ОБЗОР ТЕХНОЛОГИЙ И МАТЕРИАЛОВ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СОЛНЕЧНЫХ МОДУЛЕЙ

АННОТАЦИЯ

В данной статье представлен обзор имеющихся технологий произ­водства и материалов, используемых в солнечных фотоэлектрических проектах в масштабах всей отрасли.

Ключевые слова: солнечные элементы; кристаллический кремний; фотоэлектрические модули.

О солнечной энергетике знают уже давно, это предмет споров и дискуссий среди специалистов. Некоторые считают, что это большая перспектива на будущее, другие уверены в противоположном. Но то, что солнечные электростанции наиболее экологичны, безвредны для природы и человека – факт неоспоримый.

Основным элементом солнечной электростанции являются сол­нечные модули. Именно от них зависит количество вырабатываемой станцией энергии. Для производства солнечных модулей используются различные технологии и материалы.

Солнечные модули создаются на основе кремниевых пластин (изготовленных путем разрезания полупроводниковых пластин из твердого кремния), на тонкопленочных технологий (тонкий слой полупроводникового материала осаждается на недорогие подложки) и органических красителей - ячеек Гретцеля (в промышленных масштабах не используются, находятся в стадии доработки).

Молекулы кристаллического кремния обеспечивают высокую эффективность модуля. Они подразделяются на монокристаллический кремний и поликристаллический кремний. Монокристаллические ячейки, как правило, являются наиболее эффективными, но более дорогими, чем поликристаллические.

Тонкопленочные элементы являются более дешевой альтернативой, но менее эффективны. Существует три основных типа тонкопленочных элементов: теллурид кадмия, ди-селенид индия (галлия) и аморфный кремний.

Каждый материал имеет уникальные характеристики, которые влияют на производительность фотоэлемента, способ изготовления и стоимость.

Фотоэлементы можно дополнительно охарактеризовать в соответствии со структурой полупроводникового материала - «моно­кристаллический», «поликристаллический» или менее упорядоченный «аморфный» материал.

На рисунке 1 показаны наиболее часто используемые фотоэлектри­ческие технологии:

Рисунок 1. Фотоэлектрические технологии

• Кристаллический кремний. Модули состоят из фотоэлементов, соединенных вместе и заключенных между прозрачной стенкой (обычно стеклом) и материалом подложки (обычно пластиком или стеклом).

Монокристаллические кремниевые пластины вырезаны из большого монокристаллического слитка в дорогостоящем процессе. Более дешевые, поликристаллические пластины могут изготавливаться различными способами. Одна из технологий включает тщательно контролируемое литье расплавленного мультисиликата, который затем нарезается на пластины. Они могут быть намного больше, чем монокристаллические облатки. Поликристаллические элементы, полученные таким образом, в настоящее время дешевле, но конечный продукт обычно не так эффективен, как монокристаллическая технология. За последние два года цены на монокристаллические и поликристаллические модули значи­тельно снизились. Кристаллические пластины обеспечивают высоко­эффективные солнечные элементы, но они дороги для производства.

• Тонкая пленка. Модули изготавливаются с тонкопленочным осаждением полупроводника на подложку. Тонкопленочные элементы обычно дешевле из-за используемых материалов и производственного процесса. Однако тонкопленочные элементы менее эффективны. Этот класс включает в себя такие полупроводники, как:

1)  аморфный кремний: в элементах на основе аморфного кремния порядок кристаллического кремния отсутствует, а атомы образуют сплошную случайную сеть. Поскольку аморфный кремний поглощает свет более эффективно, чем кристаллический, ячейки могут быть намного тоньше.

Аморфный кремний может быть нанесен на широкий диапазон как жестких, так и гибких недорогих подложек. Низкая стоимость аморфного кремния делает его пригодным для многих приложений, где низкая стоимость важнее, чем высокая эффективность.

2) теллурид кадмия представляет собой соединение кадмия и теллура. Фотоэлемент состоит из полупроводниковой пленки, нане­сенной на прозрачное проводящее оксидное покрытие. Может быть использован процесс изготовления с использованием больших площадных подложек. Модули на основе теллурида кадмия обеспечи­вают высокую выходную мощность в широком диапазоне климатических условий с хорошими коэффициентами мощности и температурного отклика.

3)  ди-селенида медного индия (галлия): полупроводник, состоящий из соединения меди, индия, галлия и селена, поглощает свет более эффективно, чем кристаллический кремний, но модули, основанные на применении этого полупроводника, требуют несколько более толстых пленок.

