1.7 Материалы солнечных элементов

Кремний, из которого изготовляются большая часть солнечных элементов, называют «нефтью 21-го столетия». Расчеты показывают, что солнечный элемент с КПД 15 %, на которые пошел 1 кг кремния, за 30 лет службы могут произвести 300 МВтч электроэнергии[8].

Равное количество электроэнергии можно получить, израсходовав 75 т нефти (с учетом КПД теплоэлектростанций 33 % и теплотворной способности нефти 43,7 МДж/кг). Таким образом, 1 кг кремния оказывается эквивалентен 75 т нефти.

Другие материалы пока используются мало

Монокристаллический кремний

В реально действующих структурах с гетеропереходами КПД достигает на сегодняшний день более 30%.

Но монокристаллический кремний все же лучше по совокупности параметров. Среднее значение КПД в солнечных батареях на монокристаллическом кремнии сегодня около 12%, хотя достигает и 18%. Кремний является значительно более доступным и освоенным в производстве материалом, чем арсенид галлия. Кремний широко распространён в природе, и запасы исходного сырья для создания ФЭП на его основе практически неограниченны. Технология изготовления монокристаллических кремниевых ФЭП хорошо отработана и непрерывно совершенствуется. Существует реальная перспектива снижения стоимости кремниевых ФЭП на один - два порядка при внедрении новых автоматизированных методов производства, позволяющих в частности, получать кремниевые ленты, солнечные элементы большой площади и т.п.

Производство структур на основе монокристаллического кремния - процесс технологически сложный и дорогостоящий. Поэтому внимание было обращено на такие материалы, как сплавы на основе аморфного кремния (a-Si:H), арсенид галлия и поликристаллические полупроводники.

Поликристаллический кремний.

При производстве солнечных элементов на основе поликристаллического кремния операция вытягивания (получения монокристалла) опускается, оно менее энергоемкое и значительно дешевле. Однако внутри кристалла поликристаллического кремния имеются области, отделенные границами зерен, вызывающие ухудшение эффективности элементов.

Кроме того, благодаря существующим технологиям получения тонких пленок аморфного кремния большой площади не требуется операции резки, шлифовки и полировки, необходимых для СЭ на основе монокристаллического кремния. По сравнению с поликристаллическими кремниевыми элементами изделия на основе a-Si:Н производят при более низких температурах (300°С): можно использовать дешевые стеклянные подложки, что сократит расход кремния в 20 раз.

Пока максимальный КПД промышленных элементов на основе а-Si:Н - 12% - несколько ниже КПД промышленных кристаллических кремниевых СЭ (~18%). Однако не исключено, что с развитием технологии КПД элементов на основе а-Si:Н достигнет теоретического потолка - 16 %.

Арсенид галлия - один из наиболее перспективных материалов для создания высокоэффективных солнечных батарей. Это объясняется следующими его особенностями:

почти идеальная для однопереходных солнечных элементов ширина запрещенной зоны 1,43 эВ;

повышенная способность к поглощению солнечного излучения: требуется слой толщиной всего в несколько микрон;

высокая радиационная стойкость, что совместно с высокой эффективностью делает этот материал чрезвычайно привлекательным для использования в космических аппаратах;

относительная нечувствительность к нагреву батарей на основе GaAs;

характеристики сплавов GaAs с алюминием, мышьяком, фосфором или индием дополняют характеристики GaAs, что расширяет возможности при проектировании солнечных элементов.

Главное достоинство арсенида галлия и сплавов на его основе -широкий диапазон возможностей для дизайна СЭ. Фотоэлемент на основе GaAs может состоять из нескольких слоев различного состава. Это позволяет разработчику с большой точностью управлять генерацией носителей заряда, что в кремниевых солнечных элементах ограничено допустимым уровнем легирования. Типичный солнечный элемент на основе GaAs состоит из очень тонкого слоя AlGaAs в качестве окна.

Основной недостаток арсенида галлия - высокая стоимость. Для удешевления производства предлагается формировать СЭ на более дешевых подложках; выращивать слои GaAs на удаляемых подложках или подложках многократного использования.

Поликристаллические пленочные элементы

Поликристаллические тонкие пленки также весьма перспективны для солнечной энергетики. Чрезвычайно высока способность к поглощению солнечного излучения у диселенида меди и индия (CuInSe2) - 99 % света поглощается в первом микроне этого материала (ширина запрещенной зоны - 1,0 эВ). Наиболее распространенным материалом для изготовления окна солнечной батареи на основе CuInSe2 является CdS. Иногда для улучшения прозрачности окна в сульфид кадмия добавляют цинк. Немного галлия в слое CuInSe2 увеличивает ширину запрещенной зоны, что приводит к росту напряжения холостого хода и, следовательно, повышению эффективности устройства.

