Солнечные элементы

Виды солнечных батарей: сравнительный обзор конструкций и советы по выбору панелей

Альтернативная энергетика максимально развивается в Европе, показывая результатами свою перспективность. Появляются новые виды солнечных батарей, повышается их КПД.

При желании обеспечить работу промышленного здания или жилого помещения за счет энергии солнца, необходимо предварительно узнать об отличиях оборудования, понять, какие солнечные панели подходят под климатические условия определенного региона.

Мы поможем разобраться в этом вопросе. В статье рассмотрен принцип работы фотоэлектрических преобразователей, приведен обзор разных видов солнечных батарей с указанием их характеристик, преимуществ и недостатков. Ознакомившись с материалом, вы сможете сделать правильный выбор для обустройства эффективной гелиосистемы.

Принцип работы солнечных панелей

Подавляющее большинство солнечных панелей являются в физическом смысле фотоэлектрическими преобразователями. Электрогенерирующий эффект возникает в месте полупроводникового p-n перехода.

Именно кремниевые пластины составляют основу себестоимости солнечных панелей, но при их использовании в качестве круглосуточного источника электроэнергии придется дополнительно купить дорогостоящие аккумуляторные батареи

Панель состоит из двух кремниевых пластин с различными свойствами. Под действием света в одной из них возникает недостаток электронов, а в другой – их избыток. Каждая пластина имеет токоотводящие полоски из меди, которые подсоединяются к преобразователям напряжения.

Промышленная солнечная панель состоит из множества ламинированных фотоэлектрических ячеек, скрепленных между собой и закрепленных на гибкой или жесткой подложке.

КПД оборудования зависит во многом от чистоты кремния и ориентации его кристаллов. Именно эти параметры пытаются улучшить инженеры последние десятилетия. Основной проблемой при этом является высокая стоимость процессов, которые лежат в основе очищения кремния и расположения кристаллов в одном направлении на всей панели.

Ежегодно максимальные КПД различных солнечных панелей изменяются в большую сторону, потому что в исследования новых фотогальванических материалов вкладываются миллиарды долларов (+)

Полупроводники фотоэлектрических преобразователей могут изготавливаться не только из кремния, но и из других материалов — принцип работы батареи при этом не изменяется.

Типы фотоэлектрических преобразователей

Классифицируют промышленные солнечные панели по их конструкционным особенностям и типу рабочего фотоэлектрического слоя.

Различают такие виды батарей по типу устройства:

Гибкие тонкопленочные панели постепенно занимают всё большую нишу на рынке благодаря своей монтажной универсальности, ведь установить их можно на большинстве поверхностей с разнообразными архитектурными формами.

Реальные характеристики солнечных панелей обычно ниже, чем указанные в инструкции. Поэтому перед их установкой дома желательно самому увидеть похожий реализованный проект

По типу рабочего фотоэлектрического слоя солнечные батареи разделяются на такие разновидности:

1. Кремниевые: монокристаллические, поликристаллические, аморфные.
2. Теллурий-кадмиевые.
3. На основе селенида индия- меди-галлия.
4. Полимерные.
5. Органические.
6. На основе арсенида галлия.
7. Комбинированные и многослойные.

Интерес для широкого потребителя представляют не все типы солнечных панелей, а только лишь первые два кристаллических подвида.

Хотя некоторые другие типы панелей и имеют большие КПД, но из-за высокой стоимости они не получили широкого распространения.

Поликристаллические панели рекомендуется ориентировать на восток и запад, а для южной стороны лучше приобрести монокристаллический модуль

Тонкопленочные солнечные панели популярны при изготовлении портативных туристических солнечных батарей

Мышьяк в солнечных батареях с арсенидом галлия становится токсичным только при прямом контакте с водой

Органические солнечные панели пока что недоступны для массового потребителя из-за недостаточной испытанности технологии

Кремниевые фотоэлектрические элементы довольно чувствительны к нагреву. Базовая температура для измерения электрогенерации составляет 25°C. При её повышении на один градус эффективность панелей снижается на 0,45-0,5%.

