Солнечные фотоэлементы. Солнечные батареи: виды, характеристики и особенности выбора

Какие виды солнечных батарей существуют. Чем отличаются монокристаллические и поликристаллические панели. Как выбрать солнечную батарею для дома. Какие факторы влияют на эффективность солнечных панелей.

Основные виды солнечных батарей

В настоящее время на рынке представлены три основных типа солнечных батарей:

• Монокристаллические
• Поликристаллические
• Тонкопленочные

Все они работают по одному принципу — преобразуют энергию солнечного света в электрическую энергию. Однако имеют ряд существенных отличий по эффективности, стоимости и другим характеристикам.

Монокристаллические солнечные панели

Монокристаллические солнечные элементы изготавливаются из цельных кристаллов кремния высокой степени очистки. Их основные особенности:

• Наиболее высокий КПД — 20-22%
• Компактные размеры при высокой мощности
• Длительный срок службы — до 25-30 лет
• Стабильная работа при высоких температурах
• Высокая стоимость

Монокристаллические панели отличаются однородным темным цветом и характерными скругленными углами ячеек. Это наиболее эффективный, но и самый дорогой тип солнечных батарей.

Поликристаллические солнечные батареи

Поликристаллические элементы производятся из расплавленного кремния, который заливается в формы. Их характеристики:

• КПД 15-18%
• Меньшая эффективность, но более низкая цена
• Срок службы 20-25 лет
• Хорошо работают при рассеянном свете
• Менее чувствительны к ориентации на солнце

Визуально поликристаллические панели можно отличить по неоднородному синему цвету с характерными гранями кристаллов. Это оптимальный вариант по соотношению цены и качества для большинства применений.

Тонкопленочные солнечные панели

Тонкопленочные элементы производятся путем нанесения тонких слоев фотоэлектрического материала на подложку. Их особенности:

• Низкий КПД — 6-12%
• Гибкость и малый вес
• Низкая стоимость производства
• Хорошая работа при слабом освещении
• Меньший срок службы — 10-15 лет

Тонкопленочные панели могут быть гибкими и принимать различную форму. Они эффективны при рассеянном свете, но требуют большой площади из-за низкой эффективности.

Сравнение характеристик разных типов солнечных батарей

Основные параметры для сравнения солнечных панелей различных типов:

• КПД: монокристалл > поликристалл > тонкая пленка
• Стоимость: тонкая пленка < поликристалл < монокристалл
• Срок службы: монокристалл > поликристалл > тонкая пленка
• Компактность: монокристалл > поликристалл > тонкая пленка
• Эффективность при слабом свете: тонкая пленка > поликристалл > монокристалл

При выборе типа солнечных батарей необходимо учитывать все эти факторы в зависимости от конкретных условий применения.

Факторы, влияющие на эффективность солнечных панелей

На производительность солнечных батарей влияет целый ряд факторов:

• Интенсивность солнечного излучения
• Угол падения лучей на панель
• Температура окружающей среды
• Чистота поверхности панелей
• Затенение части элементов
• Качество монтажа и обслуживания

Для достижения максимальной эффективности важно правильно рассчитать и спроектировать систему с учетом всех этих факторов. Необходимо обеспечить оптимальный угол наклона и ориентацию панелей, систему охлаждения, регулярную очистку и обслуживание.

Как выбрать солнечные батареи для дома

При выборе солнечных панелей для частного дома следует учитывать несколько ключевых моментов:

• Необходимая мощность системы исходя из энергопотребления
• Доступная площадь для размещения панелей
• Климатические условия региона
• Бюджет на приобретение и монтаж
• Срок окупаемости системы

Для большинства домохозяйств оптимальным выбором являются поликристаллические панели как наиболее сбалансированный вариант по стоимости и эффективности. Монокристаллические элементы целесообразны при ограниченной площади для монтажа.

Перспективы развития солнечной энергетики

Солнечная энергетика активно развивается во всем мире. Основные тенденции:

• Повышение КПД солнечных элементов
• Снижение стоимости производства
• Разработка новых типов фотоэлементов
• Интеграция солнечных панелей в строительные конструкции
• Создание систем накопления энергии

Дальнейшее совершенствование технологий позволит сделать солнечную энергию еще более доступной и эффективной. Это открывает широкие перспективы для развития экологически чистой энергетики в будущем.

Фотоэлементы 78х156мм 1.8W | solbatcompany.ru

ВНИМАНИЕ!!! 

Минимальное количество отправляемых солнечных элементов 10 штук одного размера

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

Фотоэлементы, с

олнечные элементы 78х156мм 0.54V 3.6A 1.8W — фотоэлектрические преобразователи из поликристаллического кремния, напряжение фотоэлемента 0.54 вольта, средний ток до 3.6А, КПД 17.6%, фотоэлементы предназначены для сборки солнечной батареи своими руками в домашних условиях.

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

Описание фотоэлементов, солнечных элементов 78х156мм 1.8W 17.6%

Фотоэлементы 78х156мм изготовлены из поликристаллического кремния, имеют размер 78 на 156 миллиметров.

Солнечные элементы 78х156мм из поликристаллического кремния, предназначены для сборки солнечной батареи в домашних условиях своими руками.

Фотоэлектрические преобразователи

размером 78 на 156 мм получают путем резки на лазерном станке поликристаллических солнечных элементов размером 156х156 мм. и мощностью 3.9Вт. 

Поликристаллические фотоэлементы 6*6″ (156*156мм) 3.9 W 17.6% на сегодняшний день являются самыми мощными и востребованными.

Эти фотоэлектрические модули 78 на 156мм. выгодно отличаются от солнечных элементов 80х150мм и не только размером. Фотоэлементы размером 78 на 156мм. имеют, как правило, три токосъемные дорожки.

Фотоэлементы 78 на 156мм не такие хрупкие, как элементы 80х150мм – вероятность сломать – испортить солнечные элементы во время сборки солнечной батареи, ничтожно мала.

Солнечные батареи из поликристаллического кремния сохраняют работоспособность в любых погодных условиях, с некоторым уменьшением мощности.

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

Использование фотоэлементов 78х156мм 1.8W 17.6%

Из фотоэлектрических преобразователей можно своими руками и в домашних условиях собрать солнечную батарею, например, мощностью 65Вт и размером 106 на 50см.

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

А 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 2 мм

луженая медная шина для пайки 5 мм

флюс-карандаш для пайки

контроллер заряда для солнечной батареи

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

Практическое применение фотоэлектрических модулей 78х156мм 1. 8W 17.6%

Из 3 фотоэлектрических модулей, при последовательном соединении, Вы получите источник энергии 1.5В при нагрузке до 3.6А (5.4W). Это позволит Вам заряжать любые аккумуляторы напряжением 1.2В (типа AA и AAA) – средним током до 3.6А.

Из 10 фотоэлектрических преобразователей можно собрать солнечную батарею 18W

(5V 3.6А). Такая солнечная панель подходит для обеспечения электропитания и зарядки различных мобильных устройств с рабочим напряжение 5В, которые питаются или заряжают свои аккумуляторы через USB-порт.

Из 36 солнечных элементов можно собрать солнечную батарею 65W (18V — 3.6А), что позволяет подключать любое устройство, которое питается или заряжает свои аккумуляторы от автомобильного прикуривателя 12 – 24 вольта.

Солнечная панель 65W способна заряжать любые аккумуляторы с напряжением 12В, средним током до 3. 6А.

Собранные таким образом солнечные батареи из поликристаллического кремния сохраняют работоспособность в любых погодных условиях, с некоторым уменьшением мощности.

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

 

Характеристики солнечного элемента из поликристаллического кремния 78*156мм:

• Размер солнечного элемента: 78 х 156 мм.
• Класс солнечных элементов: А
• Средняя мощность (Ватт): 1.8 Wp
• Средний ток (А): 3.6 Imax
• Среднее напряжение (В): 0.54 Vmax
• Эффективность, КПД (%): 17.6%
• Вес: 8гр.

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

У нас Вы можете купить и заказать:

• Фотоэлементы, солнечные элементы любых размеров и мощности
• Солнечные батареи и солнечные панели водонепроницаемые, ударопрочные
• Широкий ассортимент аксессуаров для самостоятельной сборки солнечных батарей
• Изготовление солнечных батарей по индивидуальному заказу
• Мобильные зарядные устройства от батареек или аккумуляторов
• Мобильные источники питания на солнечных батареях
• Аккумуляторы Ni-MH, LI-PO и LI-ION отсеки и боксы 
• 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

Дополнительный светопоглощающий компонент сделал органические солнечные батареи более эффективными и долговечными

9 сентября, 2022 12:02

Источник: пресс-служба РНФ

Российские ученые вместе с китайскими коллегами разработали высокоэффективные органические солнечные батареи. Они оказались эффективнее и устойчивее к нагреванию и освещению благодаря добавлению к стандартной смеси «донор + акцептор» третьего компонента, поглощающего свет в промежуточном диапазоне между ними. Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ) и опубликованной в Journal of Materials Chemistry A, помогут приблизить время, когда гибкие, легкие и экологичные органические солнечные батареи получат широкое распространение в быту и промышленности.

Поделиться

Энергетика остается одним из основных источников выбросов углерода, которые страны всего мира стараются сокращать. Один из путей — использование альтернативных способов получения электричества, например, преобразование в него солнечного света.
 
В основе фотовольтаических устройств, способных на это, лежит фотоэффект, когда под действием квантов света (фотонов) электроны вырываются из одного органического полупроводника (донора) и переходят в другой (акцептор). В месте их ухода остаются положительные заряды — «дырки», которые при включении такого фотоэлемента в электрическую цепь движутся к положительному электроду (аноду), а электроны — к отрицательному электроду (катоду), в результате чего возникает электрический ток.

«Это обычное устройство органических солнечных батарей — легких, компактных, гибких, прочных и потенциально полупрозрачных систем. Однако сейчас есть ряд проблем, ограничивающих широкое применение таких устройств. Например, в процессе работы они поглощают свет в относительно узком спектральном диапазоне, велики потери энергии при передаче зарядов между их компонентами, и при этом солнечный элемент недостаточно стабилен, особенно при неизбежном нагревании», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Сергей Пономаренко, доктор химических наук, заведующий лабораторией функциональных материалов для органической электроники и фотоники, директор Института синтетических полимерных материалов имени Н. С. Ениколопова РАН.

Сотрудники ИСПМ РАН (Москва) совместно с китайскими коллегами из Уханьского университета решили эту проблему и создали высокоэффективные органические солнечные батареи на основе тройных смесей органических полупроводников. Они разработали и добавили еще один компонент — сложную органическую молекулу, которую можно достаточно просто синтезировать. Она поглощает солнечный свет в промежуточном диапазоне спектра между донором и акцептором. В результате фотоэффект запускается во всех трех полупроводниках, но носителям заряда проще мигрировать: дополнительный компонент служит мостиком, «перейти» по которому электронам проще, чем перепрыгнуть с одного «берега» (донора) на другой (акцептор). Потери энергии, соответственно, снижаются, и в итоге удалось повысить эффективность преобразования солнечного света до 18% (в сравнении с исходными 16%), что соответствует мировому уровню для данного типа устройств.
 
Кроме того, добавка улучшила структуру органических солнечных элементов, сделав ее более устойчивой к нагреванию и воздействию света. Малая стабильность обычных органических солнечных батарей обусловлена достаточно слабыми межмолекулярными связями. Вещество за счет специфических боковых групп, активно взаимодействующих с исходными донором и акцептором, послужило своего рода легирующей добавкой — совсем как примеси в сплаве, улучшающие его свойства. Фотоэлемент стал более устойчивым к нагреванию: критический фазовый переход, при котором устройство теряет свою активность, начинался не при 100°C, а при 110°C. При моделировании обычной рабочей температуры в 85°C авторы выяснили, что у модифицированной системы спустя 1000 часов эффективность преобразования солнечной энергии в электричество снизилась до 86% от изначальной, тогда как у исходной — до 67%. Аналогичный результат исследователи получили, освещая образцы светом, по спектру схожим с солнечным: спустя то же время эффективность трехкомпонентного материала упала до 75%, двухкомпонентного — до 60%.

