Работа солнечных батарей

Как работают солнечные батареи: принцип, устройство, материалы

Солнечные батареи считаются очень эффективным и экологически чистым источником электроэнергии. В последние десятилетия данная технология набирает популярность по всему миру, мотивируя многих людей переходить на дешевую возобновляемую энергию. Задача этого устройства заключается в преобразовании энергии световых лучей в электрический ток, который может использоваться для питания разнообразных бытовых и промышленных устройств.

Правительства многих стран выделяют колоссальные суммы бюджетных средств, спонсируя проекты, которые направлены на разработку солнечных электростанций. Некоторые города полностью используют электроэнергию, полученную от солнца. В России эти устройства часто используются для обеспечения электроэнергией загородных и частных домов в качестве отличной альтернативы услугам централизованного энергоснабжения. Стоит отметить, что принцип работы солнечных батарей для дома достаточно сложный. Далее рассмотрим подробнее, как работают солнечные батареи для дома подробно.

Немного истории

Первые попытки использования энергии солнца для получения электричества были предприняты еще в середине двадцатого века. Тогда ведущие страны мира предпринимали попытки строительства эффективных термальных электростанций. Концепция термальной электростанции подразумевает использование концентрированных солнечных лучей для нагревания воды до состояния пара, который, в свою очередь, вращал турбины электрического генератора.

Поскольку, в такой электростанции использовалось понятие трансформации энергии, их эффективность была минимальной. Современные устройства напрямую преобразуют солнечные лучи в ток благодаря понятию фотоэлектрический эффект.

Современный принцип работы солнечной батареи был открыт еще в 1839 году физиком по имени Александр Беккерель. В 1873 году был изобретен первый полупроводник, который сделал возможным реализовать принцип работы солнечной батареи на практике.

Принцип работы

Как было сказано раньше, принцип работы заключается в эффекте полупроводников. Кремний является одним из самых эффективных полупроводников, из известных человечеству на данный момент.

При нагревании фотоэлемента (верхней кремниевой пластины блока преобразователя) электроны из атомов кремния высвобождаются, после чего их захватывают атомы нижней пластины. Согласно законам физики, электроны стремятся вернуться в свое первоначальное положение. Соответственно, с нижней пластины электроны двигаются по проводникам (соединительным проводам), отдавая свою энергию на зарядку аккумуляторов и возвращаясь в верхнюю пластину.

Эффективность фотоэлементов, созданных при помощи монокристаллического метода нанесения кремния, является существенно выше, поскольку в такой ситуации кристаллы кремния имеют меньше граней, что позволяет электронам двигаться прямолинейно.

Устройство

Конструкция солнечной батареи очень проста.

Основу конструкции устройства составляют:

  • корпус панели;
  • блоки преобразования;
  • аккумуляторы;
  • дополнительные устройства.

Корпус выполняет исключительно функцию скрепления конструкции, не имея больше никакой практической пользы.

Основными элементами являются блоки преобразователей. Это и есть фотоэлемент, состоящий из материала-полупроводника, которым является кремний. Можно сказать, что состоят солнечные батареи, устройство и принцип работы которых всегда одинаковый, из каркаса и двух тонких слоев кремния, который может быть нанесен на поверхность, как монокристаллическим, так и поликристаллическим методом.

От метода нанесения кремния зависит стоимость батареи, а также ее эффективность. Если кремний наносится монокристаллическим способом, то эффективность батареи будет максимально высокой, как и стоимость.

Если говорить о том, как работает солнечная батарея, то не нужно забывать об аккумуляторах. Как правило, используется два аккумулятора. Один является основным, второй — резервным. Основной накапливает электроэнергию, сразу же направляя ее в электрическую сеть. Второй накапливает избыточную электроэнергию, после чего направляет ее в сеть, когда напряжение падает.

Среди дополнительных устройств можно выделить контроллеры, которые отвечают за распределение электроэнергии в сети и между аккумуляторами. Как правило, они работают по принципу простого реостата.

Очень важными элементами солнечной назвать диоды. Данный элемент устанавливается на каждую четвертую часть блока преобразователей, защищая конструкцию от перегрева из-за избыточного напряжения. Если диоды не установлены, то есть большая вероятность, что после первого дождя система выйдет из строя.

Как подключается

Как было сказано раньше, устройство солнечной батареи достаточно сложное. Правильная схема солнечной батареи поможет добиться максимальной эффективности. Подключать блоки преобразователей необходимо при помощи параллельно-последовательного способа, что позволит получить оптимальную мощность и максимально эффективное напряжение в электрической сети.

Разновидности солнечных батарей

Существует несколько разновидностей фотоэлементов для солнечных батарей, которые отличаются между собой строением кристаллов кремния.

Выделяют три вида фотоэлементов:

  • поликристаллические;
  • монокристаллические;
  • аморфные.

