Что такое солнечные батареи и солнечные панели.

ЧТО ТАКОЕ СОЛНЕЧНЫЕ БАТАРЕИ? (ВКЛЮЧАЯ ТИПЫ, ЭФФЕКТИВНОСТЬ И РАЗРАБОТКИ)

Солнечные элементы, также называемые фотоэлектрическими элементами, преобразуют энергию света в электрическую с помощью фотоэлектрического эффекта. Большинство из них представляют собой кремниевые элементы, которые имеют разную эффективность преобразования и стоимость, начиная от элементов из аморфного кремния (некристаллических) до поликристаллических и монокристаллических (монокристаллических) кремний.

В отличие от батарей, солнечные системы не используют химические реакции и не требуют топлива. Кроме того, солнечные элементы не имеют движущихся частей, таких как электрические генераторы. Домашние солнечные системы преобразуют около 20% получаемого солнечного света в электричество, в то время как более дорогие коммерческие системы могут преобразовывать до 40%. Однако ожидается, что с развитием технологий солнечная эффективность этих панелей будет расти.

Самые большие группы солнечных элементов называются массивами, которые состоят из тысяч отдельных элементов и могут быть объединены в солнечные фермы для преобразования солнечного света в энергию для крупномасштабного коммерческого, промышленного и жилого использования.

Меньшие группы ячеек называются панелями солнечных батарей или, чаще, солнечными панелями. Различные типы солнечных панелей имеют множество применений: от размещения на крышах домов для замены или дополнения бытового электроснабжения или для обеспечения электроэнергией до мест, где обычные источники недоступны или дороги в установке. Из-за отсутствия движущихся частей или топлива солнечные панели также широко используются в космосе, в том числе для спутников и космических станций, хотя диффузия солнечной энергии в других частях солнечной системы означает, что эти панели не могут использоваться для отправки зондов. в межзвездное пространство.

На самом низком уровне солнечные элементы используются во многих потребительских товарах, включая игрушки, калькуляторы и радио. Эти солнечные элементы также могут использовать искусственный свет, а также солнечный свет для получения энергии.

Как работают солнечные батареи?

Все солнечные элементы имеют одинаковую базовую структуру. Свет проникает в систему через оптическое покрытие или антиотражающий слой, который сводит к минимуму потери света при отражении. Это улавливает свет и способствует его передаче нижним слоям преобразования энергии. Этот верхний антиотражающий слой обычно представляет собой оксид кремния, тантала или титана и формируется методом центрифугирования или вакуумного напыления.

Под верхним просветляющим слоем расположены три слоя преобразования энергии. Это верхний переходной слой, абсорбирующий слой и задний переходной слой. Есть также два дополнительных электрических контактных слоя для передачи электрического тока к внешней нагрузке, а затем обратно к ячейке для замыкания электрической цепи.

В верхнем электрическом контактном слое на поверхности ячейки используется сетка, состоящая из хорошего проводящего материала, такого как металл. Однако, поскольку металл блокирует свет, линии сетки тонкие и широко разнесены, чтобы пропускать свет, а также собирать электрический ток. Задний электрический контактный слой не имеет таких ограничений и обычно изготавливается исключительно из металла.

Для поддержания высокой эффективности поглотитель солнечных элементов должен быть способен поглощать электромагнитное излучение на длинах волн видимого света. Материалы, способные поглощать это видимое излучение, называются полупроводниками и могут справиться с этим при толщине всего лишь одной сотой сантиметра или меньше. Формирующий переход и контактные слои еще тоньше, а это означает, что толщина солнечного элемента в основном равна толщине поглотителя. Полупроводниковые материалы, используемые в солнечных элементах, включают селенид меди, индия, арсенид галлия, фосфид индия и кремний.

Когда свет встречает солнечный элемент, электроны в слое поглотителя переходят из «основного состояния» с более низкой энергией, где они связаны с определенными атомами в твердом теле, в «возбужденное состояние», в котором они могут свободно перемещаться через твердое тело. Слои, образующие переход, создают встроенное электрическое поле, которое производит фотоэлектрический эффект. Это электрическое поле создает коллективное движение электронов, так что они проходят мимо слоев электрического контакта во внешнюю цепь. Два слоя, образующие переход, должны отличаться от поглотителя, чтобы создавать электрическое поле для переноса электрического тока. В результате это могут быть разные полупроводники (или одни и те же с разным типом проводимости) или металл и полупроводник.