«Органические солнечные батареи являются легкими, гибкими и безопасными для окружающей среды как в процессе эксплуатации, так и после их утилизации. Создание их стабильных и эффективных моделей и прототипов приближает перспективу широкого использования подобных устройств в различных областях: фотовольтаике, интегрированной в здания на крышах, стенах и окнах, в автомобилях, авиационной и космической технике, а также для зарядки различных портативных устройств в полевых условиях», — подводит итог Сергей Пономаренко.

Теги

Пресс-релизы

Выбираем солнечные батареи | Статья

Солнечная энергия за последнее десятилетие из чего-то космического и крайне дорогого перешла в разряд вполне доступного и популярного источника питания. От солнечных батарей теперь заряжают телефоны в походах, работают ландшафтные светильники, загорается иллюминация и даже снабжаются электричеством целые здания. В статье расскажем про их виды, особенности и ответим на вопрос: «Стоит ли переплачивать за монокристалл?»

Разные виды – один принцип

На данный момент на рынке присутствуют монокристаллические, поликристаллические и тонкоплёночные модели. Они отличаются по форме кремниевых кристаллов, толщине, но работают по одному принципу. Лучи солнечного света воздействуют на свободные электроны фотоэлемента и заставляют их двигаться, а образующийся при этом электрический ток по проводам поступает к нагрузке или аккумулятору. Последний присутствует практически во всех схемах, так как позволяет накапливать энергию, которая обеспечивает пользователя электричеством в ночное время суток или при низком уровне освещения днём.

• Прожектор LED 100Вт 5000K 1200lm IP65 на солнечной батарее, с ПДУ Б0049547

  3 741

• Прожектор 20 Вт 5000 K 350 Lm IP65 ERAPRO-20 ЭРА Б0049545

  1 563

• Светильник 6 Вт 6500 K 600 Lm IP44 солнечная батарея ERAFS020-42 ЭРАБ0044490

  2 638

• Светильник 5 Вт 6500 K 180 Lm IP44 ERAFS020-41 солнечная батарея ЭРА Б0044489

  2 359

• Светильник 5 Вт 8000 K 300 Lm IP45 Li-Ion 18650 2 х 1200 мАч солнечная батарея SLR-W05 ФАZА 5033290

  1 606,93

Тонкоплёночные или амфорные панели обладают наибольшей устойчивостью к повышенным температурам, то есть при нагревании их мощность снижается незначительно. Также они имеют достаточно высокую чувствительность при низком уровне освещённости. Однако содержание наименьшего количества кремния практически в два раза снижает их КПД по сравнению с кристаллическими модулями. Поэтому сейчас их основной сферой применения являются нишевые проекты интегрирования в здания солнечной энергии или мобильные устройства.

Основная «борьба» разворачивается между моно- и поликристаллическими моделями. Первые сделаны из единого кристалла чистого кремния, «выращенного» по методу Чохральского и отличаются однородностью структуры и цвета. Для производства вторых производится плавка кремниевого сырья, которое после обработки разливается в формы, затем нарезается на пластины квадратной формы. При этом панель получается с неоднородностью цвета, структуру, а также с небольшим количеством примесей.

• ERASF22-38 ЭРА Садовый светильник Ретро, на солнечной батарее, 1LED

  841,59

• ЭРА ERAFS048-09 Номер дома с подсветкой, на солнечной батарее, 2LED

  1 204

• ERASF22-22 ЭРА Садовый светильник Шар белый, на солнечной батарее, 25 см

  795,91

• ЭРА ERASF08-25 Садовый светильник Шар на солнечной батарее, 20 LED 20 cм

  1 605,26

• Гирлянда LED Lamper Капсула времени IP65 3,8 м с солнечной панелью Rexant 602-238

  750,82

Помимо внешних отличий у солнечных батарей имеются и другие особенности, изучив которые можно принимать решение о покупке:

• КПД у монокристаллических элементов достигает от 20 до 22%, у поликристаллических модулей этот показатель составляет от 15 до 18%. Это обусловлено тем, что при производстве последних помимо чистого сырья используют солнечные панели вторичной переработки, обрезки монокристаллов или кремниевые отходы металлургической промышленности.
• Размер и производительность у них также разнятся. При одинаковых габаритах чистый кремний будет вырабатывать примерно на 30% больше электричества, чем его «оппонент» с примесями.
• Срок службы солнечных батарей, созданных на основе монокристаллов, составляет около 30 лет, у поликристалла эта цифра в районе 20 лет, у аморфного кремния 7–20 лет. Чаще всего мощность падает приблизительно на 10% за 20 лет эксплуатации. Интересно то, что сами солнечные элементы отличаются практически неограниченным временем эксплуатации, демонстрируя отсутствие деградации на протяжении десятилетий. Выработка ресурса панелей происходит преимущественно из-за постепенного разрушения задней стенки модуля и герметичной прослойки, защищающего от попадания влаги внутрь конструкции. К негативным факторам, снижающим КПД панелей, также относится уменьшение прозрачности EVA плёнки между внешним стеклом и кремниевыми элементами.
• Воздействие повышенных температур лучше переносит поликристалл, демонстрируя меньшее снижения КПД.
• Цена на модули из кремниевого сырья ниже примерно на 10%, чем на панели из чистого кремния при сравнении одинаковых мощностей.

• SOLAR.BATTERY 30W Солнечная батарея для БП SKAT-SOLAR Imax=1,68A Uх.х.=21,85В

  4 280,85

• SOLAR.BATTERY 15W Солнечная батарея для БП SKAT-SOLAR Imax=0,84A Uх.х.=21,92В

  4 361,85

• SKAT-SOLAR.12DC-5.0 исп.5 источник для подключения солнечной батареи 12В 5А IP56

  3 375

• Коннектор для подключения 1 солнечной панели, 800 В, 30 А, для кабеля 2,5/4/6 мм2

  170,10

• ERASP024-10 Садовый светильник 4 LED на солнечной батарее Б0044219

  1 339

Проанализировав приведённые данные, делаем вывод:

• Поликристалл актуален если необходимо сэкономить бюджет и на объекте имеется большая площадь, которую можно отдать под установку панелей;
• Монокристалл стоит выбирать в случаях, когда ключевыми критериями являются максимальная производительность и длительный строк эксплуатации, помноженные на ограниченную площадь установки.

В России создали всепогодные солнечные батареи

https://ria.ru/20220425/misis-1784984189.html

В России создали всепогодные солнечные батареи

В России создали всепогодные солнечные батареи — РИА Новости, 25.04.2022

В России создали всепогодные солнечные батареи

Специалисты НИТУ «МИСиС» адаптировали технологию нанесения полупроводниковых слоев посткремниевых фотопреобразователей к промышленном стандартам, что позволит… РИА Новости, 25.04.2022

2022-04-25T09:00

2022-04-25T09:00

2022-04-25T11:32

наука

навигатор абитуриента

технологии

россия

мисис

университетская наука

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdnn21.img.ria.ru/images/07e6/04/16/1784984139_0:44:3071:1771_1920x0_80_0_0_b016c26ca5744de8a2668f60f5975363.jpg

МОСКВА, 25 апр — РИА Новости. Специалисты НИТУ «МИСиС» адаптировали технологию нанесения полупроводниковых слоев посткремниевых фотопреобразователей к промышленном стандартам, что позволит удешевить и упростить производство солнечных батарей. Об этом сообщили в пресс-службе вуза.По словам исследователей, кристаллы кремния, которые применяются в производстве солнечных батарей, отличаются сложностью и дороговизной изготовления, а кроме того, имеют серьезные ограничения в эксплуатации. Как альтернатива кремнию по всему миру активно исследуются перовскитные материалы, и сейчас КПД перовскитных солнечных элементов уже достиг эффективности коммерческих кремниевых.В НИТУ «МИСиС» занимаются разработкой солнечных элементов и фотодетекторов на основе перовскитов с 2015 года. Результатом работы стала технология, обеспечивающая высокую стабильность и люминесценцию перовскитных слоев, адаптированная к современным промышленным стандартам нанесения.»Мы продемонстрировали формирование перовскитных слоев методом химического осаждения из газовой фазы (CVD — chemical vapor deposition) в одностадийном процессе. Использование стандартного метода в сочетании с механохимическим синтезом обеспечит масштабирование до промышленного уровня. Кроме того, мы продемонстрировали и объяснили высокую стабильность и люминесцентные свойства неорганических перовскитов и особенно выделяем CsPb2Br5 за лучшие оптические свойства на всех технологических этапах», — рассказал сотрудник Лаборатории перспективной солнечной энергетики университета Артур Иштеев. Исследователи особо отмечают, что на сегодня метод CVD — стандарт индустрии производства светодиодов и солнечных элементов. По их словам, внедрять перовскитные технологии можно в уже существующие производственные линии без замены парка оборудования.Иштеев отметил, что теперь перовскитные солнечные элементы и светоизлучающие диоды запустят в массовое производство, так что они получат распространение в промышленной и потребительской электронике. Их важное преимущество — низкая стоимость производства и высокие выходные характеристики.В университете организовали полный цикл сборки перовскитных солнечных элементов. В лабораторных условиях это занимает пять часов — от стекла до готового устройства. Технология получила патент и готова к широкомасштабному производству и конкуренции с кремниевыми аналогами. Разработчики привлекают инвестиции и ищут индустриальных партнеров.Глобальная цель сотрудников Лаборатории солнечной энергетики — довести перовскитные устройства до массового производства. Доступные источники энергии, уверены исследователи, позволят улучшить энергетическую инфраструктуру в России и на внешних рынках.

https://ria.ru/20200421/1570287548.html

https://ria.ru/20210603/miet-1735227003.html

россия

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2022

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

1920

1080

true

1920

1440

true

https://cdnn21.img.ria.ru/images/07e6/04/16/1784984139_0:0:2729:2047_1920x0_80_0_0_6a48ce229f5d385f72fc06aa0b75b57c. jpg

1920

1920

true

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

навигатор абитуриента, технологии, россия, мисис, университетская наука

Наука, Навигатор абитуриента, Технологии, Россия, МИСиС, Университетская наука

МОСКВА, 25 апр — РИА Новости. Специалисты НИТУ «МИСиС» адаптировали технологию нанесения полупроводниковых слоев посткремниевых фотопреобразователей к промышленном стандартам, что позволит удешевить и упростить производство солнечных батарей. Об этом сообщили в пресс-службе вуза.

По словам исследователей, кристаллы кремния, которые применяются в производстве солнечных батарей, отличаются сложностью и дороговизной изготовления, а кроме того, имеют серьезные ограничения в эксплуатации. Как альтернатива кремнию по всему миру активно исследуются перовскитные материалы, и сейчас КПД перовскитных солнечных элементов уже достиг эффективности коммерческих кремниевых.

В НИТУ «МИСиС» занимаются разработкой солнечных элементов и фотодетекторов на основе перовскитов с 2015 года. Результатом работы стала технология, обеспечивающая высокую стабильность и люминесценцию перовскитных слоев, адаптированная к современным промышленным стандартам нанесения.

© Фото : Пресс-служба НИТУ «МИСиС»Исследование прототипов перовскитных фотоэлементов в лаборатории НИТУ «МИСиС»

© Фото : Пресс-служба НИТУ «МИСиС»

Исследование прототипов перовскитных фотоэлементов в лаборатории НИТУ «МИСиС»

«Мы продемонстрировали формирование перовскитных слоев методом химического осаждения из газовой фазы (CVD — chemical vapor deposition) в одностадийном процессе. Использование стандартного метода в сочетании с механохимическим синтезом обеспечит масштабирование до промышленного уровня. Кроме того, мы продемонстрировали и объяснили высокую стабильность и люминесцентные свойства неорганических перовскитов и особенно выделяем CsPb₂Br₅ за лучшие оптические свойства на всех технологических этапах», — рассказал сотрудник Лаборатории перспективной солнечной энергетики университета Артур Иштеев.

