Типы фотоэлектрических панелей

Перевод: Сенаторов С. С.

Источник: Technical Application Papers №10. Photovoltaic plants, 2010.

1. Кристаллические кремниевые панели

На данный момент кристаллические кремниевые панели являются наиболее используемыми и делятся на две категории:

монокристаллический кремний (рис. 1.16), однородные монокристаллические панели выполнены из кремниевого кристалла высокой чистоты. Монокристаллический кремниевый слиток, имеет цилиндрические формы, диаметром 13-20 см и длиной 200 см, полученные путем роста нитевидного кристалла при медленном вращении. Затем этот цилиндр разрезают на пластины 200-250 мкм, а верхнюю поверхность обрабатывают для получения «microgrooves», направленные на минимизацию отражения потерь.

Основным преимуществом этих ячеек является эффективность (14 до 17%), а также с высокой продолжительностью и техническим обслуживанием характеристик во времени.

Стоимость этого модуля составляет от 3,2 до 3,5 евро / Вт и панели, изготовленные с использованием этой технологии, обычно характеризуется однородным темно-синим цветом.

Рисунок 1.16 – Панель с одним кристаллическим силиконом

поликристаллические кремниевые панели (рис. 1.17), где кристаллы, составляющие совокупность клеток, принимают разные формы и направления. На самом деле, видимости, характерные для поликристаллических кремниевых ячеек вызваны различными направлением кристаллов и, следовательно, различные по отношению к свету. Поликристаллический кремниевый слиток получают путем плавления и литья кремния в форму параллелепипеда. Полученные таким образом пластины имеют квадратную форму и имеют типичные борозды толщиной 180-300 мкм.

Эффективность ниже по сравнению с монокристаллическим кремнием (12-14%), но и стоимость 2,8-3,3 евро / Вт. Во всяком случае, продолжительность высокая (сопоставимая с монокристаллическим кремнием), а также поддержание характеристик во времени (85% от начального КПД после 20 лет).

Ячейки, изготовленные с такой технологией, можно распознать из-за поверхностного аспекта, когда кристальные зерна достаточно заметны.

Рисунок 1.17 – Поликристаллическая силиконовая панель.

В настоящее время на рынке доминирует технология кристаллического кремния, которая составляет около 90%. Такая технология созревает как с точки зрения как достижимой эффективности, так и затрат на производство, и, вероятно, она будет продолжать доминировать на рынке в краткосрочной среде. Ожидаются лишь некоторые незначительные улучшения с точки зрения эффективности (новые промышленные товары объявляют 18%, с лабораторным показателем 24,7%, что считается практически непреодолимым) и возможное снижение затрат, связанных как с внедрением в промышленные процессы более крупных и более тонкие пластины, а также экономию за счет масштаба. Кроме того, PV-индустрия, основанная на такой технологии, использует избыток кремния, предназначенный для электронной промышленности, но из-за постоянного развития последнего и экспоненциального роста производства PV в среднем на 40% за последние шесть лет, доступность на рынке сырья, используемого в фотогальваническом секторе, становится все более ограниченной.

2. Тонкие пленочные панели

Тонкие пленочные ячейки состоят из полупроводникового материала, осажденного, как правило, в виде газовых смесей, на подложках в виде стекла, полимеров, алюминия, которые обеспечивают физическую консистенцию смеси. Поверхность полупроводниковой пленки имеет толщину в несколько мкм относительно кристаллических кремниевых элементов, которые составляют несколько сотен мкм. Как следствие, сохранение материала замечательно, и возможность наличия гибкой опоры увеличивает область применения тонкопленочных ячеек (рис. 1.18).

Используемые материалы:

Аморфный кремний;
CdTeS (кадмий-теллурид-кадмий-сульфид);
GaAs (арсенид галлума);
CIS, CIGS и CIGSS (Copper Iridium Diselenide alloys).

Рисунок 1.18 – Тонкий пленочный модуль.

Аморфный кремний (символ a-Si), нанесенный как пленка на носитель (например, алюминий), дает возможность иметь фотоэлектрическую технологию при меньших затратах по сравнению с кристаллическим кремнием, но эффективность этих ячеек во времени становится хуже. Аморфный кремний можно также «распылять» на тонком листе из пластика или гибкого материала. Он используется, прежде всего, когда необходимо максимально уменьшить вес панели и адаптировать ее к изогнутым поверхностям. Эффективность a-Si (от 5% до 6%) очень мала из-за многих сопротивлений, с которыми электроны сталкиваются в своем потоке. Кроме того, в этом случае производительность ячейки, как правило, ухудшается за это время. Интересным применением этой технологии является «тандемный», сочетающий слой аморфного кремния с одним или несколькими слоями кристаллического кремния с несколькими переходами; благодаря отделению солнечного спектра каждое соединение, расположенное в последовательности, работает в лучшем виде и гарантирует более высокие уровни с точки зрения как эффективности, так и выносливости.

Солнечные элементы CdTeS состоят из одного P-слоя (CdTe) и одного N-слой (CdS), которые образуют гетеропереход P-N.

Ячейки CdTeS обладают более высокой эффективностью, чем аморфные кремниевые клетки: от 10% до 11% для промышленных продуктов (15,8% в испытательных лабораториях). Производство в крупном масштабе технологии CdTeS связано с экологической проблемой в отношении CdTe, содержащейся в ячейке: поскольку она не растворяется в воде и она более стабильна, чем другие соединения, содержащие кадмий, это может стать проблемой, когда они неправильно переработаны или (рис. 1.19). Стоимость единицы таких модулей составляет от 1,5 до 2,2 € / Вт.

В настоящее время технология GaAs является наиболее интересной, если рассматривать ее с точки зрения полученной эффективности выше 25-30%, но производство таких ячеек ограничено высокими издержками и недостатком материала, который широко используется в «высокоскоростных полупроводниках» и в промышленности оптоэлектроники. Фактически, технология GaAs используется в основном для космических применений, где важны вес и уменьшенные размеры.

Рисунок 1.19 – Структуры тонкопленочных ячеек на основе CdTe-CdS.

Модули CIS / CIGS / CIGSS являются частью технологии, которая все еще изучается и разрабатывается. Кремний заменяется специальными сплавами, такими как:

меди, индия и селенита (CIS);
меди, индия, галлия и селенита (CIGS);
меди, индия, галлия, селенита и серы (CIGSS).

В настоящее время эффективность составляет от 10 до 11%, а показатели остаются неизменными во времени; так как для монокристаллического и поликристаллического кремния предусматривается снижение себестоимости, на данный момент около 2,2-2,5 евро / Вт.

Доля рынка тонкопленочных технологий по-прежнему очень ограничена (примерно 7%), но решения с наивысшими возможностями в среднесрочной перспективе учитываются при существенном снижении цен. Путем осаждения тонкой пленки непосредственно в больших масштабах, более 5 м², избегаются обрывки, которые являются типичными для операции нарезки для получения кристаллических кремниевых пластин из первоначального слитка. Методами осаждения являются процессы с низким энергопотреблением и, следовательно, соответствующие срок окупаемости является коротким, то есть только время, за которое должна работать установка PV, до того, как была создана энергия, используемая для ее сборки (около 1 года для тонких пленок аморфного кремния против 2-х лет кристаллического кремния). По сравнению с модулями кристаллического кремния тонкопленочные модули показывают более низкую зависимость эффективности от рабочей температуры и хороший отклик также, когда рассеянная составляющая света более выражена, а уровни излучения низки, прежде всего в пасмурные дни.