Как производятся солнечные батареи

Вернуться в список

01.03.2018

Значительным толчком к развитию "зеленой" энергетики стала угроза нефтяного кризиса, рост цен за коммунальные услуги и желание независимости от центральных сетей. Все это не только сыграло роль в развитии этой области, но и сделало популярным системы, благодаря которым достижение таких целей стало возможным.

Один из самых перспективных индустриальных методов электроснабжения ближайшего будущего — станции, преобразующие тепловую энергию солнца в электрическую. Основной частью таких систем являются солнечные панели, изготовление и усовершенствование которых обеспечивает возможность перехода на современные, нетрадиционные источники энергии. Кроме них, в составе станций используются:

  • Аккумуляторы, накапливающие электроэнергию;

  • Контролирующие устройства, обеспечивающие стабильную и длительную работу оборудования;

  • Инверторы, а также другие необходимые приборы и устройства, в зависимости от сложности и назначения системы.

Выработка электрической энергии происходит при помощи фотоэлементов, из которых состоит солнечная фотопанель. Под этим названием объединены несколько видов изделий, значительно отличающихся по мощности, производительности, длительности эксплуатационного срока.

Прежде чем говорить о выпуске панелей, следует разобраться в принципах работы и устройства каждого типа.

Виды батарей и их особенности

Наиболее популярны кремниевые фотомодули, получившие свое название от наименования химического элемента, отвечающего за процесс создания электроэнергии. Добыча кремния сравнительно недорога, а месторождения и запасы его на Земле многочисленны.

Для изготовления солнечных батарей производят и применяют кремний, который в зависимости от обработки подразделяется на несколько категорий:

  • Монокристаллический;

  • Поликристаллический;

  • Аморфный.

Их отличие заключается в компоновке атомов в кристаллической решетке, что является причиной разности показателей КПД в процессе выработки электроэнергии. Существует разница и в производственных технологиях.

Для выпуска преобразователей, в зависимости от необходимого конечного результата, а также исходя из качеств начального материала, применяется разное оборудование, а также методики обработки и производства.

Монокристаллические фотопанели и их производство

Преобразующая часть этих батарей состоят из монокристаллов, выращенных из кремния по методу Чохральского. В результате получается кремний исключительной степени чистоты.

После застывания материала, его разрезают на тончайшие пластинки, показатель толщины которых колеблется от 250 до 300 мкм. В процессе создания их обогащают металлической сеткой электродов. Это довольно дорогой способ производства, позволяющий, однако, добиться серьезных показателей выработки электроэнергии из улавливаемых лучей, достигающих 22%.

Поликристаллические элементы

Отличие данной технологии от предыдущей заключается в том, что кремний расплавляют, а затем постепенно охлаждают полученную массу. В этом случае значительно снижается себестоимость за счет отсутствия необходимости использования дорогостоящего оборудования.

Но и эффективность полученных таким образом фотоэлементов значительно ниже, чем в предыдущем варианте. Она составляет от 8 до 11%. Объясняется это образованием воздушных пузырьков в расплавленной массе на протяжении ее застывания, в результате чего происходит преломление солнечных лучей.

Производство аморфного кремния

В данном случае изготовление солнечных батарей осуществляется по, так называемой, пленочной технологии. Используются для этого кремниевый водород или силикон, тонким слоем наносимый на подложку. Эффективность таких фотопанелей составляет порядка 6%.

Невзирая на низкую производительность, эта разновидность панелей наделена безусловными преимуществами, дающими ему право на существование, а именно:

  • Поглощение лучей в несколько десятков раз больше. чем двух других типов;

  • Толщина слоя минимальна, не более 1 мкм, что снижает стоимость готовой продукции, также обеспечивает гибкость изделий и возможность применения в труднодоступных местах.

Такие фотоэлементы продолжают вырабатывать электроэнергию при рассеянном свете - в пасмурную погоду и в сумерки.

Гибридные установки

Производятся также гибридные фотопанели, с использованием материалов, обладающих двойными свойствами. Это может быть, например, аморфный кремний с добавлением в него микроэлементов или наночастиц.

В результате такого слияния получается материал по качествам схожий с поликристаллическим кремнием, но с более серьезными техническими показателями.

Процесс изготовления не кремниевых фотомодулей

Нередко кремний заменяют другими разновидностями поликристаллических материалов. Они достаточно продуктивны, имеют явные достоинства, но пока не имеют массового производства. К ним относят теллурид кадмия (CdTe), CIS и CIGS. Эти технологии имеют серьезные перспективы, потому что они обладают высокой эффективностью и отличаются невысокой себестоимостью, сравнительно высокими техническими характеристиками в процессе эксплуатации.

Теллурид кадмия — наиболее часто применяемый материал. В конце прошлого столетия серьезно претендовал на использование в космической отрасли, а сегодня довольно широко обсуждается его применение в альтернативной энергетике.

Споры о его использовании не утихают в связи с тем, что он относится к кумулятивным ядам, несмотря на то, что многие ученые, на основании проведенных исследований, считают неопасным для экологии количество вредных веществ, выделяемых в атмосферу теллуридом. Притом, что эффективность таких изделий не превышает одиннадцати процентов, стоимость вырабатываемой ими энергии на 20–30% меньше, чем у кремниевых.

Панели из селена, меди и индия (CIS) и с добавлением галлия (CIGS) так же как и тонкопленочные энергопанели из кремния работают при рассеянном свете и могут быть весьма эффективны в туманных, пасмурных климатических зонах, где количество прямых лучей минимально, так же как и на производствах, которым свойственно запыление.