Исследователи особо отмечают, что на сегодня метод CVD — стандарт индустрии производства светодиодов и солнечных элементов. По их словам, внедрять перовскитные технологии можно в уже существующие производственные линии без замены парка оборудования.

21 апреля 2020, 09:00Наука

Ученые придумали, как усовершенствовать солнечные станции

Иштеев отметил, что теперь перовскитные солнечные элементы и светоизлучающие диоды запустят в массовое производство, так что они получат распространение в промышленной и потребительской электронике. Их важное преимущество — низкая стоимость производства и высокие выходные характеристики.

«В отличие от кремния, перовскиты обеспечивают генерацию при рассеянном свете и низкой освещенности. Перовскитная солнечная батарея работает при любых погодных условиях и даже в помещениях. Это расширяет круг применения, например для автономного питания стационарных приборов и носимых устройств (часов и смартфонов)», — пояснил ученый.

В университете организовали полный цикл сборки перовскитных солнечных элементов. В лабораторных условиях это занимает пять часов — от стекла до готового устройства. Технология получила патент и готова к широкомасштабному производству и конкуренции с кремниевыми аналогами. Разработчики привлекают инвестиции и ищут индустриальных партнеров.

Глобальная цель сотрудников Лаборатории солнечной энергетики — довести перовскитные устройства до массового производства. Доступные источники энергии, уверены исследователи, позволят улучшить энергетическую инфраструктуру в России и на внешних рынках.

3 июня 2021, 09:00Наука

Уникальный материал для альтернативной энергетики создают в России

две модели, сборка и установка

Солнечная энергетика — это просто здорово, но вот в чем проблема: даже одна батарея стоит немалых денег, а для хорошего эффекта нужна не одна, и даже не две. Потому и приходит идея — собрать все самому. Если есть у вас небольшой навык пайки — это сделать просто. Вся сборка заключается в том, чтобы последовательно соединить элементы в дорожки, а дорожки закрепить на корпусе. Сразу скажем о цене. Набор для одной панели (36 штук) стоит в районе 70-80$. А полностью со всеми материалами солнечные батареи своими руками обойдутся вам примерно в 120-150$. Намного меньше, чем заводские. Но нужно сказать, что и по мощности они будут тоже меньше. В среднем каждый фотопреобразователь выдает 0,5 В, если последовательно соединить 36 штук, это будет порядка 18 В.

Немного теории: типы фотоэлементов для солнечных батарей

Самая большая проблема — приобрести фотоэлектрические преобразователи. Это те самые кремниевые пластины, которые преобразуют солнечный свет в электричество. Вот тут нужно немного разбираться в типах фотоэлементов. Их выпускают двух типов: поликристаллические и монокристаллические. Монокристаллические более дорогие, но имеют более высокий КПД — 20-25%, поликристаллические — дешевле, но и производительность у них меньше — 17-20%. Как их отличить внешне? Поликристаллические имеют ярко-синий цвет. Монокристаллические немного темнее и у них не квадратная, а многогранная форма — квадрат со срезанными краями.

С фотоэлектрическими преобразователями для солнечных батарей все не очень сложно: монокристаллические и поликристаллические

О форме выпуска. Есть фотоэлементы для солнечных батарей с уже припаянными проводниками, а есть наборы, где проводники прилагаются и все нужно паять самостоятельно. Что покупать  решает каждый сам, но нужно сказать, что без навыка хотя-бы одну пластину вы повредите, а скорее, не одну. А если и паять умеете не очень… то лучше немного дороже заплатить, но получить уже почти готовые к использованию детали.

Сделать фотоэлементы для солнечных батарей своими руками нереально. Для этого нужно уметь выращивать кристаллы кремния, а потом его еще обрабатывать. Потому нужно знать, где купить. Об этом дальше.

Почитать о вида солнечных батарей можно тут. 

Где и как купить фотоэлементы

Теперь о качестве. На всех китайских площадках типа Ebay или Alibaba продается отбраковка. Те детали, которые не прошли тесты на заводе. Потому идеальной батареи вы не получите. Но цена у них не самая большая, так что можно смириться. Во всяком случае, на первых порах. Соберите пару тестовых солнечных батарей своими руками, набейте руку, а потом можно брать с завода.

Один из вариантов ячеек с припаянными проводниками

Некоторые продают фотоэлементы запаянными в воск. Это предотвращает их порчу при перевозке, но избавиться от воска и не повредить пластины довольно сложно. Нужно все вместе их окунуть в горячую, но не кипящую воду. Подождать пока воск растает, потом аккуратно разъединять. Потом поочередно купать каждую пластину в горячем мыльном растворе, потом окуная в чистую горячую воду. Таких «омовений» моет понадобиться несколько, воду и мыльный раствор придется менять, и не один раз. После того как воск удалите, чистые пластины разложите на махровом полотенце для просушки. Очень хлопотное это дело. Так что лучше покупайте без воска. Так намного проще.

Теперь о покупках на китайских площадках. Конкретно о Ebay и Alibaba. Они проверены, тысячи людей ежедневно там что-то покупают. Система ничем не отличается. После регистрации, как обычно, в строке поиска набираете название элемента. Потом выбираете понравившееся по какой-то причине предложение. Обязательно выбирайте из тех вариантов, где есть бесплатная доставка (на английском free shipping). Если такой пометки нет, то доставку придется оплачивать отдельно. А она часто больше стоимости товара и уж точно больше той разницы, что вы выгадаете на цене.

С кремниевыми ячейками нужно обращаться очень осторожно: они очень хрупкие

Ориентироваться нужно не только на цену, но и на рейтинг продавца и на отзывы. Внимательно читайте и состав товара, его параметры и отзывы. Можно с продавцом общаться, только сообщения писать нужно на английском.

По поводу оплаты. Она на этих площадках переводится продавцу только после того, как вы отпишитесь в получении товара. А пока идет доставка, ваши деньги лежат на счете торговой площадки. Оплачивать можно с карты. Если боитесь светить данные карты, воспользуйтесь промежуточными сервисами. Они есть разные, но суть одна — ваша карта не засветится. Есть на этих площадках и возврат товара, но это долгая песня, так что лучше брать у проверенных продавцов (с хорошим рейтингом и отзывами).

Да. Посылка идет в зависимости от региона. И дело не столько в том, как долго она будет идти из Китая, как в том, как скоро ее доставит почта. В лучшем случае — недели три, но может и полтора месяца.

Как собрать

Сборка солнечной батареи своими руками состоит из трех этапов:

1. Изготовление каркаса.
2. Пайка солнечных элементов.
3. Укладка в каркас и герметизация.

Каркас изготовить можно из алюминиевых уголков или из деревянных реек. Но форма каркаса, материалы, последовательность изготовления зависят от способа установки.

Способ первый: установка на окне

Батарею вешают на окне, на раму изнутри помещения или снаружи, но тоже на окне. Тогда нужно делать каркас из алюминиевого уголка, а к нему приклеивать стекло или поликарбонат. В этом случае между фотоэлементами остаются хоть небольшие зазоры, через которые немного света проникает в помещение. Размеры рамы выбираете исходя из размеров ваших фотоэлементов и того, как вы собираетесь их располагать. Также некоторую роль могут сыграть габариты окна. Учтите, что плоскость должна быть ровная — фотоэлектрические преобразователи очень хрупкие, и при малейшем перекосе будут трескаться.

В квартире есть только одно место для установки солнечной батареи — на окне

Развернув готовую раму с приклеенным стеклом лицом вниз, на поверхность стекла нанести слой герметика. На герметик, снова-таки лицевой стороной вниз, разложить собранные из фотоэлементов линейки.

Из толстого упругого поролона (толщина не менее 4 см) и куска полиэтиленовой пленки (200 мк) сделать мат: поролон обтянуть пленкой и хорошо скрепить. Лучше полиэтилен спаять, но можно и скотчем воспользоваться, только все стыки должны находиться на одной стороне. Вторая должна быть ровной и гладкой. По размерам мат должен хорошо ложиться в раму (без загибов и усилий).

Основная хитрость — заливка герметиком

Уложили мат на фотоэлементы, утопленные в герметике. На него доску, которая по размерам чуть меньше рамы, а на доску солидный груз. Это нехитрое устройство поможет выгнать пузыри воздуха, которые оказались под фотоэлементами. Воздух снижает производительность, причем очень сильно. Потому чем меньше пузырьков будет, тем лучше. Всю конструкцию оставляете на 12 часов.

Теперь время снять груз и отлепить мат. Делаете это медленно и не спеша. Важно не повредить пайку и проводники. Потому тяните плавно, без рывков. После того, как мат сняли, панель нужно оставить на некоторое время — досохнуть. Когда герметик перестанет липнуть, можно навешивать панель и пользоваться.

Вместо длительной процедуры с герметиком можно взять специальную пленку для герметизации. Она называется EVA. Просто сверху на собранную и уложенную на стекло батарею расстилаете пленку и греете ее строительным феном до полной герметизации. Времени уходит в разы меньше.

Способ второй: установка на стене, крыше и т.д.

В этом случае все иначе. Задняя стенка должна быть плотной и не проводящей ток. Возможно — деревянной, фанерной и т.п. Потому имеет смысл и раму сделать из деревянных брусков. Только высота корпуса должна быть небольшой, чтобы тень от бортиков не мешала.

Собираете каркас под размеры вашей батареи (зависит от размеров солнечных преобразователей, которые вы приобрели)

На фото корпус состоит из двух половинок, но это совсем необязательно. Просто легче собирать и укладывать короткие линейки, но соединений в этом случае будет больше. Да. Несколько нюансов: нужно в корпусе предусмотреть несколько отверстий. В нижней части нужны несколько штук для выхода конденсата, а также два отверстия для вывода проводников от батареи.

Затем корпус батареи покрасить белой краской — кремниевые пластины имеют довольно широкий диапазон рабочих температур, но он не безграничен: от -40^oCдо +50^oC. А летом в закрытой коробке +50^oC набегает легко. Потому и нужен белый цвет, чтобы не перегревались фотопреобразователи. Перегрев, как и переохлаждение, ведет к снижению эффективности. Это, кстати, может стать объяснением непонятного явления: полдень, солнце жарит, а батарея стала давать меньше электричества. А она просто перегрелась. Для южных регионов, наверное, нужно уложить фольгу. Это будет эффективнее. Причем производительность, скорее всего, возрастет: будет улавливаться еще и отраженное фольгой излучение.

Собираем и укладываем дорожки

После того как краса высохла, можно укладывать собранные дорожки. Но в этот раз лицом вверх. Как их крепить? На каплю термостойкого герметика посредине каждой пластины. Почему не нанести по всей поверхности? Из-за температурного расширения пластина будет менять размеры. Если приклеить ее только посередине, с ней ничего не случиться. Если будет хотя-бы две точки — она рано или поздно лопнет. Потому аккуратно посередине наносите каплю, мягко прижимаете пластину. Не давите — раздавить очень легко.

В некоторых случаях пластины сначала крепились на основу — лист ДВП, выкрашенный в тот же белый цвет. А потом уже на основе закреплялись к корпусу шурупами.

После того, как все линейки уложены, последовательно их соединяете. Чтобы проводники не болтались, их можно зафиксировать несколькими каплями герметика. Вывести провода от элементов можно через днище или через бортик — как удобнее. Протяните их через отверстие, а потом залейте дырку все тем же герметиком. Теперь нужно дать всем соединениям высохнуть. Если накрыть крышкой раньше, на стекле и фотоэлементах образуется налет, который сильно снижает эффективность батареи. Потому ждем как минимум сутки (или столько, сколько указано на упаковке герметика).

