Какие металлы используются в солнечных батареях
Перейти к содержимому

Какие металлы используются в солнечных батареях

  • автор:

Из чего делают солнечные батареи: особенности строения различных поколений панелей

До недавних пор на вопрос «из чего делают солнечные батареи» существовал всего один ответ – из кремниевых ячеек в жесткой раме с толстым защитным стеклом. Сегодня ситуация кардинально изменилась, хотя панели на основе кремния по-прежнему занимают большую часть мирового рынка. При изготовлении фотовольтаики дома, из подручных материалов, такие ячейки также применяются чаще других. Однако перспективные разработки последних лет создаются на совершенно иных технологиях и значительно отличаются от старых моделей конструктивно.

Краткая история модифицирования: три поколения солнечных батарей

Специалисты разделяют все фотоэлектрические устройства, способные поглощать световые фотоны и преобразовывать их в электрический ток, на три поколения.

  1. Из чего состоят солнечные батареи первого поколения

Конструктивно такие модули состоят из следующих элементов:

  • металлического листа-основы – базового контакта;
  • нижнего присадочного слоя кремниевого полупроводника с преобладанием электронов n-типа – за счет добавления фосфора;
  • верхнего кристаллического слоя, насыщенного электронами р-типа – обычно, путем легирования бором;
  • антиотражающего покрытия – для максимизации поглощения излучения;
  • тонкого металлизированного контакта сеточного типа с проводом для замыкания сети;
  • толстого защитного стекла – как правило, сверхпрочного закаленного;
  • обрамляющей рамы.

Толщина монокристаллических Mono-Si или поликристаллических Poli-Si кремниевых пластин в ячейках составляет около 200-300 мкм. Срок службы оценивается в 20-25 лет, с падением производительности в среднем на 0,5% ежегодно. КПД при идеальных условиях освещения достигает 22-24% и резко снижается при высоких температурах либо частичном падении освещенности.

2. Из чего сделаны солнечные батареи второго поколения

Следующее поколение батарей использует тот же физический принцип p/n перехода, однако создано на базе комбинаций редкоземельных элементов (реже – аморфного кремния). Вспомогательные конструкционные элементы панелей в большинстве случаев те же – металлическая основа, антиотражающая пленка и защитное стекло. Однако все чаще появляются и безрамные конструкции, а также тонкопленочные варианты, способные сворачиваться в рулоны и изгибаться под любыми углами.

Наиболее частыми полупроводниками для ячеек таких батарей служат:

  • аморфный кремний a-Si;
  • теллурид кадмия (CdTe);
  • селенид индия/галлия/меди (CIGS).

Иногда на предложение привести примеры, из чего делают солнечные батареи тонкопленочного типа, профильные специалисты приводят и другие, более экзотические варианты. Однако их совокупная доля не превышает 0,1% и используется преимущественно в лабораторных исследованиях.

Название «тонкопленочные» происходит от значительно меньшей толщины рабочих слоев – от 1 до 3 мкм, что почти в 100 раз меньше, чем у кремниевой «классики». КПД при идеальных условиях тонких пленок составляет 16-20%. Однако при рассеянном свете и/или больших углах падения излучения панели CdTe / CIGS могут быть более эффективны.

3. Из чего состоит солнечная батарея третьего поколения

Принцип действия панелей 3-го поколения по-прежнему фотоэлектрический, но конструкция принципиально иная. Полупроводниковые материалы в них, за исключением квантовых точек, не используются вовсе, уступая место органике и полимерам.

Такие батареи часто не имеют ни рамы, ни защитного стекла, печатаются на 3D-принтерах либо изготавливаются методом травления, подобно компьютерным платам.

Главное их достоинство – фантастическая дешевизна производства, широчайшие возможности геометрии и прозрачность. Третье поколение – это панели ближайшего будущего, которые будут повсеместно встраиваться в дома, окна, одежду и даже мельчайшие бытовые предметы.

Основной недостаток на сегодня – низкий КПД, составляющий от 0,1 до 7%.

