Фотоэлектрические модули • Ваш Солнечный Дом

• 1 Из чего состоит солнечный модуль
• 2 Размер и мощность солнечных панелей
• 3 Электрические характеристики солнечной батареи: вольт-амперная характеристика
  • 3.1 Почему 12-вольтовые панели на самом деле 17-вольтовые?

Солнечные панели состоят из солнечных элементов. Так как один солнечный элемент не производит достаточного количества электроэнергии для большинства применений, солнечные элементы собираются в солнечных модулях для того, чтобы производить больше электричества.

Модули производятся из псевдоквадратных или квадратных поликремниевых фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), покрытых антиотражающим покрытием. Элементы могут нарезаться на части для увеличения заполнения площади солнечных панелей, а также для уменьшения токов (последние годы производятся большие солнечные элементы, которые имеют большие токи).

Солнечные панели (также называемые фотоэлектрические модули или солнечные модули) производятся многих типов и размеров. Наиболее типичные — это кремниевые фотоэлектрические модули из 60 или 72 целых элементов или из 120 или 144 половинных элементов. Такие модули имеют мощность от 250 до почти 700 Вт.  Широкий типоразмерный ряд солнечных модулей доступен у нас в продаже. Солнечные панели (PV modules) могут соединяться между собой солнечные батареи (PV arrays) для того, чтобы получить большую мощность (например, 2 модуля по 100 Wp, соединенных вместе, эквивалентны модулю мощностью 200 Wp).

КПД доступных в продаже модулей варьируется в пределах 5-24%. Это значит, что 5-24% от количества энергии, падающей на солнечный элемент, будет трансформировано в электричество. Исследовательские лаборатории во всем мире разрабатывают новые материалы для СЭ с более высоким КПД (до 45%). Стоимость производства также очень важна. Некоторые новые технологии (такие как, например, тонкопленочные), позволяют производить СЭ в больших масштабах, что значительно снизит стоимость элементов и модулей

Из чего состоит солнечный модуль

Модули из кристаллического кремния являются многослойным «пирогом». В общем случае они состоят из нескольких слоем, показанных на рисунке справа. Герметизирующий материал необходим для того, чтобы обеспечить полную герметичность солнечных элементов при работе на открытом воздухе круглый год. При попадании воздуха или влаги внутрь солнечного модуля происходит окисление и разрушение контактов солнечных элементов, что приводит к выходу модуля из строя. В качестве герметизирующей пленки обычно применяется EVA (этиленвинилацетатная) пленка. К сожалению, она же и является одним из факторов «старения» фотоэлектрических модулей, т.к. со временем теряет свою прозрачность. Сейчас во всем мире ведутся работы по замене этой EVA на другие материалы, но в коммерчески изготовляемых модулях пока в основном применяется именно этот материал.

Солнечные модули обычно выполнены в виде панели, заключенной в каркас из алюминиевого профиля. Бывают солнечные модули без алюминиевой рамы. Панель представляет собой фотоэлектрический генератор, состоящий из стеклянной плиты, с тыльной стороны которой между двумя слоями герметизирующей (ламинирующей) пленки размещены солнечные элементы, электрически соединенные между собой металлическими шинами. Нижний слой герметизирующей пленки защищен от внешних воздействий слоем защитной пленки. К внутренней стороне корпуса модуля прикреплен блок терминалов, под крышкой которого размещены электрические контакты, предназначенные для подключения модуля.

Размер и мощность солнечных панелей

Размеры солнечных элементов стандартизированы, количество элементов в панелях тоже. Поэтому солнечные панели имеют определенные мощности в зависимости от размеров и количества примененных в них элементов. Типичные мощности и размеры приведены в таблице ниже.

Upd. Примерно с 2020 года солнечные элементы размером менее 166 мм практически не производятся. Современные солнечные модули делаются из элементов размером 182 и 210 мм.  Поэтому, если в 2023 году вам предлагают солнечные модули их элементов 156 или 158 элементов, то, с вероятностью близкой к 100% эти модули сделаны их менее эффективных солнечных элементов, произведенных несколько лет назад (или сами модули сделаны несколько лет назад).