Финальный аккорд: установка прозрачной крышки

Теперь дело за малым — накрыть все стеклом или прозрачным пластиком. Как крепить — дело ваше. Но на первых порах не герметизируйте. По крайней мере, до испытания. Может где-то обнаружится проблема.

И еще один нюанс. Если планируете в систему подключать аккумуляторы, понадобится поставить диод, который будет предотвращать разряд аккумулятора через батарею в ночное время или в плохую погоду. Лучше всего поставить диод «Шоттки». Его подсоединяю к батарее последовательно. Установить его лучше внутри конструкции — при высоких температурах у него уменьшается падение напряжения, т.е. в рабочем состоянии он будет меньше «садить» напряжение.

Как паять элементы для солнечной батареи

Немного об обращении с кремниевыми пластинами. Они очень-очень хрупкие, легко трескаются и ломаются. Потому обращаться нужно с ними с крайней осторожностью, хранить в жесткой таре подальше от детворы.

Работать нужно на ровной твердой поверхности. Если стол покрыт клеенкой, положите лист чего-то твердого. Пластина не должна прогибаться, а всей поверхностью жестко опираться на основу. Причем основание должно быть гладким. Как показывает опыт, идеальный вариант — кусок ламината. Он, жесткий, ровный, гладкий. Паяют на тыльной стороне, не на лицевой.

Все что понадобится для сборки солнечной панели своими руками

Для пайки использовать можно флюс или канифоль, любой из составов в маркере для пайки. Тут у каждого свои пристрастия. Но желательно, чтобы состав не оставлял следов на матрице.

Укладываете кремниевую пластину лицом вверх (лицо — синяя сторона). На ней есть две или три дорожки. Их промазываете флюсом или маркером, спиртовым (не водно-спиртовым) раствором канифоли. В комплекте с фотопреобразователями идет обычно тонкая контактная лента. Иногда она нарезана на куски, иногда идет в катушке. Если лента намотана на катушку, отрезать нужно кусок, равный двойной ширине солнечного элемента, плюс 1 см.

На обработанную флюсом полосу припаиваете отрезанный кусок. Лента получается намного длиннее пластинки, весь остаток остается с одной стороны. Старайтесь вести паяльник не отрывая. Насколько это возможно. Для более качественной пайки на кончике жала у вас должна быть капля припоя или олова. Тогда пайка будет качественной. Непропаянных мест быть не должно, хорошо все прогревайте. Но не давите! Особенно по краям. Это очень хрупкие изделия. Поочередно припаиваете ленты на все дорожки. Фотопреобразователи получаются «хвостатые».

Лицевая сторона — синяя. На ней есть несколько дорожек (две или три) к которым нужно припаять проводники. Серая — это тыльная сторона. К ней потом припаивают проводники от идущей выше пластинки

Теперь, собственно, о том, как собрать солнечную батарею своими руками. Приступаем к сборке линейки. С обратной стороны пластинки тоже есть дорожки. Теперь «хвост» от верхней пластины припаиваем к нижней. Технология такая же: дорожку промазываем флюсом, потом пропаиваем. Так последовательно соединяем нужное количество фотоэлектрических преобразователей.

В некоторых вариантах на задней стороне не дорожки, а площадки. Тогда пайки меньше, но претензий по качеству может быть больше. В этом случае промазываем флюсом только площадки. И паяем тоже только на них. Вот, собственно, все. Собранные дорожки можно переносить на основание или корпус. Но есть еще множество хитростей.

Паять нужно на твердой ровной поверхности

Так, например, между фотоэлементами нужно выдерживать определенное расстояние (4-5 мм), что без фиксаторов не так и легко. Малейший перекос, и есть возможность порвать проводник, или сломать пластинку. Потому для задания определенного шага на кусок ламината приклеивают строительные крестики (используются при укладке плитки), или делают разметку.

Все проблемы, которые возникают при изготовлении солнечных батарей своими руками, связаны с пайкой. Потому перед герметизацией, а лучше еще и перед переносом линейки на корпус, проверить сборку амперметром. Если все нормально, можно продолжать работу.

Об использовании солнечной энергии для отопления дома можно прочесть тут.

Итоги

Теперь вы знаете, как сделать солнечную батарею в домашних условиях. Дело не самое сложное, но требует кропотливой работы.

КПД солнечных панелей — самые эффективные фотоэлементы, расчет и схемы

Содержание

1. КПД у разных типов солнечных панелей
2. Новый мировой рекорд: эффективность солнечных батарей повысили до 29,15%
3. Виды солнечных фотоэлементов и их КПД
4. От чего зависит эффективность?
5. Срок службы и окупаемость
6. Самые эффективные солнечные батареи
7. Исследования и разработки для повышения КПД
8. Видео-инструкция по сборке своими руками
9. Цены и где лучше купить солнечные батареи

КПД у разных типов солнечных панелей

Существует несколько разновидностей солнечных модулей, которые изготавливаются по собственным технологиям и обладают определенными параметрами. КПД солнечных панелей определяет их способность преобразовать солнечную энергию в электрический ток. Расчет производится путем деления мощности энергии, вырабатываемой панелью, на мощность потока света, падающего на рабочую поверхность.

Показатели панелей изначально определялись при стандартных лабораторных условиях (STS):

• уровень инсоляции — 1000 вт/ м2
• температура — 25°

Большинство современных производителей производят тестирование каждой собранной батареи и прилагают результаты к документации при продаже. Это дает более полную и корректную информацию о каждой панели, поскольку в процессе изготовления возможны некоторые отклонения от технологических нормативов. Поэтому сравнение любых двух (или более) панелей всегда выявляет небольшое расхождение демонстрируемых параметров.

Практически любые отклонения в первую очередь отражаются на эффективности, т. е. на КПД солнечной батареи. Из-за этого все разновидности не имеют четко определенного значения. Обычно указывают довольно широкий диапазон, который может давать заметную разницу параметров солнечных модулей, изготовленных по одинаковой технологии.

Все виды фотоэлементов обладают определенными свойствами, определяющими эффективность солнечных батарей. Каждая разновидность имеет свои пределы возможностей, обусловленные строением и составом полупроводников.

Новый мировой рекорд: эффективность солнечных батарей повысили до 29,15%

Научно-исследовательская группа Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) описала в журнале Science разработку тандемного солнечного элемента из перовскита и кремния. Его КПД составил 29,15%. На текущий момент — это новый мировой рекорд. Предыдущие показатели КПД были в районе 28%. Исследователи планируют довести эффективность тандемного солнечного элемента до 30% и даже превысить этот показатель.

Для солнечных элементов базовым материалом является кремний, а разработки с использованием перовскита (титаната кальция) ведутся параллельно. Ученые думают, что возможности перовскита еще не раскрыты и используя оба материала, они получают прирост эффективности.

Солнечные элементы, состоящие из двух полупроводников с различной шириной запрещенной зоны, способны демонстрировать высокую эффективность по сравнению с отдельными элементами, так как тандемные элементы полнее используют солнечный спектр. В частности, обычные кремниевые солнечные элементы главным образом эффективно преобразуют в электрическую энергию инфракрасную часть солнечного спектра, в то время как соединения перовскита могут эффективно преобразовывать видимую часть спектра, повышая КРД тандема.
Использование перовскита и кремния не увеличивает стоимость солнечных панелей.

Виды солнечных фотоэлементов и их КПД

Существуют разные виды солнечных батарей:

• кремниевые
• теллур-кадмиевые
• из арсенида галлия
• из селенида индия
• полимерные
• органические
• комбинированные, многослойные

Самые эффективные солнечные панели из тех, что находятся в серийном производстве — кремниевые.

Их выпускают в двух видах:

• монокристаллические. Изготавливаются из тонких пластинок, срезанных с цельного (монолитного) кристалла кремния. Считается, что это — лучшие солнечные панели, демонстрирующие КПД от 17 до 22 %
• поликристаллические. Заготовкой для этих элементов является брикет кремния, который был расплавлен и разлит по формам. Такие панели обладают немного сниженными показателями по всем позициям, чем монокристаллические. Их КПД находится в диапазоне 12-17 %

Есть еще одни современные солнечные батареи с высоким КПД — это панели на основе селенид-индия. Они способны выдать КПД 15-20 %. Несколько меньшими качествами обладают элементы из теллурида кадмия — не более 10-12 %.

Остальные виды значительно уступают лидерам — аморфные и полимерные элементы демонстрируют КПД не более 5-6 %. Необходимо учитывать, что приведенные показатели — усредненные. У разных производителей есть образцы, превышающие обычные нормы эффективности. Это не меняет общей картины, но демонстрирует необходимость совершенствования технологий, разработки новых методов производства фотоэлементов.

От чего зависит эффективность?

КПД солнечных фотоэлектрических установок составляет лишь малую часть от теоретически возможных показателей. Расчетный КПД доходит до 80-87 %, но изъяны технологии, недостаточная чистота материалов и неточность сборки элементов существенно снижают эти значения. Основная проблема кремниевых элементов заключается в способности поглощать лучи только инфракрасного спектра, а энергия ультрафиолетовых участков остается неиспользованной.

Проблема состоит в дороговизне процессов очистки, выращивания кристаллов и прочих тонких процедур, без которых ожидаемого эффекта не удастся добиться. Все солнечные панели с высоким КПД отличаются высокой стоимостью, что делает их недоступными для массового пользователя.

Необходимо учитывать также погодные и климатические условия. Самая производительная система не сможет демонстрировать высокие результаты, если источник энергии скрыт за тучами, или находится низко над горизонтом. Этот фактор не подлежит регулированию, единственным способом борьбы с ним может стать повышенная эффективность солнечных панелей.

Некоторые разновидности фотоэлементов способны вполне стабильно вырабатывать энергию в пасмурную погоду, например, тонкопленочные виды. Однако, их производительность невысока и не дает нужного количества энергии. Чем выше КПД батарей, тем сильнее падает количество вырабатываемой энергии при появлении облачности.

Ежегодно появляются заявления от различных компаний или групп ученых о разработке высокоэффективных образцов солнечных панелей, стабильно работающих в сложных условиях. Однако, в продаже до сих пор есть только привычные кремниевые или пленочные разновидности, а новинок не видно. Причиной этого является слишком высокая себестоимость производства и нестабильность результатов технологий, вынуждающие изготовителей пока отказываться от недоработанных новшеств.

Срок службы и окупаемость

Большинство солнечных панелей способны работать по 25 лет и более. Однако, первоначальные характеристики со временем ухудшаются, происходит падение производительности и, как следствие, уменьшение КПД. Факторы, влияющие не длительность эксплуатации фотоэлементов:

• тип конструкции. Чем выше изначальная производительность, тем более высокие результаты панель будет показывать после многолетней службы
• условия эксплуатации. В регионах с сильными среднесуточными и среднегодовыми перепадами температур ресурс панелей быстро уменьшается. Происходит физический износ полупроводников, нарушается прочность соединения слоев, образующих p-n переход. Все эти факторы отрицательно влияют на КПД солнечных модулей

Окупаемость панелей в первую очередь зависит от инсоляции — количества солнечной энергии, доступной фотоэлементам. Здесь необходимо учитывать следующие факторы:

• продолжительность светового дня
• положение солнца над горизонтом
• погодные условия в регионе

Практика показывает, что средний процент деградации солнечных батарей составляет 0,6 % в год. Однако, к естественным процессам прибавляются внешние воздействия — температурные, механические и т.п. Поэтому производители обычно гарантируют, что в течение 10 лет эксплуатации производительность не упадет больше, чем на 10 %.