Поскольку солнечные элементы не могут производить энергию в темноте, они накапливают часть энергии, поэтому ее можно использовать, когда свет недоступен. Это может происходить путем зарядки электрохимических аккумуляторных батарей и аналогично процессу фотосинтеза у растений.

В итоге:

1. Солнечный свет сияет на поверхности клетки
2. Энергия переносится через слои клетки в виде фотонов.
3. Фотоны отдают свою энергию электронам в нижнем слое.
4. Электроны используют эту энергию, чтобы прыгнуть обратно в верхний слой и уйти в цепь.
5. Электроны, протекающие по цепи, обеспечивают питание устройства.

Типы солнечных батарей

Солнечные элементы можно разделить на три основных типа: солнечные элементы на основе кристаллического кремния, тонкопленочные солнечные элементы и более новые разработки, представляющие собой смесь двух других.

1. Кристаллические кремниевые элементы.

Около 90% солнечных элементов сделаны из пластин кристаллического кремния (c-Si), которые вырезаны из больших слитков, выращенных в лабораториях. Эти слитки вырастают в течение месяца и могут иметь форму одного или нескольких кристаллов. Монокристаллы используются для создания монокристаллических солнечных панелей и элементов (моно-Si), в то время как несколько кристаллов используются для поликристаллических панелей и элементов (мульти-Si или поли-c-Si).

В этих солнечных элементах используется слиток n-типа, который изготавливается путем нагревания кусков кремния с небольшими количествами фосфора, сурьмы или мышьяка в качестве легирующей примеси. Слиток n-типа соединен со слоем кремния p-типа, в котором бор используется в качестве легирующей примеси. Слитки n-типа и p-типа сплавлены, чтобы создать соединение в процессе, который был впервые изобретен в 1954 году.

Монокристаллические ячейки имеют характерный внешний вид и часто окрашены, а также имеют тенденцию иметь цилиндрическую форму. Эти ячейки имеют форму, что может быть расточительным, но обеспечивает высочайший уровень эффективности. Поликристаллические элементы не нужно разрезать для придания формы, поскольку силикон плавится и разливается в квадратные формы. Поликристаллические солнечные панели рассматриваются как вариант среднего уровня как с точки зрения цены, так и с точки зрения эффективности.

2. Тонкопленочные солнечные элементы

Кристаллические кремниевые элементы изготавливаются из пластин глубиной всего лишь доли миллиметра (около 200 микрометров, 200 мкм), однако тонкопленочные солнечные элементы, также называемые тонкопленочными фотоэлектрическими элементами, примерно в 100 раз тоньше. Эти тонкопленочные солнечные панели и элементы сделаны из аморфного кремния (a-Si), в котором атомы расположены беспорядочно, а не в упорядоченной кристаллической структуре. Эти пленки также могут быть изготовлены из теллурида кадмия (Cd-Te), диселенида меди, индия, галлия (CIGS) или органических фотоэлектрических материалов.

Эти элементы производятся путем наслоения фотоэлектрических элементов для создания модуля и являются самым дешевым вариантом для производства солнечных панелей. Ячейки можно наклеивать на окна, световые люки, кровельную черепицу и другие основания, включая стекло, металлы и полимеры. Однако, несмотря на такую ​​гибкость, они не так эффективны, как обычные кристаллические кремниевые элементы. Если кристаллические кремниевые элементы могут обеспечить эффективность 20%, то эти тонкопленочные элементы достигают эффективности только около 7%. Даже самые лучшие ячейки CIGS едва достигают эффективности 12%.

4. Солнечные элементы третьего поколения

Новейшие технологии солнечных элементов сочетают в себе лучшие характеристики кристаллического кремния и тонкопленочных солнечных элементов, обеспечивая высокую эффективность и повышенную практичность использования. Они, как правило, изготавливаются из аморфного кремния, органических полимеров или кристаллов перовскита и имеют несколько переходов, состоящих из слоев различных полупроводниковых материалов.

Эти элементы могут быть дешевле, эффективнее и практичнее, чем другие типы элементов, и, как было показано, могут достигать эффективности около 30% (с тандемным солнечным элементом из перовскита и кремния).

Насколько эффективны солнечные батареи?