Далее будут подробно рассмотрены солнечные панели, которые представляют наибольший потребительский интерес.

Характеристики панелей на основе кремния

Кремний для солнечных батарей изготавливают из кварцевого порошка — размолотых кристаллов кварца. Богатейшие залежи сырья есть в Западной Сибири и Среднем Урале, поэтому перспективы данного направления солнечной энергетики практически безграничны.

Даже сейчас кристаллические и аморфные кремниевые панели занимают уже более 80% рынка. Поэтому стоит рассмотреть их более подробно.

Монокристаллические кремниевые панели

Современные монокристаллические кремниевые пластины (mono-Si) имеют равномерный темно-синий цвет по всей поверхности. Для их производства используется наиболее чистый кремний. Монокристаллические фотоэлементы среди всех кремниевых пластин имеют самую высокую цену, но обеспечивают и наилучший КПД.

Большие монокристаллические солнечные панели с поворотными механизмами идеально вписываются в пустынные пейзажи. Там обеспечиваются условия для максимальной производительности

Высокая стоимость производства обусловлена сложностью ориентации всех кристаллов кремния в одном направлении. Из-за таких физических свойств рабочего слоя максимальный КПД обеспечивается только лишь при перпендикулярном падении солнечных лучей на поверхность пластины.

Монокристаллические батареи требуют дополнительного оборудования, которое автоматически поворачивает их в течение дня, чтобы плоскость панелей была максимально перпендикулярна солнечным лучам.

Слои кремния с односторонне ориентированными кристаллами вырезаются из цилиндрического бруска металла, поэтому готовые фотоэлектрические блоки имеют вид закруглённого по углам квадрата.

К преимуществам монокристаллических кремниевых батарей относят:

1. Высокий КПД со значением 17-25%.
2. Компактность — меньшая площадь размещения оборудования из расчета на единицу мощности, в сравнении с поликристаллическими кремниевыми панелями.
3. Долговечность — достаточная эффективность генерации электроэнергии обеспечивается до 25 лет.

Недостатков у таких батарей всего два:

1. Высокая стоимость и длительная окупаемость.
2. Чувствительность к загрязнению. Пыль рассеивает свет, поэтому у покрытых ею солнечных панелей резко снижается КПД.

Из-за потребности в прямых солнечных лучах монокристаллические солнечные панели устанавливаются в основном на открытых площадках или на высоте. Чем ближе местность к экватору и чем больше в ней солнечных дней, тем более предпочтительна установка именно этого типа фотоэлектрических элементов.

Поликристаллические солнечные батареи

Поликристаллические кремниевые панели (multi-Si) имеют неравномерный по интенсивности синий окрас из-за разносторонней ориентированности кристаллов. Чистота кремния, используемого при их производстве, несколько ниже, чем у монокристаллических аналогов.

Разнонаправленность кристаллов обеспечивает высокий КПД при рассеянном свете – 12-18%. Он ниже, чем в однонаправленных кристаллах, но в условиях пасмурной погоды такие панели оказываются более эффективны.

Неоднородность материала приводит и к снижению себестоимости производства кремния. Очищенный металл для поликристаллических солнечных панелей без особых ухищрений заливается в формы.

На производстве используются специальные технические приемы для формирования кристаллов, однако их направленность не контролируется. После остывания кремний нарезают слоями и обрабатывают по специальному алгоритму.

Поликристаллические панели не требуют постоянной ориентации в сторону солнца, поэтому для их размещения активно используются крыши домов и промышленных зданий.

Днем при легкой облачности преимуществ солнечных панелей из аморфного кремния заметно не будет, их достоинства раскрываются только при плотных тучах или в тени (+)

К достоинствам солнечных батарей с разнонаправленными кристаллами относят:

1. Высокая эффективность в условиях рассеянного света.
2. Возможность стационарного монтажа на крышах зданий.
3. Меньшая стоимость по сравнению с монокристаллическими панелями.
4. Длительность эксплуатации — падение эффективности через 20 лет эксплуатации составляет всего 15-20%.

