Недавно была опубликована статья про принцип действия солнечных батарей. Сегодня хочется остановиться на центральном элементе любой солнечной батареи - фотоэлементе. От параметров фотоэлемента зависят все параметры солнечной батареи: эффективность производства электроэнергии (КПД), срок службы и, конечно, условия работы. Если смотреть вклад в стоимость солнечной батареи, то фотоэлемент - это самая дорогая часть, и именно от его стоимость зависят сроки окупаемости гелиосистемы.
Статья про принцип действия солнечных батарей
Еще совсем недавно фотоэлементы изготавливались в основном из кристаллического кремния. Но теперь, набор материалов и технологий изготовления достаточно обширен. Единым остался лишь принцип их работы на основе фотогальванического эффекта. Принципы были хорошо описаны в предыдущей статье.
На данный момент все известные в мире фотоэлементы делятся на две большие группы: кристаллические кремниевые, тонкопленочные и органические. Дальше детально рассмотрим каждую из групп.
Кристаллические кремниевые
С точки зрения возникновения технологий - это самая первая. Такие фотоэлементы существуют уже несколько десятков лет и успешно эксплуатируются в космонавтике. Космические аппараты на таких элементов успешно эксплуатируются на орбите Земли, на других планетах и даже на грани солнечной системы. Они остаются самыми распространенными и на Земле.
Кремниевый фотоэлемент состоит из двух слоев. Внутри расположен сверхчистый кристаллический кремний, который перед этим проходит множество этапов очистки. Внешний слой состоит из кремния с примесями, которые вводятся для различных целей. Такой примесью может быть, например, фосфор.
Как известно, кремний - один из самых распространенных элементов на земле. Однако, картина не столь радужна, большей частью он встречается в виде оксида, например, кварца. Не удивляйтесь, но кремний содержится даже в речном песке. А когда вы ходите по кварцевому песочку на пляже, знайте, что из этого материала делают микроэлектронику.
Возникает проблема выделения чистого кремния из природных ресурсов. Люди научились решать эту проблему, но пока это долгий и дорогой процесс. Чтобы как-то сбалансировать необходимость и реалии делают кремний разных степеней очистки. Есть даже стандарт на “солнечный кремний”, который применяют в производстве фотоэлементов.
Кристаллический кремний для производства фотоэлементов бывает двух видов: поликристаллический и монокристаллический.
Монокристаллические фотоэлементы
Из плюсов - самый высокий КПД (порядка 10-16%) и очень долгий срок службы. На таких фотоэлементах работают космические аппараты, которые находятся там уже больше 20 лет. Главным недостатком подобных фотоэлементов являются цена. Кроме этого, у таких фотоэлементов есть еще один недостаток, при облачности или затемнении их КПД уменьшается. Для космоса - это не проблема, там нет облаков. Для “земного” применения в быту, это может стать непреодолимым препятствием.
В попытке решения этой и некоторых других проблем были созданы поликристаллические фотоэлементы.
Поликристаллические фотоэлементы
В отличии от своих собратьев на монокристаллах, таки элементы характеризуются более низким КПД (порядка 11%) и меньшим сроком службы (около 10 лет). Однако, они имеют меньшую цену и меньше зависят от затемнения.
Тонкопленочные фотоэлементы
Как уже было отмечено, фотоэлементы на основе кремния достаточно дороги. Однако, для повсеместного “земного” применения требуется, чтобы цены были доступны для обывателя. Чтобы решить эту проблемы, многие фирмы и исследовательские команды по всему миру принялись искать альтернативу. И нашли ее в виде тонкопленочной технологии.
Стоимость таких элементов почти в два раза ниже. Экономия возникает в следствии того, что для производства элементов на тонких пленках требуется гораздо меньше кремния. Кроме этого, в качестве полупроводниковых, можно использовать более новые и более дешевые соединения.
