Есть разные варианты фотоэлектрических кремниевых технологий для получения электричества из света солнца и в последнее время появляются решения со все более высокой эффективностью, но и старые технологии благодаря модификациям становятся более совершенными. Они позволяют извлекать все больше энергии из фотонов, достигающих солнечной панели, а также характеризуются более низкими затратами на производство.
Солнечные батареи традиционные и тонкопленочные
В настоящее время можно их разделить на две группы: поликристаллические и монокристаллические. Монокристаллические панели, отличающиеся темным цветом, более эффективны, но дороже по сравнению с поликристаллическими.
Поликристаллические из кремния характеризуются светло-голубым цветом. Их производство менее сложно и поэтому дешевле по сравнению с монокристаллическими элементами. Но поликристаллические панели имеют меньшую мощность по сравнению с монокристаллическими. Это означает, что фотоэлектрическая установка с использованием поликристаллических панелей требует больше места, что связано с более высокими затратами на монтаж. КПД монокристаллических панелей может составлять от 17% до 22%, а КПД поликристаллических — от 14% до 16%.
Кремниевые элементы первого поколения
Панели 1-го поколения основаны на традиционном кремниевом PN-переходе с относительно высоким КПД 17-22%, изготовленном из чистого кристаллического кремния (99,99%) в виде пластин толщиной примерно 200-300 мкм. Кремний, используемый в производстве этих фотоэлементов, тщательно очищается. По этой причине они относительно дороги в производстве.
На рынке часто встречаются монокристаллические (sc-Si) элементы из кристаллического кремния. Монокристаллический кремний получают из расплавленного поликристаллического кремния по методу Чохральского, который разработал его в 1916 г. Он также может быть получен в процессе зонной плавки (метод Float-Zone).
Еще одним типом панелей первого поколения являются мультикристаллические (mc-Si) или поликристаллические (pc-Si). Поликристаллические или мультикристаллические элементы характеризуются толщиной пластин от 0,2 до 0,4 мм. Процесс производства мультикристаллического кремния заключается в плавлении и повторном отверждении кремния в специально разработанном кварцевом тигле.
Тонкослойные солнечные панели
К популярным технологиям производства тонкопленочных солнечных панелей относится метод производства тонкопленочных материалов второго поколения на основе кремния. Они были построены на основе p-n перехода, но не из кристаллического кремния, а теллурида кадмия (CdTe) или смеси меди, индия, галлия, селена (Copper Indium Gallium Selenide – CIGS) или даже аморфного кремния. В отличие от кристаллических модулей в данном случае кремний находится в бесформенном виде, известном по ЖК и OLED-дисплеям. Благодаря небольшим поглощающим слоям эти тонкопленочные панели тоньше и намного легче своих аналогов первого поколения. Их характерной особенностью является очень малая толщина светопоглощающего полупроводникового слоя, которая обычно составляет 1 – 3 мкм.
Благодаря значительному сокращению потребления полупроводников их производство намного дешевле, а производственный процесс более автоматизирован. Основным недостатком элементов второго поколения является более низкий КПД, чем у элементов первого поколения, который в зависимости от технологии колеблется от 7 до 15%.
Панели этого типа могут быть изготовлены из теллурида кадмия (панели CdTe), аморфного кремния (панели a-Si), комбинации многих элементов (панели CIGS) или арсенида галлия (элементы GaAs). Панели CdTe — самая популярная технология, занимающая примерно 50% рынка тонкопленочных панелей. Теллурид кадмия содержит значительное количество кадмия, который является токсичным элементом. Панели из аморфного кремния (панели a-Si) напоминают стандартные кремниевые панели, но гораздо менее эффективны, поэтому их используют при низких нагрузках, в бытовой электронике. Комбинация меди, индия, галлия и селена (панели CIGS) обеспечивает КПД панелей в диапазоне 12–14%. Также стоит упомянуть панели, в которых используется арсенид галлия (элементы GaAs). Правда это очень дорогая технология.
К преимуществам панелей этого поколения относятся: меньшее влияние высоких температур на выходную мощность, меньший, чем в случае с типовыми панелями, объем используемых материалов при их производстве и эффективная работа при малом количестве света. Преимуществами тонкопленочных элементов также выступает эффективность использования материалов, низкая цена и малые потери материала. Использование тонкопленочной техники дает возможность простой реализации слоистой структуры, последовательно соединенных PN-переходами с различными значениями энергетической щели. Это решение позволяет более эффективно использовать солнечный спектр, тем самым повышая эффективность преобразования энергии. Кроме того, затенение такого модуля влияет на его мощность в меньшей степени, чем в случае с типовыми панелями.