Вопрос окупаемости солнечных панелей всерьез никем не рассматривается. Существуют приблизительные расчеты, показывающие количество выработанной энергии и ее среднюю стоимость в течение 10, 25 лет. Эти данные не способны показать реальной картины, поскольку все комплексы работают в собственных условиях, подвергаются тем или иным воздействиям и не могут гарантировать заданной производительности.

Специалисты утверждают, что для некоторых регионов окупаемость солнечных батарей никогда не наступает, в других местностях она составляет около 10 или 15 лет.

Подробные исследования не производятся, или ведутся только для данного района. Если необходимо узнать технико-экономические показатели СЭС, приходится каждый раз производить индивидуальный расчет для данных условий, моделей солнечных модулей и прочих факторов воздействия.

Самые эффективные солнечные батареи

Обычный пользователь не старается глубоко вникнуть в теорию, поэтому он чаще всего задает вопрос — хочу купить солнечные панели, какие лучше? Вопрос простой, но ответить на него однозначно крайне сложно. Все зависит от возможностей и потребностей покупателя.

Споры о том, какие солнечные батареи самые эффективные ведутся с самого начала их использования. Несмотря на приоритет кристаллических кремниевых конструкций, нередко впереди оказываются другие виды панелей. Есть рекордсмены в этой области, например, фирма Sharp объявила о создании панелей с КПД 44 %. Эта же фирма создала модули с эффективностью 37,9 %. Есть образцы от других разработчиков с КПД около 32 %. Все эти модели весьма дороги и в массовое производство пока не поступают. Нерентабельность — основная проблема развития солнечных модулей.

Исследования и разработки для повышения КПД

Наиболее перспективным направлением исследований считается создание многослойных панелей. Основной упор делается на возможность получения энергии от инфракрасных и ультрафиолетовых лучей, которые во многом более активны, чем видимые части спектра. Работы ведутся и в области очистки кремниевых структур, создания наиболее однородных и чистых кристаллов.

Еще одним направлением является создание максимально плотных и ровных соединений полупроводников. Электрический ток возникает на границе двух материалов, и, если поверхность обоих изобилует впадинами и прочими изъянами, эти участки исключаются из общей рабочей зоны. Проблема технически сложная, поскольку речь идет о микронной точности шлифовки. Для промышленного производства эти методики пока слишком сложны, а цены на панели будут недоступны рядовым покупателям. Процесс исследований происходит непрерывно, поэтому ожидать положительных сдвигов можно в любой момент.

Видео-инструкция по сборке своими руками

Цены и где лучше купить солнечные батареи

 

Как вам статья?

Фотоэлектрический элемент — Энергетическое образование

Энергетическое образование

Меню навигации

ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ

Поиск

Рис. 1. Солнечная панель, состоящая из множества фотогальванических элементов. ^[1]

A фотоэлектрический ( PV ) элемент представляет собой технологию сбора энергии, которая преобразует солнечную энергию в полезное электричество посредством процесса, называемого фотоэлектрическим эффектом. Существует несколько различных типов фотоэлементов, в которых используются полупроводники для взаимодействия с фотонами, поступающими от Солнца, для генерации электрического тока.

Слои фотоэлемента

Фотоэлектрический элемент состоит из множества слоев материалов, каждый из которых предназначен для определенной цели. Наиболее важным слоем фотогальванического элемента является специально обработанный полупроводниковый слой. Он состоит из двух отдельных слоев (p-типа и n-типа — см. рис. 3) и фактически преобразует солнечную энергию в полезное электричество посредством процесса, называемого фотогальваническим эффектом (см. ниже). По обе стороны от полупроводника находится слой проводящего материала, который «собирает» произведенное электричество. Обратите внимание, что задняя или заштрихованная сторона ячейки может быть полностью покрыта проводником, в то время как передняя или освещенная сторона должна использовать проводники экономно, чтобы избежать блокирования попадания слишком большого количества солнечного излучения на полупроводник. Последний слой, который наносится только на освещенную сторону ячейки, представляет собой просветляющее покрытие. Поскольку все полупроводники обладают естественной отражательной способностью, потери на отражение могут быть значительными. Решение состоит в использовании одного или нескольких слоев антибликового покрытия (аналогично тем, которые используются для очков и фотоаппаратов), чтобы уменьшить количество солнечного излучения, отражающегося от поверхности элемента. ^[2]

Рис. 2. Принцип работы фотоэлектрической ячейки. ^[3]

Фотогальванический эффект

основная статья

Рисунок 3. Схема, показывающая фотогальванический эффект. ^[4]

Фотогальванический эффект — это процесс, который генерирует напряжение или электрический ток в фотогальваническом элементе, когда он подвергается воздействию солнечного света. Эти солнечные элементы состоят из двух разных типов полупроводников — p-типа и n-типа, которые соединены вместе, чтобы создать р-н переход . При соединении этих двух типов полупроводников в области соединения образуется электрическое поле, поскольку электроны движутся к положительной p-стороне, а дырки — к отрицательной n-стороне. Это поле заставляет отрицательно заряженные частицы двигаться в одном направлении, а положительно заряженные — в другом. ^[5] Свет состоит из фотонов, которые представляют собой просто небольшие пучки электромагнитного излучения или энергии. Когда на эти клетки падает свет с подходящей длиной волны, энергия фотона передается электрону полупроводникового материала, заставляя его переходить в более высокое энергетическое состояние, известное как зона проводимости. В своем возбужденном состоянии в зоне проводимости эти электроны могут свободно перемещаться по материалу, и именно это движение электрона создает электрический ток в клетке.

Эффективность солнечных элементов

основной артикул

Эффективность является проблемой проектирования фотоэлектрических элементов, поскольку существует множество факторов, ограничивающих их эффективность. Главный фактор заключается в том, что 1/4 солнечной энергии, поступающей на Землю, не может быть преобразована в электричество кремниевым полупроводником. Физика полупроводников требует минимальной энергии фотона для удаления электрона из кристаллической структуры, известной как энергия запрещенной зоны . Если энергия фотона меньше ширины запрещенной зоны, фотон поглощается в виде тепловой энергии. Для кремния энергия запрещенной зоны составляет 1,12 электрон-вольт. ^[6] Поскольку энергия фотонов от Солнца охватывает широкий диапазон энергий, часть поступающей от Солнца энергии не имеет достаточно энергии, чтобы сбить электрон в кремниевой фотоэлектрической ячейке. Даже от света, который может поглотить , все равно есть проблема. Любая энергия выше энергии запрещенной зоны будет преобразована в тепло. Это также снижает эффективность, потому что эта тепловая энергия не используется для какой-либо полезной задачи. ^[6] Из электронов, которые становятся доступными, не все они действительно доберутся до металлического контакта и выработают электричество. Некоторые электроны не будут достаточно ускорены напряжением внутри полупроводника, чтобы покинуть систему. Эти эффекты объединяются, чтобы создать теоретическую эффективность кремниевых фотоэлементов около 33% . ^[6]

Существуют способы повышения эффективности фотоэлементов, но все они сопряжены с повышенной стоимостью. Некоторые из этих методов включают повышение чистоты полупроводника, использование более эффективного полупроводникового материала, такого как арсенид галлия, добавление в ячейку дополнительных слоев или pn-переходов или концентрирование солнечной энергии с использованием концентрированных фотоэлектрических элементов. С другой стороны, фотоэлементы также будут деградировать, со временем вырабатывая меньше энергии из-за множества факторов, включая воздействие УФ-излучения и погодные циклы. В всеобъемлющем отчете Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) говорится, что средняя скорость деградации составляет 0,5% в год. ^[7]

Типы фотоэлементов

основная статья

^[8]

Фотогальванический элемент может быть изготовлен различными способами и из различных материалов. Наиболее распространенным материалом для изготовления коммерческих солнечных элементов является кремний (Si), но другие материалы включают арсенид галлия (GaAs), теллурид кадмия (CdTe) и селенид меди-индия-галлия (CIGS). Солнечные элементы могут быть изготовлены из хрупких кристаллических структур (Si, GaAs) или в виде гибких тонкопленочных элементов (Si, CdTe, CIGS). Кристаллические солнечные элементы можно разделить на две категории: монокристаллический и поликристаллический , как показано на рисунке 4. Как следует из названий, монокристаллические фотоэлементы состоят из однородной или единой кристаллической решетки, тогда как поликристаллические элементы содержат различные или разнообразные кристаллические структуры. Солнечные элементы также можно классифицировать по количеству слоев или «pn-переходов». Большинство коммерческих фотоэлементов являются только однопереходными, но также были разработаны многопереходные фотоэлементы, которые обеспечивают более высокую эффективность при большей стоимости.

Для дополнительной информации

• Фотогальванический эффект
• Полупроводник
• P-n переход
• Фотон
• Типы фотоэлементов
• Или просмотрите случайную страницу

Ссылки

1. ↑ «20110504-RD-LSC-0621 — Flickr — USDAgov» Министерства сельского хозяйства США. Лицензия CC BY 2.0 через Wikimedia Commons — http://commons.wikimedia.org/wiki/File:20110504-RD-LSC-0621_-_Flickr_-_USDAgov.jpg#/media/File:20110504-RD-LSC-0621_- _Flickr_-_USDAgov. jpg
2. ↑ К. Джулиан Чен. Физика солнечной энергии , 1-е изд. Хобокен, Нью-Джерси, США: John Wiley & Sons Inc., 2011.
3. ↑ Wikimedia Commons [в сети], доступно: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/7d/Operation_of_a_basic_photovoltaic_cell.gif
4. ↑ Создано внутри компании членом группы Energy Education. Адаптировано из: Ecogreen Electrical. (14 августа 2015 г.). Солнечные фотоэлектрические системы [Онлайн]. Доступно: http://www.ecogreenelectrical.com/solar.htm
5. ↑ Г. Бойл. Возобновляемые источники энергии: энергия для устойчивого будущего , 2-е изд. Оксфорд, Великобритания: Издательство Оксфордского университета, 2004.
6. ↑ ^{6.0 6.1 6.2} Р. Вольфсон, «Фотоэлектрическая солнечная энергия» в Energy, Environment, and Climate , 2nd ed., New York, NY: W.W. Нортон и компания, 2012, гл. 9, с. 5, стр. 244-252
7. ↑ Дирк С. Джордан и Сара Р. Курц. Скорость фотоэлектрической деградации — аналитический обзор , Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии, США, 2012 г. По состоянию на 24 апреля 2018 г. [Онлайн] Доступно по адресу https://www.nrel.gov/docs/fy12osti/51664.pdf.
8. ↑ Викисклад. (18 августа 2015 г.). Сравнение солнечных батарей [онлайн]. Доступно: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/71/Comparison_solar_cell_poly-Si_vs_mono-Si.png

Фотогальваника и электричество – Управление энергетической информации США (EIA)

Фотогальванические элементы преобразуют солнечный свет в электричество

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

Фотоны несут солнечную энергию

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

Фотоэлектрический элемент изготовлен из полупроводникового материала. Когда фотоны ударяются о ячейку PV, они могут отражаться от ячейки, проходить через ячейку или поглощаться полупроводниковым материалом. Только поглощенные фотоны обеспечивают энергию для выработки электричества. Когда полупроводниковый материал поглощает достаточно солнечного света (солнечной энергии), электроны выбиваются из атомов материала. Специальная обработка поверхности материала при изготовлении делает переднюю поверхность ячейки более восприимчивой к вытесняемому или свободные электроны, так что электроны естественным образом мигрируют на поверхность клетки.

Поток электричества

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

Эффективность фотогальванических систем зависит от типа фотогальванической технологии.

Эффективность, с которой фотоэлементы преобразуют солнечный свет в электричество, зависит от типа полупроводникового материала и технологии фотоэлементов. КПД коммерчески доступных фотоэлектрических модулей в среднем составлял менее 10% в середине 1980-х годов, к 2015 году он увеличился примерно до 15%, а в настоящее время приближается к 20% для современных модулей. Экспериментальные фотоэлементы и фотоэлементы для нишевых рынков, таких как космические спутники, достигли эффективности почти 50%.