На данный момент самыми популярными видами тонкопленочных фотоэлементов являются элементы из аморфного кремния, CIS (CIGS) и CdTe технологии.
Фотоэлементы из аморфного кремния (a-Si)
Такие элементы стоят гораздо дешевле своих кристаллических собратьев за счет снижения количества кремния. Такие элементы - это различного рода пленки, на которые нанесен слой рабочего кремния толщиной 0,5-1,0 мкм (в противовес 300 мкм в кристаллических, разница - в 300 раз). Кроме этого, аморфный кремний в отличии от кристаллического можно наносить на самые разные поверхности, которые ко всему прочему можно гнуть (аморфный материал в отличии от кристаллического не ломается).
Аморфность, кроме своих плюсов имеет очевидный минус - КПД. КПД таких элементов составляет всего около 6-8%.
CIS (CIGS) фотоэлементы
- CIS - Copper Indium Selenide, соединения селена с медью и индием
- CIGS - Copper Indium Gallium Selenide, соединение селена с медью, индием и галлием
В таких элементах нет кремния, совсем. Как указано выше в расшифровке аббревиатур, основу таких элементов составляет селен, в который добавляются соединения меди, индия и галлия. Главный плюсом таких элементов является КПД (порядка 11%), который является самым большим среди тонкопленочных элементов. Кроме всего прочего, такие элементы эффективнее кристаллических в облачную, пасмурную погоду и вечерние часы.
На этом плюсы таких элементов не заканчиваются. Такие элементы обладают так называемым “эффектом светового насыщения”. Стоит оставить их на солнце без подключенной нагрузке на несколько часов, и их эффективность повышается на 10%. Удивительно! Кристаллические элементы при долгом воздействии деградируют.
CdTe фотоэлементы
В основе таких фотоэлементов лежат соединения кадмия и теллура. КПД - около 9%.
Следует отметить тот факт, что кадмий вообще - вредный токсичный элемент. Хотя и используется в обычных батарейках в небольших количествах. Производители, конечно, утверждают, что ввиду очень малой доли продукция безвредна.
Органические фотоэлементы
Достаточно новый вид фотоэлементов на основе органических соединений. Пока характеризуется небольшим КПД (порядка 5-7%), хотя если образцы, в которых удалось добиться порядка 20%. Напомню, что биологический коэффициент покрытосеменных растений - 10%. Плюсы - дешевизна при массовом производстве, экологичность, возможно наносит на любые поверхности (даже сгибаемые), и, возможно, КПД в будущем.
Комментарии
sergeysolar, 3 мая 2011, 17:05
Интересная статья, однако, хотелось бы прояснить некоторые моменты. Могли бы вы указать источник, в котором сказано, что элементы из мультикристаллического кремния более эффективны при слабом освещении? Я давно изучаю эту тему. У меня есть посвященные ей ресурсы: www.ecolar.ru, www.solarity.ru Я читал, что повышение эффективности при слабом освещении характерно только для тонкопленочных элементов. Кстати, им свойственна деградация, о которой вы не упомянули. Фраза «Кристаллические элементы при долгом воздействии деградируют» практически не верна. Производители солнечных панелей указывают срок службы 25 лет при деградации не более 20%. При этом деградируют не сами элементы, а снижается прозрачность защитных слоев. В космосе в основном используют солнечные батареи на базе арсенида галлия.
mrdekk, 4 мая 2011, 11:31
Я не говорил, что элементы из поликристаллического кремния более эффективны при слабом освещении, я сказал лишь что они «меньше зависят от освещения». И объясняется это их поликристалличностью. Их КПД при уменьшение освещения не увеличивается, но по сравнению с монокристаллами — падает медленнее.
Про деградацию тонкопленочных элементов да не упомянул, спасибо что напомнили.
По деградацию кристаллических элементов фразу не стоит вырывать из контекста :). Суть была в сравнении с CIS элементами, которые имеют полезную фичу «светового насыщения».