Полупроводниковые материалы – из чего делают солнечные батареи сегодня

Основными полупроводниковыми материалами, которые используются для производства 99% фотоэлектрических ячеек на современном мировом рынке, являются:

  1. Монокристаллический кремний — Выращивается в виде крупных кристаллов по методу профессора Чохральского. Далее кремниевые цилиндрические «чушки» режутся на очень тонкие диски толщиной 0,2-0,4 мм и подвергаются специализированной химической обработке. Практически готовые ячейки обтачиваются, шлифуются, покрываются защитным покрытием и металлизируются. При желании сделать солнечную батарею своими руками такие фотоэлектрические элементы покупаются в магазине, а остальные детали моноблока изготавливаются самостоятельно из подручных материалов.
  2. Поликристаллический кремний — Производится в металлургических тиглях более дешевым методом направленной кристаллизации (block-cast). После расплава кремниевого сырья его медленно остужают, что приводит к образованию «игольчатых» разнонаправленных кристаллов. В эксплуатации такая поверхность чуть хуже монокристалла при идеальной освещенности, но более эффективна в остальных случаях. По этой причине, устанавливая комплект батарей на крышах, на южные скаты часто монтируют Mono-Si, а на юго-западные и юго-восточные – Poli-Si.
  3. Аморфный кремний – из чего делают солнечные батареи этого типа Основой батарей данного типа служит гидрогенезированный кремний с большим коэффициентом лучевого поглощения. Современные модели комбинируют из нескольких слоев, обогащенных германием и углеродом. Это позволяет устранить главный недостаток панелей a-Si – быструю деградацию ячеек.

Такая модификация носит название уже не аморфного, а микроморфного кремния и показывает КПД до 12%. Низкая эффективность компенсируется дешевизной производства, поскольку на такие ячейки элементов требуется в 200 раз меньше полупроводника чем для Mono-Si или Poli-Si.

4. Из чего сделаны тонкопленочные солнечные батареи CdTe

Теллурид кадмия считается лучшим однопереходным полупроводниковым материалом по совокупности трех показателей – поглощающая способность, надежность, стоимость. CdTe значительно производительнее кремния и намного дешевле более эффективных пленок на базе дорогостоящих германия и индия.

Подложка пленки может быть не металлической, а стеклянной, а сами ячейки – полужесткими или гибкими. CdTe отличается стабильностью, долговечностью, малой чувствительностью к изменению освещения и быстро растущим КПД новых поколений модулей.

5. Особенность строения солнечных панелей типа CIGS

Основой батарей на сульфидах редкоземельных элементов является композитное смешение галлия, индия и меди. Такие панели являются «чемпионами» по КПД и стойкости, но стоят очень дорого.

Коммерческое применение пока ограничено только космосом и авиационной отраслью, поскольку добыча индия и галлия на планете ограничена всего несколькими сотнями тонн в год. Даже если бы все они пошли на изготовление батарей, общая мощность панелей едва достигла бы 10 ГВт.

6. Из чего состоят солнечные батареи типов GaAs и InP

Базовыми редкоземельными элементами этой группы панелей служат арсенид галлия GaAs и фосфид индия InP. Отличительная черта обоих вариантов ячеек – практически полное сохранение КПД при температурах в несколько сотен градусов Цельсия.

Применение их на земле финансово нецелесообразно, но практически все солнечные панели космических спутников, зондов, МКС и телескопов сделаны именно на их основе. Теоретический КПД этой группы, при условии использовании в конструкции дополнительных концентраторов, может достигать 85%. Практические рекорды сегодня колеблются в зоне 35-45%.

7. Из чего делают органические солнечные батареи

Несмотря на низкий КПД (лабораторный рекорд на сегодня – 10,8%, коммерческие прототипы – до 7%) панели на органической основе 3-го поколения сегодня активно исследуются. Для полимеров органического происхождения характерны следующие важные черты:

  • простота и дешевизна создания;
  • отсутствие проблем с утилизацией;
  • неограниченность сфер применения;
  • возможность изготовления в прозрачном виде.

Подобные панели практически невесомы, а при использовании технологии «tandem solar batteries» (тандемное соединение) их можно встраивать в окна и регулировать прозрачность.

8. Из чего состоят солнечные батареи на красителях

Конструктивно в них присутствует тонкая стеклянная подложка и напыляемая токопроводящая «краска». Ее основой является нанокристаллические «катод» и «анод», а также неагрессивный электролит – например, диоксид титана. Удобство использования состоит в возможности получения любых цветовых оттенков и нанесения на любые поверхности сверхтонким слоем.

9. Особенности солнечных батарей с квантовыми точками

Последний перспективный вид батарей ближайшего будущего построен на свойствах физических квантовых точек – микроскопических включений полупроводников в тот или иной материал. Геометрически такие «точки» имеют размер в несколько нанометров и распределяются в материале так, чтобы охватить поглощение излучения всего солнечного спектра – ИК, видимого света и УФ.

Огромным преимуществом подобных панелей является возможность работать даже ночью, генерируя около 40% максимальной дневной мощности.