  

Размер элемента, мм	Параметры модуля	Размер модул
156.75	285W Poly, 5BB, 60 Cells	1650*992*35мм
156.75	315W Mono, 5BB, 60 Cells	1664*1002*35мм
158.75	330W Mono, Half-cut, 60 Cells	1684*1002*35мм
158.75	330W Mono, 9BB, Half-cut, 60 Cells	1684*1002*35мм
158.75	345W Mono, 9BB, Half-cut, 60 Cells	1684*1002*35мм
166	370W Mono, 9BB, Half-cut, 60 Cells	1755*1038*35мм
166	370W Mono, 9BB, Half-cut, 60 Cells	1755*1038*35мм
158.75	390W чешуйчатые	1646*1140*35мм
158.75	390W чешуйчатые	1646*1140*35мм
158.75	390W чешуйчатые	1646*1140*35мм
158. 75	400W чешуйчатые	1646*1140*35мм
158.75	400W чешуйчатые	1646*1140*35мм
158.75	400W чешуйчатые	1646*1140*35мм
158.75	400W чешуйчатые	1646*1140*35мм
158.75	400W чешуйчатые	1646*1140*35мм
166	450W, Mono, 9BB, half-cut, 72 cells,	2094*1038*35мм
166	450W, Mono, 9BB, half-cut, 72 cells,	2094*1038*35мм
182	410W Mono, 9BB, half-cut, 54 cells,	1724*1134*35мм
182	400W Mono, 9BB, half-cut, 54 cells,	1724*1134*35мм
182	550W Mono, 9BB, half-cut, 72 cells,	2278*1133*35мм
210	500W Mono , Third-Cut, 9BB, 50 cells	2185*1098*35
210	650W Mono , 9BB, Half-cut, 66cells	2411*1303*35

Как увеличивалась максимальная мощность солнечных модулей в последние годы

Сейчас уже есть модули мощностью 700 и более ватт. О тенденциях увеличения единичной мощности солнечных панелей мы написали в статье Солнечные модули: тренды 2022 года.

В прошлом увеличение мощности панелей в основном происходило за счет повышения эффективности благодаря достижениям в области технологий солнечных батарей. Хотя это отчасти является причиной резкого скачка мощности панели, основным фактором являются новые ячейки большего размера, разрабатываемые вместе с большим количеством ячеек на панель. Эти новые форматы и конфигурации ячеек означают, что новые панели физически намного больше по размеру. Как правило, эти большие панели лучше всего подходят для коммерческих солнечных электростанций или крупных коммерческих установок.

Традиционно солнечные панели были доступны в двух основных размерах: панели стандартного формата с 60 ячейками (примерно 1,65 м в высоту и шириной 1 м), используемые для крыш жилых домов, и панели коммерческого размера с 72 ячейками большего формата (примерно 2 м в высоту и 1 м в ширину). Затем появились панели из разрезанных пополам ячеек примерно такого же размера, но с удвоенным количеством: 120 ячеек и 144 ячейки. Помимо стандартных размеров, было несколько производителей премиум-класса, таких как SunPower и Panasonic, производящих уникальные панели с 96 и 104 ячейками.

Стандартный размер панели в течение большей части последнего десятилетия был основан на формате 156 мм x 156 мм или 6-дюймовых квадратных ячеек. Тем не менее, новые размеры панелей длиной до 2,4 м и шириной 1,3 м основаны на более крупных размерах пластин 180 и 210 мм. Это увеличение размера на 20-30% по сравнению с традиционными 72-ячеечными панелями размером 2,0 м x 1,0 м, что, естественно, соответствует огромному увеличению мощности на панель.

Электрические характеристики солнечной батареи: вольт-амперная характеристика

Важные точки вольт-амперной характеристики, которые характеризуют солнечный модуль

Солнечный модуль может работать при любой комбинации напряжения и тока, расположенным на его вольт-амперной характеристике (ВАХ). Однако, в реальности модуль работает в одной точке в данное время. Эта точка выбирается не модулем, а электрическими характеристиками цепи, к которой данный модуль (или солнечная батарея) подключен.

Напряжение, при котором ток равен 0, называется

напряжением холостого хода (V_oc). С другой стороны, ток, при котором напряжение равно 0, называется током короткого замыкания (I_sc). В этих крайних точках ВАХ мощность модуля равна 0. На практике, система работает при комбинации тока и напряжения, когда вырабатывается достаточная мощность. Лучше сочетание называется точкой максимальной мощности (ТММ, или MPP). Соответствующие напряжение и ток обозначаются как V_p (номинальное напряжение) и I_p (номинальный ток). Именно для этой точки определяются номинальная мощность и КПД солнечного модуля.