Первый вид панелей является более дешевым, но менее эффективным, поскольку, если кремний нанесен поликристаллическим способом, то электроны не могут двигаться прямолинейно.

Монокристаллические фотоэлементы отличаются максимальным КПД, который достигает 25 %. Стоимость таких батарей выше, но для получения 1 киловатта нужна существенно меньшая площадь фотоэлементов, чем при использовании поликристаллических панелей.

Из аморфного кремния изготавливают гибкие фотоэлементы, но их КПД самый низкий и составляет 4-6 %.

Преимущества и недостатки

Основные преимущества солнечных батарей:

  • солнечная энергия абсолютно бесплатная;
  • позволяют получать экологически чистую электроэнергию;
  • быстро окупаются;
  • простая установка и принцип работы.

Недостатки:

  • большая стоимость;
  • для удовлетворения потребностей небольшой семьи в электроэнергии нужна достаточно большая площадь фотоэлементов;
  • эффективность существенно падает в облачную погоду.

Как добиться максимальной эффективности

При покупке солнечных батарей для дома очень важно подобрать конструкцию, которая сможет обеспечить жилище электроэнергией достаточной мощности. Считается, что эффективность солнечных батарей в пасмурную погоду составляет приблизительно 40 Вт на 1 квадратный метр за час. В действительности, в облачную погоду мощность света на уровне земли составляет приблизительно 200 Вт на квадратный метр, но 40 % солнечного света – это инфракрасное излучение, к которому солнечные батареи не восприимчивы. Также стоит учитывать, что КПД батареи редко превышает 25 %.

Иногда энергия от интенсивного солнечного света может достигать 500 Вт на квадратный метр, но при расчетах стоит учитывать минимальные показатели, что позволит сделать систему автономного электроснабжения бесперебойной.

Каждый день солнце светит в среднем по 9 часов, если брать среднегодовой показатель. За один день квадратный метр поверхности преобразователя способен выработать 1 киловатт электроэнергии. Если за сутки жильцами дома израсходуется приблизительно 20 киловатт электроэнергии, то минимальная площадь солнечных панелей должна составлять приблизительно 40 квадратных метров.

Однако, такой показатель потребления электроэнергии на практике встречается редко. Как правило, жильцы израсходуют до 10 кВТ в сутки.

Если говорить о том, работают ли солнечные батареи зимой, то стоит помнить, что в данную пору года сильно снижается длительность светового дня, но, если обеспечить систему мощными аккумуляторами, то получаемой за день энергии должно быть достаточно с учетом наличия резервного аккумулятора.

При подборе солнечной батареи очень важно обращать внимание на емкость аккумуляторов. Если нужны солнечные батареи работающие ночью, то емкость резервного аккумулятора играет ключевую роль. Также устройство должно отличаться стойкостью к частой перезарядке.

Несмотря на тот факт, что стоимость установки солнечных батарей может превысить 1 миллион рублей, затраты окупятся уже в течении нескольких лет, поскольку энергия солнца абсолютно бесплатна.

Видео

Как устроена солнечная батарея, расскажет наше видео.

Устройство фотоэлемента

Фотоэлемент на основе полупроводников состоит из алюминиевой подложки, двух слоев полупроводников с разной проводимостью, защитного антибликового стекла и отрицательных электродов (рисунок 2 ). К слоям с разных сторон подпаиваются контакты, которые используются для подключения к внешней цепи. Роль катода играет слой с n-проводимостью (электронная проводимость), роль анода — p-слой (дырочная проводимость).
Принцип действия фотоэлемента

Контакт p-или n-полупроводников приводит к образованию между ними контактного электрического поля, играющего важную роль в работе солнечного фотоэлемента.

Рассмотрим причину возникновения контактной разности потенциалов. При соединении в одном монокристалле полупроводников p- и n-типа возникает диффузионный поток электронов из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа и, наоборот, поток дырок из p- в n-полупроводник. В результате такого процесса прилегающая к p-n переходу часть полупроводника p-типа будет заряжаться отрицательно, а прилегающая к p-n переходу часть полупроводника n-типа, наоборот, приобретет положительный заряд.

Таким образом, вблизи p-n перехода образуется двойной заряженный слой, который противодействует процессу диффузии электронов и дырок. Действительно, диффузия стремится создать поток электронов из n-области в p-область, а поле заряженного слоя, наоборот, – вернуть электроны в n-область.

Аналогичным образом поле в p-n переходе противодействует диффузии дырок из p- в n-область. В результате устанавливается равновесное состояние: в области p-n перехода

Рисунок 2 — Строение фотоэлемента

возникает потенциальный барьер, для преодоления которого электроны из n-полупроводника и дырки из p-полупроводника должны затратить определенную энергию.