Физико-технические характеристики, сертификация и маркировка

Независимо от того, из чего сделаны солнечные батареи, каждая из них обладает рядом следующих важных характеристик:

  • механические – геометрические параметры, общая масса, тип рамы, защитного стекла, количество ячеек, вид и ширина коннекторов;
  • электрические или вольтамперные – мощность, напряжение холостого хода, сила тока при максимальной нагрузке, эффективность панели в целом и отдельных ячеек в частности;
  • температурные – изменение КПД при повышении температуры на определенную единицу величины (обычно – 1 градус);
  • качественные – срок службы, скорость деградации ячеек, присутствие в рейтинговых списках Bloomberg;
  • функциональные – необходимость и удобство ухода, простота монтажа/демонтажа.

Промышленные солнечные панели, из каких бы материалов они не были сделаны, обязательно должны быть сертифицированы. Минимальными требованиями являются сертификаты качества ISO, СE, TUV (международные) и/или Таможенного союза (при продаже в его пределах).

Обязательной является и международные правила маркировки. Например, аббревиатура CHN-350M-72 содержит следующие сведения:

  • CHN – идентификатор компании-изготовителя (в данном случае – китайской СhinaLand);
  • 350 – мощность панели в ваттах;
  • M – обозначение монокристаллического кремния;
  • 72 – число фотоэлектрических ячеек в модуле.

Из чего можно сделать солнечные батареи своими руками дома

Для этого необходимо следующее:

  1. Предварительно начерченная схема и проведенные расчеты.
  2. Определенное количество солнечных ячеек заводского изготовления – купить их дешевле всего в сети, например, на сайте Aliexpress или в других сетевых магазинах. Обращайте внимание на то, чтобы все элементы имели одинаковые электрические характеристики.
  3. Самодельный каркас из бруса и фанеры – правила его сборки можно посмотреть на многочисленных видео в сети.
  4. Оргстекло или плексиглас для поверхностного защитного покрытия.
  5. Краска и термостойкий клей для обработки деревянных поверхностей.
  6. Контактные полосы и провода для соединения ячеек. Схемы различные способов соединения также можно изучить в интернете.
  7. Паяльник и припой. Паяльные работы следует проводить очень внимательно, чтобы не испортить будущее изделие.
  8. Силиконовый клей и саморезы для закрепления сборной батареи в каркасе.

Небольшая батарея потребует около 30-50 долларов вложений, в то время как заводской вариант аналогичной мощности обойдется всего на 10-20% дороже. Разумеется, подобная самодельная конструкция не прослужит 25 лет, не сможет похвастаться значительным КПД и не будет обладать мощностью полноценной солнечной электростанцией для частного дома. Однако стоимость ее будет минимальной настолько, насколько это возможно.

Из чего делают солнечные батареи: особенности строения различных поколений панелей

Похожие статьи

Выбор солнечных батарей. Как избежать ошибок?

Выбор солнечных батарей. Как избежать ошибок?

В солнечной батарее используется фотовольтаический эффект, возникающий в неоднородных полупроводниковых структурах при контакте с солнечным излучением. Неоднородность полупроводникового слоя солнечной батареи достигается легированием одного полупроводникового слоя различными примесями или соединением нескольких слоев полупроводников с различной шириной запрещенной зоны — созданием гетеропереходов.

Новые технологии в производстве солнечных батарей. Будущее уже тут.

Новые технологии в производстве солнечных батарей. Будущее уже тут.

Применяя инновационные решения, в производстве солнечных модулей, постоянно происходят различные улучшения эффективности, уменьшения влияния затенения и повышения надежности, при этом несколько производителей в настоящее время дают гарантию производительности до 30 лет. Учитывая все новые доступные варианты выбора, стоит провести некоторые исследования, прежде чем инвестировать в солнечную установку. В нашей полной обзорной статье о солнечных панелях мы расскажем, как выбрать надежную солнечную панель и на что обратить внимание.

Что такое half-cut солнечные батареи?

Что такое half-cut солнечные батареи?

Модули с половинчатыми элементами имеют солнечные элементы, которые разрезаны пополам, что улучшает эффективность и долговечность модуля. Традиционные панели с 60 и 72 ячейками будут иметь 120 и 144 ячейки соответственно.

Солнечные батареи б/у: возможная экономия и финансовые риски

Солнечные батареи б/у: возможная экономия и финансовые риски

Одной из возможностей сэкономить, будущий владелец обычно видит не только приобретение б/у техники, но и сборку солнечной электростанции собственными силами. Это действительно может сократить общие затраты на 10-15%, но значительно увеличивает вероятность проблем субъективного характера.

Трекеры для солнечных панелей: эффективная модернизация СЭС или напрасная трата денег

Эффективность солнечных электростанций любого типа напрямую зависит от ориентации на солнце поверхностей панелей или отражающих зеркал. Обеспечить их оптимальное положение относительно светила помогают специальные конструкции – солнечные трекеры.

