Солнечная фотоэлектрика: основные технологии

Основы фотоэлектрического явления
Солнечные фотоэлектрические системы (solar photovoltaic systems) преобразуют солнечный свет в электричество (напряжение) на основе фотоэлектрического эффекта. Фотоэлектрический эффект – это явление взаимодействия солнечного света или любого другого электромагнитного излучения с веществом, при котором энергия фотонов передаётся электронам вещества. В конденсированных твёрдых и жидких веществах выделяют два типа фотоэффекта:
– внешний при котором поглощение фотонов сопровождается вылетом электронов за пределы тела;
– внутренний при котором электроны, оставаясь в теле, изменяют в нём своё энергетическое состояние.

В солнечной энергетике реализуется внешний фотоэффект (фотоэлектронная эмиссия), то есть происходит испускание электронов из полупроводникового вещества под действием солнечного излучения. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называется фототоком. Фототок возникает немедленно при освещении поверхности полупроводникового вещества.

Впервые явление фотоэффекта было замечено Г. Герцем в 1887 г. В 1888—1890 годах фотоэффект систематически изучал русский физик Александр Столетов. Практическое использование явления впервые было осуществлено в 1954 году учеными из Bell Laboratories. Они создали рабочий солнечный элемент из кремния, который генерировал электрический ток при воздействии солнечного света. Солнечные фотоэлектрические элементы вскоре стали использоваться для питания космических спутников и более мелких предметов, таких как калькуляторы и часы. Сегодня электричество от солнечных панелей стало конкурентоспособным по стоимости с традиционной энергетикой во многих странах. Поэтому солнечные фотоэлектрические системы продолжают интенсивно распространяться и развёртываться все в больших масштабах.

Солнечный модуль
Солнечный модуль – это объединение фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов), прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток. Обычно фотоэлементы называют солнечными ячейками (solar cells), а солнечный модуль называют солнечной батареей или панелью. Технически правильное название солнечный модуль, если говорить именно о как едином устройстве, так как батарея — это последовательное подключение нескольких модулей.

Солнечная энергия относится к возобновляемым источникам энергии и дает огромную пользу при их использовании для сохранения экологии, развития технологий, роста экономики и благосостояния населения планеты.

Кремниевые солнечные батареи
Подавляющее большинство современных солнечных элементов изготовлены из кремния. Эта технология обеспечивает разумные цены и хорошую эффективность. Ячейки обычно собираются в более крупные модули, которые можно устанавливать на крышах жилых или коммерческих зданий, или развертывать на наземных конструкциях для создания промышленных фотоэлектрических электростанций. Различают два основных типа кремниевых солнечных панелей – на основе поликристаллического и монокристаллического кремния.

Для поликристаллических солнечных панелей используется дешевый кремний, произведенный по методу направленной кристаллизации в тигле. Получаемые в результате кремниевые пластины состоят из множества мелких разнонаправленных кристаллитов, разделенных границами зерен. Несовершенство кристаллической структуры приводят к снижению эффективности фотоэлементов. Это приводит к тому, что при одинаковой площади солнечной панели, поликристаллические вырабатывают меньше, чем монокристаллические аналоги. На практике снижение эффективности поликристаллических панелей компенсируется их меньшей ценой и увеличением количества.

Для производства монокристаллических панелей используется высококачественный кремний, выращенный по методу Чохральского. Процесс наращивания длительный, но в результате образуется качественный однородный кристалл. В качестве «затравки» используется маленький кристалл чистого кремния. По мере падения температуры кремния, происходит рост кристалла вокруг «затравки» и результате формируется кристалл чистого кремния цилиндрической формы. Поэтому монокристаллические солнечные панели имеют более высокую стоимость по сравнению с поликристаллическими аналогами. Монокристаллические модули можно отличить по их характерному черному цвету и однородной структуре.

Тонкопленочные солнечные модули
Существует еще одна широко используемая фотоэлектрическая технология известная как тонкопленочные солнечные фотоэлементы. Они сделаны из очень тонких слоев полупроводниковых материалов таких как аморфный кремний, теллурид кадмия или селенида меди-индия-галлия (CIGS). Толщина пленочных слоев составляет всего несколько микрометров.

Тонкопленочные солнечные элементы могут быть гибкими и легкими, что делает их идеальными для портативных приложений, например, в солдатском рюкзаке или для использования в других материалах, таких как окна, которые генерируют электричество от солнца. Некоторые типы тонкопленочных солнечных элементов также извлекают выгоду из особенностей технологии производства, которые требуют меньше энергии и легче масштабируются, чем производственные технологии, необходимые для кремниевых солнечных элементов.

Многие компании-производители солнечных панелей CIGS обанкротились. Наиболее известными производителями фотоэлектрических систем типа CIGS были обанкротившиеся компании Nanosolar и Solyndra. В настоящее время лидером рынка является японская компания Solar Frontier. Компании Global Solar и GSHK Solar также производят солнечные модули, не содержащие тяжелых металлов, таких как кадмий и свинец. Российская компания Hevel в начале деятельности производила солнечные тонкопленочные модули на основе аморфного кремния, но впоследствии перешла на производство на основе кристаллического кремния.

Многопереходные солнечные элементы на соединениях III–V
Третий тип фотоэлектрических технологий назван в честь элементов, из которых они состоят. Солнечные элементы III-V в основном состоят из элементов группы III, например, галлия и индия, и группы V, например, мышьяка и сурьмы, периодической таблицы. Многопереходные солнечные элементы (СЭ) на соединениях III–V периодической системы таблицы Менделеева являются самыми эффективными преобразователями солнечной энергии в электричество и широко используются в космических солнечных батареях и наземных фотоэлектрических модулях с концентраторами излучения. Эти солнечные элементы, как правило, намного дороже в производстве.

Все современные высокоэффективные солнечные элементы III–V основаны на трёхпереходной III–V-гетероструктуре GaInP/GaInAs/Ge и имеют практически предельную для данной архитектуры эффективность 30% и 41,6 % для космического и наземного сконцентрированного излучений соответственно. Увеличение КПД в настоящее время происходит за счёт перехода от 3-переходной к более эффективным 4-, 5-и даже 6-переходным архитектурам III–V.

Солнечные батареи нового поколения
Исследователи солнечных элементов в NREL и других организациях также разрабатывают множество новых фотоэлектрических технологий, таких как солнечные элементы из органических материалов, квантовые точки и гибридные органо-неорганические материалы также известные как перовскиты. Эти технологии следующего поколения могут предложить более низкие затраты, большую простоту производства или другие преимущества. Дальнейшие исследования покажут, могут ли быть реализованы эти обещания.

Девятов А.Р.