Недостатки у поликристаллических панелей также имеются:

1. Пониженный КПД со значением 12-18%.
2. Относительная громоздкость — требуется больше пространства для установки из расчета на единицу мощности в сравнении с монокристаллическими аналогами.

Поликристаллические солнечные панели завоевывают всё большую рыночную долю среди других кремниевых батарей. Это обеспечивается широкими потенциальными возможностями для удешевления стоимости их производства. Ежегодно увеличивается и КПД таких панелей, стремительно приближаясь к 20% у массовых продуктов.

Солнечные панели из аморфного кремния

Механизм производства солнечных панелей из аморфного кремния принципиально отличается от изготовления кристаллических фотоэлектрических элементов. Здесь используется не чистый неметалл, а его гидрид, горячие пары которого осаждаются на подложку.

В результате такой технологии классические кристаллы не образуются, а затраты на производство резко снижаются.

Фотоэлементы из осажденного аморфного кремния можно закреплять как на гибкой полимерной подложке, так и на жестком стеклянном листе

На данный момент существует уже три поколения панелей из аморфного кремния, в каждом из которых заметно повышается КПД. Если первые фотоэлектрические модули имели эффективность 4-5%, то сейчас на рынке массово продаются модели второго поколения с КПД 8-9%.

Аморфные панели последней разработки имеют эффективность до 12% и уже начинают появляться в продаже, но они пока ещё достаточно дорогие.

За счет особенностей данной производственной технологии, создать слой кремния можно как на жесткой, так и на гибкой подложке. Из-за этого модули из аморфного кремния активно используются в гибких тонкоплёночных солнечных модулях. Но варианты с эластичной подложкой стоят намного дороже.

Физико-химическая структура аморфного кремния позволяет максимально поглощать фотоны слабого рассеянного света для генерации электроэнергии. Поэтому такие панели удобны для применения в северных районах с большими свободными площадями.

Не снижается эффективность батарей на основе аморфного кремния и при высокой температуре, хотя они и уступают по этому параметру панелям из арсенида галлия.

При одинаковой стоимости оборудования солнечные панели из гидрида кремния показывают большую производительность, чем их моно- и поликристаллические аналоги (+)

Подытоживая, можно указать такие преимущества аморфных солнечных панелей:

1. Универсальность — возможность изготовления гибких и тонких панелей, монтаж батарей на любые архитектурные формы.
2. Высокий КПД при рассеянном свете.
3. Стабильная работа при высоких температурах.
4. Простота и надежность конструкции. Такие панели практически не ломаются.
5. Сохранение работоспособности в сложных условиях — меньшее падение производительности при запыленности поверхности, чем у кристаллических аналогов

Срок службы таких фотоэлектрических элементов, начиная со второго поколения, составляет 20-25 лет при падении мощности в 15-20%. К недостаткам панелей из аморфного кремния можно отнести лишь потребность в бо́льших площадях для размещения оборудования требуемой мощности.

Обзор бескремниевых устройств

Некоторые солнечные панели, изготовленные с применением редких и дорогостоящих металлов, имеют КПД более 30%. Они в разы дороже своих кремниевых аналогов, но всё-таки заняли высокотехнологичную торговую нишу, благодаря своим особенным характеристикам.

Солнечные панели из редких металлов

Существует несколько типов солнечных панелей из редких металлов, и не все они имеют КПД выше, чем у монокристаллических кремниевых модулей.

Однако способность работать в экстремальных условиях позволяет производителям таких солнечных панелей выпускать конкурентоспособную продукцию и проводить дальнейшие исследования.

Панели из теллурида кадмия активно используются при облицовке зданий в экваториальных и аравийских странах, где их поверхность нагревается днем до 70-80 градусов

Основными сплавами, применяемыми для изготовления фотоэлектрических элементов, являются теллурид кадмия (CdTe), селенид индия- меди-галлия (CIGS) и селенид индия-меди (CIS).