При прямом соединении солнечного модуля к аккумуляторной батарее, модуль работает при напряжении, равном напряжению аккумуляторной батареи в данный момент.

По мере заряда АБ ее напряжение растет, поэтому модуль может работать в диапазоне напряжения от 10 до 14,5В (здесь и далее используются напряжения для модуля номинальным напряжением 12В. Для модулей с номинальным напряжением 24В значения напряжения нужно умножить на 2). Соответственно, его рабочая точка может быть довольно далеко от оптимальной. Почему же производители выбрали напряжение модуля в максимальной точке равным 17В?

Почему 12-вольтовые панели на самом деле 17-вольтовые?

Это сделано для того, чтобы компенсировать потери напряжения в фотоэлектрической системе и сохранить возможность полного заряда аккумуляторной батареи. Обычный вопрос, который задают люди — «почему нельзя сделать панели так, чтобы они выдавали 12В?» Если вы сделаете так, то модули будут выдавать необходимое для заряда АБ напряжение только, когда они холодные, в идеальном состоянии и при ярком солнце. Обычно таких условий не бывает в реальности. Поэтому панели должны иметь запас по напряжению для возможности заряжать АБ при пониженной освещенности, под пылью и нагретыми на солнце. Вопреки интуиции, солнечные панели работают лучше в холодную погоду. В нормальных условиях, когда солнечная панель нагревается до 40-45 градусов, ее мощность снижается на 15-17%.

Как известно, для заряда АБ напряжением 12В необходимо довести ее напряжение до 14,5В (или даже до 15В при заряде при низких температурах) . Напряжение солнечного модуля в реальных условиях оказывается ниже, чем 17В. Во-первых, при нагревании солнечного модуля его напряжение снижается примерно на 0,5В. Во-вторых, существуют потери напряжения в соединительных проводах. Также, редко когда уровень освещенности равен 1000 Вт/м². Все это приводит к тому, что реальное напряжение на модуле снижается, и в действительности оно оказывается очень близко к требуемым 14,5В. С другой стороны, при низких температурах, напряжение может быть больше, чем 17В.

Зависимость ВАХ типичного кристаллического модуля мощностью 130Вт от освещенности

Мощность солнечной панели изменяется в зависимости от освещенности практически прямо-пропорционально. При определенной освещенности модуль прекращает выработку. Эта освещенность для кристаллических модулей составляет примерно 150-200 Вт/м², а для аморфных — около 100 Вт/м².

Также, мощность солнечного модуля зависит от его температуры, и обычно падает при повышении температуры. Типичный температурный коэффициент для кристаллических модулей составляет -0,45%/К (т.е. при повышении температуры модуля на каждый градус его выработка уменьшается на 0,45%) . Для аморфных модулей этот показатель обычно раза в 2 меньше, а последние разработки трех-переходных аморфных модулей даже имеют положительный температурный коэффициент мощности.

Типичная информация на шильдике солнечного модуля

Новое поколение солнечных контроллеров заряда, а также солнечные фотоэлектрические инверторы могут обеспечивать работу солнечной батареи в точке максимальной мощности. Они отслеживают точку максимальной мощности, и поддерживают напряжение на входе равный этой точке. На выходе, за счет преобразования напряжения, обеспечивается напряжение, равное напряжению на АБ. Таким образом, MPPT контроллер понижает напряжение и повышает ток. Слежение за ТММ солнечного модуля обеспечивает увеличение выработки электроэнергии на 15-30%.

Можно найти все эти параметры — (V_oc, I_sc, MPP, V_p, I_p) — на шильдике или прилагаемых к модулю характеристиках (заметьте, что V_p и I_p также называются номинальными значениями. Однако не ожидайте получить номинальную мощность от вашей солнечной батареи — почти невозможно, чтобы собранная система работала все время в точке максимальной мощности. Кроме изменений освещенности, на вырабатываемую мощность влияет температура солнечной батареи — чем выше температура солнечной батареи, тем ниже ее мощность.

При покупке солнечных фотоэлектрических модулей нужно понимать, на каком производстве сделаны предлагаемые продавцом солнечные панели. Если информации о производителе нет, — например, вы покупаете солнечные модули под брендом импортера, агрегатора солнечных электростанций или OEM поставщика, — то вы рискуете получить «кота в мешке» с непредсказуемым качеством и долговечностью.