Как работают фотогальванические системы

Фотоэлектрический элемент является основным строительным блоком фотоэлектрической системы. Размер отдельных клеток может варьироваться от примерно 0,5 дюйма до примерно 4 дюймов в поперечнике. Тем не менее, одна ячейка производит только 1 или 2 Вт, чего достаточно только для небольших целей, таких как питание калькуляторов или наручных часов.

Фотоэлементы

электрически соединены в упакованном, защищенном от непогоды фотоэлектрическом модуле или панели. Фотомодули различаются по размеру и количеству электроэнергии, которую они могут производить. Генерирующая мощность фотоэлектрического модуля увеличивается с количеством ячеек в модуле или площадью поверхности модуля. Фотоэлектрические модули могут быть соединены группами для формирования фотоэлектрического массива. Солнечная батарея может состоять из двух или сотен фотоэлектрических модулей. Количество фотоэлектрических модулей, соединенных в фотоэлектрический массив, определяет общее количество электроэнергии, которое может генерировать массив.

Фотогальванические элементы генерируют электричество постоянного тока. Это электричество постоянного тока можно использовать для зарядки аккумуляторов, которые, в свою очередь, питают устройства, использующие электричество постоянного тока. Почти вся электроэнергия поставляется в виде переменного тока (AC) в системах передачи и распределения электроэнергии. Устройства, называемые инверторами , используются на фотоэлектрических модулях или в массивах для преобразования электричества постоянного тока в электричество переменного тока.

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

ты знал

?

Солнечные фотоэлектрические элементы сгруппированы в панели (модули), а панели могут быть сгруппированы в массивы разных размеров для производства малого или большого количества электроэнергии, например, для питания водяных насосов для поения скота, для обеспечения электричеством домов или для производство электроэнергии в коммунальном масштабе.

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

Применение фотоэлектрических систем

Наименьшие фотоэлектрические системы питают калькуляторы и наручные часы. Более крупные системы могут обеспечивать электроэнергией перекачку воды, питание коммуникационного оборудования, подачу электроэнергии для одного дома или предприятия или формировать большие массивы, которые снабжают электроэнергией тысячи потребителей электроэнергии.

• Фотоэлектрические системы могут поставлять электроэнергию в местах, где отсутствуют системы распределения электроэнергии (линии электропередач), а также они могут поставлять электроэнергию в электрическую сеть.
Солнечные батареи
• могут быть установлены быстро и могут быть любого размера.
• Воздействие на окружающую среду фотоэлектрических систем, расположенных в зданиях, минимально.

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

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

История фотогальваники

Первая практическая фотоэлектрическая ячейка была разработана в 1954 году исследователями Bell Telephone. Начиная с конца 1950-х годов фотоэлементы использовались для питания космических спутников США. К концу 1970-х фотоэлектрические панели обеспечивали электричеством удаленные или автономные места, где не было линий электропередач. С 2004 года большинство фотоэлектрических систем в Соединенных Штатах подключены к сети — они подключены к электросети — и установлены на домах и зданиях или рядом с ними, а также на объектах коммунального хозяйства. Технологические достижения, более низкие затраты на фотоэлектрические системы, а также различные финансовые стимулы и государственная политика помогли значительно расширить использование фотоэлектрических систем с середины 19-го века.90-е. В настоящее время в Соединенных Штатах установлены сотни тысяч подключенных к сети фотоэлектрических систем.

По оценкам Управления энергетической информации США (EIA), выработка электроэнергии на фотоэлектрических электростанциях коммунального масштаба увеличилась с 6 миллионов киловатт-часов (кВтч) (или 6000 мегаватт-часов [МВтч]) в 2004 году до примерно 112 миллиардов кВтч (или 111 755 000 МВтч) в 2021. По оценкам EIA, около 49 миллиардов кВтч (или 49 025 000 МВтч) было выработано небольшими фотоэлектрическими системами, подключенными к сети, в 2021 году по сравнению с 11 миллиардами кВтч (или 11 233 000 МВтч) в 2014 году. киловатт (или 1 мегаватт) мощности по выработке электроэнергии, а малые системы имеют мощность генерации менее 1000 киловатт. Большинство небольших фотоэлектрических систем расположены на зданиях и иногда называются крышные системы PV .

Последнее обновление: 17 марта 2022 г., с предварительными данными за 2021 г. из журнала Electric Power Monthly, февраль 2022 г.

солнечная батарея | Определение, принцип работы и разработка

схема структуры солнечного элемента

Посмотреть все СМИ

Ключевые люди:

Роджер Энджел

Похожие темы:

тонкопленочный солнечный элемент кремниевый солнечный элемент солнечная панель множество концентратор солнечной батареи

Просмотреть весь связанный контент →

Резюме

Прочтите краткий обзор этой темы

солнечный элемент , также называемый фотогальваническим элементом , любое устройство, которое непосредственно преобразует энергию света в электрическую посредством фотогальванического эффекта. Подавляющее большинство солнечных элементов изготавливается из кремния — с повышением эффективности и снижением стоимости, поскольку материалы варьируются от аморфных (некристаллических) до поликристаллических и кристаллических (монокристаллических) форм кремния. В отличие от батарей или топливных элементов, солнечные элементы не используют химические реакции и не требуют топлива для производства электроэнергии, и, в отличие от электрических генераторов, они не имеют движущихся частей.

Солнечные элементы можно объединять в большие группы, называемые массивами. Эти массивы, состоящие из многих тысяч отдельных ячеек, могут функционировать как центральные электростанции, преобразовывая солнечный свет в электрическую энергию для распределения среди промышленных, коммерческих и бытовых пользователей. Солнечные элементы в гораздо меньших конфигурациях, обычно называемые панелями солнечных элементов или просто солнечными панелями, были установлены домовладельцами на крышах, чтобы заменить или увеличить их обычное электроснабжение. Панели солнечных батарей также используются для обеспечения электроэнергией во многих отдаленных наземных районах, где обычные источники электроэнергии либо недоступны, либо слишком дороги в установке. Поскольку у них нет движущихся частей, которые могли бы нуждаться в обслуживании, или топлива, которое требовало бы пополнения, солнечные элементы обеспечивают питание для большинства космических установок, от спутников связи и метеорологических спутников до космических станций. (Однако солнечной энергии недостаточно для космических зондов, отправленных к внешним планетам Солнечной системы или в межзвездное пространство, из-за распространения лучистой энергии на расстоянии от Солнца.) Солнечные элементы также использовались в потребительских товарах, таких как электронные игрушки, портативные калькуляторы и портативные радиоприемники. Солнечные элементы, используемые в устройствах такого типа, могут использовать искусственный свет (например, от ламп накаливания и люминесцентных ламп), а также солнечный свет.

Узнайте, как сделать солнечные элементы более эффективными, действенными и доступными

Посмотреть все видео к этой статье

Хотя общее производство фотоэлектрической энергии ничтожно мало, оно, вероятно, будет расти по мере сокращения запасов ископаемого топлива. Фактически, расчеты, основанные на прогнозируемом мировом потреблении энергии к 2030 году, показывают, что глобальные потребности в энергии будут удовлетворяться за счет солнечных панелей, работающих с эффективностью 20 процентов и покрывающих лишь около 496 805 квадратных километров (191 817 квадратных миль) поверхности Земли. Потребность в материалах будет огромной, но выполнимой, поскольку кремний является вторым наиболее распространенным элементом в земной коре. Эти факторы побудили сторонников солнечной энергетики представить себе будущую «солнечную экономику», в которой практически все потребности человечества в энергии удовлетворяются за счет дешевого, чистого, возобновляемого солнечного света.

Солнечные элементы, используемые в центральной электростанции, спутнике или калькуляторе, имеют одинаковую базовую структуру. Свет попадает в устройство через оптическое покрытие или просветляющий слой, который сводит к минимуму потери света при отражении; он эффективно улавливает свет, падающий на солнечный элемент, способствуя его передаче нижележащим слоям преобразования энергии. Антиотражающий слой обычно представляет собой оксид кремния, тантала или титана, который формируется на поверхности ячейки методом центрифугирования или методом вакуумного осаждения.

Три слоя преобразования энергии, расположенные ниже просветляющего слоя, — это верхний соединительный слой, поглощающий слой, составляющий ядро ​​устройства, и задний соединительный слой. Два дополнительных электрических контактных слоя необходимы для передачи электрического тока на внешнюю нагрузку и обратно в ячейку, таким образом замыкая электрическую цепь. Слой электрического контакта на лицевой стороне ячейки, куда проникает свет, обычно представляет собой некоторую сетку и состоит из хорошего проводника, такого как металл. Поскольку металл блокирует свет, линии сетки настолько тонкие и широко расставлены, насколько это возможно без ухудшения сбора тока, производимого ячейкой. Задний электрический контактный слой не имеет таких диаметрально противоположных ограничений. Он должен просто функционировать как электрический контакт и, таким образом, покрывать всю заднюю поверхность клеточной структуры. Поскольку задний слой также должен быть очень хорошим электрическим проводником, он всегда изготавливается из металла.

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

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Когда свет падает на солнечный элемент, электроны в поглощающем слое возбуждаются из низкоэнергетического «основного состояния», в котором они связаны с определенными атомами в твердом теле, в более высокое «возбужденное состояние» в которые они могут перемещать через твердое тело. В отсутствие слоев, образующих переход, эти «свободные» электроны находятся в хаотическом движении, поэтому не может быть направленного постоянного тока. Однако добавление слоев, образующих переход, индуцирует встроенное электрическое поле, которое создает фотоэлектрический эффект. По сути, электрическое поле вызывает коллективное движение электронов, которые текут мимо электрических контактных слоев во внешнюю цепь, где они могут выполнять полезную работу.

Материалы, используемые для двух слоев, образующих соединение, должны отличаться от материала поглотителя, чтобы создавать встроенное электрическое поле и проводить электрический ток. Следовательно, это могут быть разные полупроводники (или один и тот же полупроводник с разными типами проводимости), а могут быть металл и полупроводник. Материалы, используемые для создания различных слоев солнечных элементов, в основном те же, что и для производства диодов и транзисторов твердотельной электроники и микроэлектроники (9).0179 см. также электроника: оптоэлектроника). Солнечные элементы и микроэлектронные устройства используют одну и ту же базовую технологию. Однако при производстве солнечных элементов стремятся создать устройство с большой площадью, поскольку производимая мощность пропорциональна освещаемой площади. В микроэлектронике цель, конечно, состоит в том, чтобы создавать электронные компоненты все меньших размеров, чтобы увеличить их плотность и скорость работы в полупроводниковых чипах или интегральных схемах.

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

Солнечные элементы, использующие ненужный свет

Существующие солнечные элементы могут преобразовывать лишь часть солнечной энергии в электричество. Cambridge Photon Technology надеется исправить это. Предоставлено: View Stock / Getty

.

Cambridge Photon Technology — дочерняя компания Кембриджского университета, Великобритания, и одна из восьми финалистов The Spinoff Prize 2021. стремящиеся выжать из своих панелей все возможное количество электричества. К сожалению, производители сталкиваются с ограничениями в том, насколько эффективными они могут сделать устройства. Британская компания Cambridge Photon Technology считает, что нашла способ значительно увеличить количество электроэнергии, которую может производить фотогальванический материал в солнечных батареях.