Коммерческое производство модулей из ди-селенида индия (галлия) находится на ранних стадиях развития. Но он имеет потенциал для обеспечения максимальной эффективности и модернизации всех тонкопленочных фотоэлектрических технологий.

4)  гетероструктура с внутренним тонкопленочным слоем состоит из монокристаллической кремниевой пластины, окруженной ультратонкими слоями аморфного кремния. Модули более эффективны, чем обычные кристаллические модули, но они дороже.

• Ячейка Гретцеля. Полупроводники изготавливают на основе органических красителей. Конструктивно ячейка Гретцеля состоит из пластинки электропроводящего стекла, на которую нанесен слой белил из диоксида титана, являющегося полупроводником. Поверх белил располагается слой специального органического красителя, а к стеклу подведены токоприемники. Особенностью красителя является то, что под воздействием солнечного света он выделяет электроны.

Через слой полупроводника электроны могут двигаться только в одном направлении – к токоприемнику. Таким образом, при достижении порогового значения количества выделяемых электронов образуется электрический ток, который течет от верхнего слоя ячейки к нижнему. Однако, коммерческое применение модулей на основе этих ячеек экономически невыгодно.

Производительность фотоэлектрических модулей уменьшается со временем. Деградация имеет разные причины: воздействие влажности, температуры, солнечного облучения и скачков напряжения - это относится к потенциальной деградации. Другие факторы, влияющие на степень деградации, включают качество материалов, используемых в производстве, технологический процесс и качество сборки и упаковки ячеек в модуль.

Техническое обслуживание мало влияет на скорость деградации модулей, которая в основном зависит от конкретных характеристик используемого модуля и местных климатических условий. Степень и характер деградации варьируются между модульными технологиями. Для кристаллических модулей коэффициент деградации обычно выше в первый год после первоначального воздействия света и затем стаби­лизируется. Первоначальная необратимая деградация с уменьшением поглощения света происходит из-за дефектов, которые проявляются при первоначальном воздействии света. Это может быть вызвано присутствием бора, кислорода или других химических веществ, оставшихся после трафаретной печати или травления в процессе производства ячеек.

В зависимости от качества пластины и ячейки, деградация может варьироваться от 0,5 % до 2,0 % [1]. Аморфный кремний деградирует в процессе, называемом эффектом Стеблера - Вронски. Это может привести к снижению на 10-30 процентов [2] выходной мощности модуля в первые шесть месяцев воздействия света. После этого деградация стабилизируется и продолжается гораздо медленнее.

Интересно, что деградация в модулях из аморфного кремния частично обратима под воздействием температуры. Другими словами, производительность модулей может восстанавливаться в течение летних месяцев и снова падать в холодные зимние месяцы.

Дополнительное ухудшение как для аморфных, так и для кристал­лических фотоэлементов происходит на уровне модуля и может быть вызвано:

• влиянием окружающей среды на поверхность модуля (например, загрязнение).
• обесцвечиванием или мутностью инкапсулянта или стекла.
• дефектами ламинирования.
• механическим напряжением и влажностью на контактах.
• поломкой сотового контакта.
• деградацией проводки.

Фотоэлектрические модули могут иметь долгосрочную степень деградации мощности от 0,3 до 1,0 процента в год [1]. Для кристал­лических модулей общая деградация 0,4 процента в год часто считается приемлемой.

В целом, от качественных фотоэлектрических модулей можно ожидать, что срок службы составляет от 25 до 30 лет [1]. В дальнейшем риск повышения уровня деградации становится выше.

В настоящее время самыми актуальными проблемами в развитии солнечной энергетики остаются две: удешевление материалов и технологий производства солнечных модулей и повышение их КПД. Над решением этих проблем работаю практики и теоретики во всем мире, ведь, на данный момент, Солнце – единственный реальный, экологически чистый, неиссякаемый источник энергии, которую можно и нужно использовать в полном объеме.

Список литературы:

1. Utility-Scale Solar Photovoltaic Power Plants, Solar PV Technology, International Finance Corporation 2015 All rights reserved. 2121 Pennsylvania Avenue, N.W. Washington, D.C. 20433 ifc.org [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.ifc.org/wps/wcm/connect/f05d3e00498e0841bb6fbbe54d141794/IFC%20Solar%20Report_Web%20_08 %2005.pdf?MOD=AJPERES.
2. Ваш солнечный дом [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.solarhome.ru/solar/pv/potential-induced-degradation-pv-array.htm.