Солнечная батарея своими руками: варианты и примеры

Солнечная батарея своими руками: варианты и примеры

Использование фотоэлектрических панелей становится все более популярным. К сожалению, цена на профессиональные модули пока относительно высока. Однако, при наличии определенных электротехнических навыков, соорудить, например, светильник на солнечной батарее своими руками не так уж сложно. Все, что для этого потребуется – приобрести набор необходимых материалов и инструментов и быть предельно внимательным при сборке и пайке.

Если вам сложно определиться с выбором, напишите нам через форму обратной связи

Если вы не нашли то, что искали, воспользуйтесь поиском по магазину

Товары со скидками, ограниченное предложение, успейте купить выгодно!

Какие металлы используются в солнечных батареях

Hitech logo

«Будущее чистой энергетики зависит всего от четырех металлов»

Сергей Коленов 18 февраля 2019 г., 09:33

TODO:

Сергей Коленов 18 февраля 2019 г., 09:33

Возобновляемые источники энергии должны изменить экономику всей планеты. Место поставщиков нефти в глобальной торговле займут производители металлов, необходимых для ветряков и солнечных панелей.

Самые интересные технологические и научные новости выходят в нашем телеграм-канале Хайтек+. Подпишитесь, чтобы быть в курсе.

Борьба с климатическими изменениями невозможна без чистой энергетики. Однако чтобы производить больше солнечных батарей, ветровых турбин и аккумуляторов для электромобилей, человечеству потребуется больше специфических ресурсов. В некоторых случаях нарастить производство будет несложно — например, кремния, необходимого для солнечных батарей, на Земле в избытке.

Однако другие аспекты чистой энергетики потребуют значительного увеличения добычи полезных ископаемых и изменения цепочки поставок, отмечает Verge.

Например, неодим , редкоземельный металл серебристого цвета, используется для создания мощных магнитов для ветряков и двигателей электромобилей. Вопреки названию, этот металл не так уж и редок, однако 85% его мировых поставок контролирует Китай. В других странах есть несколько шахт по добыче неодима, но даже отсюда он зачастую отправляется на переработку в Поднебесную.

По мнению ученых, чтобы сделать поставки этого металла устойчивыми, необходимо вложиться в новые проекты по разведке месторождений.

Немного иначе выглядит ситуация с медью . Этот металл широко распространен, но люди в основном продолжают эксплуатировать месторождения, открытые еще в XIX веке. Поиск новых неглубоких залежей и получение разрешений на добычу отнимает у компаний годы. А ведь медные проводники — основа почти всех ВИЭ.

Оживить добычу меди могут новые технологии. Например, в Аризоне применяют новый, более экологичный метод ее добычи. В Западной Австралии и пустыне Атакама в Южной Америке на месторождениях меди начинают использовать роботов-шахтеров. Возможно, такие машины помогут разрабатывать глубокие месторождения, пока недоступные для человека.

Одним из ключевых элементов чистой энергетики считаются накопители энергии, которые позволят обеспечить бесперебойное снабжение электричеством, когда не дует ветер и не светит солнце. Для их производства необходимы литий и кобальт .

Ключевыми производителями лития сегодня остаются Австралия и страны Южной Америки. Аналитики предполагают, что ситуация вскоре изменится: с ростом популярности ВИЭ новые проекты по добыче лития появятся в Канаде, США, Великобритании и Чехии.

А вот поставки кобальта из Демократической Республики Конго, скорее всего, заменить не удастся. В прошлом году из этой бедной африканской страны поступило 70% мирового кобальта.

Методы производства, в том числе детский труд, подвергались жесткой критике. Некоторые стартапы работают над созданием бескобальтовых батарей и извлечением этого металла из отработанных аккумуляторов, однако пока эти планы далеки от осуществления.

Эксперты предупреждают, что рост добычи полезных ископаемых будет иметь высокую цену для окружающей среды. Тем не менее, выгоды от развития ВИЭ намного превысят затраты, ведь только отказ от ископаемого топлива может спасти планету от климатической катастрофы .

Есть и еще одни дефицитный ресурс. По мнению экспертов из Нидерландов, в мире недостаточно серебра и редкоземельных металлов, чтобы обеспечить полный переход на возобновляемую энергию к 2050 году. Решить проблему может только переработка старой электроники.

Устройство солнечной батареи. Виды солнечных панелей

Состав и устройство солнечной батареи, ее элементов определяют эффективность выработки энергии готовым изделием. В настоящее время, для генерации электрической энергии используются солнечные панели на основе кремния (с-Si, mc-Si & кремниевые тонкопленочные батареи), теллурида кадмия CdTe, соединения медь-индий (галлий)-селен Cu(InGa)Se2, а также концентраторные батареи на основе арсенида галлия (GaAs). Ниже будут даны краткие описания каждой из них.