Рассмотрим работу p-n перехода в фотоэлементах. При поглощении света в полупроводнике возбуждаются электронно-дырочные пары. В однородном полупроводнике фотовозбуждение увеличивает только энергию электронов и дырок, не разделяя их в пространстве, то есть электроны и дырки разделяются «пространстве энергий», но остаются рядом в геометрическом пространстве.

Для разделения носителей тока и появления фотоэлектродвижущей силы (фотоЭДС) должна существовать дополнительная сила. Наиболее эффективное разделение неравновесных носителей имеет место именно в области p-n перехода. Генерированные вблизи p-n перехода «неосновные» носители (дырки в n-полупроводнике и электроны в p-полупроводнике) диффундируют к p-n переходу, подхватываются полем p-n перехода и выбрасываются в полупроводник, в котором они становятся основными носителями: электроны будут локализоваться в полупроводнике n-типа, а дырки – в полупроводнике p-типа.

В результате полупроводник p-типа получает избыточный положительный заряд, а полупроводник n-типа – отрицательный. Между n- и p-областями фотоэлемента возникает разность потенциалов – фотоЭДС, или напряжение в режиме холостого хода. Полярность фотоЭДС соответствует «прямому» смещению p-n перехода, которое понижает высоту потенциального барьера и способствует инжекции дырок из p-области в n-область и электронов из n-области в p-область. В результате действия этих двух противоположных механизмов – накопления носителей тока под действием света и их оттока из-за понижения высоты потенциального барьера – при разной интенсивности света устанавливается разная величина фотоЭДС. При этом величина фотоЭДС в широком диапазоне освещенностей растет пропорционально логарифму интенсивности свет, достигая насыщения при больших освещённостях.

При коротком замыкании освещенного p-n перехода в электрической цепи потечет ток, пропорциональный по величине интенсивности освещения и количеству генерированных светом электронно-дырочных пар. При включении в электрическую цепь полезной нагрузки, величина тока в цепи несколько уменьшится. Обычно электрическое сопротивление полезной нагрузки в цепи солнечного элемента выбирают таким, чтобы получить максимальную отдаваемую этой нагрузке электрическую мощность.

Дата добавления: 2015-12-08; просмотров: 3921;

Основы технологии изготовления кремниевых солнечных фотопреобразователей

Стандартный тестер состоит из эталонного солнечного элемента и встроенного компьютера, обобщающего полученные при измерении значения и приводящий их к значениям, которые были бы получены при полном соблюдении стандартов измерения. Это только на первый взгляд измерение представляется достаточно простой и тривиальной задачей, но на самом деле, чтобы получить корректные значения, необходимо учесть целый ряд факторов, основными из которых можно выделить следующие:

  • Поскольку вырабатываемый солнечным элементом электрический ток прямо пропорционален интенсивности освещения, при проведении тестирования необходимо добиться стабильности освещенности, её значение должно быть известным и постоянным.
  • Необходимо достичь как можно большей однородности света по всей поверхности тестируемой панели.
  • Спектральное распределение создаваемой освещенности должно максимально точно соответствовать спектральному распределению, характерному для естественного солнечного света.
  • Необходимо определить температуру солнечного элемента и поддерживать её фиксированной на протяжении всего времени тестирования.
  • Потребуется исключить нестабильность напряжения в электрической цепи измерительного комплекса и непосредственно на контактах – падение напряжения существенно влияет на точность проводимых измерений.

Добиться однородности излучения можно, воспользовавшись двумя самыми распространенными способами:

  • Задействовать точечный источник излучения – в этом случае необходимой однородности можно добиться, разнеся тестируемый образец солнечной панели и источник света на значительные расстояния, например, на несколько десятков метров.
  • Воспользоваться специальной оптикой с рассеивающими и отражающими элементами – достаточно сложный в плане практической реализации способ, ведь в этом случае придется постоянно контролировать настройку оборудования, своевременно внося необходимые коррективы. Кроме того, потребуется компенсировать влияние рефлектора (а также и прочих используемых оптических приборов) на спектральное распределение мощности излучения, применив дополнительную фильтрацию.

В первом варианте необходимо часто контролировать и настраивать оборудование, а также компенсировать влияние рефлектора и других оптических элементов на спектральное распределение с помощью дополнительной фильтрации, что приводит к большим трудностям в использовании. Во втором варианте необходимо однородность достигается разнесением источника и тестируемого образа на значительное расстояние. Наиболее распространенными в промышленности являются импульсные тестеры с ксеноновой лампой.

Итак, выше были изложены основы традиционной технологии, разработанной в Украине и внедренной в серийное производство. Это была, наверное наиболее распространенная технология создания кремниевых солнечных элементов с контактами, нанесенными методом трафаретной печати. Как может показаться, процесс производства фотоэлектрических преобразователей достаточно простой по сравнению с изделиями традиционной микроэлектроники. Но это только на первый взгляд. На самом деле в технологии фотоэлементов существует огромное множество трудностей, подводных камней и нюансов.