Кадмий – токсический металл, а индий, галлий и теллур являются довольно редкими и дорогостоящими, поэтому массовое производство солнечных панелей на их основе даже теоретически невозможно.

КПД таких панелей находится на уровне 25-35%, хотя в исключительных случаях может доходить до 40%. Ранее их применяли в основном в космической отрасли, а сейчас появилось новое перспективное направление.

Из-за стабильной работы фотоэлементов из редких металлов при температурах 130-150°C их используют в солнечных тепловых электростанциях. При этом лучи солнца от десятков или сотен зеркал концентрируются на небольшой панели, которая одновременно генерирует электроэнергию и обеспечивает передачу тепловой энергии водяному теплообменнику.

В результате нагрева воды образуется пар, который заставляет вращаться турбину и генерировать электроэнергию. Таким образом солнечная энергия преобразуется в электрическую одновременно двумя путями с максимальной эффективностью.

Полимерные и органические аналоги

Фотоэлектрические модули на основе органических и полимерных соединений начали разрабатывать только в последнем десятилетии, но исследователи уже добились значительных успехов. Наибольший прогресс демонстрирует европейская компания Heliatek, которая уже оснастила органическими солнечными панелями несколько высотных зданий.

Толщина её рулонной пленочной конструкции типа HeliaFilm составляет всего 1 мм.

При производстве полимерных панелей используются такие вещества, как углеродные фуллерены, фталоцианин меди, полифенилен и другие. КПД таких фотоэлементов уже достигает 14-15%, а стоимость производства в разы меньше, чем кристаллических солнечных панелей.

Остро стоит вопрос срока деградации органического рабочего слоя. Пока что достоверно подтвердить уровень его КПД через несколько лет эксплуатации не представляется возможным.

Преимуществами органических солнечных панелей являются:

• возможность экологически безопасной утилизации;
• дешевизна производства;
• гибкая конструкция.

К недостаткам таких фотоэлементов можно отнести относительно низкий КПД и отсутствие достоверной информации о сроках стабильной работы панелей. Возможно, что через 5-10 лет все минусы органических солнечных фотоэлементов исчезнут, и они станут серьезными конкурентами для кремниевых пластин.

Какую солнечную панель выбрать?

Выбор солнечных панелей для загородных домов на широте 45-60° не труден. Здесь стоит рассматривать лишь два варианта: поликристаллические и монокристаллические кремниевые панели.

При дефиците места предпочтение лучше отдать более эффективным моделям с односторонней ориентацией кристаллов, при неограниченной площади рекомендуется приобрести поликристаллические батареи.

Ориентироваться на прогнозы аналитических компаний развития рынка солнечных панелей не стоит, ведь лучшие их образцы, возможно, ещё не изобретены

Выбирать конкретного производителя, требуемую мощность и дополнительное оборудование лучше при участии менеджеров компаний, занимающихся продажей и установкой такого оборудования. Следует знать, что качество и цена фотоэлектрических модулей у крупнейших производителей отличаются мало.

Следует учитывать, что при заказе комплекта оборудования «под ключ», стоимость самих солнечных панелей будет составлять всего лишь 30-40% от общей суммы. Сроки окупаемости таких проектов составляют 5-10 лет, и зависят от уровня энергопотребления и возможности продажи излишков электроэнергии в городскую сеть.

Некоторые мастера предпочитают собирать солнечные батареи собственноручно. На нашем сайте есть статьи с подробным описанием технологии изготовления таких панелей, их подключению и обустройству отопительных гелиосистем .

Выводы и полезное видео по теме

Представленные видеоролики показывают работу различных солнечных панелей в реальных условиях. Также они помогут разобраться в вопросах выбора сопутствующего оборудования.