Брендовые солнечные панели обычно делаются на производствах с полной автоматизацией. На мелких и некоторых средних заводах про сборке солнечных панелей часть операций не автоматизирована (например, часто пайка общих шин солнечной панели, перемещения панелей между этапами производства, сборка алюминиевых рам и т. п. бывают не автоматизированными и выполняются вручную). Это уменьшает цену выпускаемых солнечных панелей, но также могут ухудшать и долговременное качество этих панелей.

Смотрите ниже небольшое видео про процесс изготовления солнечной фотоэлектрической панели на полностью автоматизированном производстве.  Уровень автоматизации отражает качество и уровень производителя.

«Ваш Солнечный Дом» всегда раскрывает информацию о заводе изготовителе предлагаемого оборудования своим покупателям и партнерам. Если такой информации нет, мы честно предостерегаем наших покупателей о возможных проблемах после истечения гарантийного срока.

Перейти к покупке солнечных панелей в наш Интернет-магазин

Эта статья прочитана 32708 раз(а)!

• Солнечные элементы

  10000

  Как работают солнечные фотоэлектрические элементы? Структура солнечного элемента Солнечные элементы (СЭ) изготавливаются из материалов, которые напрямую преобразуют солнечный свет в электричество. Большая часть из коммерчески выпускаемых в настоящее время СЭ изготавливается из кремния (химический символ Si). Кремний это полупроводник. Он…

• Выбор солнечных панелей: Моно или поли?

  10000

  Монокристаллические или поликристаллические солнечные модули: Какие лучше выбрать? Ваша цель: Установить солнечную фотоэлектрическую систему, которая поможет вам уменьшить расходы на электроэнергию. Проблема: На рынке очень много разных моделей и типов солнечных модулей, и это вас запутало. одни продавцы утверждают, монокристаллические…

• 12 преимуществ Double-Glass солнечных модулей

  10000

  Солнечные фотоэлектрические модули с двойным стеклом Модули с двойным остеклением (double glass) Солнечные модули с двойным стеклом  появились на рынке сравнительно недавно – 5-7 лет назад, но до недавнего времени они были дороже обычных модулей. В 2017 году они стали…

• Соединение солнечных панелей – 2 важных правила

  74

  Как правильно соединять солнечные модули в солнечную батарею? Для увеличения мощности солнечной батареи несколько фотоэлектрических модулей соединяют последовательно и/или параллельно. Увеличение мощности солнечной батареи позволяет больше использовать экологически чистую солнечную энергию для питания различных потребителей электроэнергии. Очень часто наши клиенты…

• 7 мифов о солнечной энергетике

  74

  Главные 7 мифов о солнечных батареях По разным причинам в интернете есть много неправильной информации о недостатках или проблемах солнечных батарей. Некоторые заявления о солнечной энергетике приносят вред делу борьбы с изменением климата и за уменьшение токсичных выбросов. Большая часть…

• Основы фотоэнергетики (Содержание)

  70

  Что такое солнечные элементы, модули, инверторы, контроллеры, электростанции? Солнечная энергетика становится мейнстримом современной энергетики, и с каждым годом вызывает все больший интерес. Фотоэлектрическая энергетика – новая отрасль, которая стремительно развивается и уже сейчас современный мир невозможно представить без солнечных фотоэлектрических…

Фотоэлектрические солнечные батареи – Альянс-Нева

21. 06.2017

Фотоэлектрическая солнечная батарея – установка для прямого преобразования энергии Солнца в электрическую энергию при помощи электролитического фотоэлемента. Это явление известно с 1832 г. благодаря Э. Беккерелю. Впервые в коммерческих целях технология была использована в 1952 г., когда в лаборатории “Белл” для электропитания телефонной станции был произведен фотоэлектрический элемент на основе монокристалла кремния. Солнечная батарея состоит из нескольких фотоэлектрических модулей, электрически и механически соединенных друг с другом. Фотоэлектрический модуль объединяет в себе электрически соединенные между собой фотоэлектрические солнечные элементы и имеет выходные клеммы для подключения внешнего потребителя.