Солнечные батареи космического и наземного применения

К проблеме освоения энергии солнечного света привлечено в настоящее время внимание специалистов разных научных дисциплин. Особенно большие успехи достигнуты на пути создания полупроводниковых солнечных элементов и батарей различных конструкций. Все больше, легче и мощнее становятся солнечные батареи (СБ) космических аппаратов и станций, все шире их применения на земле, все выше КПД и разнообразнее их свойства.

Развитие теории и опыт прошлых лет позволили описать физические механизмы фотоэффекта, определить источники потерь мощности в ФЭП, объяснить реально полученные КПД и указать пути их повышения. Зонная теория твердых тел в сочетании с термодинамикой системы полупроводник-излучение позволил сделать оптимальный выбор исходного полупроводника, введя понятие и определив значение предельного теоретического КПД. И хотя не всегда удавалось довести уровень знаний к пониманию всех сложных электронных процессов, происходящих в объеме полупроводника или на его поверхности — контактах с воздухом, металлами или другими веществами. Однако, как правило выяснялось, как можно избежать влияния негативных явлений, усилить роль положительных и разработать модели совершенствования.

Необычные эксплуатационные условия (невесомость, глубокий вакуум, контрастные изменения температуры) не позволяют широко использовать в условиях космоса известные на Земле традиционные методы получения электричества. Поэтому основным источником электроэнергии для космических аппаратов являются солнечные батареи. И развитие космической техники требует дальнейшего совершенствования и повышения их технико-экономических показателей. Работа в космосе предъявляет СЕ очень жесткие и порой противоречивые требования. Действительно, поглощая максимум мировой энергии, они не должны перегреваться. В то время как диоды и транзисторы размещаются в герметичных, иногда теплоизолированных приборных отсеках, панели солнечных элементов нагреваются до 80 ° С, когда их освещает Солнце, и остывают до -150 ° С при заходе космических аппаратов в тень Земли. Кроме этого, солнечные батареи должны обладать способностью длительное время противостоять потокам корпускулярного излучения, воздействия частиц высоких энергий и метеоритным потокам.

Но не менее жесткие требования предъявляются к фотоэлектрическим преобразователям эксплуатируемым в наземных условиях. Это связано с растущим спектром применения СБ Украины. Сначала солнечные батареи использовались только в портативной технике, срок службы и энергопотребление которых невелика. Сейчас ФЭП используются как автономные источники питания для систем навигации и связи, систем телекоммуникаций и дополнительные источники электроэнергии, которые работают в часы пиковой нагрузки в электросети. Эти источники энергии должны обладать большой мощностью, большим сроком службы и устойчивостью к климатическим условиям. Сами же ФЭП должны быть недорогими и иметь возможность соединения в большие батареи.

Наибольшее распространение получили кремниевые ФЭП, что связано с хорошо развитой технологией, относительной дешевизной сырья и хорошими параметрами кремния с точки зрения непосредственного преобразования солнечной энергии в электрическую. Основными направлениями улучшения параметров фотоэлектрических преобразователей являются: оптимизация параметров существующих преобразователей, совершенствование технологии изготовления ФЭП с целью снижения материальных и энергетических затрат на их изготовление, применение новых материалов в технологии ФЭП. Об этом и многом другом мы будем писать еще не раз.

Влияние дефектов на количество ФЭП

В полупроводниковых материалах, используемых при производстве фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), сначала имеют место дефекты различного типа, которые зависят в первую очередь от способа и условий получения полупроводника. Активность дефектов определяется их типом, размером поля деформации, взаимодействием дефектов друг с другом и примесями, расположением дефектов по отношению к активным областям ФЭП, типу и особенностями изготовления ФЭП.

Различные термические и механические процессы, которые имеют место на всех этапах изготовления твердотельных ФЭП, могут приводить к появлению новых структурных дефектов, а также дополнительных примесей в обрабатываемом материале. Кроме того, в ходе проведения технологических операций возможны изменения природы существующих дефектов и развитие новых дефектов. Дефектообразования на каждой стадии технологического процесса сильно зависит от предыдущих операций и режимов проведения дальнейших операций.

Структурные дефекты существенно влияют на продолжительность жизни носителей заряда и удельное сопротивление материала, что приводит в результате к изменению вольтамперных характеристик ФЭП. Дефекты вызывают увеличение токов утечек, приводят к появлению локального пробоя p-n перехода, неоднородности фронта диффузии примесей, обрыва металлизации, проколов оксида, в свою очередь приводит к деградации ФЭП, а также снижение процента выхода годных изделий и их надежности.