Солнечные элементы могут производить электричество только на основе получаемого и обрабатываемого света. Большинство ячеек преобразуют всего 10-20% получаемой энергии в электричество, причем самые эффективные ячейки лабораторные ячейки достигают эффективности около 45% при идеальных условиях. Причина этого в том, что солнечные элементы оптимизированы для захвата фотонов только из определенного диапазона частот, а фотоны вне этого диапазона тратятся впустую. Кроме того, из тех, которые находятся в частотном диапазоне, некоторым фотонам не хватает энергии, необходимой для создания электронов, в то время как у других ее слишком много, поэтому избыток тратится впустую.

Большинство реальных солнечных панелей достигают эффективности только 10-20%, поскольку реальные факторы, такие как конструкция панели, расположение, выравнивание, тени, тепло и отсутствие чистоты, могут снизить оптимальную эффективность. 

Эта общая эффективность солнечного элемента определяется сочетанием эффективности разделения носителей заряда, эффективности проводимости, эффективности отражения и термодинамической эффективности.

Как делаются солнечные батареи?

Есть семь этапов изготовления солнечных элементов, а именно:

Этап первый: очистка кремния

Диоксид кремния помещают в электродуговую печь и применяют угольную дугу для высвобождения кислорода. При этом остается углекислый газ и расплавленный кремний, в результате чего получается кремний с примесью всего 1%, но даже этого недостаточно для использования в солнечных элементах. Стержни из кремния с чистотой 99% пропускаются несколько раз в одном и том же направлении через нагретую зону в процессе, называемом техникой плавающей зоны. При повторении этого процесса все загрязнения притягиваются к одному концу стержня, что в конечном итоге позволяет просто удалить этот нечистый конец.

Этап второй: создание монокристаллического кремния

Наиболее распространенный метод создания монокристаллического кремния называется методом Чохральского, при котором затравочный кристалл кремния погружается в расплавленный поликристаллический кремний. Вращая этот затравочный кристалл, когда он удаляется из расплавленного поликристалла, создается цилиндрический слиток или були.

Этап третий: разрезание кремниевых пластин

Були со второй стадии разрезают на кремниевые пластины с помощью циркулярной пилы. Алмаз — лучший материал для пилы для этой работы, производящий кусочки кремния, которые затем можно разрезать, чтобы сформировать квадраты или шестиугольники, которые легче разместить на поверхности солнечного элемента. Затем нарезанные пластины обычно полируются для удаления следов пил, хотя некоторые производители оставляют эти недостатки, поскольку считается, что более грубые элементы могут эффективно поглощать свет.

Четвертый этап: допинг

После очистки кремния на более ранней стадии в материал теперь могут быть снова добавлены примеси. Этот процесс называется легированием и обычно включает использование ускорителя частиц для попадания ионов фосфора в слиток. Контроль скорости ионов позволяет контролировать глубину проникновения. Эту часть процесса можно пропустить, используя более традиционный метод введения бора во время резки пластин.

Этап пятый: добавление электрических контактов

Электрические контакты соединяют солнечные элементы друг с другом и действуют как приемник вырабатываемого тока. Эти контакты тонкие, чтобы не блокировать попадание солнечного света в элемент, и сделаны из таких металлов, как палладий или медь. Металл либо испаряется в вакууме через фоторезист, либо осаждается на открытой части ячеек, частично покрытой воском. После установки контактов между ячейками помещаются тонкие полоски, обычно из луженой меди.

Этап пятый: добавление электрических контактов

Электрические контакты соединяют солнечные элементы друг с другом и действуют как приемник вырабатываемого тока. Эти контакты тонкие, чтобы не блокировать попадание солнечного света в элемент, и сделаны из таких металлов, как палладий или медь. Металл либо испаряется в вакууме через фоторезист, либо осаждается на открытой части ячеек, частично покрытой воском. После установки контактов между ячейками помещаются тонкие полоски, обычно из луженой меди.

Этап шестой: нанесение антибликового покрытия.

Блестящий характер кремния означает, что он может отражать до 35% падающего на него солнечного света. К силикону добавлено антибликовое покрытие, чтобы уменьшить количество солнечного света, теряемого при отражении. Для этого обычно используются диоксид титана и оксид кремния, при этом материал нагревается до тех пор, пока молекулы не выкипят и не попадут на кремний, где они конденсируются. В качестве альтернативы можно использовать высокое напряжение для удаления молекул из материала и нанесения их на кремний на противоположном электроде в процессе, называемом «распыление».

Этап седьмой: инкапсуляция клетки

Наконец, солнечные элементы инкапсулируются в силиконовый каучук или этиленвинилацетат и помещаются в алюминиевый каркас с задним листом и стеклянной или пластиковой крышкой для защиты.

Сколько энергии могут вырабатывать солнечные элементы?

Количество потенциальной энергии, которая ежедневно достигает Земли от Солнца, достаточно легко для удовлетворения всех наших потребностей в производстве электроэнергии. Однако, как упоминалось выше, большинство солнечных элементов способны улавливать только около 15% попадающего на них света. Конечно, чем больше солнечная панель или массив, тем больше энергии они могут улавливать.

Поскольку монокристаллические, поликристаллические и тонкопленочные солнечные элементы имеют разную эффективность, мы рассмотрим наиболее распространенный тип солнечных элементов из кристаллического кремния.

Один солнечный элемент (размером с компакт-диск) может генерировать 3-4,5 Вт. Поместив 40 таких ячеек вместе в модуль типичного размера, вы можете генерировать 100-300 Вт. Объединение нескольких из этих модулей вместе для формирования нескольких солнечных панелей позволяет генерировать несколько киловатт энергии, чего должно быть достаточно для удовлетворения пиковых потребностей в энергии большинства домов. Солнечные фермы все еще могут производить больше энергии, по оценкам, для выработки 4,2 мегаватт энергии потребуется 22 000 панелей на 30 акрах; достаточно, чтобы привести в действие 1200 домов.

Для сравнения, потребуется 500-1000 солнечных крышных установок, чтобы соответствовать мощности, вырабатываемой большой ветряной турбиной (2-3 мегаватта), в то время как потребуется около миллиона солнечных крышных установок, чтобы достичь выработки большого угля или угля. АЭС (которые оцениваются в гигаваттах).

Это вызывает вопросы о способности солнечной энергии удовлетворять наши потребности в энергии в будущем …

Будущие и последние разработки

Солнечная энергия уже приносит много пользы пользователям, а также помогает смягчить негативное воздействие на окружающую среду производства электроэнергии на ископаемом топливе. Наряду с уменьшением загрязнения воздуха и выбросов углекислого газа, которые возникают при переходе на солнечную энергию, есть также преимущества на более локальном уровне, так как производство электроэнергии становится точкой использования.

В самом маленьком масштабе это позволило нам питать часы и калькуляторы без батарей, в то время как дорожные и железнодорожные знаки технического обслуживания также могут работать от солнечной энергии, поэтому их можно использовать даже в самых отдаленных местах. Солнечная энергия также используется в некоторых странах для питания водяных насосов, телефонных будок и даже холодильных установок в больницах и поликлиниках.

В настоящее время ведутся разработки по созданию самоочищающихся покрытий для солнечных панелей с целью повышения их эффективности, а также проекты по сокращению отходов материала во время производства.

В будущем по мере сокращения ресурсов ископаемого топлива будет возрастать потребность в использовании возобновляемых источников энергии, включая солнечную. Сторонники «солнечной экономики» считают, что большую часть наших глобальных потребностей в энергии можно удовлетворить с помощью солнечных панелей, работающих с КПД 20% и покрывающих всего 191 817 квадратных КМ поверхности Земли. Это возможно, по крайней мере теоретически, учитывая, что кремний является вторым по распространенности элементом в земной коре.

Хотя заманчиво видеть, как дешевый, чистый и возобновляемый ресурс солнечного света используется для энергии человечества, успехи в других возобновляемых источниках, таких как энергия ветра, делают это маловероятным. Вместо этого более вероятно, что солнечная энергия будет лишь частью общего баланса возобновляемых источников энергии, состоящего из различных источников.

Однако солнечная энергия по-прежнему найдет применение на местном уровне в меньшем масштабе, особенно в развивающихся странах с подходящим климатом. Солнечная энергия также идеальна для домашнего и небольшого коммерческого использования, что заставляет некоторых предвидеть время, когда каждый сможет выйти из сети и создать свои собственные источники энергии. Хотя это заманчивое представление, другие считают, что сеть необходимо поддерживать, чтобы мы могли гарантировать, что каждый получит необходимую мощность независимо от обстоятельств. 

Заключение

Солнечные батареи широко используются в качестве возобновляемого источника энергии в масштабах от самых маленьких портативных устройств до питания целых сообществ. Поскольку движение к достижению чистых нулевых выбросов углерода продолжается, солнечная энергия, похоже, станет частью общей структуры возобновляемых источников энергии. Вместе с этим появятся инвестиции и технологические достижения, а также снизятся затраты на солнечные энергетические системы.