Солнечные элементы

Добавлено 4 июля 2017 в 08:00

Глава 3 – Диоды и выпрямители

Фотодиод, оптимизированный для эффективного питания нагрузки, является солнечным элементом. Он работает в фотогальваническом режиме, так как он смещен в прямом направлении напряжением, создаваемым на сопротивлении нагрузки.

Солнечные батареи

Монокристаллические солнечные элементы изготавливаются в процессе, подобном производству полупроводниковых приборов. Он предполагает выращивание монокристаллического слитка из расплавленного кремния высокой чистоты (P-типа), хотя и не столь чистого, как для полупроводниковых приборов. Слиток распиливается алмазной пилой на пластины. Поскольку современные солнечные элементы почти квадратные, лишний кремний удаляется в процессе придания слитку квадратной формы. Солнечные элементы могут быть вытравлены для придания поверхности текстуры (шероховатости), чтобы улучшить поглощение света. Значительное количество кремния теряется при производстве квадратных пластин размером 10 или 15 см. В настоящее время производители солнечных элементов обычно покупают пластины на этом этапе у производителей полупроводников.

Пластины P-типа погружаются «спиной к спине» в ванны с расплавленным диоксидом кремния, подвергая только внешнюю сторону легированию примесью N-типа в диффузионной печи. Процесс диффузии образует тонкий слой N-типа на верхней поверхности солнечного элемента. Диффузия также замыкает грани верхней и нижней поверхностей солнечного элемента. Чтобы удалить замыкание солнечного элемента, грани должны быть удалены с помощью плазменного травления. Серебряная и/или алюминиевая паста наносится на заднюю сторону солнечного элемента, а серебряная сетка – на переднюю сторону. Затем они спекаются в печи для хорошего электрического контакта (рисунок ниже).

Ячейки соединяются металлическими лентами последовательно. Для 12-вольтовых зарядных устройств на солнечных батареях 36 ячеек (примерно по 0,5 В каждая) вакуумно ламинируются между стеклом и металлом с полимерным покрытием. Стекло может иметь текстурированную поверхность, которая помогает поглощать свет.

Ячейка кремниевого солнечного элемента
Ячейка кремниевого солнечного элемента

Промышленные монокристаллические кремниевые солнечные элементы с максимальной эффективностью (21,5%) имеют все контакты на задней стенке ячейки. Активная поверхность ячейки увеличивается за счет перемещения контактных проводников верхнего (–) контакта на заднюю часть ячейки. Верхние (–) контакты обычно делаются на кремнии N-типа на верхней стороне ячейки. На рисунке ниже (–) контакты выполнены на N+ диффузии внизу, чередуясь с (+) контактами. Верхняя поверхность текстурирована для облегчения поглощения света внутри ячейки...

Высокоэффективный солнечный элемент со всеми контактами на нижней стороне
Высокоэффективный солнечный элемент со всеми контактами на нижней стороне

Мультикристаллические кремниевые элементы начинаются в виде расплавленного кремния, отлитого в прямоугольную форму. По мере того как ремний охлаждается, он кристаллизуется в несколько больших (размером от мм до см) случайно ориентированных кристаллов, вместо одного кристалла. Остальная часть процесса такая же, как у монокристаллических солнечных элементов. На готовых ячейках видны линии, как будто ячейки сломаны. Их эффективность не столь высока, как у монокристаллических элементов, из-за потерь на границах кристаллов. Из-за случайной ориентации кристаллов поверхности солнечного элемента не может быть придана шероховатость путем травления. Однако антиотражающее покрытие повышает их эффективность. Эти солнечные элементы конкурентоспособны везде, кроме космических применений.

Трехслойный солнечный элемент: самый высокоэффективный солнечный элемент представляет собой стек из трех элементов, настроенных на поглощение различных частей солнечного спектра. Хотя три элемента могут быть сложены друг на друга, но монолитная монокристаллическая структура из 20 полупроводниковых слоев является более компактной. При эффективности 32%, для использования в космосе сейчас предпочтение отдается кремнию. Высокая стоимость не позволяет найти много применений на Земле, кроме концентраторов, основанных на линзах или зеркалах.