Правила выбора солнечных панелей и сопутствующего оборудования:

Виды солнечных панелей:

Тестирование монокристаллической и поликристаллической панелей:

Для населения и небольших промышленных объектов реальной альтернативы кристаллическим кремниевым панелям пока что нет. Но темпы разработки новых типов солнечных батарей позволяют надеяться, что скоро энергия солнца станет главным источником электроэнергии во многих загородных домах.

Всем заинтересованным в вопросе выбора и использования солнечных батарей предлагаем оставлять комментарии, задавать вопросы и участвовать в обсуждениях. Форма для связи расположена в нижнем блоке.

Как работают солнечные батареи?

Солнечная энергия удивительна. В среднем на каждый квадратный метр поверхности Земли поступает 164 Вт солнечной энергии (цифру мы объясним более подробно ниже). Другими словами, вы могли бы поставить действительно мощную (150 Вт) настольную лампу на каждый квадратный метр поверхности Земли и осветить всю планету энергией Солнца! Или, другими словами, если бы мы покрыли всего один процент пустыни Сахара солнечными батареями, мы могли бы генерировать достаточно электричества, чтобы питать весь мир. Это хорошо в солнечной энергии: ее очень много — гораздо больше, чем мы могли бы когда-либо использовать.

Но есть и обратная сторона. Энергия, которую посылает Солнце, прибывает на Землю как смесь света и тепла . И то, и другое невероятно важно: свет заставляет растения расти, обеспечивая нас пищей, в то время как тепло сохраняет нас достаточно теплыми, чтобы выжить, — но мы не можем использовать ни солнечный свет, ни тепло непосредственно для управления телевизором или автомобилем. Нам нужно найти какой-то способ преобразования солнечной энергии в другие виды энергии, которые мы могли бы использовать более легко, например, электричество. И это именно то, что делают солнечные элементы.

Чтобы узнать, как работают солнечные панели, вам нужно понять, как они сделаны. Многие солнечные панели используют кремний, один из самых распространенных элементов планеты. Но поскольку создание кристаллов кремния подходящего качества сложно и дорого, домашние солнечные системы обычно строятся из аналогичных, но менее дорогих материалов, таких как медь, индий, галлий и селенид (CIGS). Они не так эффективны, как высококачественный кремний, но все же обеспечивают достаточную мощность при разумных затратах.

Кремний — это материал, из которого сделаны транзисторы (крошечные переключатели) в микросхемах, и солнечные элементы работают аналогичным образом. Кремний — это материал, называемый полупроводником . Некоторые материалы, особенно металлы , позволяют электричеству проходить через них очень легко; они называются проводниками. Другие материалы, такие как пластик и дерево , вообще не позволяют электричеству течь через них; они называются изоляторами. Полупроводники, такие как кремний, не являются ни проводниками, ни изоляторами: они обычно не проводят электричество, но при определенных обстоятельствах мы можем заставить их это делать.

Солнечный элемент представляет собой сэндвич из двух разных слоев кремния, которые были специально обработаны или легированы, чтобы они могли электричеством проходить через них определенным образом. Нижний слой легирован, поэтому в нем слишком мало электронов. Он называется кремнием p-типа или положительного типа (потому что электроны заряжены отрицательно, и их в этом слое слишком мало). Верхний слой легирован противоположным образом, чтобы дать ему немного слишком много электронов. Это называется кремнием n-типа или отрицательного типа.

Когда мы помещаем слой кремния n-типа на слой кремния p-типа, на стыке двух материалов создается барьер (важнейшая граница, где встречаются два вида кремния). Никакие электроны не могут пересечь барьер, поэтому, даже если мы подключим этот кремниевый бутерброд к фонарику, ток не будет течь: лампочка не загорится. Но если мы проливаем свет на бутерброд, происходит нечто замечательное. Мы можем думать о свете как о потоке энергичных «легких частиц», называемых фотонами., Когда фотоны попадают в наш сэндвич, они отдают свою энергию атомам в кремнии. Поступающая энергия выбивает электроны из нижнего слоя p-типа, поэтому они перепрыгивают через барьер к слою n-типа выше и текут по кругу. Чем больше света светит, тем больше электронов подпрыгивает и течет больше тока.