Теллурид кадмия (CdTe) - еще один перспективный материал для фотовольтаики. У него почти идеальная ширина запрещенной зоны (1,44 эВ) и очень высокая способность к поглощению излучения. Пленки CdTe достаточно дешевы в изготовлении. Кроме того, технологически несложно получать разнообразные сплавы CdTe c Zn, Hg и другими элементами для создания слоев с заданными свойствами.

Подобно CuInSe2, наилучшие элементы на основе CdTe включают гетеропереход с CdS в качестве оконного слоя. Оксид олова используется как прозрачный контакт и просветляющее покрытие. Серьезная проблема на пути применения CdTe - высокое сопротивление слоя p-CdTe, что приводит к большим внутренним потерям. Но она решена в p-i-n-структуре с гетеропереходом CdTe/ZnTe. Пленки CdTe обладают высокой подвижностью носителей заряда, а солнечные элементы на их основе - высокими значениями КПД, от 10 до 16%.

Органические материалы

Среди солнечных элементов особое место занимают батареи, использующие органические материалы.

Органические полупроводники - пока еще малораспространенный, но очень перспективный материал для фотоэнегетики. Основная трудность при разработке фотоэлементов - очень малая подвижность носителей в этих материалах. Это приводит к возрастанию внутреннего сопротивления , увеличению рекомбинации и падению К.П.Д.

Синтерированные материалы - материалы на основе наноструктурных комплексов органических и неорганических материалов, обычно органических красителей и оксидных полупроводников. Разные функции здесь разделены между разными материалами - органический краситель поглощает свет, а переносит заряды оксидный полупроводник. Коэффициент полезного действия солнечных элементов на основе диоксида титана, покрытого органическим красителем, потенциально весьма высок - ~11 %. Основа солнечных элементов данного типа -TiO2, покрытый монослоем органического красителя. Принцип работы элемента основан на фотовозбуждении красителя и быстрой инжекции электрона в зону проводимости TiO2.

Нагрузки переменного тока

Входное напряжение

Нагрузки, питающиеся от сети переменного тока как правило рассчитаны на переменное напряжение 220В частотой 50Гц. К таким видам нагрузки относятся подавляющее большинство бытовых устройств. Исключение - устройства, питающиеся от гальванических элементов.

Реже используется переменное напряжения 110 или 220В частотой 60Гц (американский стандарт). Обычно бытовые приборы, рассчитанные на 220В, 60Гц хорошо работают и при 50Гц. Многие виды нагрузки с импульсными блоками питания (телевизоры, зарядные устройства) нормально работают при любом напряжении от 90 до 230В 50 или 60Гц, однако это необходимо проверить по паспорту прибора.

Нагрузки постоянного тока меньше распространены, и обычно рассчитаны на питание от автомобильной сети 12ч14В или ниже.

Ток потребления

Номинальный ток потребления определяется номинальной мощностью прибора и напряжением питания: Iном=Pном / Uпит

Однако довольно часто нагрузка может быть резко нелинейной или иметь очень большие пусковые токи.

Лампы накаливания

Сопротивление холодной нити лампы накаливания почти в 10 раз меньше, чем горячей. Поэтому пусковой ток 100Вт лампы накаливания достигает 4,5А. Такой большой ток может привести к обрыву нити накала (лампа перегорает в момент включения), но более опасна ситуация, когда в момент обрыва нити возникает дуговой разряд в лампе, лампа может взорваться, а аварийный ток при этом равен току короткого замыкания. Большие пусковые токи могут повредить инвертор. Из-за малой экономичности и больших пусковых токов лампы накаливания недопустимо применять в солнечных системах.

Приборы с импульсивными источниками питания (телевизоры, компьютеры и так далее).

Отличаются тем, что при включении в сеть происходит заряд емкостного фильтра - конденсатора емкостью 50ч470мФ. Для ограничения пускового тока обычно используется терморезистор, встроенный в источник питания. Сопротивление такого терморезистора в холодном состоянии - около 10 Ом и, следовательно, стартовый ток примерно 22А. Однако при работе прибора сопротивление терморезистора из-за нагрева резко падает( примерно до 0,5 - 1 Ом). Если электропитание будет «моргать», то это приведет к большим импульсным перегрузкам инвертора, и возможно, к повреждению импульсного источника питания.

Конструкции некоторых импульсных блоков питания выполнены так, что допустимый диапазон напряжений первичной сети от 90В до 230В при любой частоте от 50 до 60 Гц. Такие электроприборы работают в сетях 110 и 220В без переключения. Существует также потенциальная возможность использовать и постоянное напряжение (например, от аккумуляторной батареи) в диапазоне от 90 до 230В, однако конструкцией большинства блоков питания это не предусмотрено.

