Из чего делают солнечные батареи: особенности строения различных поколений панелей
До недавних пор на вопрос «из чего делают солнечные батареи» существовал всего один ответ – из кремниевых ячеек в жесткой раме с толстым защитным стеклом. Сегодня ситуация кардинально изменилась, хотя панели на основе кремния по-прежнему занимают большую часть мирового рынка. При изготовлении фотовольтаики дома, из подручных материалов, такие ячейки также применяются чаще других. Однако перспективные разработки последних лет создаются на совершенно иных технологиях и значительно отличаются от старых моделей конструктивно.
Краткая история модифицирования: три поколения солнечных батарей
Специалисты разделяют все фотоэлектрические устройства, способные поглощать световые фотоны и преобразовывать их в электрический ток, на три поколения.
- Из чего состоят солнечные батареи первого поколения
Конструктивно такие модули состоят из следующих элементов:
- металлического листа-основы – базового контакта;
- нижнего присадочного слоя кремниевого полупроводника с преобладанием электронов n-типа – за счет добавления фосфора;
- верхнего кристаллического слоя, насыщенного электронами р-типа – обычно, путем легирования бором;
- антиотражающего покрытия – для максимизации поглощения излучения;
- тонкого металлизированного контакта сеточного типа с проводом для замыкания сети;
- толстого защитного стекла – как правило, сверхпрочного закаленного;
- обрамляющей рамы.
Толщина монокристаллических Mono-Si или поликристаллических Poli-Si кремниевых пластин в ячейках составляет около 200-300 мкм. Срок службы оценивается в 20-25 лет, с падением производительности в среднем на 0,5% ежегодно. КПД при идеальных условиях освещения достигает 22-24% и резко снижается при высоких температурах либо частичном падении освещенности.
2. Из чего сделаны солнечные батареи второго поколения
Следующее поколение батарей использует тот же физический принцип p/n перехода, однако создано на базе комбинаций редкоземельных элементов (реже – аморфного кремния). Вспомогательные конструкционные элементы панелей в большинстве случаев те же – металлическая основа, антиотражающая пленка и защитное стекло. Однако все чаще появляются и безрамные конструкции, а также тонкопленочные варианты, способные сворачиваться в рулоны и изгибаться под любыми углами.
Наиболее частыми полупроводниками для ячеек таких батарей служат:
- аморфный кремний a-Si;
- теллурид кадмия (CdTe);
- селенид индия/галлия/меди (CIGS).
Иногда на предложение привести примеры, из чего делают солнечные батареи тонкопленочного типа, профильные специалисты приводят и другие, более экзотические варианты. Однако их совокупная доля не превышает 0,1% и используется преимущественно в лабораторных исследованиях.
Название «тонкопленочные» происходит от значительно меньшей толщины рабочих слоев – от 1 до 3 мкм, что почти в 100 раз меньше, чем у кремниевой «классики». КПД при идеальных условиях тонких пленок составляет 16-20%. Однако при рассеянном свете и/или больших углах падения излучения панели CdTe / CIGS могут быть более эффективны.
3. Из чего состоит солнечная батарея третьего поколения
Принцип действия панелей 3-го поколения по-прежнему фотоэлектрический, но конструкция принципиально иная. Полупроводниковые материалы в них, за исключением квантовых точек, не используются вовсе, уступая место органике и полимерам.
Такие батареи часто не имеют ни рамы, ни защитного стекла, печатаются на 3D-принтерах либо изготавливаются методом травления, подобно компьютерным платам.
Главное их достоинство – фантастическая дешевизна производства, широчайшие возможности геометрии и прозрачность. Третье поколение – это панели ближайшего будущего, которые будут повсеместно встраиваться в дома, окна, одежду и даже мельчайшие бытовые предметы.
Основной недостаток на сегодня – низкий КПД, составляющий от 0,1 до 7%.