Солнечные батареи основе кремния

Солнечные батареи (СБ) на основе кремния составляют на сегодняшний день порядка 85% всех выпускаемых солнечных панелей. Исторически это обусловлено тем, что при производстве СБ на основе кремния использовался обширный технологический задел и инфраструктура микроэлектронной промышленности, основной «рабочей лошадкой» которой также является кремний. В результате, многие ключевые технологии микроэлектронной промышленности такие как выращивания кремния, нанесения покрытий, легирования, удалось адаптировать для производства кремниевых батарей с минимальными изменениями и инвестициями. Кроме того, кремний – один из самых распространенных элементов земной коры и составляет по разным данным 27-29% по массе. Таким образом, нет никаких физических ограничений для производства значительной доли электроэнергии Земли с имеющимися запасами Si.

Различают два основных типа кремниевых СБ – на основе монокристаллического кремния (crystalline-Si, c-Si) и на основе мультикристаллического (multicrystalline-Si, mc-Si) или поликристаллического. В первом случае используется высококачественный (и, соответственно, более дорогой) кремний выращенный по методу Чохральского, который является стандартным методом для получения кремниевых пластин-заготовок для производства микропроцессоров и микросхем. Эффективность СБ изготовленных из монокристаллического кремния составляет обычно 19-22%. Не так давно, фирма Panasonic заявила о начале промышленного выпуска СБ с эффективностью 24,5% (что вплотную приближается к максимально возможному теоретически значению ~30%).

Во втором случае для производства СБ используется более дешевый кремний произведенный по методу направленной кристаллизации в тигле (block-cast), специально разработанного для производства СБ. Получаемые в результате кремниевые пластины состоят из множества мелких разнонаправленных кристаллитов (типичные размеры 1-10мм) разделенных границами зерен. Подобные неидеальности кристаллической структуры (дефекты) приводят к снижению эффективности – типичные значения эффективности СБ из mc-Si составляют 14-18%. Снижение эффективности данных СБ компенсируется их меньшей ценой, так что цена за один ватт произведенной электроэнергии оказывается примерно одинаковой для солнечных панелей как на основе c-Siтак и mc-Si.

Тонкопленочные солнечные панели

Возникает вопрос – зачем разрабатывать другие типы модулей, если солнечные панели на основе моно- и мультикристаллического кремния уже созданы и показывают неплохие результаты? Очевидный ответ — чтобы добиться еще большего снижения стоимости и улучшения технологичности и эффективности, по сравнению с обычными c-Si и mc-Siсолнечными батареями.

Дело в том, что обычные кремниевые фотоэлектрические модули наряду с преимуществами, перечисленными выше, обладают и рядом недостатков. Кемний из-за своих особых электрофизических свойств (непрямозонный полупроводник) обладает довольно низким коэффициентом поглощения, особенно в области инфракрасных длин волн. Таким образом, толщина кремниевой пластины для эффективного поглощения солнечного излучения должна составлять довольно внушительные 100-300 мкм. Более толстые пластины означают больший расход материала, что ведет к удорожанию СБ.

В то же время, прямозонные полупроводники на вроде GaAs, CdTe, Cu(InGa)Se2, и даже некоторые модифицированные формы Si, способны поглощать требуемое количество солнечной энергии при толщине всего в несколько микрон. Открывается заманчивая перспектива сэкономить на расходных материалах, а также на электроэнергии, которой требуется значительно меньше для изготовления более тонкого слоя полупроводника. Еще одной положительной чертой СБ на основе вышеназванных полупроводников – в отличие от СБ на основе c-Si и mc-Si– является их способность не снижать эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую даже в условиях рассеянного излучения (облачный день или в тени).

Исследования СБ на основе теллурида кадмия (CdTe) начались еще в 1970х годах ввиду их потенциального использования в качестве перспективных для космических аппаратов. А первое широкое применение «на земле» подобные СБ нашли в качестве элементов питания карманных микрокалькуляторов.

Данные элементы представляют собой гетероструктуру из тонких слоев p-CdTe / n-CdS (суммарная толщина 2-8 мкм) напыленных на стеклянную подложку (основу). Эффективность современных фотоэлектрических элементов данного типа равняется 15-17%. Основным (и фактически единственным) производителем СБ на основе теллурида кадмия является американская фирма FirstSolar, которая занимает 4-5% всего рынка.