Дефекты конструкции кремниевых ФЭП

К выходным дефектам структуры фотоэлектрических преобразователей относятся агломераты точечных дефектов, дислокации и их скопления, планарные дефекты типа двойников, дефекты упаковки, границы зерен, а также преципитаты и микродефекты, которые расположены внутри зерен, макродефектов материала и т.п. Отклонение в ходе проведения технологических операций, загрязнение поверхности и объема полупроводникового материала, жидких и газообразных технологических сред, термические и механические процессы также приводят к появлению и развитию дефектов, связанных с несовершенством конструкции ФЭП.

При исследовании образцов были обнаружены следующие виды конструктивных дефектов кремниевых ФЭП: дефекты структуры и загрязнения поверхности кремниевых пластин, дефекты структуры антиотражающего покрытия (АОП), неравномерность глубины залегания тыльной изотипных переходов, механические сколы по периметру пластин, дефекты контактной металлизации.

Остатки нарушенного слоя кремния приводят к увеличению скорости поверхностной рекомбинации и уменьшения спектрального отклика ФЭП. Неравномерность высоты пирамид текстуры может быть причиной неравномерности толщины АОП и, соответственно, увеличения интегрального коэффициента оптического отражения от поверхности ФЭП. Наличие на поверхности пластин частиц металла и других загрязнений приводит к шунтированию эмиттерного перехода.

Трещины и поры в АОП возникают при высокотемпературной обработки пластин вследствие различия коэффициентов термического расширения материала покрытия и кремния. Эти дефекты приводят к уменьшению оптического коэффициента пропускания АОП и увеличения оптических потерь.

Неравномерность глубины залегания тыльной изотипного перехода возможно при неоптимальных или нестабильных режимах нанесения и вжигания алюминия на тыльной поверхности ФЭП. Уменьшение глубины тыльной изотипного перехода приводит к росту скорости рекомбинации на тыльной поверхности пластины и снижения напряжения холостого хода прибора.

Механические сколы появляются при контактах пластин с технологическим оснащением, пинцетами и т.п., а также в результате неаккуратных манипуляций с пластинами. Механические с тех пор являются причиной образования в пластинах микротрещин, которые приводят к существенной деградации электрических параметров ФЭП.

К дефектам контактной металлизации относятся:

  • разрывы и неравномерность ширины серебряной контактной шины, появление белых участков и отклонения геометрии рисунка металлизации вследствие дефектов трафарета при нанесении контактов методом трафаретной печати;
  • неравномерность толщины металлизации;
  • отсутствие адгезии лицевой или тыльной контактной металлизации в результате отклонения от оптимальных режимов вжигания и загрязнений на поверхности пластин
  • отслаивание и отпадение алюминиевой металлизации из-за разницы коэффициентов термического расширения кремния и алюминия.

Дефекты контактной металлизации приводят к возникновению механических напряжений пластин, уменьшение плотности тока короткого замыкания и невозможности соединения ФЭП в модуле для получения заданных значений тока и напряжения в рабочей точке.

Снижение потерь энергии в ФЭП наземного применения

Для снижения оптических потерь, связанных с неполным использованием падающего на поверхность фотоэлектрического преобразователя излучения, в настоящее время наиболее широко применяются следующие методы:

  • структурирования поверхности приводит к снижению интегрального коэффициента отражения ФЭП;
  • нанесение на поверхность ФЭП одно- или двухслойного антиотражающего покрытия;
  • уменьшение площади контактов на лицевой поверхности для снижения потерь на затенение;
  • нанесение на тыльную поверхность ФЭП металлического слоя увеличивает эффективность поглощения длинноволнового излучения за счет его многократного прохождения через объем полупроводника;
  • уменьшение глубины эмиттерного перехода и снижение концентрации легирующей примеси вблизи лицевой поверхности для повышения чувствительности ФЭП в коротковолновой части спектра.

Электрические потери энергии обычно уменьшаются с помощью следующих методов:

  • выбор оптимального шага и толщины контактных шин на лицевой поверхности для снижения последовательного сопротивления ФЭП;
  • использование гетерирующих обработок, увеличивают время жизни неосновных носителей заряда;
  • пассивация лицевой поверхности для снижения скорости поверхностной рекомбинации;
  • пассивация тыльной поверхности и создания изотипних перехода;
  • минимизация площади контактов и дополнительное легирование приконтактных областей для уменьшения рекомбинационных потерь на границе раздела металл-полупроводник.

Ниже вы можете ознакомиться с наглядным графиком, который иллюстрирует последние достижения по эффективности фотоэлектрических преобразователей, изготовленных по различным технологиям.

