Солнечные элементы. Виды и работа. Применение и особенности

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 солнечные 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%.

Solnechnye elementy monokristallicheskie i polikristallicheskie iacheiki

Монокристаллические солнечные 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

Solnechnye elementy amorfnye

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 солнечные 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.