Интенсивные исследования недавно выпустили версию, улучшенную для наземных концентраторов, на 400–1000 солнц и эффективностью 40,7%. Для нее требуется большая дешевая линза Френеля или отражатель и небольшая поверхность дорогого полупроводника. Эта комбинация считается конкурентоспособной с недорогими кремниевыми солнечными элементами дл солнечных электростанций.

Металлоорганическое химическое осаждение из паровой фазы (MOCVD, Metal organic chemical vapor deposition) откладывает слои на поверхности германия P-типа. Верхние слои фосфида галлия-индия (GaInP) N и P типов, имеющие запрещенную зону 1,85 эВ, поглощают ультрафиолетовый и видимый свет. Эти длины волны имеют достаточную энергию для перехода запрещенной зоны. Более длинные волны (более низкая энергия) не обладают достаточной энергией для создания электронно-дырочных пар и переходят к следующему слою. Слои арсенида галлия, имеющие ширину запрещенной зоны 1,42 эВ, поглощают ближний инфракрасный свет. Наконец, слой германия и подложка поглощают дальний инфракрасный свет. Последовательность из трех элементов создает напряжение, которое является суммой напряжений трех элементов. Напряжение, вырабатываемое каждым материалом, на 0,4 В меньше, чем энергия запрещенной зоны, приведенная в таблице ниже. Например, для GaInP: 1,8 эВ/э – 0,4 В = 1,4 В. Для всех трех элементов напряжение составляет 1,4 В + 1,4 В + 0,3 В = 2,7 В.

Высокоэффективный трехслойный солнечный элемент
СлойЗапрещенная зонаПоглощаемый свет
Фосфид галлия-индия1,8 эВультрафиолетовый, видимый
Арсенид галлия1,4 эВближний инфракрасный
Германий0,7 эВдальний инфракрасный

Кристаллические массивы солнечных батарей обладают длительным сроком службы. Многие массивы имеют гарантию на 25 лет и считаются подходящими для использования в течение 40 лет. Они не страдают от первоначальной деградации по сравнению с аморфным кремнием.

Как монокристаллические, так и многокристаллические солнечные элементы основаны на кремниевых пластинах. Кремний – это и подложка, и активные слои. Следовательно, потребляется много кремния. Этот тип солнечных элементов существует уже несколько десятилетий и занимает около 86% рынка солнечной электроэнергии.

Тонкопленочные солнечные элементы из аморфного кремния используют очень маленькое количество активного сырья, кремния. Приблизительно половиной стоимости обычных кристаллических солнечных элементов является стоимость кремния. Процесс осаждения тонкой пленки снижает эту стоимость. Недостатком является то, что эффективность составляет примерно половину от эффективности обычных кристаллических солнечных элементов. Кроме того, эффективность снижается на 15–35% при воздействии солнечного света. Эффективность 7% скоро снижается до 5%. Тонкопленочные элементы из аморфного кремния работают лучше кристаллических элементов при тусклом свете. Их хорошо использовать в калькуляторах на солнечной энергии.

Некремниевые солнечные элементы составляют около 7% рынка. Это тонкопленочные поликристаллические солнечные элементы. Предметом исследований являются различные составные полупроводники. Некоторые некремниевые элементы находятся в производстве. Как правило, их эффективность лучше, чем у аморфного кремния, но не так хороша, как у кристаллического кремния.

Теллурид кадмия как поликристаллическая тонкая пленка на металле или стекле может иметь более высокую эффективность, чем тонкая пленка аморфного кремния. При нанесении на металл этот слой является отрицательным контактом к тонкой пленке телллурида кадмия. Прозрачный сульфид кадмия P-типа поверх телллурида кадмия служит буферным слоем. Положительный верхний контакт – это прозрачный, электропроводящий оксид олова, легированный фтором. Эти слои могут быть уложены, вместо стекла, на фольгу при производстве. Эта фольга удаляется после того, как ячейка установлена на постоянную подложку.

