ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

PRODUCTION OF ENERGY-EFFICIENT SOLAR CELLS

Anna Neshumova

student, Academy of Engineering, RUDN University,

Russia, Moscow

Anna Borisova

student, Academy of Engineering, RUDN University,

Russia, Moscow

Alexander Kruglov

student, Academy of Engineering, RUDN University,

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

В статье представлены характеристики различных типов солнечных элементов и описаны способы их изготовления. Приведены рисунки и таблицы, наглядно демонстрирующие особенности каждого типа. Рассмотрены преимущества использования фотоэлектрических преобразователей в качестве энергоэффективного источника энергии.

ABSTRACT

The article presents the characteristics of various types of solar cells and describes how to manufacture them. Figures and tables are provided that clearly demonstrate the features of each type. The advantages of using photovoltaic converters as an energy-efficient energy source are considered.

Ключевые слова: солнечный элемент, энергоэффективность, коэффициент полезного действия, фотовольтаика, фотоэлектрический преобразователь.

Keywords: solar cell, energy efficiency, efficiency, photovoltaics, photovoltaic converter.

В настоящее время проблемы энергоэффективности являются особенно актуальными. Решение этих проблем важно не только для производства и экономики, но и для улучшения качества жизни. Повышение энергоэффективности и снижение энергоемкости во всех отраслях является приоритетной задачей российской экономики. Преобразование энергии солнца в полезную тепловую и электрическую энергию можно рассматривать как решение этой задачи.

Солнечный элемент (фотоэлемент, фотоэлектрический преобразователь – ФЭП) – это полупроводниковый прибор, который служит для преобразования световой энергии в электрическую. В основе этого преобразования лежит явление фотоэффекта [1].

По технологии изготовления солнечные элементы разделяют на кремниевые и пленочные, а кремниевые в свою очередь подразделяют на монокристаллические, поликристаллические и аморфные (рис. 1).

Рисунок 1. Типы кремниевых солнечных элементов [2]

В статье А.С. Маюровой «Фотовольтаика – энергоэффективное решение освещении мостовых переходов» рассматриваются различные типы фотовольтаических систем и приводятся некоторые их технические характеристики.

Данные о КПД различных типов ФЭП, полученные из этой статьи, можно обобщить в виде таблицы (табл. 1).

Таблица 1.

КПД различных типов солнечных панелей

Солнечные батареи являются фотоэлектрическими преобразователями – полупроводниковыми устройствами, соединенными последовательно-параллельно между собой. Одинаковую мощность всей системы можно получить при помощи любых видов солнечных элементов. Более эффективные фотоэлектрические преобразователи займут меньшую площадь (табл. 2) [3].

Таблица 2.

Характеристики различных типов солнечных панелей [3]

Конструкция и способ изготовления солнечных элементов напрямую зависит от их типа.

Монокристаллические батареи состоят из чистого кремния. Производство проходит в несколько этапов: получение «солнечного» кремния → выращивание кристаллов → обработка → создание фотоэлектрического элемента → сборка модулей.

Поликристаллические изготавливаются методом, суть которого в восстановлении силана и осаждении свободного кремния в результате взаимодействия парогазовой смеси из водорода и силана с поверхностью кремниевых слитков, разогретой до 650-1300°C. Освободившиеся атомы кремния, образовывают кристалл с древовидной (дендритной) структурой [4].

Производство аморфных преобразователей значительно проще кристаллических: создаются пластины площадью более 1 м при температурах осаждения всего 250-400°C. К тому же их полупроводниковыми свойствами можно управлять, подбирая соединения компонентов пленки для получения требуемых параметров [4].

Тонкопленочные батареи производятся в основном по технике испарительной фазы. Сырьем для аморфных фотопреобразователей является кремневодород, который напыляется на материал подложки (стекло, керамика, металлические или полимерные ленты и пр.) слоем менее 1 мкм. Водород в составе аморфного кремния (5-20%) меняет его электрофизические свойства и придает ему полупроводниковые качества [4].

Энергоэффективность – полезное (рациональное) использование энергетических ресурсов с целью оптимизации количества используемой энергии для сохранения одного и того же уровня энергообеспечения [5].

