Производство на фотоволтаични клетки за слънчеви панели

Основата на всяка инсталация във фотоволтаиката винаги е фотоволтаичен модул. Фотоволтаичният модул е ​​комбинация от фотоволтаични клетки, електрически свързани помежду си. Терминът фотоволтаика се състои от две думи «снимка» (от гръцки. Светлина) и «волт» (Алесандро Волта — 1745-1827, италиански физик) — мерна единица за напрежение в електротехниката. Анализирайки термина фотоволтаични, можем да кажем — това е превръщайки светлината в електричество.

Фотоволтаична клетка (слънчева клетка) се използва за генериране на електричество чрез преобразуване на слънчевата радиация. Фотоклетката може да се мисли като диод, съставен от полупроводници от n-тип и p-тип с образувана зона, изчерпана от носител, така че неосветената фотоклетка е като диод и може да бъде описана като диод.

За полупроводници с ширина между 1 и 3 eV максималната теоретична ефективност може да бъде достигната 30%. Ширината на лентата е минималната фотонна енергия, която може да повдигне електрон от валентната зона към зоната на проводимост. Най -често срещаните търговски слънчеви клетки са кремъчни елементи.

Силициеви монокристали и поликристали. Силицийът днес е един от най -често срещаните елементи за производство на фотоволтаични модули. Въпреки това, поради ниското поглъщане на слънчевата радиация, слънчевите клетки от силициев кристал обикновено се правят с ширина 300 µm. Ефективността на силициевата монокристална фотоклетка достига 17%.

Ако вземем фотоклетка от поликристал силиций, тогава ефективността за нея е с 5% по -ниска от тази на монокристал силиций. Границата на зърната на поликристал е центърът за рекомбинация на носители на заряд. Размерът на кристалите на поликристалния силиций може да варира от няколко mm до един cm.

Галиев арсенид (GaAs). Слънчевите клетки от галиев арсенид вече са показали ефективност от 25% в лабораторни условия. Галиевият арсенид, разработен за оптоелектроника, е труден за производство в големи количества и е доста скъп за слънчевите клетки. Прилагат се слънчеви клетки от галиев арсенид заедно със слънчеви концентратори, както и за космонавтиката.

Технология на тънкослойни фотоклетки. Основният недостатък на силициевите елементи е тяхната висока цена. Предлагат се тънкослойни клетки, направени от аморфен силиций (a-Si), кадмиев телурид (CdTe) или медно-индиев диселинид (CuInSe2). Предимството на тънкослойните слънчеви клетки е спестяването на суровини и материали и по-евтиното производство в сравнение със силициевите слънчеви клетки. Следователно можем да кажем, че тънкослойните продукти имат перспективи за използване във фотоклетки.

Недостатъкът е, че някои материали са доста токсични, така че безопасността на продукта и рециклирането играят важна роля. В допълнение, телуридът е изчерпаем ресурс в сравнение със силиция. Ефективността на тънкослойните фотоклетки достига 11% (CuInSe2).

В началото на 60 -те години на миналия век слънчевите клетки струват приблизително 1000 долара / W пикова мощност и се произвеждат предимно в космоса. През 70 -те години започва серийното производство на фотоклетки и цената им падна до $ 100 / W. По -нататъшният напредък и намаляването на цената на фотоклетките направиха възможно използването на фотоклетки за битови нужди.Специално за част от населението, живеещо далеч от електропроводи и стандартни захранвания, фотоволтаичните модули са се превърнали в добра алтернатива.

Снимката показва първата слънчева клетка на силициева основа. Той е създаден от учени и инженери на американската компания Bell Laboratories през 1956 г. Слънчевата клетка е комбинация от фотоволтаични модули, електрически свързани помежду си. Комбинацията се избира в зависимост от необходимите електрически параметри като ток и напрежение. Една клетка от такава слънчева батерия, произвеждаща по -малко от 1 ват електричество, струва 250 долара. Произведената електроенергия беше 100 пъти по -скъпа, отколкото от конвенционалната мрежа.

