после себя дырки. Они мигрируют к электродам в клетке из-за наличия электрического поля. Таким образом вырабатывается электричество.

Для чего используются кремниевые солнечные батареи?

Когда-то кремниевые солнечные панели стоили довольно дорого, так как для их создания требовался очень качественный кремний. Кроме того, процедура очистки силикона перед взаимодействием с атомами галлия и мышьяка раньше была трудоемкой и дорогостоящей.

К счастью, развитие технологий вскоре позволило использовать более дешевый и низкокачественный кремний. В результате кремниевые солнечные элементы стали более доступными, особенно при поддержке государственных субсидий.

Ограничения кремниевых солнечных батарей

Кремниевые панели не идеальны для транспортировки, так как они очень хрупкие и жесткие. Еще одна сложность заключается в том, что детали все еще довольно дороги по сравнению с некоторыми альтернативными вариантами в области солнечных технологий.

Подробнее: Фотогальваника

Типы кремниевых солнечных элементов

Монокристаллические солнечные элементы

Монокристаллические солнечные элементы, также называемые «монокристаллическими», легко узнать по их темно-черному цвету. Монокристаллические солнечные элементы сделаны из очень чистого кремния типа , что делает их наиболее эффективным материалом для преобразования солнечного света в электричество.

Кроме того, монокристаллические солнечные элементы также являются наиболее компактными. Еще одним преимуществом монокристаллических элементов является то, что они служат дольше всех типов — многие производители предлагают на эти типы фотоэлектрических систем гарантию до 25 лет.

 Все эти превосходные преимущества имеют высокую цену — на самом деле, монокристаллические элементы являются самым дорогим вариантом, в основном потому, что процесс четырехсторонней резки приводит к потере большого количества кремния, иногда более половины. Более дешевыми альтернативами для потребителей были бы поликристаллические или пленочные элементы.

Поликристаллические солнечные элементы

Поликристаллические солнечные элементы, также известные как поликремниевые и мультикремниевые элементы, были первыми солнечными элементами, представленными в промышленности в начале 1980-х годов. Поликристаллические элементы не подвергаются процессу резки, используемому для монокристаллических элементов. Вместо этого кремний расплавляют и заливают в квадратную форму, отсюда и квадратная форма поликристалла.

Это делает поликристаллические солнечные элементы более доступными по цене , поскольку в процессе производства почти не теряется кремний. С другой стороны, они менее эффективны и требуют больше места, чем монокристаллические ячейки, из-за того, что уровень чистоты ниже в поликристаллических ячейках.

Другим недостатком является то, что поликристаллические материалы менее устойчивы к нагреву, чем монокристаллические, а это означает, что они не могут функционировать столь же эффективно при высоких температурах.

Аморфные солнечные элементы

Слово «аморфный» буквально означает «бесформенный». Кремний не структурирован и не кристаллизован на молекулярном уровне, как многие другие типы солнечных элементов на основе кремния. В прошлом аморфные солнечные элементы использовались для небольших приложений, таких как карманные калькуляторы, поскольку их выходная мощность была относительно низкой.

Однако при размещении нескольких аморфных солнечных элементов друг на друге их производительность значительно увеличилась (до 8%). Солнечные панели из аморфного кремния представляют собой мощных и развивающуюся линейку фотоэлектрических систем, которые отличаются от кристаллических кремниевых элементов с точки зрения их производительности, структуры и производства. Затраты на материалы снижаются, поскольку для аморфного кремния требуется всего около 1% кремния, который использовался бы для производства солнечного элемента на основе кристаллического кремния.

Процесс разработки солнечных панелей из аморфного кремния сделал их более гибкими и легкими, что делает транспортировку и установку панелей менее рискованными. Гибкий тонкопленочный модуль делает аморфные солнечные элементы подходящими даже для искривленных поверхностей.

Одним из недостатков является более низкий КПД аморфных тонкопленочных солнечных элементов. Тем не менее, технология является новой, и считается, что показатели эффективности будут расти с технологическими прорывами в ближайшем будущем.

Подробнее: Полное руководство по солнечным батареям

Получить расчет стоимости прямо сейчас

Заполните форму всего за 1 минуту

Как работает солнечная батарея

• Вы здесь:
• СКУД
• Студенты и преподаватели
• Образовательные ресурсы
• Средняя школа
• Химические вопросы
• Проблемы
• Архив 2013-2014 гг.