До своего появления солнечная фотоэлектрическая установка проходит 6 основных технологических этапов:

1. Изготовление слитка чистейшего солнечного кремния
2. Путем механической обработки изготавливают кремниевый блок
3. Блоки нарезают на кремниевые пластины
4. Из пластин путем нанесения токопроводящих контактов получают фотоэлектрические элементы
5. Фотоэлементы объединяют в фотоэлектрические модули (солнечные батареи)
6. На основе фотоэлектрических модулей строят солнечные электростанции (фотоэлектрические установки)

Солнечные модули могут генерировать электричество в течение 20 и более лет с незначительной потерей производительности. Старение происходит в основном от воздействия окружающей среды, потому что никаких термодинамических процессов в установке не происходит, в ней нет движущихся элементов. Хорошо смонтированная солнечная батарея будет надежным, тихим и чистым источником энергии в течение многих лет.

Принцип действия солнечной фотоэлектрической батареи

Фотоэлектрическая солнечная батарея состоит из нескольких фотоэлектрических солнечных модулей, электрически и механически соединенных друг с другом. Фотоэлектрический солнечный модуль – устройство, конструктивно объединяющее электрически соединенные между собой фотоэлектрические солнечные элементы и имеющее выходные клеммы для подключения внешнего потребителя.

Фотоэлектрический элемент состоит из двух тонких слоев полупроводникового материала: один с незначительной примесью, которая придает ему свойства проводника отрицательных зарядов (область n), второй также с примесью, но она превращает его в проводник положительных зарядов (область p).

Когда на солнечный элемент падает солнечных свет, материал солнечного элемента поглощает часть солечного света (фотоны). Каждый фотон имеет малое количество энергии. Когда фотон поглощается, он инициирует процесс освобождения электрона в солнечном элементе. Вследствие того, что обе стороны фотоэлектрического элемента имеют токоотводы, в цепи возникает ток когда фотон поглощается. Солнечный элемент генерирует электричество, которое может быть использовано сразу или сохранено в аккумуляторной батарее.

Основным материалом, используемым для изготовления фотоэлектрических элементов, является кремний. Кремний с примесью фосфора относится к типу n, с примесью бора – к типу p.

Варианты подключения солнечных батарей

Монтаж солнечных батарей

Основы солнечных фотоэлектрических элементов | Министерство энергетики

Офис технологий солнечной энергии

Когда свет падает на фотогальванический (PV) элемент, также называемый солнечным элементом, этот свет может отражаться, поглощаться или проходить прямо через элемент. Фотоэлемент состоит из полупроводникового материала; «полу» означает, что он может проводить электричество лучше, чем изолятор, но не так хорошо, как металл. В фотоэлементах используется несколько различных полупроводниковых материалов.

Когда полупроводник подвергается воздействию света, он поглощает энергию света и передает ее отрицательно заряженным частицам в материале, называемому электронами. Эта дополнительная энергия позволяет электронам течь через материал в виде электрического тока. Этот ток извлекается через проводящие металлические контакты — сеткообразные линии на солнечных элементах — и затем может использоваться для питания вашего дома и остальной части электросети.

Эффективность фотоэлемента — это просто количество электроэнергии, выходящей из элемента, по сравнению с энергией падающего на него света, что показывает, насколько эффективно элемент преобразует энергию из одной формы в другую. Количество электроэнергии, вырабатываемой фотоэлементами, зависит от характеристик (таких как интенсивность и длина волны) доступного света и множества рабочих характеристик элемента.

Важным свойством фотоэлектрических полупроводников является ширина запрещенной зоны, которая указывает, какие длины волн света материал может поглощать и преобразовывать в электрическую энергию. Если ширина запрещенной зоны полупроводника соответствует длинам волн света, падающего на фотоэлектрическую ячейку, то эта ячейка может эффективно использовать всю доступную энергию.

Узнайте больше о наиболее часто используемых полупроводниковых материалах для фотоэлементов.

Кремний

Кремний, безусловно, является наиболее распространенным полупроводниковым материалом, используемым в солнечных элементах, что составляет примерно 9Сегодня продано 5% модулей. Это также второй по распространенности материал на Земле (после кислорода) и самый распространенный полупроводник, используемый в компьютерных чипах. Элементы кристаллического кремния состоят из атомов кремния, соединенных друг с другом в кристаллическую решетку. Эта решетка обеспечивает организованную структуру, которая делает преобразование света в электричество более эффективным.

Солнечные элементы, изготовленные из кремния, в настоящее время обеспечивают сочетание высокой эффективности, низкой стоимости и длительного срока службы. Ожидается, что модули прослужат 25 и более лет, по истечении этого времени производя более 80% своей первоначальной мощности.