Виды элементов солнечных батарей, их особенности и нюансы использования

Солнечные элементы с каждым днем все активнее используются в промышленных и индивидуальных энергосистемах. Об их преимуществах и экономических выгодах известно всем. Это и независимость от центрального энергоснабжения, и снижение коммунальных расходов, и экологичность, и простота использования. А вот какими бывают солнечные модули, как их изготавливают, и, главное, как им удается превращать энергию солнца в электричество, — об этом большинство людей знают гораздо меньше.

Принцип действия и фотоэффект

Итак, самое главное – принцип работы солнечных элементов. Со стороны все выглядит по меньшей мере загадочно и непонятно: на небольшую пластину просто светит солнце, а индикатор напряжения показывает наличие тока! На самом деле в основе работы таких элементов лежит явление, открыто и изученное достаточно давно. Это явление – фотоэффект. Суть его и заключается в том, что некоторые виды материалов (их называют полупроводниками) способны вырабатывать постоянный ток под воздействием обычных солнечных лучей.

Происходит это таким образом. Электроны определенных веществ (к примеру, кремния, из которого и производят фотоэлементы) способны поглощать энергию солнечного потока. За счет этого они получают дополнительный импульс и покидают свои орбиты. Таким образом образуется направленный поток электронов, то есть – постоянный фототок.

Но не все так просто. Получить этот эффект можно только, объединив полупроводники двух типов, с p- и n-проводимостью. Первый тип отличается недостатком электронов, второй – их избытком. В результате получаются двухслойные солнечные элементы, состоящие из помещенных один на другой разнопроводимых полупроводников.

Работают фотоэлементы следующим образом. На n-проводник (его располагают вверху структуры) падают солнечные лучи и выбивают электроны с их атомарных орбит. За счет дополнительного энергоимпульса они переходят в p-проводник (ширину зоны перехода подбирают небольшой, чтобы электроны смогли ее преодолеть) и формируют направленный поток. По сути, такой двухслойный элемент для солнечных батарей представляет собой нечто вроде электродной батареи, причем в роли катода выступает n-вещество, а в роли анода – p-вещество. Для снятия фототока к полупроводниковым пластинам припаивают тонкие проводники и нагрузку.

В качестве p-/n-полупроводников применяют главным образом кремний с разными добавками. Объясняется это тем, что кремний очень легко добывать и обрабатывать в промышленных масштабах, это не требует особых затрат. Поэтому несмотря на кажущуюся невысокую эффективность таких солнечных батарей (порядка 20%) для массового производства применяют именно это вещество. Фотоэлементы на основе других соединений отличаются большим КПД (свыше 40%) но их массовое изготовление пока нерентабельно.

На основе кремния выпускаются элементы солнечных батарей трех типов: из поликристаллов, из монокристаллов и на тонких пленках. У каждой из этих разновидностей батарей свои рабочие показатели, особенности и сферы использования.

Фотоэлементы из поликремния

Ячейки из поликристаллов кремния имеют квадратную форму и неоднородную поверхность темного (иногда – почти черного) оттенка. Это объясняется тем, что при выращивании поликристаллов получают заготовки в форме призмы с квадратным сечением. Неоднородность поверхности и структуры определяется тем, что состоят такие заготовки из множества разнородных кристалликов. Кроме того, в поликремнии обязательно присутствует некоторая доля примесей.

КПД таких ячеек несколько ниже, чем у монокристаллических. Если производительность монопанелей превышает 20%, то для полимодификаций она составляет примерно 17-18%. Однако при этом стоимость их несколько ниже, поэтому купить элемент солнечной батареи из поликремния можно дешевле. Связано это с тем, что выращивание поликристаллов требует меньших производственных затрат, более того, иногда их получают путем переработки старых фотопанелей или кремниевых отходов.

За счет неравномерной структуры такие ячейки неравномерно поглощают солнечный свет. С одной стороны, это приводит к значительным потерям отраженной энергии, но с другой снижает их зависимость от движения Солнца по небосводу.

Фотоэлементы из монокремния

Солнечные элементы, изготовленные из монокристаллического кремния, очень легко узнать. Их отличают насыщенный, равномерный синий цвет и однородная поверхность. Такие ячейки производят из монокристаллов высокочистого кремния (порядка 99,99%), поэтому они обладают строгой кристаллографической структурой и более высокими эксплуатационными показателями. Кроме того, ячейки из монокремния имеют так называемую «песвдоквадратную» форму (как правило — со срезанными углами, иногда – форму многоугольника). Объясняется это тем, что для монокристаллов кремния характерна призматическая форма, сечением которой и является многоугольник. А готовые фотоячейки получают при помощи поперечной нарезки монокристалла.

Свойства фотоэлементов из монокремния

Из всех существующих сегодня элементов солнечной батареи моноячейки обладают наибольшей производительностью. Связано это с тем, что их однородная структура равномерно поглощает солнечный свет и также равномерно преобразует его в фототок. Отражающие потери лучей при этом минимальны, поэтому энергоэффективность такого элемента зависит только от свойств кристалла (количества и качества примесей, соблюдения технологии выращивания и т.д.).

Особенности солнечных батарей на монокристаллах:

  • Равномерность выходных параметров при различных погодных условиях. Современные монопанели практически не теряют своей эффективности при высокой облачности, как это было ранее.
  • Возможность использования в мороз. Моноячейки сохраняют свой КПД и при минусовых температурах, поэтому все солнечные батареи всесезонного использования комплектуют именно такими элементами.
  • Способность выдержать небольшой изгиб. За счет равномерной структуры моноячейки обладают незначительной гибкостью. Это свойство иногда используется при монтаже гелиопанелей.

Цена солнечных элементов из монокремния лишь незначительно выше поликристаллических аналогов.

Фотоэлементы из аморфного кремния

Солнечные ячейки из аморфного кремния также называют «гибкими панелями». Это название полностью отражает все их особенности, и прежде всего – гибкую тонкопленочную структуру. Производят такие ячейки путем вакуумного напыления полупроводников на тонкопленочную подложку. Обычно используют аморфный кремний, но нередко применяют и теллурид кадмия или селенид меди-индия. Кроме того, ведутся разработки и по использованию органических материалов.

КПД гибких элементов определяется веществом полупроводника. Для кремниевых изделий он несколько ниже (порядка 10%), для батарей на более современных материалах (селенидах или теллуридах) он достигает 15-20%.

Особенности тонкопленочных элементов:

  • Возможность монтажа на любых криволинейных формах;
  • Высокая энергогенерация при рассеянном освещении (за счет этого их общая производительность в определенных условиях мало уступает кристаллическим аналогам);
  • Минимальная толщина (порядка 1мкм);
  • Малая себестоимость производства и невысокая итоговая стоимость;
  • Высокая энергоэффективность в мощных системах (более 10 кВт).

Тонкопленочные солнечные батареи широко используют в регионах с преобладанием пасмурных погодных условий и в очень жарких странах, а также в космической промышленности. Единственный недостаток этих батарей – их размеры, при одинаковой мощности на выходе гибкие панели почти в два раза больше кристаллических.

Фотоэлементы из транзисторов

Еще одна разновидность элементов для солнечных батарей – фотоэлементы из старых транзисторов. Такие солнечные ячейки проще всего сделать своими руками, достаточно взять полупроводниковые транзисторы и аккуратно снять с них крышечки, чтобы открыть p-n-переход. Энерговыработка транзисторного элемента минимальна, но их вполне можно объединять в блоки, увеличивая тем самым выходные параметры. Конечно, домашнюю электростанцию из таких модулей собрать не получится, а вот использовать их для подзарядки, например, светильников, часов или небольших аккумуляторов вполне возможно.

Как работает солнечная батарея? Виды и устройство.

Поверхность земли постоянно освещается солнечным светом, это обеспечивает жизнь всем живым существам. Еще совсем недавно применение солнечной батареи казалось невозможным, но на сегодняшний день каждый желающий имеет возможность приобрести данное устройство. Особенно актуален вопрос среди дачников, желающих при наименьших денежных затратах пользоваться электричеством. Солнечные батареи активно используются в промышленных масштабах, ведь солнечные электростанции современного типа способны получать количество электроэнергии, необходимое для малых городов. Немаловажным является отсутствие вреда для экологии при использовании солнечных батарей. Солнечные батареи активно используются в странах Европы, Израиле.

В статье описаны виды солнечных батарей, их устройство, принцип работы солнечной электростанции. Так как же работает солнечная батарея? – Давайте узнаем.

Виды солнечных панелей

Солнечная батарея в общем виде – конструкция, содержащая темные детали с полосами из металла, проводящими электрический ток. Детали покрыты стеклом. Существующее множество солнечных батарей показано на рисунке.

Классификация Разновидности

– По мощности До 10 Вт
– От 200 Вт

По виду фотоэлементов

– Фотохимические
– Органического вида
– Основа – полупроводники из кремния
– Основа – арсенид галлия

По гибкости

– Гибкие (могут удобно сворачиваться, имеют популярность среди туристов).

Фото солнечной батареи, способной скручиваться в рулон

– Портативные

Портативная солнечная батарея

Устройство солнечной батареи

Устройство солнечной батареи представлено на рисунке.

Составные элементы солнечной батареи:

1. Два слоя кремния (между собой образуют пластину, внутренний слой – кремний на монокристаллической основе, обладает проводимостью р-типа, наружный слой – кремний, содержащий различные примеси, данный слой имеет проводимость n-типа).
2. Каркас с фотоэлементами (детали расположены таким образом, чтобы в случае поломки их можно было починить).
3. Аккумуляторы (один является основным, второй – запасным).
4. Пластик закаленного вида, покрывающий всю конструкцию от повреждений.

Принцип работы солнечной батареи заключается в следующем: электроны выходят из р-слоя, затем попадают в n-слой, предварительно пройдя определенную нагрузку. N-слой выступает источником избыточных электронов.

Аккумуляторы солнечных батарей работают следующим образом: основной собирает электрическую энергия для последующей транспортировки в сеть, другой аккумулятор работает в запасном режиме (накапливает энергию сверх нормы, а затем, при снижении напряжения, энергия поступает в сеть).

Детали солнечной батареи важно беречь от метеорной пыли и радиации, данные элементы способствуют появлению эрозии на кремниевых слоях.

Солнечная энергия как альтернативный источник энергии зарекомендовала себя с положительной стороны и применяется во многих сферах жизни человека.

Виды кристаллов фотоэлементов

Вид и Характерные особенности

Поликристаллы → Отличительная особенность – синий цвет, КПД – 14%.


Монокристаллы → Эффективность – 16%.


Основа – аморфный кремний → Производительность – 6-8%.


Основа – теллурид кадмия → Эффективность – 11%.

Основа – полупроводнике CIGS → Значение эффективности – 25%.

От вида кристаллов фотоэлемента зависит, как работает солнечная панель. Панели на основе монокристаллов обладают высокой эффективностью, цена конструкций высокая. К низкой ценовой категории относятся солнечные батареи на основе аморфного кремния, однако максимальная производительность таких конструкций всего 8 %. Работа солнечной панели на базе аморфного кремния не является продолжительной.

Принцип работы солнечной батареи

Принцип работы солнечной батареи заключается в следующем:

1. Происходит падение солнечных лучей на специальный фотоэлемент.
2. В фотоэлементе создаются пары электронно-дырочного типа.
3. Электроны сверх нормы переносятся из одного слоя полупроводника в другой, в результате данного процесса во внешней среде образуется напряжение.

Работу солнечной батареи можно сравнить с колесом, по которому передвигаются электроны. Аккумуляторы при таком движении постепенно накапливают заряд.

В жару менее продуктивно работает фотогальваническая составляющая солнечной батареи. Максимальную отдачу конструкции демонстрируют при ясной зимней погоде. Следует подчеркнуть, что падение снега не влияет на работу батареи, она все равно продолжает нормально функционировать.

Солнечную энергию можно преобразовывать не только в электрическую, но и в тепловую. В данном процессе происходит не преобразование, а накапливание энергии. В этом и заключается принцип работы солнечного коллектора: устройство собирает тепло и передает его в теплоноситель. Данная конструкция применяется при отоплении домов.

Солнечная панель включает в себя ряд фотоэлементов, создающих разность потенциалов под воздействием освещения. Если целью является увеличение напряжения, то нужно соединять фотоэлементы последовательным методом, в случае необходимости увеличения силы тока требуется соединить элементы параллельно.

Принцип работы фотоэлемента позволяет наглядно представить, как устроена солнечная панель.

Алгоритм преобразования энергии солнца в электрическую энергию:

• воздействие светом на полупроводники (фотоэлементы – два слоя полупроводника, имеющих различную проводимость, n-проводимость, p-проводимость);
• создание разности потенциалов;
• замыкание цепи;
• получение электрической энергии.

Рассмотрев, из чего состоит солнечная батарея, можно сделать вывод о несложной конструкции с относительно невысокими денежными затратами.

К достоинствам солнечных батарей можно отнести:

• доступность для промышленных целей и частных лиц;
• постоянное существование источника энергии;
• легкость в обслуживании;
• безопасность в использовании;
• достаточно длительный срок эксплуатации конструкций.

Вырабатываемая солнцем энергия является альтернативной перспективой будущего по замене существующих электрических источников.

Недостатки солнечной энергии:

• малая эффективность недорогих конструкций;
• зависимость от погодных условий;
• постоянная уборка отражающей поверхности;
• дороговизна мощных установок.

Солнечная энергия является самой перспективной среди других видов энергии за счет следующих факторов:

• отсутствие вреда для экологии;
• постоянно возобновляемый источник.

Для снижения цены на солнечные батареи важно увеличить мощность потока солнечной энергии, попадающей на фотоэлемент.

Для достижения данной цели ученые разработали специальные конструкции:

• трекер (помощник в поиске энергии);
• концентратор необходимой энергии (с большой площади отправляет энергию на небольшой участок, приспособление имеет малый вес).

Применение вышеперечисленных деталей позволит солнечным панелям стать главным источником энергии при наименьших денежных затратах и отсутствием вреда для экологии.

На видео: Как работает солнечная батарея?

admin

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Наверх