1.2. Структура солнечного элемента
Солнечные элементы (СЭ) изготавливаются из материалов, которые напрямую преобразуют солнечный свет в электричество. Максимальная часть из частных выпускаемых в настоящее время СЭ делают из кремния (химический символ Si). Кремний это полупроводник. Он очень распространен на земле в подобии песка, он является диоксидом кремния (SiO2), он еще известен как "кварцит". Другая часть где применяют кремний - электроника, где его используют для производства полупроводниковых приборов и микросхем.
Рис.1.Структура солнечного элемента 1.свет(фотоны)2.лицевойконтакт 3. отрицательный слой 4. переходной слой 5. положительный слой 6. задний контакт.
Прежде всего, в СЭ имеется задний контакт и 2 слоя кремния разной проводимости. Наверху находится сетка состоящая из металлических контактов и антибликовое просветляющее покрытие, которое дает СЭ привычный для него синий оттенок
1.3.Типы солнечных элементов
Солнечные элементы бывают следующих видов: монокристаллический, поликристаллический и аморфный (тонкопленочный). Различие между ними заключается в том, как организованы атомы кремния в кристалле. Каждый вид СЭ имеют разный КПД преобразования энергии света. Моно- и поликристаллические элементы имеют почти одинаковый КПД, у которых выше, чем у солнечных элементов, изготовленных из аморфного кремния.
Рис.2. а)монокристаллический б)поликристаллический в)аморфный (тонкопленочный).
В последние годы были разработаны новые типы материалов для СЭ. Например, тонкопленочные фотоэлектрические элементы из медь-индий-диселенида и из CdTe (теллурид кадмия). Эти СЭ в последнее время также коммерчески используются. Технологии их производства постоянно развиваются, в течении последних лет КПД тонкопленочных элементов вырос примерно в 2 раза.
Последние технологии используют гибридные методы. Так появились элементы, которые имеют как кристаллический переход, так и тонкий полупрозрачный аморфный переход, расположенный над кристаллическим. Так как кристаллы и аморфный кремний наибольше эффективно преобразуют только часть спектра света, и эти спектры немного отличаются, применение таких гибридных элементов позволяет повысить общий КПД солнечного элемента.
Ниже приведен график изменения КПД солнечных элементов за последние десятилетия. Как видим, в лабораториях уже получены результаты, приближающиеся к 45%. Конечно, до массового коммерческого использования такие технологии дойдут еще не скоро, но работа по удешевлению изготовления солнечных элементов постоянно ведется во всем мире. Как видно, максимальный КПД получают на многопереходных элементах и концентрированном освещении.
Пиковый ватт. Солнечный элемент производит электричество когда освещается светом. В зависимости от интенсивности света (измеряемой в Вт/м2), солнечный элемент производит больше или меньше электричества: яркий солнечный свет более предпочтителен, чем тень, и тень более предпочтительна, чем электрический свет.
Для сравнения СЭ и модулей необходимо знать так называемую номинальную мощность элемента или модуля. Номинальная мощность, выращенная в ваттах пиковой мощности Wp, это мера того, сколько электроэнергии может произвести фотоэлектрический модули при оптимальных условиях.
Для определения и сравнения номинальной мощности солнечных панелей, выходная мощность измеряется при стандартных тестовых условиях (СТУ). Эти условия предполагают: - освещенность 1000 Вт/м2 - солнечный спектр AM 1.5 (он определяет тип и цвет света) - температура элемента 25 °C (это важно, так как эффективность СЭ падает при повышении его температуры).
Так как в реальных условиях работы такие параметры практически недостижимы, в последнее время все больше производителей указывают параметры модуля в так называемых "нормальных условиях" (NOCT), т.е. при температуре модуля 40-45 градусов и освещенности 800 Вт/м2. Тем не менее, NOCT также не отражает реальную мощность модуля, так как во время работы солнечной батареи освещенность может быть даже выше 1000 Вт/м2, а температура существенно ниже 45С.
Ни NOCT, ни тем более STC мощности не позволяют определить, сколько именно энергии будет вырабатывать солнечная панель в реальных условиях. Для того, чтобы иметь более точное представление о производительности солнечного модуля, в мире делаются попытки ввести новые, дополнительные, показатели эффективности солнечных панелей. Одним из таких дополнительных параметров является PTC, с помощью которого можно более реально определить, сколько энергии можно ожидать от того или иного модуля. На настоящий момент PTC, наряду с NOCT, являются показателями, по которым можно проводить сравнение различных фотоэлектрических модулей.
Сравнение тонкопленочных и кристаллических фотоэлектрических модулей. Тонкопленочные солнечные элементы бывают обычно 4 основных типов:
из аморфного кремния (a-Si) или тонкопленочного кремния (TF-Si)
из теллурида кадмия (Cd-Te)
из деселенида галлия-меди-индия copper indium gallium deselenide (CIS or CIGS)
из синтетических (dye-sensitized solar cell) материалов с органическими добавками.
Тонкопленочные солнечные модули состтоят из примерно 6 слоев. Прозрачное покрытие закрывает антиотражающий слой, затем идут полупроводники P и N типа, затем контактный слой и подложка. Принцип работы тонкопленочных солнечных элементов тот же самый, что и у кристаллических солнечных элементов.
Тонкопленочные модули в общем случае должны быть дешевле кристаллических за счет меньшего расхода кремния и более простой технологии изготовления. Однако на практике разница в цене не очень большая, так как в последние годы цена на кристаллические солнечные модули сильно снизилась. Эффективность обеих технологий быстро растет, а различие в цене уменьшается. Более того, тонкопленочные модули обычно выполняются с использованием 2 слоев стекла, поэтому они могут быть даже дороже поликристаллических модулей той же мощности. Двойное стекло также делает тонкопленочные модули намного тяжелее кристаллических модулей, в которых стекло только с лицевой стороны, а с тыльной - PVC пленка.
Есть другой тип тонкопленочных солнечных модулей, в которых полупроводниковый слой нанесен на гибкую основу. Такие модули - легкие и их можно изгибать. Обычно такие модули используются в переносных системах или на кровлях со сложной формой.