Все солнечные элементы работают примерно одинаково: свет падает на устройство и возбуждает электроны в ячейке, вызывая протекание электрического тока. Предпочтительным фотогальваническим (PV) материалом является кремний, который может поглощать большую часть падающего солнечного света и преобразовывать его в электричество. Но кремний лучше всего работает с фотонами в красной и ближней инфракрасной части спектра. Фотоны с более длинной длиной волны и меньшей энергией — дальний инфракрасный диапазон, микроволны и радиоволны — не дают достаточно энергии для протекания тока. Зеленые и синие фотоны с более короткой длиной волны содержат больше энергии, чем может выдержать кремний, а избыточная энергия теряется в виде тепла.

Подробнее о премии Spinoff

Компания Cambridge Photon Technology заявляет, что нашла способ остановить эту трату: преобразование фотонов с более высокой энергией в фотоны с более низкой энергией, которые может использовать солнечный элемент. «Мы пытаемся решить эту проблему, как улучшить производительность солнечной фотоэлектрической энергии и значительно снизить затраты, не отказываясь от устоявшейся кремниевой технологии», — говорит Дэвид Уилсон, глава отдела развития бизнеса в компании.

Максимальная эффективность определяется явлением, называемым пределом Шокли-Квиссера. Все фотоэлектрические материалы обладают свойством, называемым шириной запрещенной зоны, которое определяет, сколько энергии может передаться отдельным электронам; для кремния это 1,1 электрон-вольт. Это соответствует фотонам в ближней инфракрасной части спектра. Фотоны с более высокой энергией, чем эта ширина запрещенной зоны — весь спектр видимого света — могут генерировать электроны, но любая дополнительная энергия фотона за пределами ширины запрещенной зоны материала высвобождается в виде тепла. Из-за этого ограничения обычный солнечный элемент, работающий в идеальных условиях, может преобразовать в лучшем случае 29% солнечной энергии в электричество.

Новый метод, основанный на явлении, называемом делением синглетного экситона, был разработан физиком Акшаем Рао и его командой из Кембриджского университета. Рао также является главным научным сотрудником стартапа. Когда свет попадает на фотоэлектрический материал, он создает экситон, в котором отрицательно заряженный электрон и положительно заряженная электронная вакансия связаны электростатическим зарядом. Но если материал представляет собой органический полимер-полупроводник, фотон может создать не один, а два менее энергетических экситона, оба из которых могут быть преобразованы в электрический ток. «Вы сохраняете общую энергию, которая входит и выходит, но вы заставляете кремний получать более высокий поток фотонов в той части спектра, которую он хорошо преобразует в электричество», — говорит Уилсон.

Идея разделения фотонов не уникальна. «В течение многих лет у людей было подозрение, что вы можете использовать это явление деления синглетного экситона в органических полупроводниках, чтобы обойти этот предел Шокли-Квиссера», — говорит Уилсон. Но только в 2014 году Рао и его коллеги, работая в лаборатории физика Ричарда Френда в Кембридже, впервые разработали практический способ сделать это ¹ .

С самого начала планировалось коммерциализировать эту работу, — говорит Клаудио Маринелли, инженер-электрик и предприниматель, который является исполнительным директором компании. Рао поговорил с производителем солнечных панелей, чтобы понять, что нужно отрасли и как его технология может помочь, а затем обратился к людям с деловым опытом, в том числе к Маринелли и Уилсону, с просьбой помочь создать товарный продукт.

Рао разработал пленку фотонного умножителя, состоящую из слоя органического полимера под названием пентацен, усеянного квантовыми точками селенида свинца — небольшими светоизлучающими комками неорганического материала. Полимер поглощает синие и зеленые фотоны и превращает их в пары экситонов. Эти экситоны перетекают в квантовые точки, которые поглощают их и излучают фотоны красного или инфракрасного излучения с меньшей энергией. Когда пленку помещают поверх кремниевого солнечного элемента, свет от квантовых точек падает на кремний (см. «Сдвиг цвета»). Между тем, красные и инфракрасные волны непосредственно от Солнца проходят через полимерную пленку и попадают на кремний, как обычно. В результате на кремний попадает больше пригодных для использования фотонов, увеличивая производство электрического тока.

Рао подсчитал, что этот метод двойного экситона теоретически может увеличить потенциальную эффективность преобразования солнечных элементов до 35% ² . По словам Уилсона, компания еще не приблизилась к этому уровню, но к концу 2022 года она надеется создать прототип, который преобразует около 31% солнечного света в электричество.

Другие подходы также могут повысить эффективность фотоэлектрических систем. Тандемные солнечные элементы, например, используют материалы, такие как группа кристаллов, известных как перовскиты, которые могут улавливать фотоны с более короткой длиной волны. Материалы можно использовать для создания солнечных элементов, которые затем можно соединить с кремниевыми элементами, создав гибридное устройство, производящее больше электроэнергии. Но сложность с такой установкой, утверждает Уилсон, заключается в том, что заставить два устройства работать вместе, производя разные токи, может быть сложно. Создание солнечных элементов из другого материала также требует дополнительного производственного процесса и нового оборудования, что может привести к росту затрат. «Весь наш подход заключался в том, чтобы избежать этих проблем и сделать простой, нетоксичный материал без электрических соединений, что очень мало усложняет существующую конструкцию», — говорит Уилсон.

Часть Nature Outlook: The Spinoff Prize 2021

Идея Cambridge Photon Technology кажется осуществимой, говорит Кристофер Бардин, химик из Калифорнийского университета в Риверсайде, не связанный с компанией. «Это многообещающая технология, которая обеспечивает простую альтернативу тандемным элементам», — говорит он.

Пленка фотонного умножителя компании может легко вписаться в существующие производственные процессы, говорит Уилсон. Готовую пленку можно продавать производителям солнечных панелей для размещения на их фотоэлектрических модулях. Более простой подход может состоять в том, чтобы продать предварительное решение компаниям, которые производят слой винилацетата, покрывающий кремний, или стеклянные панели, покрывающие солнечные элементы. Затем производители панелей собирали уже обработанные компоненты в готовое устройство. Каким бы ни был подход, Уилсон надеется, что продукт будет готов к выпуску на рынок примерно через три года.

В Cambridge Photon Technology работает около дюжины человек, и компания привлекла 1 миллион фунтов стерлингов (1,4 миллиона долларов США) в виде акционерного капитала. Он также имеет ряд исследовательских грантов и имеет доступ к исследователям и объектам Кембриджского университета для дальнейшего развития технологии. Он получил лицензию на четыре ключевых патента университета.

Хотя компания сделала прототипы пленки и квантовых точек, чтобы показать, что они достаточно эффективны для работы в продукте, она не собрала все части в работающий солнечный элемент с повышенной эффективностью. По словам Уилсона, как только компания докажет, что ее технология жизнеспособна, потенциальная отдача может быть большой. «Действительно ясно, что существует довольно острая необходимость», — говорит он. «И эта технология, если она будет работать, как обещано, будет иметь большое значение для удовлетворения этой потребности».

Что такое солнечные батареи? (включая типы, эффективность и разработки)

Солнечные элементы, также называемые фотогальваническими элементами, преобразуют энергию света в электрическую энергию с помощью фотогальванического эффекта. Большинство из них представляют собой кремниевые элементы, которые имеют различную эффективность преобразования и стоимость, начиная от элементов из аморфного кремния (некристаллического) и заканчивая поликристаллическими и монокристаллическими (монокристаллическими) кремниевыми типами.

В отличие от батарей, солнечные системы не используют химические реакции и не требуют топлива. Кроме того, солнечные элементы не имеют движущихся частей, таких как электрические генераторы. Домашние солнечные системы преобразуют около 20% получаемого солнечного света в электричество, в то время как более дорогие коммерческие системы могут преобразовывать до 40%. Однако ожидается, что с развитием технологий солнечная эффективность этих панелей возрастет.

Крупнейшее формирование солнечных элементов называется массивами, которые состоят из тысяч отдельных элементов и могут быть объединены в солнечные фермы для преобразования солнечного света в энергию для крупномасштабного коммерческого, промышленного и бытового использования.

Меньшие группы элементов называются солнечными панелями или, чаще, солнечными панелями. Различные типы солнечных панелей имеют множество применений: от размещения на крышах для замены или дополнения бытового электроснабжения или для обеспечения электроэнергией мест, где традиционные источники недоступны или дороги в установке. Из-за отсутствия движущихся частей или топлива солнечные панели также широко используются в космосе, в том числе для спутников и космических станций, хотя распространение солнечной энергии в дальние части Солнечной системы означает, что эти панели нельзя использовать для отправки зондов. выйти в межзвездное пространство.

На самом низком уровне солнечные батареи используются во многих потребительских товарах, включая игрушки, калькуляторы и радиоприемники. Эти солнечные элементы могут также использовать искусственный свет, а также солнечный свет для получения энергии.

Все солнечные элементы имеют одинаковую базовую структуру. Свет входит в систему через оптическое покрытие или просветляющий слой, который сводит к минимуму потери света при отражении. Это улавливает свет и способствует его передаче нижележащим слоям преобразования энергии. Этот верхний просветляющий слой обычно представляет собой оксид кремния, тантала или титана и формируется методом центрифугирования или вакуумного осаждения.

Под верхним просветляющим слоем находятся три слоя преобразования энергии. Это верхний соединительный слой, абсорбирующий слой и задний соединительный слой. Есть также два дополнительных электрических контактных слоя для проведения электрического тока к внешней нагрузке, а затем обратно к ячейке для замыкания электрической цепи.

В верхнем электрическом контактном слое на поверхности ячейки используется сетчатый рисунок, состоящий из материала с хорошей проводимостью, такого как металл. Однако, поскольку металл блокирует свет, линии сетки тонкие и широко разнесены, чтобы пропускать свет, а также собирать электрический ток. Задний электрический контактный слой не имеет таких ограничений и обычно изготавливается исключительно из металла.

Для поддержания высокой эффективности поглотитель солнечных элементов должен быть способен поглощать электромагнитное излучение на длинах волн видимого света. Материалы, способные поглощать это видимое излучение, называются полупроводниками, и их толщина может составлять всего одну сотую сантиметра или меньше. Формирующий переход и контактные слои еще тоньше, а это означает, что толщина солнечного элемента в основном равна толщине поглотителя. Полупроводниковые материалы, используемые в солнечных элементах, включают селенид меди, индия, арсенид галлия, фосфид индия и кремний.

Когда свет попадает на солнечный элемент, электроны в поглощающем слое переходят из «основного состояния» с более низкой энергией, где они связаны с определенными атомами в твердом теле, в «возбужденное состояние», где они могут свободно перемещаться через твердый. Слои, образующие переход, создают встроенное электрическое поле, которое создает фотогальванический эффект. Это электрическое поле создает коллективное движение электронов, так что они проходят мимо электрических контактных слоев во внешнюю цепь. Два слоя, образующих переход, должны быть непохожими на поглотитель, чтобы создавать электрическое поле для переноса электрического тока. В результате это могут быть разные полупроводники (или одни и те же с разным типом проводимости) или металл и полупроводник. Солнечные батареи должны покрывать как можно большую площадь, поскольку количество производимой энергии пропорционально освещаемой площади.

Поскольку солнечные батареи не могут производить энергию в темноте, они сохраняют часть энергии, чтобы ее можно было использовать, когда свет недоступен. Это может происходить путем зарядки электрохимических аккумуляторных батарей и аналогично процессу фотосинтеза в растениях.

Вкратце:

1. Солнечный свет падает на поверхность клетки
2. Энергия переносится через слои клетки в виде фотонов
3. Фотоны отдают свою энергию электронам в нижнем слое
4. Электроны используют эту энергию, чтобы прыгнуть обратно в верхний слой и уйти в цепь
5. Электроны, протекающие по цепи, обеспечивают питание устройства

Солнечные элементы можно разделить на три основных типа: кристаллический кремний, тонкопленочные солнечные элементы и более новая разработка, представляющая собой смесь двух других.