Полупроводниковые материалы – из чего делают солнечные батареи сегодня
Основными полупроводниковыми материалами, которые используются для производства 99% фотоэлектрических ячеек на современном мировом рынке, являются:
- Монокристаллический кремний - Выращивается в виде крупных кристаллов по методу профессора Чохральского. Далее кремниевые цилиндрические «чушки» режутся на очень тонкие диски толщиной 0,2-0,4 мм и подвергаются специализированной химической обработке. Практически готовые ячейки обтачиваются, шлифуются, покрываются защитным покрытием и металлизируются. При желании сделать солнечную батарею своими руками такие фотоэлектрические элементы покупаются в магазине, а остальные детали моноблока изготавливаются самостоятельно из подручных материалов.
- Поликристаллический кремний - Производится в металлургических тиглях более дешевым методом направленной кристаллизации (block-cast). После расплава кремниевого сырья его медленно остужают, что приводит к образованию «игольчатых» разнонаправленных кристаллов. В эксплуатации такая поверхность чуть хуже монокристалла при идеальной освещенности, но более эффективна в остальных случаях. По этой причине, устанавливая комплект батарей на крышах, на южные скаты часто монтируют Mono-Si, а на юго-западные и юго-восточные – Poli-Si.
- Аморфный кремний – из чего делают солнечные батареи этого типа Основой батарей данного типа служит гидрогенезированный кремний с большим коэффициентом лучевого поглощения. Современные модели комбинируют из нескольких слоев, обогащенных германием и углеродом. Это позволяет устранить главный недостаток панелей a-Si – быструю деградацию ячеек.
Такая модификация носит название уже не аморфного, а микроморфного кремния и показывает КПД до 12%. Низкая эффективность компенсируется дешевизной производства, поскольку на такие ячейки элементов требуется в 200 раз меньше полупроводника чем для Mono-Si или Poli-Si.
4. Из чего сделаны тонкопленочные солнечные батареи CdTe
Теллурид кадмия считается лучшим однопереходным полупроводниковым материалом по совокупности трех показателей – поглощающая способность, надежность, стоимость. CdTe значительно производительнее кремния и намного дешевле более эффективных пленок на базе дорогостоящих германия и индия.
Подложка пленки может быть не металлической, а стеклянной, а сами ячейки – полужесткими или гибкими. CdTe отличается стабильностью, долговечностью, малой чувствительностью к изменению освещения и быстро растущим КПД новых поколений модулей.
5. Особенность строения солнечных панелей типа CIGS
Основой батарей на сульфидах редкоземельных элементов является композитное смешение галлия, индия и меди. Такие панели являются «чемпионами» по КПД и стойкости, но стоят очень дорого.
Коммерческое применение пока ограничено только космосом и авиационной отраслью, поскольку добыча индия и галлия на планете ограничена всего несколькими сотнями тонн в год. Даже если бы все они пошли на изготовление батарей, общая мощность панелей едва достигла бы 10 ГВт.
6. Из чего состоят солнечные батареи типов GaAs и InP
Базовыми редкоземельными элементами этой группы панелей служат арсенид галлия GaAs и фосфид индия InP. Отличительная черта обоих вариантов ячеек – практически полное сохранение КПД при температурах в несколько сотен градусов Цельсия.
Применение их на земле финансово нецелесообразно, но практически все солнечные панели космических спутников, зондов, МКС и телескопов сделаны именно на их основе. Теоретический КПД этой группы, при условии использовании в конструкции дополнительных концентраторов, может достигать 85%. Практические рекорды сегодня колеблются в зоне 35-45%.7. Из чего делают органические солнечные батареи
Несмотря на низкий КПД (лабораторный рекорд на сегодня – 10,8%, коммерческие прототипы – до 7%) панели на органической основе 3-го поколения сегодня активно исследуются. Для полимеров органического происхождения характерны следующие важные черты:
- простота и дешевизна создания;
- отсутствие проблем с утилизацией;
- неограниченность сфер применения;
- возможность изготовления в прозрачном виде.