Важной особенностью всех импульсных блоков питания является повышенный уровень помех, генерируемых внутри схемы и неразрывно связанных с принципом их действия. Для ослабления помех должны использоваться специальные фильтры, встроенные в блоки питания. Однако в большинстве БП китайского производства таких фильтров нет. Это может привести к взаимным помехам, например, помеха может быть видна на экране телевизора в виде регулярных или случайных полосок или других нарушений изображения.

Аналогичные явления могут происходить и при использовании инверторов упрощенной конфигурации с прямоугольным выходным напряжением. Решение подобных проблем - в установке специальных фильтров в цепи питания.

Приборы с асинхронными двигателями (водяные насосы, холодильники, вентиляторы)

Асинхронные двигатели как нагрузка весьма чувствительны по всем параметрам сети - напряжению, частоте, форме.

Если асинхронный двигатель запускается при номинальной механической нагрузке (например в холодильнике), то пусковой ток в течении 1-2 секунд будет в 8-10 раз превышать номинальный. Это приводит к большим перегрузкам инвертора и заставляет использовать инверторы повышенной мощности. Частота вращения двигателя пропорциональна вращению сети, а форма напряжения сети влияет на нагрев двигателя. Использование инвертора с прямоугольным выходным напряжением приводит к перегреву асинхронного двигателя, и поэтому весьма нежелательно. Если напряжение в сети понижено на 20% двигатель холодильника может вообще не запуститься, что также вызывает перегрев.

Запуск асинхронного двигателя с «вентиляторной» механической нагрузкой обычно не приводит к перегрузкам инвертора.

Запуск водяного насоса - промежуточный случай, однако и здесь как правило возникают 5-7 кратные перегрузки по току в течении нескольких секунд.

Нагрузки со значительной индуктивностью или сильно нелинейные.

Присутствие в нагрузке значительной индуктивности или сильной зависимости тока потребления от напряжения (нелинейности) приводит к необходимости строго соблюдать параметры частоты, номинального напряжения и формы выходного напряжения инвертора. Использование простых инверторов с прямоугольной формой выходного напряжения весьма нежелательно, хотя иногда и возможно. Основной вид нагрузки такого вида - люминесцентные лампы на 110 или 220В с дросселем на частоту 50Гц и стартером. Кроме изменения яркости свечения, изменение напряжения или частоты может привести к сокращению срока службы ламп, иногда до 2раз.

Солнечные панели (модули)

Солнечные панели (модули) являются основным компонентом для построения фотоэлектрических систем. Собираются они из отдельных солнечных элементов, соединенных последовательно или параллельно-последовательно.

Промышленностью производятся в основном модули 3 типов:

· Кремниевые монокристалличкские модули

· Кремниевые поликристалличкские модули.

· Модули на аморфном кремнии.

Монокристаллические элементы имеют наивысшую эффективность преобразования энергии. Основной материал - крайне чистый кремний, из которого изготовлены монокристаллические солнечные панели, хорошо освоен в области производства полупроводников

КПД солнечной панели на основе монокристаллического кремния составляет 14-17%.

Внутри кристалла поликристаллического кремния имеются области, отделенные границами зерен, вызывающие ухудшение эффективности элементов.

КПД солнечной панели на основе поликристаллического кремния составляет 10-12%.

Аморфный кремний получается при помощи плазмохимического осаждения или другими способами.

Эта технология имеет ряд недостатков и преимуществ:

· процесс производства солнечных панелей на основе аморфного кремния относительно простой и недорогой;

· возможно производство элементов большой площади;

· низкое энергопотребление.

Однако:

· эффективность преобразования значительно ниже, чем в кристаллических элементах;

· элементы подвержены процессу деградации.

Основные типы фотоэлектрических модулей, производимых в мире:

Стандартные монокристаллические модули. Такие модули дороже, поэтому менее распространены, по сравнению с поликристаллическими модулями. В настоящее время производится модули из псевдоквадратных элементов. Монокристаллические фотоэлектрические модули имеют важное преимущество - практически не ограниченный срок службы (первые фотоэлектрические станции на монокристаллических модулях работают более 20 лет без существенного изменения параметров).

Поликристаллические кремниевые модули. Это наиболее распространенная технология в мире. Такие модули отличаются на вид от остальных вследствие случайной структуры кристаллов элементов. Поликристаллические ФЭП имеют более низкий КПД, чем монокристаллический, а также менее стабильны во времени. Однако стоят дешевле и вследствие лучшего заполнения площади модуля, его КПД ненамного меньше, чем у модулей из монокристаллического кремния.