В продължение на почти 20 години слънчевите панели се използват само за космос. През 1977 г. цената на електроенергията е намалена до $ 76 на ватова клетка. Ефективността постепенно се увеличава: 15% в средата на 90-те години на миналия век и 20% до 2000 г. Настоящите най -подходящи данни по тази тема —Ефективност на слънчевите клетки и модули

Производството на силициеви слънчеви клетки може да бъде грубо разделено на три основни етапа:

• производство на силиций с висока чистота;

• изработване на тънки силиконови шайби;

• монтаж на фотоклетката.

Основната суровина за производството на силиций с висока чистота е кварцов пясък (SiO2)2). Чрез електролиза се получава стопилката металургичен силицийкойто има чистота до 98%. Процесът на възстановяване на силиций се осъществява, когато пясъкът взаимодейства с въглерода при висока температура 1800 ° C:

Тази степен на чистота не е достатъчна за производството на фотоклетка, затова тя трябва да бъде допълнително обработена. По -нататъшното пречистване на силиций за полупроводниковата индустрия се извършва практически по целия свят, използвайки технология, разработена от Siemens.

«Процес на Siemens» е пречистването на силиций чрез взаимодействието на металургичния силиций със солна киселина, в резултат на което трихлорсилан (SiHCl3):

Трихлорсилан (SiHCl3) е в течна фаза, така че лесно се отделя от водорода. Освен това, многократната дестилация на трихлорсилан повишава неговата чистота до 10-10%.

Последващият процес — пиролиза от пречистен трихлорсилан — се използва за получаване на поликристален силиций с висока чистота. Полученият поликристален силиций не отговаря напълно на условията за използване в полупроводниковата индустрия, но за слънчевата фотоволтаична индустрия качеството на материала е достатъчно.

Поликристалният силиций е суровина за производството на монокристален силиций. За производството на монокристален силиций се използват два метода — методът на Чохралски и методът на зоново топене.

Метод на Чохралски е енергоемък, както и материалоемък. Сравнително малко количество поликристален силиций се зарежда в тигела и се топи във вакуум. Малко семе от моносилиций пада върху повърхността на стопилката и след това, усуквайки се, се издига, издърпвайки цилиндричния слитък зад него, поради силата на повърхностното напрежение.

Понастоящем диаметрите на изтеглените слитъци са до 300 мм. Дължината на слитъците с диаметър 100-150 мм достига 75-100 см. Кристалната структура на удължения слитък повтаря монокристалната структура на семето. Увеличаването на диаметъра и дължината на един слитък, както и подобряването на технологията на неговото рязане, ще намали количеството отпадъци, като по този начин ще намали цената на получените фотоклетки.

Технология на колана. Технологичният процес, разработен от Mobil Solar Energy Corporation, се основава на изтеглянето на силициеви ленти от стопилката и образуването на слънчеви клетки върху тях. Матрицата е частично потопена в силициевата стопилка и поради капилярния ефект поликристалният силиций се издига, образувайки лента.Стопилката кристализира и се отстранява от матрицата. За да се увеличи производителността, оборудването е проектирано, на което е възможно да се получат до девет колана едновременно. Резултатът е деветстранна призма.

Предимството на коланите е, че те са нискоразходни поради факта, че процесът на рязане на слитъка е изключен. В допълнение, правоъгълни фотоелементи могат лесно да бъдат получени, докато кръглата форма на монокристални плочи не допринася за доброто разположение на фотоволтаичната клетка във фотоволтаичния модул.

Получените поликристални или монокристални силициеви пръти след това трябва да се режат на тънки шайби с дебелина 0,2-0,4 mm. При рязане на пръчка от монокристален силиций около 50% от материала се губи при загуби. Освен това кръглите шайби, не винаги, но често, се нарязват, за да се получи квадратна форма.