В настоящее время в качестве энергоэффективных источников энергии активно изучаются и применяются различные типы фотоэлектрических преобразователей, которые имеют ряд преимуществ.

Каковы же эти преимущества? Это прежде всего минимальное количество преобразовавшей энергии: солнечное излучение → электроэнергия, которое получило название прямого преобразования солнечной энергии в электричество. Второе преимущество – простота конструкции СЭС, так как изготовленные на заводе солнечные батареи неподвижно закрепляются на легком решетчатом основании, ориентированные в плоскости максимального улавливания солнечной энергии. Третье преимущество – возможность создания автоматизированной электростанции с полным отсутствием эксплуатационного персонала [6].

В настоящее время основным материалом для изготовления солнечных батарей является кремний. Однако при дальнейшем увеличении интенсивности засветки кпд кремниевых элементов уменьшается из-за увеличения рабочей температуры и увеличения омических потерь [7].

Поэтому перспективным направлением развития солнечной энергетики можно назвать применение солнечных элементов на основе гетероструктур, характеристики и способы изготовления которых представлены в статье В.М. Андреева «Гетероструктурные солнечные элементы».

Солнечные элементы на основе гетероструктур обеспечивают большие значения КПД и имеют высокую радиационную стойкость. Важным преимуществом гетерофотопреобразователей является их способность эффективно преобразовывать сильно концентрированное солнечное излучение (до 1000 ÷ 2000 крат), что открывает перспективы существенного (пропорционально степени концентрирования) снижения площади и стоимости солнечных элементов и вследствие этого снижения стоимости «солнечной» электроэнергии [7].

На данный момент преобразование солнечной энергии в тепловую и электрическую является важным направлением в энергетике. По ряду причин наиболее распространены кремниевые солнечные элементы, однако для повышения электроэффективности и развития отрасли и науки ведется работа над другими типами ФЭП и их внедрением в производство.

Список литературы:

1. Теоретические основы электротехники и электроники//Перспективы электротехники и электроники//Солнечный элемент (преподаватель: к.т.н. К.А. Хайдаров) // URL: https://bourabai.ru/toe/solarcell.htm
2. Принцип устройства солнечной батареи // URL: http://ekobatarei.ru/vidy/solnce-alternativnyj-istochnik-elektroenergii
3. ФОТОВОЛЬТАИКА – ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОЕ РЕШЕНИЕ ОСВЕЩЕНИЯ МОСТОВЫХ ПЕРЕХОДОВ (А.С. Маюрова) // URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=25143302
4. Методы производства солнечных элементов // URL: http://b-eco.ru/articles/solar_cells_production/
5. Энергоэффективные технологии (О.А. Лапина, А.П. Лапина)// URL: https://cyberleninka.ru/article/v/energoeffektivnye-tehnologii
6. СОЛНЕЧНЫЕ ФОТОЭЛЕМЕНТЫ ИЛИ ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА – РЕАЛИИ И БУДУЩЕЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ (Галущак В.С., Сошинов А.Г., Атрашенко О.С., Копейкина Т.В.) // URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=25032550
7. Гетероструктурные солнечные элементы (В.М. Андреев) // URL: http://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/35842
8. ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ В ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ ЖИЛЫХ ЗДАНИЯХ (Бутузова М.А., Зайцева Е.В.) // URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=30640502
9. НЕКОТОРЫЕ НОВЫЕ ПОДХОДЫ К РЕШЕНИЮ ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОТЕЧЕСТВЕННОЙ ЭНЕРГЕТИКИ (Р.Р. Фархутдинов, Г.Н. Марченко) // URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=20310880
10. ОСОБЕННОСТИ АНАЛИЗА ДОЛГОСРОЧНЫХ ИНВЕСТИЦИОННЫХ ПРОЕКТОВ НА ПРИМЕРЕ АЛЬТЕРНАТИВНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ (Полоскова М. И., Тимофеев И. С., Фирстов Ю. П.) // URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=29673216
11. Фаренбрух А., Бьюб Р. Солнечные элементы: теория и эксперимент/ Пер. с англ. под ред. М.М. Колтуна. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 280 с.