К сожалению, есть проблемы с обоими элементами входящими в состав соединения CdTe. Кадмий – это экологически вредный тяжелый метал, который требует особых методов обращения и ставит сложный вопросутилизации старых изделий. В виду этого, законодательство многих стран ограничивает свободную продажу гражданам СБ этого типа (строятся только масштабных солнечных электростанций под гарантии утилизации от фирмы производителя). Второй элемент – теллур, довольно редко встречается в земной коре. Уже в настоящее время более половины всего добываемого теллура идет на изготовление солнечных панелей, а перспективы нарастить добычу – довольно призрачны.

Солнечные батареи на основе соединения медь-индий (галлий)-селен Cu(InGa)Se2 (иногда обозначаются как CIGS) являются новичками на рынке солнечной энергетики. Несмотря на то, что начало исследований элементов этого типа было положено еще в середине 70х, в настоящее время коммерческий выпуск в боле-менее солидных масштабах ведет всего лишь фирма SolarFrontierKKиз Японии. Отчасти это связано с технически сложным и дорогим процессом изготовления, хотя в некоторых (удачных!) случаях их эффективность может достигать 20%.

Несмотря на отсутствие экологически вредных элементов в составе этого соединения, значительному расширению производства данных солнечных модулей в будущем угрожает дефицит индия. Ведутся исследования с целью заменить дорогой In на более дешевые элементы и может быть скоро появятся новые изделия на основе соединения Cu2ZnSn(S,Se)4.

Фотоэлектрические модули на основе аморфного кремния a-Si:H. Тонкопленочные солнечные батареи могут быть построены также и на основе хорошо известного кремния, если удастся каким-либо образом улучшить его способности к поглощению солнечного света. Применяются две основные методики:

— увеличить путь прохождения фотонов посредством многократного внутреннего переотражения;

— использовать аморфный кремний (a-Si), обладающий гораздо большим коэффициентом поглощения чем обычный кристаллический кремний (с-Si).

По первому пути пошла австралийская фирма CSGSolarLtd, разработавшая СБ с эффективностью 10-13% при толщине слоя кремния всего 1,5 мкм. По второму – швейцарская OerlikonSolar (которую сейчас перекупили японцы), создавшая комбинированные солнечные панели на основе слоев аморфного и кристаллического кремния a-Si / с-Si эффективность которых также составляет 11-13%. Своеобразной особенностью СБ из аморфного кремния является снижение эффективности их работы при понижении температуры окружающего воздуха (у всех остальных — наоборот). Так, фирма производитель рекомендует устанавливать данные модули в странах с жарким климатом.

Концентраторные солнечные модули

Наиболее совершенные и самые дорогие на сегодняшний день солнечные модули обладают эффективностью фотоэлектрического преобразования до 44%. Они представляют собой многослойные структуры из разных полупроводников последовательно выращенных друг на друге слой за слоем. Наиболее успешной является структура состоящая из трех слоев: Ge (нижний полупроводник и подложка), GaAsи GaInP. Благодаря тому, что в подобной комбинации каждый отдельный полупроводниковый слой поглощает наиболее эффективно свой определенный диапазон солнечного спектра (определяемый шириной запрещенной зоны полупроводника), достигается наиболее полное поглощение солнечного света во всем диапазоне длин волн, недостижимое для СБ состоящих из одного типа полупроводника. К сожалению, процесс изготовления подобных многослойных полупроводниковых слоев очень сложен технически и, как следствие, весьма дорог.

Если солнечные батареи стоят очень дорого, фокусировка солнечного излучения на меньшей площади СБ может применяться как эффективный способ снижения финансовых затрат. Например, собрав при помощи линзы солнечный свет с 10 см2 и сфокусировав его на 1 см2 солнечной батареи, можно получить тоже количество электроэнергии, что и от элемента площадью 10 см2 без концентратора, но экономя при этом целых 90% площади! Но при этом, набор подобных ячеек (солнечная батарея + линза) должен быть смонтирован на подвижной механической системе, которая будет ориентировать оптику в направлении солнца в то время как оно движется по небу в течении дня, что увеличивает стоимость системы.

В настоящее время экономически оправдано использовать подобные дорогие концентраторные солнечные модули только в тех странах и регионах земного шара, где круглый год имеется в достатке прямое солнечное излучение (рассеянное излучение не может быть сфокусировано линзой). Так, французская фирма-производитель концентраторных СБ SOITEC устанавливает свои СБ в Калифорнии, ЮАР, на юге Франции (Прованс), в Испании.

Органические солнечные батареи и модули фотосенсибилизованные красителем

Но есть и новый тип тонкопленочных солнечных батарей, такой как сенсибилизированные красителем солнечные элементы, которые работают на совершенно ином принципе, чем все модули рассмотренные выше, на принципе больше напоминающем фотосинтез у растений. Но их пока нет в коммерческой продаже.