1. Элементы из кристаллического кремния

Около 90% солнечных элементов изготавливаются из пластин кристаллического кремния (c-Si), которые нарезаются из крупных слитков, выращенных в лабораториях. Эти слитки растут в течение месяца и могут принимать форму одного или нескольких кристаллов. Монокристаллы используются для создания монокристаллических солнечных панелей и элементов (моно-Si), а несколько кристаллов используются для поликристаллических панелей и элементов (мульти-Si или поли-c-Si).

В этих солнечных элементах используется слиток n-типа, который изготавливается путем нагревания кусков кремния с небольшим количеством фосфора, сурьмы или мышьяка в качестве легирующей примеси. Слиток n-типа соединен со слоем кремния p-типа, в котором в качестве легирующей примеси используется бор. Слитки n-типа и p-типа сплавляются для создания соединения в процессе, впервые разработанном в 1954 году.

Монокристаллические ячейки имеют характерный внешний вид и часто окрашены, а также имеют тенденцию иметь цилиндрическую форму. Этим ячейкам придают форму, что может быть расточительно, но обеспечивает высочайший уровень эффективности. Поликристаллические элементы не нужно обрезать по форме, так как кремний расплавляется и заливается в квадратные формы. Поликристаллические солнечные панели считаются средним вариантом как с точки зрения цены, так и эффективности.

2. Тонкопленочные солнечные элементы

Кристаллические кремниевые элементы изготавливаются из пластин толщиной всего в доли миллиметра (около 200 микрометров, 200 мкм), однако тонкопленочные солнечные элементы, также называемые тонкопленочными фотоэлектрическими элементами, имеют толщину около 100 раз тоньше. Эти тонкопленочные солнечные панели и элементы изготовлены из аморфного кремния (a-Si), в котором атомы расположены случайным образом, а не в упорядоченной кристаллической структуре. Эти пленки также могут быть изготовлены из теллурида кадмия (Cd-Te), диселенида меди, индия, галлия (CIGS) или органических фотоэлектрических материалов.

Эти элементы производятся путем наслоения фотоэлектрических элементов для создания модуля и являются самым дешевым вариантом производства солнечных панелей. Ячейки можно ламинировать на окна, световые люки, кровельную черепицу и другие подложки, включая стекло, металлы и полимеры. Однако, несмотря на эту гибкость, они не так эффективны, как обычные элементы из кристаллического кремния. В то время как элементы из кристаллического кремния могут обеспечить КПД 20%, эти тонкопленочные элементы достигают КПД только около 7%. Даже самые лучшие элементы CIGS едва достигают эффективности 12%.

4. Солнечные элементы третьего поколения

Новейшие технологии солнечных элементов сочетают в себе лучшие характеристики кристаллического кремния и тонкопленочных солнечных элементов, обеспечивая высокую эффективность и повышенную практичность в использовании. Они, как правило, изготавливаются из аморфного кремния, органических полимеров или кристаллов перовскита и имеют несколько переходов, состоящих из слоев различных полупроводниковых материалов.

Эти элементы потенциально могут быть дешевле, эффективнее и практичнее, чем другие типы элементов, и было показано, что они могут достигать эффективности около 30% (с тандемным солнечным элементом перовскит-кремний).

Солнечные батареи могут производить электричество только на основе света, который они получают и способны обрабатывать. Большинство клеток преобразуют только 10-20% энергии, которую они получают, в электричество, при этом наиболее эффективные клетки лабораторных клеток достигают эффективности около 45% в идеальных условиях. Причина этого в том, что солнечные элементы оптимизированы для захвата фотонов только из определенного диапазона частот, а фотоны за пределами этого диапазона тратятся впустую. Кроме того, из тех, что находятся в полосе частот, некоторым фотонам не хватает энергии, необходимой для создания электронов, в то время как у других ее слишком много, поэтому избыток тратится впустую.

Эффективность большинства реальных солнечных панелей составляет всего 10-20%, поскольку такие факторы реального мира, как конструкция панели, расположение, выравнивание, тени, тепло и отсутствие чистоты, могут снизить оптимальную эффективность.

Общая эффективность солнечного элемента определяется сочетанием эффективности разделения носителей заряда, эффективности проводимости, эффективности отражения и термодинамической эффективности.

Производство солнечных элементов состоит из семи этапов:

Этап первый: Очистка кремния

Диоксид кремния помещают в электродуговую печь и применяют угольную дугу для высвобождения кислорода. При этом остаются углекислый газ и расплавленный кремний, что дает кремний с примесью всего 1%, но даже он недостаточно чистый для использования в солнечных элементах. Стержни из 99-процентного кремния несколько раз пропускают в одном и том же направлении через нагретую зону в процессе, называемом методом плавающей зоны. При повторении этого процесса все загрязнения притягиваются к одному концу стержня, что в конечном итоге позволяет просто удалить этот нечистый конец.

Второй этап: создание монокристаллического кремния

Самый распространенный метод создания монокристаллического кремния называется методом Чохральского, при котором затравочный кристалл кремния погружается в расплавленный поликристаллический кремний. При вращении этого затравочного кристалла по мере его извлечения из расплавленного поликристалла создается цилиндрический слиток или буля.

Третий этап: разрезание кремниевых пластин

Буль со второго этапа разрезается на кремниевые пластины с помощью циркулярной пилы. Алмаз — лучший материал для пилы для этой работы, производящий пластины кремния, которые затем можно разрезать, чтобы сформировать квадраты или шестиугольники, которые легче соединить вместе на поверхности солнечного элемента. Затем нарезанные пластины обычно полируют, чтобы удалить следы от пилы, хотя некоторые производители оставляют эти дефекты, поскольку считается, что более грубые ячейки могут эффективнее поглощать свет.

Стадия четвертая: легирование

После очистки кремния на более ранней стадии в материал теперь могут быть добавлены примеси. Этот процесс называется легированием и обычно включает использование ускорителя частиц для запуска ионов фосфора в слиток. Управление скоростью ионов позволяет контролировать глубину проникновения. Эту часть процесса можно пропустить, используя более традиционный метод введения бора при резке пластин.

Пятый этап: добавление электрических контактов

Электрические контакты соединяют солнечные элементы друг с другом и действуют как приемник производимого тока. Эти контакты тонкие, чтобы не блокировать попадание солнечного света в ячейку, и сделаны из металлов, таких как палладий или медь. Металл либо выпаривают в вакууме через фоторезист, либо наносят на открытую часть ячеек, частично покрытых воском. После того, как контакты установлены, между ячейками помещаются тонкие полоски, обычно из луженой меди.

Шестой этап: добавьте антибликовое покрытие

Блестящая природа кремния означает, что он может отражать до 35% падающего на него солнечного света. На кремний нанесено антибликовое покрытие, чтобы уменьшить количество солнечного света, теряемого при отражении. Для этого обычно используются диоксид титана и оксид кремния, при этом материал нагревается до тех пор, пока молекулы не выкипают и не перемещаются на кремний, где они конденсируются. В качестве альтернативы можно использовать высокое напряжение для удаления молекул из материала и осаждения их на кремний на противоположном электроде в процессе, называемом «распылением».0005

Седьмой этап: инкапсуляция элемента

Наконец, солнечные элементы инкапсулируются в силиконовый каучук или этиленвинилацетат и помещаются в алюминиевую раму с тыльным листом и стеклянной или пластиковой крышкой для защиты.

Количество потенциальной энергии, поступающей на Землю от Солнца каждый день, вполне достаточно для удовлетворения всех наших потребностей в производстве электроэнергии. Однако, как упоминалось выше, большинство солнечных элементов способны улавливать только около 15% доходящего до них света. Конечно, чем больше солнечная панель или массив, тем больше энергии она может улавливать.

Поскольку монокристаллические, поликристаллические и тонкопленочные солнечные элементы имеют разную эффективность, мы рассмотрим наиболее распространенный тип кристаллических кремниевых солнечных элементов.

Один солнечный элемент (размером с компакт-диск) может генерировать 3-4,5 Вт. Поместив 40 таких ячеек вместе в модуль типичного размера, вы можете генерировать 100-300 Вт. Разместив несколько таких модулей вместе, чтобы сформировать несколько солнечных панелей, можно генерировать несколько киловатт энергии, которых должно быть достаточно для удовлетворения пиковых энергетических потребностей большинства домов. Солнечные фермы могут производить еще больше энергии: по оценкам, потребуется 22 000 панелей на 30 акрах для выработки 4,2 мегаватт энергии; достаточно для питания 1200 домов.

Для сравнения, потребуется 500-1000 солнечных установок на крыше, чтобы соответствовать мощности, вырабатываемой большой ветряной турбиной (2-3 мегаватта), в то время как для достижения мощности большой ветряной турбины потребуется около одного миллиона солнечных установок на крыше. угольная или атомная электростанция (которые оцениваются в гигаваттах).

Это приводит к вопросам о способности солнечной энергии удовлетворять наши энергетические потребности в будущем…

Солнечная энергия уже дает много преимуществ для пользователей, а также помогает смягчить негативное воздействие производства электроэнергии на ископаемом топливе на окружающую среду. Помимо снижения загрязнения воздуха и выбросов углекислого газа, связанных с переходом на солнечную энергию, есть и преимущества на более локальном уровне, поскольку производство электроэнергии размещается в месте ее использования.

В самом маленьком масштабе это позволило нам питать часы и калькуляторы без батареек, а дорожные и железнодорожные знаки также могут питаться от солнечной энергии, поэтому их можно использовать даже в самых отдаленных местах. Солнечная энергия также используется в некоторых странах для питания водяных насосов, телефонных будок и даже холодильных установок в больницах и поликлиниках.

В настоящее время ведутся разработки по созданию самоочищающихся покрытий для солнечных панелей с целью повышения их эффективности, а также проекты по сокращению отходов материалов при производстве (см. пример OLEDSOLAR ниже).

В будущем, по мере сокращения запасов ископаемого топлива, будет возрастать потребность в использовании возобновляемых источников энергии, включая солнечную. Сторонники «солнечной экономики» считают, что большую часть наших глобальных энергетических потребностей можно удовлетворить за счет солнечных панелей, работающих с эффективностью 20% и покрывающих всего 191 817 квадратных миль поверхности Земли. Это возможно, по крайней мере теоретически, учитывая, что кремний является вторым по распространенности элементом в земной коре.

Хотя заманчиво видеть, что дешевый, чистый и возобновляемый источник солнечного света используется для питания человечества, достижения в области других возобновляемых ресурсов, таких как энергия ветра, делают это маловероятным. Наоборот, более вероятно, что солнечная энергия будет лишь частью общего комплекса возобновляемых источников энергии, состоящего из различных источников.

Тем не менее, солнечная энергия по-прежнему найдет локальное применение в меньших масштабах, особенно в развивающихся странах с подходящим климатом. Солнечная энергия также идеально подходит для домашнего и мелкомасштабного коммерческого использования, что заставляет некоторых предвидеть время, когда каждый сможет отключиться от сети и создать свои собственные личные источники энергии. Хотя это заманчивая идея, другие считают, что сеть необходимо поддерживать, чтобы мы могли гарантировать, что каждый получит необходимую мощность независимо от обстоятельств.

Солнечные батареи широко используются в качестве возобновляемого источника энергии в масштабах от самых маленьких портативных устройств до обеспечения энергией целых сообществ. Поскольку движение к достижению нулевых выбросов углерода продолжается, солнечная энергия, похоже, станет частью общего баланса возобновляемых источников энергии. Это приведет к инвестициям и технологическим достижениям, а также к снижению затрат на солнечные энергетические системы.

Подробнее о работе TWI в этой области промышленности можно узнать здесь.

Связанные часто задаваемые вопросы (FAQ)

Кремниевые солнечные батареи | 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 «поколения 1 ^-го », 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 бедный электронами слой. 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.

Читать далее: Фотовольтаика

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 из 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 , так как в процессе производства практически 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 работать так 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 — это мощная и развивающаяся линейка 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.