Основой любой установки в фотовольтаике всегда является фотоэлектрический модуль. Фотоэлектрический модуль - это комбинация электрически соединенных между собой фотоэлементов. Термин фотовольтаик состоит из двух слов «фото» (от греч. свет) и «вольт» (Алессандро Вольта - 1745-1827, итальянский физик) - единица измерения напряжения в электротехнике. Анализируя термин фотовольтаик, можно сказать - это преобразование света в электричество.
Фотоэлектрический элемент (фотоэлемент) используется для получения электроэнергии за счет преобразования солнечного излучения. Фотоэлемент можно рассмотреть как диод, состоящий из полупроводников n-типа и p-типа с образованной зоной, обеднённой носителями, поэтому неосвещенный фотоэлемент подобен диоду и может быть описан как диод.
Для полупроводников, имеющих ширину запрещенной зоны между 1 и 3 эВ, максимальное теоретическое КПД может быть достигнуто 30%. Ширина запрещенной зоны и есть минимальная энергия фотона, которая способна поднять электрон из валентной зоны в зону проводимости. Наиболее распространенными из выпускаемых промышленностью солнечных элементов являются кремневые элементы.
Монокристаллины и поликристалинны кремния. Кремний на сегодняшний день является одним из самых распространенных элементов для производство фотоэлектрических модулей. Однако из-за маленькой абсорбции солнечного излучения, солнечные элементы из кристалла кремния изготавливаются обычно шириной 300 мкм. КПД фотоэлемента из монокристалла кремния достигает 17%.
Если взять фотоэлемент из поликристалла кремния, то для него КПД лежит на 5% ниже, чем из монокристалла кремния. Граница зерен поликристалла является центром для рекомбинации носителей зарядов. Размер кристалла поликристаллина кремния может колебаться от нескольких мм до одного см.
Арсенид галия (GaAs). Солнечные элементы из арсенида галлия в лабораторных условиях уже показали КПД, равный 25%. Арсенид Галлия, разработанный для оптоэлектроники, сложно производить в больших количествах и для солнечных элементов является достаточно дорогим. Солнечные элементы из арсенида галлия применяются совместно с солнечными концентраторами, а так же для космонавтики.
Тонкопленочные фотоэлементы технологии. Основным недостатком кремневых элементов является их высокая стоимость. Имеются тонкопленочные элементы, которые изготовляются из аморфного кремния (а-Si), телурида кадмия (CdTe) или купрум-индиум диселинида (CuInSe2). Преимущество тонкопленочных фотоэлементов – экономия сырья и материалов и более дешевое производство по сравнению с кремнивыми фотоэлементами. Поэтому можно сказать, что тонкопленочные изделия имеют перспективы для применения в фотоэлементах.
Недостатком является, что некоторые материалы являются достаточно токсичными, поэтому безопасность продукции, а так же “recycling” играют важную роль. Кроме того, теллурид является исчерпаемым ресурсом, по сравнению с кремнием. КПД тонкопленочных фотоэлементов достигает 11 % (CuInSe2).
В начале 60-х годов фотоэлементы приблизительно стоили 1000$/Вт пиковой мощности и изготавливались главным образом в космосе. В 70-х годах начался серийный выпуск фотоэлементов, и их цена снизилась до 100$/Вт. Дальнейший прогресс и снижение стоимости фотоэлементов сделали возможным использование фотоэлементов для бытовых нужд. Особенно для части населения, живущего далеко от линий электропередачи и стандартного электрообеспечения, фотоэлектрические модули стали хорошей альтернативой.
На фото - первая солнечная батарея на основе кремния. Ее создали, ученые и инженеры американской компании Bell Laboratories в 1956-м году. Солнечная батарея представляет собой комбинацию электрически соединенных между собой фотоэлектрических модулей. Комбинация выбирается в зависимости от необходимых электрических параметров как ток и напряжение. Одна ячейка такой солнечной батареи, производившая менее 1 ватт электроэнергии, стоила 250 долларов. Вырабатываемая электроэнергия была в 100 раз дороже, чем из обычной сети.