Солнечный элемент на базе теллурида кадмия на стекле или металле
Солнечный элемент на базе теллурида кадмия на стекле или металле

Процесс осаждения теллурида кадмия на стекле начинается с осаждения прозрачного, электропроводящего оксида олова N-типа на стеклянную подложку. Следующий слой – это теллурид кадмия P-типа; хотя может использоваться и N-тип, и собственный полупроводник. Эти два слоя составляют PN переход. Слой P+ (сильно легированный P-тип) теллурида свинца помогает установить низкоомный контакт. Металлический контакт обеспечивает окончательный контакт с теллуридом свинца. Эти слои могут быть уложены вакуумным осаждением, химическим осаждением из газовой фазы (CVD), трафаретной печатью, электроосаждением или химическим осаждением из атмосферного давления (APCVD) в гелии.

Вариацией теллурида кадмия является теллурид кадмия-ртути. Его обладание более низким удельным сопротивлением и более низким сопротивлением контакта повышает эффективность по сравнению с теллуридом кадмия.

Солнечный элемент на базе диселенида кадмия-индия-галлия (CIGS)
Солнечный элемент на базе диселенида кадмия-индия-галлия (CIGS)

Диселенид кадмия-индия-галлия: самый перспективный тонкопленочный солнечный элемент в настоящее время производится на рулоне шириной десять дюймов из гибкого полиимида – диселенида кадмия-индия-галлия (CIGS, Cadmium Indium Gallium diSelenide). Эффективность – 10%. Хотя кристаллические кремниевые элементы промышленного класса превзошли это значение десятилетия назад, CIGS должен быть конкурентоспособен по стоимости. Процессы осаждения происходят при достаточно низкой температуре для использования полиимидного полимера в качестве подложки вместо металла или стекла (рисунок выше). CIGS изготавливается в виде рулона, что должно снизить затраты. Элементы на базе CIGS также могут быть получены в результате крайне дешевого электрохимического процесса.

Подведем итоги

  • Большинство солнечных элементов – это монокристаллы или мультикристаллы кремния, что обусловлено их хорошей эффективностью и умеренной стоимостью.
  • Менее эффективные тонкопленочные различные аморфные или поликристаллические материалы занимают остальную часть рынка.
  • В приведенной ниже таблице сравниваются выбранные солнечные элементы
    Свойства солнечных элементов
    Тип солнечных элементовМаксимальная эффективностьПрактическая эффективностьПримечания
    Селен, поликристаллический0,7%1883 год, Чарльз Фриттс
    Кремний, монокристалл4%1950-ые годы, первый кремниевый солнечный элемент
    Кремний, монокристалл PERL, наземный, космос25%солнечные автомобили, стоимость в 100 раз выше, чем у промышленных элементов
    Кремний, монокристалл, промышленный наземный24%14–17%5–10 долларов США за ватт
    Cypress Semiconductor, Sunpower, кремний, монокристалл21,5%19%все контакты на нижней стороне солнечного элемента
    Фосфид галлия-индия / арсенид галлия / германий, монокристалл, многослойный32%Предпочтителен для использования в космосе
    Продвинутая наземная версия варианта выше40,7%Использует оптический концентратор
    Кремний, мультикристаллический18,5%15,5%
    Тонкопленочные
    Кремний, аморфный13%5–7%Деградирует от солнечного света. Подходит для использования внутри помещений (в калькуляторах) или снаружи в облачную погоду.
    Теллурид кадмия, поликристаллический16%Стеклянная или металлическая подложка
    Селенид меди-индия-галлия18%10%10-дюймовая гибкая полимерная сеть.
    Органический полимер, 100% пластик4,5%Проект R&D

На сайте работает сервис комментирования DISQUS, который позволяет вам оставлять комментарии на множестве сайтов, имея лишь один аккаунт на Disqus.com.


Сообщить об ошибке