Тонкопленочные фотоэлектрические элементы

Тонкопленочные солнечные элементы изготавливаются путем нанесения одного или нескольких тонких слоев фотоэлектрического материала на поддерживающий материал, такой как стекло, пластик или металл. Сегодня на рынке представлены два основных типа тонкопленочных фотоэлектрических полупроводников: теллурид кадмия (CdTe) и диселенид меди-индия-галлия (CIGS). Оба материала можно наносить непосредственно на переднюю или заднюю поверхность модуля.

CdTe является вторым наиболее распространенным фотоэлектрическим материалом после кремния, и элементы CdTe можно изготавливать с использованием недорогих производственных процессов. Хотя это делает их экономически эффективной альтернативой, их эффективность все еще не так высока, как у кремния. Ячейки CIGS обладают оптимальными свойствами для фотоэлектрического материала и высокой эффективностью в лаборатории, но сложность, связанная с объединением четырех элементов, делает переход от лаборатории к производству более сложным. И CdTe, и CIGS требуют большей защиты, чем кремний, чтобы обеспечить длительную работу на открытом воздухе.

Перовскитные фотоэлектрические элементы

Перовскитные солнечные элементы представляют собой тип тонкопленочных элементов и названы в честь их характерной кристаллической структуры. Ячейки перовскита состоят из слоев материалов, которые печатаются, покрываются или наносятся вакуумным способом на нижележащий поддерживающий слой, известный как подложка. Как правило, они просты в сборке и могут достигать эффективности, аналогичной кристаллическому кремнию. В лаборатории эффективность солнечных элементов на основе перовскита улучшилась быстрее, чем у любого другого фотоэлектрического материала, с 3% в 2009 году.до более чем 25% в 2020 году. Чтобы быть коммерчески жизнеспособными, перовскитные фотоэлементы должны стать достаточно стабильными, чтобы выдержать 20 лет на открытом воздухе, поэтому исследователи работают над тем, чтобы сделать их более долговечными и разработать крупномасштабные и недорогие технологии производства.

Органические фотоэлектрические элементы 

Органические фотоэлектрические элементы, или OPV, состоят из богатых углеродом (органических) соединений и могут быть адаптированы для улучшения определенных функций фотоэлектрических элементов, таких как ширина запрещенной зоны, прозрачность или цвет. Ячейки OPV в настоящее время примерно вдвое менее эффективны, чем ячейки из кристаллического кремния, и имеют более короткий срок службы, но могут быть менее дорогими в производстве в больших объемах. Их также можно наносить на различные вспомогательные материалы, такие как гибкий пластик, благодаря чему OPV можно использовать в самых разных целях. PV

Квантовые точки

Солнечные элементы с квантовыми точками проводят электричество через мельчайшие частицы различных полупроводниковых материалов размером всего в несколько нанометров, называемые квантовыми точками. Квантовые точки обеспечивают новый способ обработки полупроводниковых материалов, но между ними трудно создать электрическую связь, поэтому в настоящее время они не очень эффективны. Однако их легко превратить в солнечные батареи. Их можно наносить на подложку с помощью метода центрифугирования, распыления или рулонных принтеров, подобных тем, которые используются для печати газет.

Квантовые точки бывают разных размеров, а их ширина запрещенной зоны настраивается, что позволяет им собирать свет, который трудно улавливать, и сочетать их с другими полупроводниками, такими как перовскиты, для оптимизации производительности многопереходного солнечного элемента (подробнее об этом ниже).

Многопереходные фотоэлектрические элементы

Еще одна стратегия повышения эффективности фотоэлектрических элементов заключается в наслоении нескольких полупроводников для создания многопереходных солнечных элементов. Эти ячейки, по сути, представляют собой стопки различных полупроводниковых материалов, в отличие от ячеек с одним переходом, которые имеют только один полупроводник. Каждый слой имеет разную ширину запрещенной зоны, поэтому каждый из них поглощает разную часть солнечного спектра, что позволяет лучше использовать солнечный свет, чем ячейки с одним переходом. Многопереходные солнечные элементы могут достигать рекордных уровней эффективности, потому что свет, который не поглощается первым полупроводниковым слоем, улавливается слоем под ним.