Различные материалы, используемые для изготовления солнечных панелей

Если вы когда-нибудь задумывались, какие материалы используются в солнечных батареях, то эта статья для вас. Мы рассмотрим различные материалы, используемые для производства солнечных элементов. Это включает как сырье, так и любые синтетические добавки, из которых сделана солнечная панель.

Несмотря на то, что у разных производителей солнечных панелей материалы будут различаться, эта статья даст вам хорошее общее представление о материалах, которые вы можете ожидать найти в солнечной отрасли в целом.

Материалы каркаса

Рамки — ключевая особенность конструкции солнечной панели. Они помогают удерживать вместе различные компоненты, обеспечивают защиту от непогоды и помогают повысить долговечность. Большинство рамок солнечных батарей изготавливаются из анодированного алюминия или алюминия с порошковым покрытием.

Анодированные алюминиевые рамы для солнечных панелей

Большинство высококачественных солнечных панелей имеют раму из анодированного алюминия, и использование этого материала дает множество преимуществ. Что наиболее важно, он обладает способностью отражать больше тепла, помогая улучшить общую эффективность преобразования солнечного элемента.

Анодированный алюминий также прост в уходе. Вы можете периодически чистить его, чтобы восстановить его внешний вид. Материал не подвержен влиянию солнечных лучей и часто лучше противостоит царапинам, чем альтернативы с порошковым покрытием.

Основным недостатком солнечных рам из анодированного алюминия является то, что они бывают только одного цвета — серебристого. Это может стать проблемой для архитекторов и компаний, производящих солнечные панели, при попытке вписать солнечные панели в общую эстетику здания.

Каркасы солнечных панелей с порошковым покрытием

Солнечные панели, состоящие из алюминиевого каркаса с порошковым покрытием, идеально подходят для тех, кто предпочитает стиль функциональности. Большинство рам этого типа имеют черный цвет и лучше сочетаются с темной черепицей. Однако они могут быть самых разных цветов, чтобы соответствовать различным элементам нового или существующего здания. Вы даже можете добиться глянцевого, матового или сатинированного покрытия с помощью техники порошкового покрытия.

Основным недостатком солнечных рам с порошковым покрытием является то, что они легче царапаются, чем их анодированные альтернативы. Преимущество здесь заключается в том, что вы можете ремонтировать материалы с порошковым покрытием, в отличие от царапин на анодированных алюминиевых рамах.

Материал основы

Материалы подложки — ключевой компонент в конструкции солнечной панели. Их основная функция — повышение эффективности за счет обеспечения надежной электропроводности. С точки зрения безопасности, помогая изолировать панель, они также обеспечивают защиту от поражения электрическим током.

Мы называем подложки для солнечных панелей задними панелями фотоэлектрических элементов. Они часто состоят из нескольких различных материалов, ламинированных вместе для обеспечения высоких эксплуатационных свойств. Эти материалы могут существенно различаться у разных производителей.

Материалы солнечных батарей

Солнечные элементы, возможно, являются наиболее важной особенностью солнечной панели. Именно солнечный элемент отвечает за преобразование солнечного света в электричество за счет фотоэлектрического эффекта. Давайте теперь посмотрим на различные материалы, которые используются для изготовления солнечных элементов.

Кристаллические кремниевые элементы

Солнечные элементы, сделанные из кремния, являются наиболее популярным выбором для современных солнечных панелей. Мы можем разделить кристаллический кремний (c-Si) на разные категории в зависимости от размера кристалла полученной кремниевой пластины, используемой в солнечном элементе. Две самые популярные категории c-Si следующие:

  • Поликристаллический кремний — Этот тип солнечных фотоэлектрических элементов, также известный как «мультикристаллический кремний», является наиболее распространенным. Из-за своей популярности и более эффективного производственного процесса (с использованием расплавленного кремния) солнечные панели, в которых используются элементы этого типа, часто являются самыми дешевыми для покупки.
  • Монокристаллический кремний — Это высокоэффективный тип солнечных элементов, используемых в солнечных панелях премиум-класса. Обычно они предлагают большую выходную мощность, чем конкурирующие продукты, но намного дороже. Солнечные панели, в которых используются элементы из монокристаллического кремния, имеют характерный узор из мелких белых ромбов. Это связано с тем, как нарезаются вафли.

Somebody installing a monocrystalline silicon solar panel.

Ячейки с тонкой пленкой

Солнечные панели, использующие тонкопленочные солнечные элементы, встречаются реже, чем альтернативы кристаллическому кремнию. Хотя они, как правило, дешевле, их производительность не так хороша, как у технологии c-Si. Преимущество тонкопленочных ячеек в том, что они гибкие и, следовательно, немного более долговечные.