К сожалению, у тонкопленочных солнечных панелей есть и недостатки, первый из которых — низкий КПД. В результате они должны занимать больше места, если хотим получить от них ту же мощность, что и от панелей первого поколения. К другим минусам можно отнести длительное время стабилизации работоспособности, которое может составлять до полугода. Монтаж этих панелей также является более громоздким и трудоемким.
Фотопанели третьего поколения
Элементы 3 поколения включают в себя решения без p-n перехода, необходимые для производства традиционных фотоэлектрических элементов, то есть CPV (Concentrated Photovoltaics). Тут используются многопереходные элементы, состоящие из нескольких ячеек из полупроводниковых материалов с разной энергетической щелью. Эти материалы укладываются друг на друга и работа основана на фокусировке солнечных лучей на поглотителе, которым является фотогальванический элемент. В эту группу входят Gratzel DSSC (солнечные элементы, сенсибилизированные красителем) с использованием полимеров и органических фотоэлектрических элементов (OPV).
Фотоэлементы DSSC, то есть фотоэлектрохимические элементы, относятся к конструкциям с низким КПД. Они преобразуют энергию так же как растения и водоросли. Они относительно просты в изготовлении и могут служить намного дольше, чем традиционные кремниевые кристаллические элементы. Проблемой же является достижение более высокой стабильной эффективности этих ячеек.
В последние годы был достигнут прогресс в разработке фотоэлектрических элементов DSSC. Они обычно строятся на основе двух стеклянных пластин TCO (Transparent Conductive Oxide), расположенных параллельно и отстоящих друг от друга примерно на 40 мкм. Между ними находятся полупроводниковые нанослои, покрытые фоточувствительным красителем, а также каталитический нанослой и электролит. Здесь также проблема заключается в эффективности этих солнечных батарей. Лабораторная эффективность составляет около 12%. Это было достигнуто благодаря использованию широкополосных красителей и эффективных электролитов. Однако эффективность, достигаемая в реальных условиях, обычно меньше 5%.
Органические фотоэлектрические элементы (OPV) работают с использованием органических материалов для поглощения радиации и переноса зарядов. Технологии их производства не должны быть сложными, что позволяет снизить цену. Простейшая панель этого типа состоит из одного слоя органического полупроводника, расположенного между двумя электродами. Верхний электрод изготовлен из прозрачного материала ITO (оксид индия и олова), а нижний из хорошего проводника. Важнейшим недостатком такого является их низкая эффективность. Первая такая панель была изготовлена в 1958 г., и ее КПД составлял всего 0,01%. Намного позже, в 2010 году, Национальная лаборатория возобновляемой энергии (НРЭЛ) представила гибкий органический фотоэлектрический элемент производства Konarka Technologies, характеризующийся КПД 8,3%,
Технологии будущего
Важным стало изобретение перовскитовой ячейки (PSC). Она содержит соединение со структурой перовскита, чаще всего это гибридный органо-неорганический материал на основе галогенида свинца или олова, образующий активный слой поглощающий солнечный свет. КПД таких ячеек в лабораторных условиях может достигать 25 % в случае архитектур с одним разъемом, а в случае тандемных ячеек на основе кремния КПД достигает даже 29 %. В этом году на рынок должны выйти первые фотоэлектрические панели, в которых перовскиты будут дополнительным слоем, добавленным к традиционным элементам.
Конечно исследования ведутся и в других направлениях. Экспериментальные технологии предполагают использование в том числе квантовых точек. Это полупроводниковые частицы размером в несколько нанометров с оптическими и электронными свойствами, которые отличаются от более крупных частиц из-за особенностей квантовой механики. В этом решении используются полупроводниковые нанокристаллы размером от 1 до 20 нм.
Одним из потенциальных применений данной технологии может быть использование наноточек в качестве светопоглощающих элементов в высокоэффективных солнечных элементах. Когда квантовые точки освещаются УФ-светом, электрон может быть возбужден до более высокого энергетического состояния. В случае полупроводниковой квантовой точки этот процесс соответствует переходу электрона из валентной зоны в зону проводимости, что влечет выработку энергии.
В любом случае технологии не стоят на месте и с каждым годом размеры, а особенно эффективность солнечных батарей, всё более улучшаются.