Солнечная батарея без галлия более эффективна, ее показатели достигают 14%. Но его используют в создании фотомодулей только для того, чтобы заменить индий, который нужен для выпуска жидкокристаллических плоских мониторов.

Тонкопленочные фотопанели целесообразно применять в системах, обеспечивающих потребителя, мощностью от 10 кВт. Они являются отличным вариантом для подачи вырабатываемой энергии напрямую в сеть.

Недавно на рынке альтернативной энергии появились новые технологии, где для поглощения и переработки света применяют элементы из органики. Для их выпуска применяют фуллерены углеродной группы. Их использование дает возможность получения очень тонких (100 НА) и невероятно гибких пленок, производительность которых составляет 5–7%.

И хотя КПД невысок, положительные качества модулей дают право этой методике на существование. К достоинствам описываемых изделий относятся:

  • Малозатратность и низкая стоимость;

  • Возможность монтирования на сложные конструкции и в сложнодоступные места;

  • Относительная простота монтажа;

  • Экологическая безопасность.

Несмотря на многообразие видов панелей, наиболее популярны именно кремниевые, а соответственно их выпуск самый распространенный и массовый.

Технологии выпуска кремниевых панелей

После подготовки техпластин необходимой толщины, они разрезаются на отдельные части, имеющие псевдоквадратную форму. Этого требует обязательная плотная укладка элементов и экономия дорогостоящего материала, особенно в тех случаях, когда речь идет о мульти- или монокристаллических пластинах.

Резка сопровождается нарушением поверхности, и, хотя дефекты микроскопичны, их необходимо устранить. Для этого разработаны и применяются технологии травления и текстурирования. Следствием такой обработки становится улучшение потока лучей. Это объясняется особенностью принимаемой поверхностью формы в виде разбросанных по всей площади в хаотичном порядке пирамидальных граней. Свет, попадая на такую плоскость, отражается многократно, поэтому требуется "рыхление", понижающее отражающие свойства примерно на четверть.

Кислотно-щелочные смеси, применяемые для обработки поверхности могут уменьшить толщину слоя. Допускать этого нельзя, оттого, что следующая далее технологическая обработка приведет к негодности техпластины.

Использование полупроводников в изготовлении модулей

Для создания барьера, обеспечивающего пропускную способность полученной энергии (чтобы движение осуществлялось только в одном направлении), создают p-n-переход. Он образуется там, где соприкасаются проводимость "n" и "р" типов и определяет полноценность работы модулей.

Слой n-типа образуется на торцевых частях пластин за счет фосфорной диффузии. Глубина, на которую проникают носители, не превышает 0,5 мкм, превышение этого предела чревато удлинением пути в зону перехода и взаимообразным гашением друг друга.

Защитные мероприятия предотвращающие замыкание

На лицевой стороне любой панели устанавливается специальная решетка, которая снимает ток. Обратная же сторона ее полностью является контактом. В процессе диффузии между ними неизбежно создается электрозамыкание, передаваемое на торцевую часть элемента. Недопустимость этого обеспечивается предварительной плазмохимической обработкой. Это самый распространенный метод решения проблемы, однако заменить это воздействие можно путем применения механического или лазерного протравления.

Процесс производится посредством воздействия на стопку уложенных пластинок, а результат зависит от его продолжительности. В числе влияющих факторов размер квадратов, направление ионного потока и другие.

Заключительные мероприятия по обработке. Антиотражение и металлизация

По завершении описанных выше действий необходимо обеспечить наибольшее поглощение световых лучей. Для этого на панель наносится антиотражающая текстура. Игнорирование этого шага ведет к тому, что порядка десяти процентов лучей будет отражена и производительность фотоэлементов соответственно уменьшится.

Для снижения потерь на лицевую часть пластины наносится специальное покрытие, которое обеспечивает максимально глубокое проникновение излучений и предотвращающее их обратное отражение.

Поверх устроенного слоя, предотвращающего отражение, наносится металлическая сетка, которую многие принимают за дизайнерский изыск. Однако это не совсем так. Хотя сетка и влияет на внешний облик панели, основополагающим в ее выборе является обеспечение возможности решения вопроса о том, как снизить оптические потери за счет уменьшения толщины линий и их удаленности друг от друга. Однако, приходится учитывать и тот факт, что чрезмерно тонкие и находящиеся на значительном расстоянии элементы сетки приводят к тому, что некоторое количество зарядов теряется, так и не успев достичь контактов. Это естественным образом отражается на производительности.

Для большего удобства и скорейшего достижения производственных целей все расстояния и толщина линий стандартизированы, что значительно облегчает и ускоряет работу конструкторов. Кроме того, введение стандартов позволило использовать трафаретный метод нанесения металлосетки на панель. Наиболее результативным считается применение серебросодержащих паст, увеличивающих коэффициент полезного действия до 17%.

Помимо лицевой стороны, металлизируется и тыльная. Для этого пользуются алюминием, который наносят сплошным слоем малой толщины. При этом вещество не должно попасть в отверстия, так как они отдельно заполняются пастой с содержанием серебра, выступающей в роли контакта.

Эта мера защиты за счет образования зеркальной отражающей поверхности не позволяет свободным зарядам затеряться из-за обрывов кристаллических решеток.

Создание дополнительного напыления повышает продуктивность выработки электроэнергии, из яркого дневного и сумеречного рассеянного света.

Кажущаяся простота и доступность самостоятельного изготовления солнечных батарей нередко становится причиной того, что приобретенные и собранные воедино детали не работают или не дают запланированной мощности. Кроме того, кустарное производство может привести к поломкам электрооборудования. Поэтому для выгодной и безопасной эксплуатации следует все же приобретать заводские фотомодули, реализуемые надежными компаниями-поставщиками.