Почти 20 лет солнечные батареи использовались только для космоса. В 1977 году стоимость электроэнергии удалось снизить до 76 долларов за 1 ваттную ячейку. Постепенно КПД повышалось: 15% в середине 90-х годов прошлого века и 20% к 2000 году. Современные наиболее актуальные данные по этой теме - Эффективность солнечных фотоэлементов и модулей
Производство фотоэлементов из кремния можно условно разделить на три основные стадии:
-
производство кремния высокой степени чистоты;
-
изготовление тонких кремниевых шайб;
-
сборка фотоэлемента.
Основным сырьем для производства кремния высокой степени чистоты является кварцевый песок (SiO2). С помощью электролиза расплава получают металлургический кремний, который имеет степень чистоты до 98%. Процесс восстановления кремния происходит при взаимодействии песка с углеродом при высокой температуре 1800 °С:
Такая степень чистоты недостаточна для производства фотоэлемента, поэтому он подлежит дальнейшей обработке. Дальнейшее очищение кремния для полупроводниковой индустрии осуществляется практически по всему миру с помощью технологии, разработанной фирмой Siemens.
"Siemens процесс" представляет собой очищение кремния путем взаимодействия металлургического кремния с соляной кислотой, в результате чего получают трихлорсилан ( SiHCl3):
При температуре 30 °С трихлорсилан (SiHCl3) находится в жидкой фазе, поэтому он легко отделяется от водорода. Далее, неоднократная дистилляция трихлорсилана повышает его чистоту до 10-10%.
Последующим процессом - пиролизом из очищенного трихлорсилана получают поликристаллический кремний высокой степени чистоты. Полученный поликристаллический кремний не совсем удовлетворяет условиям для использования в полупроводниковой индустрии, однако, для солнечной фотоэлектрической индустрии качество материала предостаточно.
Поликристаллический кремний является сырьем для производства монокристаллического кремния. Для производства монокристаллического кремния применяются два способа – метод Чохральского и метод зонного плавления.
Метод Чохральского является энергоемким, а также материалоемким. Сравнительно небольшое количество поликристаллического кремния закладывается в тигель и в вакууме расплавляется. Небольшая затравка монокремния опускается на поверхность расплава и затем, закручиваясь, поднимается, вытягивая за собой слиток цилиндрической формы, за счет силы поверхностного натяжения.
В настоящее время диаметры вытягиваемых слитков доходят до 300 мм. Длина слитков диаметром 100-150 мм достигает 75-100 см. Кристаллическая структура вытянутого слитка повторяет монокристаллическую структуру затравки. Увеличение диаметра и длины слитка, а также усовершенствование в технологии его распилки позволят уменьшить количество отходов, тем самым, удешевить стоимость получаемых фотоэлементов.
Ленточная технология. Технологический процесс, разработанный Mobil Solar Energy Corporation, основан на вытягивании из расплава кремниевых лент и формировании на них фотоэлементов. В расплав кремния погружается частично матрица и благодаря каппилярнному эффекту, поликристаллический кремний поднимается, образуя ленту. Расплав кристаллизуется и вынимается из матрицы. Для увеличения производительности конструируется оборудование, на котором возможно получать до девяти лент одновременно. В результате получается девятиугольная призма.
Преимущество лент в том, что они малоотходны из-за того, что исключается процесс резки слитка. К тому же можно легко получать фотоэлементы прямоугольной формы, в то время как круглая форма монокристаллических пластин не способствует хорошей компоновки фотоэлемента в фотоэлектрическом модуле.
Полученные поликристаллические или монокристаллические кремниевые стержни далее должны быть распилены на тонкие шайбы, толщиной 0,2 – 0,4 мм. При распиливании стержня монокристаллического кремния на потери уходят порядка 50% материала. Далее круглые шайбы, не всегда, но зачастую, обрезают для получения квадратной формы.