В то время как все солнечные элементы с более чем одной запрещенной зоной являются многопереходными солнечными элементами, солнечный элемент с ровно двумя запрещенными зонами называется тандемным солнечным элементом. Многопереходные солнечные элементы, объединяющие полупроводники из столбцов III и V в периодической таблице, называются многопереходными солнечными элементами III-V.

Многопереходные солнечные элементы продемонстрировали КПД выше 45%, но они дороги и сложны в производстве, поэтому они предназначены для исследования космоса. Военные используют солнечные элементы III-V в беспилотниках, и исследователи изучают другие способы их применения, где ключевым фактором является высокая эффективность.

Концентрация Фотогальваника

Концентрация PV, также известная как CPV, фокусирует солнечный свет на солнечный элемент с помощью зеркала или линзы. Фокусируя солнечный свет на небольшой площади, требуется меньше фотоэлектрического материала. Фотоэлектрические материалы становятся более эффективными по мере того, как свет становится более концентрированным, поэтому самая высокая общая эффективность достигается с помощью ячеек и модулей CPV. Однако требуются более дорогие материалы, технологии производства и возможность отслеживать движение солнца, поэтому демонстрация необходимого преимущества по стоимости по сравнению с современными кремниевыми модулями большого объема стала сложной задачей.

 

Узнайте больше об исследованиях в области фотоэлектричества в офисе технологий солнечной энергии, ознакомьтесь с этими информационными ресурсами солнечной энергии и узнайте больше о том, как работает солнечная энергия.

Основы производства солнечной фотоэлектрической энергии | Департамент энергетики

Офис технологий солнечной энергии

Производство солнечной энергии включает в себя производство продуктов и материалов по всей цепочке создания стоимости солнечной энергии. Хотя существует некоторое концентрированное солнечно-тепловое производство, большая часть производства солнечной энергии в Соединенных Штатах связана с фотоэлектрическими (PV) системами. Эти системы состоят из фотоэлектрических модулей, стеллажей и проводки, силовой электроники и устройств системного мониторинга, все из которых производится. Узнайте, как работает ПВ.

Прочитайте Обзор цепочки поставок солнечной фотоэлектрической энергии , в котором исследуется глобальная цепочка поставок солнечной фотоэлектрической энергии и возможности развития производственных мощностей в США.

Производство фотоэлектрических модулей

Кремний фотоэлектрических модулей

Большинство коммерчески доступных фотоэлектрических модулей используют кристаллический кремний в качестве поглощающего материала. Эти модули имеют несколько производственных этапов, которые обычно выполняются отдельно друг от друга.

• Производство поликремния – Поликремний представляет собой мелкозернистый кристаллический кремний высокой чистоты, обычно в форме стержней или шариков в зависимости от метода производства. Поликремний обычно производят с использованием высокореакционноспособных газов, синтезируемых в основном с использованием металлургического кремния (полученного из кварцевого песка), водорода и хлора. В одном процессе, называемом процессом Сименса, газообразный состав кремния, водорода и хлора проходит над нагретой кремниевой нитью, разрывая молекулярные связи и откладывая атом кремния на нить, которая в конечном итоге вырастает в большой поликремниевый стержень U-образной формы. Атомы водорода и хлора повторно используются в замкнутом цикле. Чтобы нить не загрязняла высокочистый поли, сама нить также сделана из чистого кремния. В другом методе маленькие шарики кремния помещаются на дно сосуда в форме перевернутого конуса, куда закачивается составной газ кремния и водорода, в результате чего маленькие шарики плавают у поверхности. Нагревание сосуда приводит к разрыву кремний-водородных связей, в результате чего атомы кремния осаждаются на маленькие шарики до тех пор, пока они не станут слишком тяжелыми, чтобы плавать, и падают на дно сосуда, где их собирают, готовые к использованию.
   
• Производство слитков и пластин – Для превращения поликремния в пластины поликремний помещают в контейнер, который нагревают до тех пор, пока поликремний не превратится в жидкую массу. В одном процессе, называемом процессом Чохральского, большой цилиндрический слиток монокристаллического кремния выращивается путем прикосновения небольшого кристаллического зерна к поверхности жидкости и медленного вытягивания его вверх. В другом процессе, называемом направленным затвердеванием, жидкая масса медленно охлаждается до тех пор, пока она не затвердеет снизу вверх, образуя крупнозернистый слиток мультикристаллического кремния. Затем слитки кремния нарезаются на очень тонкие пластины с помощью проволочных пил с алмазным покрытием. Образующиеся кремниевые опилки называются пропилом. Хотя это менее распространено, производство пластин без пропилов может быть достигнуто путем вытягивания охлажденных слоев из ванны с расплавленным кремнием или с использованием газообразных соединений кремния для осаждения тонкого слоя атомов кремния на кристаллический шаблон в форме пластины.
   