Недавние усовершенствования в технологии тонких пленок помогли закрыть этот пробел: некоторые тонкопленочные элементы теперь превосходят поликристаллические кремниевые элементы. Однако до технологии монокристаллического кремния еще далеко.

Наиболее популярные материалы в тонкопленочных солнечных элементах:

  • Аморфный кремний — Это популярный материал, широко используемый в тонкопленочных солнечных элементах. Он использует около 1% кремния, который содержится в традиционном кристаллическом кремниевом элементе, что делает его значительно дешевле.
  • Теллурид кадмия — Кадмиевые фотоэлементы — единственный тонкопленочный продукт, который по своим характеристикам может соперничать с монокристаллическими кремниевыми элементами. Недостатком этого материала является его высокая токсичность, что вызывает опасения по поводу утилизации старых кадмиевых элементов.
  • Селенид меди, индия, галлия (CIGS) — Это третья по популярности технология тонкопленочных солнечных элементов. Если сравнить это с кристаллическим кремнием, ячейки CIGS могут быть в 80–160 раз тоньше.

Антибликовые покрытия

Чтобы повысить эффективность солнечного элемента, часто применяется специальное покрытие, которое помогает уменьшить отражение. Антибликовые покрытия позволяют солнечным фотоэлектрическим элементам поглощать больше света и, следовательно, повышать эффективность.

Нитрид кремния часто является материалом для антибликовых покрытий солнечных элементов. Он наносится в виде пленки над ячейкой и бывает разной толщины. Вы можете узнать больше об антибликовых покрытиях для кремниевых солнечных элементов на сайтеpveducation.org.

Другие примечательные материалы

Общая конструкция солнечной панели также включает множество других заслуживающих внимания материалов. К ним относятся следующие:

  • Стекло — Стекло, широко используемое в конструкции солнечных панелей, можно найти над обычными кремниевыми солнечными элементами. В тонкопленочных технологиях ячейки обычно помещаются между двумя стеклянными панелями. Это один из основных недостатков тонкопленочных технологий, заключающийся в том, что дополнительный слой стекла может значительно увеличить общий вес панели.
  • Медь — Вы можете найти медь в различных компонентах солнечной панели. Его можно использовать во всем, от проводов (включая кабели заземления) до инверторов, преобразующих постоянный ток в переменный.
  • Пластиковый — Пластик — обычная черта солнечных батарей. Его можно использовать для размещения распределительных коробок, которые часто находятся на нижней стороне солнечной панели. Распределительные коробки обеспечивают простой способ соединения нескольких панелей в единую систему.

Опасные материалы, используемые на солнечных панелях

Некоторые из материалов, используемых для изготовления солнечных панелей, могут быть опасными как для нашего здоровья, так и для окружающей среды. Хотя это и не идеально, токсичные вещества иногда используются для повышения эффективности и долговечности систем солнечной энергии. В следующей таблице подробно описаны некоторые опасные материалы, которые могут быть обнаружены на солнечных батареях.

Таблица 1: Опасные материалы, обнаруженные на солнечных батареях.

Материал / соединение Назначение / использование
Теллурид кадмия Используется в качестве ключевого соединения в технологии тонких пленок кадмия. Считается безопасным после использования, но может создавать проблемы при производстве и утилизации кадмиевых солнечных элементов.
Селенид меди, индия, галлия (CIGS) Это химическое вещество токсично для легких, но используется в качестве основного соединения в тонкопленочных солнечных элементах CIGS.
Антифриз Иногда встречается в солнечных тепловых системах, чтобы избежать замерзания жидкостей в более холодном климате.

Как вы увидите, большинство из вышеперечисленного касается только тонкопленочных солнечных технологий. Традиционные кремниевые солнечные элементы считаются безопасными, но при их производстве образуется тетрахлорид кремния — высокотоксичный побочный продукт, вредный для растений и животных. Производители должны принять меры для уменьшения количества тетрахлорида кремния, выделяемого в окружающую среду.

Хотя нельзя отрицать, что солнечные панели имеют собственные проблемы с окружающей средой, использование солнца в качестве источника энергии по-прежнему является одним из лучших способов, которые мы можем сделать для окружающей среды.

Краткое изложение вышеперечисленных материалов

При производстве солнечных батарей используется множество различных материалов. Многие из них являются экзотическими и получили известность только благодаря появлению солнечной энергетики.

Фактический список материалов в солнечной панели в первую очередь продиктован типом солнечных элементов, которые она содержит. Как мы объясняли в этой статье, это могут быть солнечные элементы на основе кремния или тонкопленочные элементы с использованием различных материалов. Они могут включать теллурид кадмия или селенид галлия индия или меди (сокращенно CIGS).

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *