Солнечные элементы

Солнечные элементы. Принципы работы солнечных батарей

Основные принципы работы солнечных батарей

Рис.1. Конструкция солнечного элемента

Простейшая конструкция солнечного элемента (СЭ) – прибора для преобразования энергии солнечного излучения – на основе монокристаллического кремния показана на рис.1. На малой глубине от поверхности кремниевой пластины p-типа сформирован p-n-переход с тонким металлическим контактом. На тыльную сторону пластины нанесен сплошной металлический контакт.

Когда СЭ освещается, поглощенные фотоны генерируют неравновесные электрон-дырочные пары. Электроны, генерируемые в p-слое вблизи p-n-перехода, подходят к p-n-переходу и существующим в нем электрическим полем выносятся в n-область.

Аналогично и избыточные дырки, созданные в n-слое, частично переносятся в p-слой (рис.2а). В результате n-слой приобретает дополнительный отрицательный заряд, а p-слой – положительный. Снижается первоначальная контактная разность потенциалов между p- и n-слоями полупроводника, и во внешней цепи появляется напряжение (рис.2б).

Отрицательному полюсу источника тока соответствует n-слой, а p-слой – положительному.

Рис.2. Зонная модель разомкнутого p-n-перехода:

а) – в начальный момент освещения;

б) – изменение зонной модели под действием

постоянного освещения и возникновение фотоЭДС

Величина установившейся фотоЭДС при освещении перехода излучением постоянной интенсивности описывается уравнением вольт-амперной характеристики (ВАХ) (рис.3):

где Is– ток насыщения, а Iph – фототок.

ВАХ поясняет эквивалентная схема фотоэлемента (рис.4), включающая источник тока

где S – площадь фотоэлемента, а коэффициент собирания Q – безразмерный множитель (

Солнечный элемент

Наверное многим интересно как солнечные батареи преобразуют световую энергию солнца в электрическую. На самом деле это довольно сложный процесс, который рассматривается в таком разделе физики как квантовая механика. Но мы постараемся разобраться в этом.

В основу солнечных батарей заложены полупроводниковые материалы. Это своего рода особый класс, который нельзя отнести ни к изоляторам, ни к проводникам. Если сравнить удельное сопротивление полупроводников при комнатной температуре, то оно может колебаться в пределах 10 -3 – 10 9 Ом . см. Это меньше чем сопротивление изоляторов (свыше 10 9 Ом . см), но и больше чем проводников (меньше чем 10 -3 Ом . см). Для изготовления солнечных элементов, как правило используют элементы, чье сопротивление лежит в пределах 10 -3 – 10 2 Ом . см.

Полупроводники делятся на два типа: р и n. Наиболее часто используемым в солнечных элементах полупроводником является кремний (Si). Его получают из различного рода химических соединений, содержащих его, а также удаляют из него практически все примеси.

После очистки его плавят и получают монокристалл Si. Процесс этот имеет название выращивание искусственных кристаллов методом Чохральского.

При изготовлении Si для солнечных элементов производят легирование – добавляют определенное число примесей в расплавленный кремний. Элементы n – типа получают добавляя в качестве примеси элементы V группы таблицы Менделеева, например фосфор. У фосфора есть пять электронов на внешней оболочке. Поэтому при попадании в расплавленный кремний (а у Si есть только 4 электрона на внешней оболочке) занимает место атома Si в кристаллической решетке и передает ей дополнительный электрон. Из-за этого элементы V группы получили названия донорных.

При изготовлении Si р – типа для солнечных батарей проделывают точно такой же процесс что и для n – типа. Но вместо элементов V группы добавляют III группы, например бор. Он имеет три электрона на внешней оболочке и при добавлении его в расплавленный Si он забирает 1 электрон у кремния. В результате чего образовывается положительный заряд (из-за отсутствия электрона) который называется дыркой. Исходя из этого примеси данного типа получили названия акцепторных.

Дырки и электроны свободно передвигаются по объему полупроводника. Происходит процесс рекомбинации – когда электрон занимает место дырки. Однако после этого на месте где он был, возникнет новая дырка. Если к данной структуре приложить внешнее электрическое поле, то дырки начнут двигаться в одну сторону, а электроны в противоположную.

Для более ясного представления об устройстве солнечных элементов рассмотрим его схематически на рисунке ниже:

Где: а — фотоны А я В создают электронно-дырочные пары аа’ я bb’. Электрон с и дырка с’, которые образовались предыдущим фотоном, двигаются к контактам солнеч­ного элемента. Электроны d, e, f и g двигаются по внешней цепи, таким образом получается протекание тока; b —дырка, образованная в следствии воздействия фотона А. прошла через переход и двигается к положительному контакту. Электрон, появившийся в следствии воздействия фото­на В. тоже прошел через переход и продолжает движение к отрицательному контакту. Электрон с перешел из полупроводника в проводник. Электрон d перешел в по­лупроводник и рекомбинировал с дыркой с’.

Как же работает солнечный элемент? Представим что солнечная батарея (структура на рисунке выше) освещается солнечным светом. Фотоны, попадающие на поверхность солнечной батареи с различной энергией, будут поглощаться в полупроводниковом элементе. Фотоны А и В попав на поверхность солнечной установки выбили электрона из произвольных атомов, соответственно на месте них образовались дырки. Таким образом образовались электронно-дырочные пары. Теперь под влиянием электрических полей, образованных р – n переходом, дырки и электроны могут двигаться по материалу полупроводника. Соответственно n область притягивает электроны, р область дырки. На поверхности раздела электрон занимает место дырки. Это явление называется рекомбинацией. Причем после рекомбинации электрон становится нейтральным, пока следующий фотон не выбьет его и не нарушит электрическое равновесие.

Для подключения солнечных элементов к нагрузке их снабжают металлическими контактами. Неосвещенный солнечный элемент может проводить ток, который поступает от внешнего источника, только в одну сторону. Таким образом можно определить полярность полупроводниковым устройством источника питания.

Типы солнечных элементов и их характеристики

Для строительства солнечных батарей выделяют два типа солнечных элементов: поликристаллические (мультикристаллические) и монокристаллические солнечные элементы.

Внешне их легко различить, поликристаллические солнечные элементы в основном синего цвета с морозным узором. Монокристаллические солнечные элементы имеют монотонный темно синий или черный цвет со скругленными углами.

Что касается КПД, то у монокристаллических элементов он составляет до 22%, у поликристаллических до 17%. Разумеется, данный фактор влияет на площадь солнечной батареи (при равной мощности, площадь солнечной батареи из монокристаллов будет на 5% меньше чем поли).

Поликристаллы лучше работают в условиях слабой освещенности (пасмурного дня). А монокристаллы стабильнее работают при температурах свыше 70 градусов.

С каждым годом, солнечные элементы деградируются и теряют определенный % мощности, поэтому можно выделить еще один фактор – срок службы поликристаллов 20 лет, а монокристаллов 40 лет.

Существуют еще солнечные элементы из аморфного кремния, но их КПД до 10% и срок службы до 10 лет., по этой причине, для строительства солнечных батарей, мы их рассматривать не будем.

Ниже представлю основные размеры и параметры солнечных элементов, которые применяются для изготовления солнечных батарей.

Но что делать, если нам необходимо сделать маломощную солнечную панель для зарядки аккумулятора на телефоне, ноутбуке или для изготовления садового фонарика? Для этого, промышленность производит готовые решения солнечных батарей с высоким напряжением 1 – 18В и низким током , которые сверху покрыты прозрачным слоем силикона (для защиты от механических повреждений). Однако для строительства мощных солнечных панелей, такие элементы не подойдут, в виду их дороговизны.

Заключающим звеном солнечных элементов являются элементы из аморфного кремния. Самое большое достоинство этих элементов в том, что они гибкие и имеют большое разнообразие в размерах (от маленьких, для зарядки аккумуляторов, до больших, для обеспечения целого дома электричеством). Однако недостаток элементов из аморфного кремния это низкий КПД и малый срок службы.

С другой стороны технологии не стоят на месте, и, к примеру, Solar Laminate PVL-Series гарантируют, что за 20 лет выходная мощность не упадет ниже 80%. При этом характеристики одного элемента ( Uni-Solar PVL-136 ) составляют:

Размер: 5486мм х 394мм х 4мм

Солнечные элементы из аморфного кремния, достаточно расстелить на крыше, а для увеличения мощности соединить между собой параллельно.

Солнечный элемент

Принцип работы современных фотоэлементов базируется на полупроводниковом pn переходе. При поглиннанни фотона в области, прилегающей к pn перехода, создается пара носителей заряда: электрон и дырка. Одна из этих частиц является неосновным зарядом и с большой вероятностью проникает сквозь переход. В результате созданы благодаря поглощению энергии фотона заряды разделяются в пространстве и не могут рекомбинировать. Как следствие нарушается равновесие плотности зарядов. При подключены элемента к внешней нагрузки в цепи протекает ток.

Говорят о напряжении холостого хода и ток короткого замыкания. Напряжение холостого хода (V vo) – максимальное напряжение (внешняя нагрузка бесконечное), которую может генерировать элемент. А ток короткого замыкания (I sc), это максимальный ток (когда внешняя нагрузка равна нулю), который может генерировать элемент. В рабочем режиме напряжение и ток являются меньшими, и при определенных значениях (V max и I max) элемент имеет максимальную мощность (P max).

Основные необратимые потери энергии в фотоэлементах связанные с:

Солнечные элементы служат для электроснабжения в отдаленных районах Земли или на орбитальных станциях, где невозможно использовать электросеть, а также для питания калькуляторов, радиотелефонов, зарядных устройств, насосов.

В августе 2009 г. ученые Университета Нового Южного Уэльса достигли рекордной эффективности солнечных батарей – 43% (т.е. 43% солнечной энергии превращается в электрическую). Однако новый рекорд был установлен в лабораторных условиях. Так, свет перед попаданием на батареи было сфокусировано специальными линзами. Кроме того, стоимость всего оборудования далека от значений, которые позволили бы производить ее в промышленных масштабах. Рекорд для одной солнечной батареи в реальных условиях составляет примерно 25%.

Фотоэлементы изготавливают из различных полупроводниковых материалов. Процесс изготовления фотоэлемента близок к процессам изготовления других полупроводниковых приборов, например чипов.

Монокристаллические фотоэлементы наиболее сложные и дорогие поскольку для их изготовления требуется кристаллический кремний, однако имеют наибольшую эффективность (14% -20% преобразования света в электрическую энергию).

Поликристаллические или мультикристалични фотоэлементы дешевле чем монокристаллические, однако менее эффективны.

Тонкопленочные фотоэлементы используют тонкие пленки изготавливаемые из расплавленного кремния. Такие фотоэлементы наименее эффективны.

В космических аппаратах используются также многопереходных солнечные элементы или гетерофотоелементы. Такой элемент состоит из нескольких pn переходов (AlGaAs-GaAs), каждый из которых улавливает свет определенного спектра. Такие солнечные элементы достигают наивысшей эффективности – 35%. Большая сложность изготовления таких устройств делает их малораспространенными.

Для повышения эффективности преобразования света также используют концентрувальну оптику.

На данный момент ведутся исследования по созданию гибких пленочных солнечных элементов, а также полупроводниковых красок, использованию органических полупроводников.

Важным моментом работы солнечных элементов является их температурный режим. При нагревании элемента на один градус свыше 25 ° C он теряет в напряжении 0,002 В, т.е. 0,4% / градус. Это представляет проблему для фотоэлементов с концентрувальною оптикой. Поэтому они требуют дополнительного охлаждения.

Напряжение холостого хода, генерируемое одним элементом, слегка изменяется при переходе от одного элемента к другому в одной партии и от одной фирмы-производителя к другой и составляет около 0,6 В (рис.1). Эта величина не зависит от размеров элемента и его освещенности. Чтобы повысить выходное напряжение солнечные элементы соединяют последовательно. Такие соединения называют солнечной батареей. Негативным моментом такого соединения является несколько меньшая надежность, поскольку достаточно выхода из строя (или просто попадание в тень) одного элемента чтобы ток уменьшился в целом батареи. Солнечные элементы не «боятся» короткого замыкания.

Стандартными условиями для паспортизации солнечных батарей во всем мире признаются следующие:

Стоимость солнечных батарей быстро уменьшается (в 1970 г. 1 кВт * ч электроэнергии, произведенной с их помощью стоила $ 60, в 1980 г. – $ 1, сейчас – $ 0,20 – $ 0,30). Благодаря этому спрос на солнечные батареи растет на 30% в год, ежегодный объем их продаж превышает (по мощности) 50 МВт.

В Украине ведущим производителем солнечных батарей является ОАО «Квазар».

ЭЛЕКТРОСАМ.РУ

Электрика и электрооборудование, электротехника и электроника — информация!

Солнечные элементы. Виды, работа, применение

Фотогальванические полупроводниковые фотоэлементы преобразуют энергию электромагнитного излучения в электрическую. По принципу действия они являются фотодиодами, не требующими приложения внешнего напряжения, и создающими электродвижущую силу самостоятельно.

Первые такие элементы были разработаны в 1926 году, в качестве полупроводникового материала использовалась закись меди. Далее были разработаны селеновые фотоэлементы. В 1958 году в США и СССР были запущены спутники с использованием солнечных батарей.

В настоящее время используются в основном кремниевые фотоэлементы, преобразующие энергию солнечных лучей, и называются подобные ячейки обычно солнечными элементами. Полупроводниковый кремний широко распространен на земле в виде диоксида кремния (обычного песка, или кремнезема).

Путем последовательного и параллельного соединения элементов создаются солнечные батареи мощностью до нескольких киловатт.

Виды солнечных элементов

Кремниевые солнечные элементы выпускаются 4 видов:

• поликристаллические;
• монокристаллические;
• тонкопленочные;
• гибридные.

Все эти виды солнечных элементов производятся по разным технологиям.

Производство солнечных элементов

Для производства поликристаллических элементов прежде всего, путем медленного охлаждения расплава кремния, выращиваются призматические заготовки квадратного сечения, разрезаемые далее на тонкие квадратные пластинки. Поверхность ячеек темного (черного) оттенка с неоднородной структурой.

Неоднородность вызывается тем, что заготовка не представляет собой единого кристалла, а состоит из большого количества кристалликов случайной ориентации.

Выращивание поликристаллов требует меньших затрат, чем производство монокристаллов, что удешевляет поликристаллические солнечные элементы в сравнении с другими типами.

Монокристаллические солнечные элементы производятся из монокристаллов кремния высокой чистоты с не более чем 0,01% примесей, и они отличаются более высокой стоимостью и эксплуатационными характеристиками, чем поликристаллические элементы.

Монокристаллы кремния выращиваются при температуре 1300 °С в виде призмы с поперечным сечением в виде многоугольника, соответственно ячейки этого типа имеют форму квадрата со скошенными углами, либо многоугольника. Монокристалличность заготовки определяет однородный характер поверхности элементов. Самый верхний слой ячейки выполнен из антиотражающего материала, придающего элементу яркий синий цвет.

Тонкопленочные солнечные элементы называют также «гибкими панелями». Производятся подобные ячейки напылением в вакууме при температуре 300 °С полупроводникового аморфного кремния на тонкую гибкую подложку из стекла, пластика или металла. Кристаллы кремния при этом осаждаются на подложке неравномерно и направлены своими осями в разные стороны случайным образом.

Как альтернатива, взамен кремния напыляются теллурид кадмия или селенид меди-индия. Слой полупроводникового материала покрывается сверху защитной пленкой. Технологии производства подобных элементов непрерывно совершенствуются. Тонкопленочные солнечные элементы отличаются минимальной толщиной (около 1 мкм) и малыми затратами на изготовление.

При производстве гибридных солнечных элементов над кристаллическим полупроводниковым материалом располагается тонкий слой аморфного полупроводника.

Принцип действия солнечных элементов

В основе работы фотоэлементов лежит давно открытое явление фотоэффекта – испускания веществом электронов под действием света или любого другого электромагнитного изучения.

Солнечный элемент представляет собой p-n переход, это по сути два соприкасающихся полупроводника разной проводимости с разделяющим слоем между ними. В p-полупроводнике электронов недостаток, а в n-полупроводнике напротив, избыток. В сторону источника излучения направлен n-полупроводник (внешний электрод), он располагается на подложке поверх p-полупроводника (внутреннего электрода). При попадании на элемент солнечных лучей электроны n-полупроводника выбиваются с атомных орбит и переходят в лежащий ниже p-полупроводник. Образуется направленный поток электронов, который можно замкнуть на внешнюю нагрузку с протеканием в ней непрерывного электрического тока.

Такой элемент является некоторым аналогом батареи с катодом (отводом от n-полупроводника) и анодом (отводом от p-полупроводника). Отрицательным полюсом этой «батареи» является внешний электрод (сетка поверх n-полупроводника), а положительным – внутренний (подложка с нанесенным p-полупроводником).

Солнечные элементы как источники питания

Освещенный светом солнечный элемент создает на своих выводах некоторую электродвижущую силу (ЭДС), значение которой зависит от интенсивности падающего на ячейку света. С увеличением освещенности ЭДС возрастает, но лишь до определенного предела (для кремниевых элементов до 0,6 В), т.е. зависимость ЭДС от освещенности нелинейная. От размеров элементов ЭДС не зависит, но она снижается примерно на 2 мВ при нагреве элемента на 1 С.

Для получения более высокой ЭДС устройства соединяют последовательно. Отдаваемый элементом ток зависит от вида элемента и падающего светового потока, в свою очередь определяемого освещенностью и площадью ячейки. Элемент с коэффициентом полезного действия (КПД) 17% размером 156 х 156 мм выдает при коротком замыкании ток 9 А. Максимальную мощность элемент выдает при просадке напряжения под нагрузкой до 0,47-0,5 В, такой режим работы элемента наиболее оптимален. Поскольку площадь ячейки ограничивается технологией изготовления (ячейка – поперечный срез кристалла ограниченных размеров), для повышения отдаваемой мощности отдельные элементы соединяют также и параллельно.

При подключении к элементу или батарее нагрузки напряжение падает, а поскольку оно зависит и от высоты солнца, состояния неба и атмосферы (в пасмурную погоду мощность световых панелей падает в 15-20 раз), солнечные электростанции снабжаются автоматическими регуляторами и буферными аккумуляторами, сглаживающими пики потребления электроэнергии и изменения интенсивности падающего светового потока.

Особенности солнечных элементов разных видов

Солнечным элементам свойственны как общие свойства, так и отличные в зависимости от их вида и технологии изготовления.

Поликристаллические элементы

Поскольку в элементах этого типа кристаллики кремния ориентированы случайно, их эффективность снижается при прямом падении солнечного света, но, в порядке некоторой компенсации, снижается незначительно при наклонном падении света. Их характеристики незначительно зависят от угловой высоты солнца и его положения на небосводе. КПД таких элементов невысок и составляет 17-20%.

Монокристаллические элементы

КПД монокристаллических элементов выше КПД поликристаллических элементов и доходит до 25%, и даже до 44% в элементах, предназначенных для космической отрасли. Эти элементы более критичны к углу падения солнечных лучей, и их целесообразно ориентировать на Солнце с изменением положения в течение дня. Хорошо работают они и при высокой облачности, а также при отрицательных температурах.

Аморфные элементы

КПД элементов из кремния низок (около 7-10%), для элементов из современных материалов он достигает 15-20%. К достоинствам этих элементов относится возможность монтажа их на изогнутых конструкциях, они хорошо работают при рассеянном освещении. К недостатку можно отнести большие размеры – вследствие низкого КПД они требуют при равенстве мощности вдвое большей установочной площади в сравнении с кристаллическими элементами. Также со временем слой аморфного кремния постепенно деградирует, и батарея теряет эффективность, примерно на 20% мощности за первые 2 года эксплуатации.

Гибридные элементы

Поскольку кристаллический кремний и аморфный кремний наиболее эффективно работают каждый в своей области солнечного спектра, при освещении солнечным светом смешанного состава общий КПД солнечного элемента повышается.

Применение солнечных элементов

Поскольку ЭДС одного элемента составляет 0,6 В, для получения достаточного напряжения их соединяют последовательно. Батарея из соединенных последовательно 36 элементов будет обладать ЭДС 0,6 х 36 = 21,6 В, а при оптимальной нагрузке будет выдавать напряжение порядка 17-18 В. Чтобы заряжать таким напряжением аккумулятор с номинальным напряжением 12 В, необходим контроллер заряда, избавляющий аккумулятор от перезаряда, а батарею от перегрузки. Подобный контроллер позволяет путем автоматического снижения напряжения увеличивать снимаемый ток, а тем самым постоянно поддерживать элементы в режиме съема максимальной в данных условиях мощности.

Изначально предполагалось, что устройства будут применяться в основном в космической промышленности и в военных целях. Солнечные батареи – основные источники питания на космических аппаратах, особо эффективны такие устройства при полетах от Земли в сторону Солнца, где мощность батарей значительно возрастает. Очень выгодно использование солнечных элементов для питания автоматических метеостанций.

В тропических и субтропических регионах с большим количеством часов солнечного сияния в году солнечные батареи позволяют решить проблемы энергоснабжения жилых домов и дач, при этом батареи размещают на крышах. В городах батареи на солнечных элементах используются для подзарядки автомобилей, а также для уличного освещения (накопленная в светлое время суток энергия расходуется в темное). Сфера применения солнечных элементов и батарей непрерывно расширяется по мере их удешевления и совершенствования характеристик.