• Изготовление элементов – Кремниевые пластины затем перерабатываются в фотоэлектрические элементы. Первым шагом является химическое текстурирование поверхности пластины, которое устраняет повреждения пилы и увеличивает количество света, попадающего на пластину, когда она подвергается воздействию солнечного света. Последующие процессы существенно различаются в зависимости от архитектуры устройства. Для большинства типов ячеек требуется, чтобы пластина подвергалась воздействию газа, содержащего электрически активную легирующую примесь, и покрывала поверхность пластины слоями, которые улучшают работу ячейки. Трафаретная печать серебряной металлизации для электрических контактов также очень распространена среди типов ячеек.

• Модульная сборка – На предприятии по сборке модулей медные ленты, покрытые припоем, соединяют серебряные шины на передней поверхности одной ячейки с задней поверхностью соседней ячейки в процессе, известном как язычки и натягивание. Взаимосвязанный набор ячеек расположен лицевой стороной вниз на листе стекла, покрытом листом полимерного герметика. Второй лист герметика помещается поверх ячеек лицевой стороной вниз, за ​​ним следует прочный полимерный задний лист или другой кусок стекла. Вся стопка материалов ламинируется в печи, чтобы сделать модуль водонепроницаемым, затем снабжается алюминиевой рамой, герметиком по краям и распределительной коробкой, в которой ленты подключены к диодам, предотвращающим обратный поток электричества. Электрические кабели от распределительной коробки передают ток, вырабатываемый модулем, к соседнему модулю или силовой электронике системы.

Тонкая пленка PV

Тонкая пленка PV может относиться к ряду различных поглощающих материалов, наиболее распространенным из которых является теллурид кадмия (CdTe). Тонкопленочные фотоэлектрические модули обычно обрабатываются как единое целое от начала до конца, где все этапы выполняются на одном объекте. Производство обычно начинается с флоат-стекла, покрытого прозрачным проводящим слоем, на который осаждается фотоэлектрический поглощающий материал в процессе, называемом сублимацией на близком расстоянии друг от друга. Лазерное скрайбирование используется для формирования клеточных полос и формирования соединительного пути между соседними клетками. Накладывают медные ленты, сверху кладут герметизирующий лист и второй лист стекла, а стопку ламинируют, чтобы сделать ее водонепроницаемой. Наконец, к задней части модуля крепится распределительная коробка. Там электрические кабели модуля крепятся к медным лентам, которые проходят в распределительную коробку через отверстия в заднем стекле.

Системы стеллажей

Опорные конструкции, предназначенные для поддержки фотоэлектрических модулей на крыше или в поле, обычно называют системами стеллажей. Производство фотоэлектрических стеллажных систем значительно различается в зависимости от того, где будет происходить установка. Наземные стеллажи изготовлены из стали, которая обычно покрыта или оцинкована для защиты от коррозии и требует бетонного фундамента. В больших наземных системах обычно используется одноосевой механизм слежения, который помогает солнечным панелям следовать за солнцем, когда оно движется с востока на запад. Для отслеживания требуются механические детали, такие как двигатели и подшипники. Также можно использовать стационарные стеллажи (называемые «фиксированным наклоном»). Монтаж стеллажей на крышу зависит от типа кровли. Для плоских крыш, например, на больших коммерческих или промышленных зданиях, используются стальные стеллажи с фиксированным наклоном. Обычно его прикрепляют к тяжелым блокам, которые сидят на крыше. Для скатных жилых крыш стеллажи предназначены для надежного крепления к стропилам и удержания модулей на высоте нескольких дюймов над крышей. Это позволяет воздушному потоку охлаждать заднюю часть модулей, повышая их производительность.

Силовая электроника

Силовая электроника для фотоэлектрических модулей, включая оптимизаторы мощности и инверторы, собирается на электронных платах. Это оборудование преобразует электричество постоянного тока (DC), которое генерирует солнечная панель, в электричество переменного тока (AC), которое использует электрическая сеть.