name
Солнечная энергетика в Казахстане

Генерация с помощью солнечных батарей

На данный момент существует несколько различных видов солнечных батарей (СБ) для генерации электроэнергии. Различаются по типу используемого материала и технологией производства. Различают два основных типа СБ – кремниевые и пленочные. Кремниевые батареи выпускаются следующих видов – поликристаллические, монокристаллические и аморфные. Пленочные – на основе теллурида кадмия, селенида меди-индия и полимерные.

Самые распространенные и выпускаемые в промышленном масштабе это батареи на основе кремния, так как кремний – наиболее часто встречаемый минерал как ископаемое. Монокристаллические солнечные батареи представляют собой силиконовые ячейки, объединенные между собой. Для их изготовления используют максимально чистый кремний, получаемый по методу Чохральского. После затвердевания готовый монокристалл разрезают на тонкие пластины толщиной 250-300 мкм, которые пронизывают сеткой из металлических электродов (рис. нарезка). Используемая технология является сравнительно дорогостоящей, поэтому и стоят монокристаллические батареи дороже, чем поликристаллические или аморфные. Выбирают данный вид солнечных батарей за высокий показатель КПД (порядка 17-22%).

         

Рисунок 1. Монокристалическая ячейка                              Рисунок 2. Поликрситалическая ячейка

Для получения поликристаллов кремниевый расплав подвергается медленному охлаждению. Такая технология требует меньших энергозатрат, следовательно, и себестоимость кремния, полученного с ее помощью меньше. Единственный минус: поликристаллические солнечные батареи имеют более низкий КПД (12-18%), чем их моно «конкурент». Причина заключается в том, что внутри поликристалла образуются области с зернистыми границами, которые и приводят к уменьшению эффективности элементов.

Если проводить деление в зависимости от используемого материала, то аморфные батареи относятся к кремниевым, а если в зависимости от технологии производства – к пленочным. В случае изготовления аморфных панелей, используется не кристаллический кремний, а силан или кремневодород, который тонким слоем наносится на материал подложки. КПД таких батарей составляет всего 5-6%, у них очень низкий показатель эффективности, но, несмотря на эти недостатки, они имеют и ряд достоинств:

  • Показатель оптического поглощения в 20 раз выше, чем у поли- и монокристаллов.
  • Толщина элементов меньше 1 мкм.
  • В сравнении с поли- и монокристаллами имеет более высокую производительность при пасмурной погоде.
  • Повышенная гибкость.

         

Рисунок 3. Аморфная солнечная батарея                         Рисунок 4. Солнечная батарея на основе теллурида кадмия

Пленочные батареи на основе теллурида кадмия.

Исследования теллурида кадмия, как светопоглощающего материала для солнечных батарей начались еще в 70-х годах. В то время его рассматривали как один из оптимальных вариантов для использования в космосе, сегодня же батареи на основе CdTe являются одними из самых перспективных в земной солнечной энергетике. Так как кадмий является кумулятивным ядом, то дискуссии возникают лишь по одному вопросу: токсичен или нет? Но исследования показывают, что уровень кадмия, высвобождаемого в атмосферу, ничтожно мал, и опасаться его вреда не стоит. Значение КПД составляет порядка 11%. Цифра небольшая, зато стоимость ватта мощности таких батарей на 20-30% меньше, чем у кремниевых.

В батареях на основе селенида меди-индия в качестве полупроводников используются медь, индий и селен, иногда некоторые элементы индия замещают галлием. Такая практика объясняется тем, что большая часть производящегося на сегодня индия требуется для производства плоских мониторов. Именно поэтому с целью экономии индий замещают на галлий, который обладает схожими свойствами. Пленочные солнечные батареи на основе селенида меди-индия имеют КПД равный 15-20%. Следует иметь в виду, что без использования галлия эффективность солнечных батарей возрастает примерно на 14%.

Рисунок 5. Солнечная батарея на основе селенида меди-индия

Разработка батарей на основе полимеров началась сравнительно недавно. В качестве светопоглощающих материалов используются органические полупроводники, такие как полифенилен, углеродные фуллерены, фталоцианин меди и другие. Толщина пленок составляет 100 нм. Полимерные солнечные батареи имеют на сегодняшний день КПД всего 5-6%. Но их главными достоинствами считаются:

  • Низкая стоимость производства.
  • Легкость и доступность.
  • Отсутствие вредного воздействия на окружающую среду.

Применяются полимерные батареи в областях, где наибольшее значение имеет механическая эластичность и экологичность утилизации.

Рисунок 6. Полимерные солнечные батареи