Подобные панели практически невесомы, а при использовании технологии «tandem solar batteries» (тандемное соединение) их можно встраивать в окна и регулировать прозрачность.
8. Из чего состоят солнечные батареи на красителях
Конструктивно в них присутствует тонкая стеклянная подложка и напыляемая токопроводящая «краска». Ее основой является нанокристаллические «катод» и «анод», а также неагрессивный электролит – например, диоксид титана. Удобство использования состоит в возможности получения любых цветовых оттенков и нанесения на любые поверхности сверхтонким слоем.
9. Особенности солнечных батарей с квантовыми точками
Последний перспективный вид батарей ближайшего будущего построен на свойствах физических квантовых точек – микроскопических включений полупроводников в тот или иной материал. Геометрически такие «точки» имеют размер в несколько нанометров и распределяются в материале так, чтобы охватить поглощение излучения всего солнечного спектра – ИК, видимого света и УФ.
Огромным преимуществом подобных панелей является возможность работать даже ночью, генерируя около 40% максимальной дневной мощности.
Физико-технические характеристики, сертификация и маркировка
Независимо от того, из чего сделаны солнечные батареи, каждая из них обладает рядом следующих важных характеристик:
- механические – геометрические параметры, общая масса, тип рамы, защитного стекла, количество ячеек, вид и ширина коннекторов;
- электрические или вольтамперные – мощность, напряжение холостого хода, сила тока при максимальной нагрузке, эффективность панели в целом и отдельных ячеек в частности;
- температурные – изменение КПД при повышении температуры на определенную единицу величины (обычно – 1 градус);
- качественные – срок службы, скорость деградации ячеек, присутствие в рейтинговых списках Bloomberg;
- функциональные – необходимость и удобство ухода, простота монтажа/демонтажа.
Промышленные солнечные панели, из каких бы материалов они не были сделаны, обязательно должны быть сертифицированы. Минимальными требованиями являются сертификаты качества ISO, СE, TUV (международные) и/или Таможенного союза (при продаже в его пределах).
Обязательной является и международные правила маркировки. Например, аббревиатура CHN-350M-72 содержит следующие сведения:
- CHN – идентификатор компании-изготовителя (в данном случае – китайской СhinaLand);
- 350 – мощность панели в ваттах;
- M – обозначение монокристаллического кремния;
- 72 – число фотоэлектрических ячеек в модуле.
Из чего можно сделать солнечные батареи своими руками дома
Для этого необходимо следующее:
- Предварительно начерченная схема и проведенные расчеты.
- Определенное количество солнечных ячеек заводского изготовления – купить их дешевле всего в сети, например, на сайте Aliexpress или в других сетевых магазинах. Обращайте внимание на то, чтобы все элементы имели одинаковые электрические характеристики.
- Самодельный каркас из бруса и фанеры – правила его сборки можно посмотреть на многочисленных видео в сети.
- Оргстекло или плексиглас для поверхностного защитного покрытия.
- Краска и термостойкий клей для обработки деревянных поверхностей.
- Контактные полосы и провода для соединения ячеек. Схемы различные способов соединения также можно изучить в интернете.
- Паяльник и припой. Паяльные работы следует проводить очень внимательно, чтобы не испортить будущее изделие.
- Силиконовый клей и саморезы для закрепления сборной батареи в каркасе.
Небольшая батарея потребует около 30-50 долларов вложений, в то время как заводской вариант аналогичной мощности обойдется всего на 10-20% дороже. Разумеется, подобная самодельная конструкция не прослужит 25 лет, не сможет похвастаться значительным КПД и не будет обладать мощностью полноценной солнечной электростанцией для частного дома. Однако стоимость ее будет минимальной настолько, насколько это возможно.
Похожие статьи
Нужен совет?
Если вам сложно определиться с выбором, напишите нам через форму обратной связи
Помочь найти?
Если вы не нашли то, что искали, воспользуйтесь поиском по магазину