Это то, что мы подразумеваем под фотоэлектрическим напряжением, создающим свет, и это один из видов того, что ученые называют фотоэлектрическим эффектом .

Видимый солнечный свет состоит из невидимых частиц, называемых фотонами. У них есть энергия, но нулевая масса покоя. Когда фотоны сталкиваются с другими частицами, их энергия преобразуется в другие формы в зависимости от вида атомов, к которым они прикасаются. Большинство столкновений создают только тепло.

Но электричество также может быть произведено, когда фотоны делают электроны в атомах настолько возбужденными, что они отрываются и перемещаются свободно. Кремниевые электроны n-типа ищут электроны в кремнии p-типа, чтобы заменить отсутствующие электроны и поток между двумя полученными типами.

Замечательные свойства полупроводников, таких как кремний, позволяют поддерживать электрический дисбаланс. Это означает постоянную подачу электричества, пока фотоны попадают на солнечные панели. Ток собирается по проводам и распространяется по всей системе.

Солнечный элемент представляет собой сэндвич из кремния n-типа (синий) и кремния p-типа (красный). Он генерирует электричество, используя солнечный свет, чтобы электроны перепрыгивали через соединение между различными ароматами кремния:

• Когда солнечный свет падает на клетку, фотоны (легкие частицы) бомбардируют верхнюю поверхность.
• Фотоны (желтые капли) несут свою энергию через клетку.
• Фотоны отдают свою энергию электронам (зеленым пятнам) в нижнем слое p-типа.
• Электроны используют эту энергию, чтобы перепрыгнуть через барьер в верхний слой n-типа и уйти в контур.
• Обтекание цепи электронами заставляет лампу загореться.

Основное правило физики, называемое законом сохранения энергии, гласит, что мы не можем волшебным образом создавать энергию или заставить ее исчезнуть в воздухе; все, что мы можем сделать, это преобразовать его из одной формы в другую. Это означает, что солнечный элемент не может производить больше электрической энергии, чем он получает каждую секунду в качестве света. На практике, как мы вскоре увидим, большинство клеток преобразует около 10–20 процентов энергии, которую они получают, в электричество. Типичный однопереходный кремниевый солнечный элемент имеет теоретический максимальный КПД около 30 процентов, известный как предел Шокли-Кейссера, Это в основном потому, что солнечный свет содержит широкую смесь фотонов с различными длинами волн и энергией, и любой однопереходный солнечный элемент будет оптимизирован для захвата фотонов только в пределах определенной полосы частот, тратя впустую остальное. Некоторые из фотонов, попадающих на солнечный элемент, не имеют достаточно энергии, чтобы выбить электроны, поэтому они эффективно тратятся впустую, в то время как у некоторых слишком много энергии, а избыток также теряется. Самые лучшие, передовые лабораторные ячейки могут управлять 46-процентной эффективностью в абсолютно идеальных условиях, используя множество соединений для захвата фотонов с различной энергией.

• Тень. Затененные солнечные панели не будут вырабатывать столько же энергии, сколько панели на полноценном солнце. Если ваша крыша лишена солнечного света, затенена необрезанными деревьями или зданиями, солнечная энергия может оказаться не лучшим выбором.
• Сезонность. Как и погода, выработка солнечной энергии меняется день ото дня и месяц за месяцем. Облачный зимний день не будет таким же продуктивным, как солнечный летний. Но важно сосредоточиться на круглогодичной картине. Например, снег иногда может отражать свет и улучшать фотоэлектрические характеристики. Таким образом, в действительности холодный месяц станет солнечным антагонистом, только если слякоть не покроет панели.
• Наклон. Солнечные панели должны иметь хороший наклон. Направление, в котором стоит ваш дом, его расположение, и даже уклон крыши, оказывают существенное влияние на эффективность работы солнечной солнечной системы. В идеале солнечные панели должны находиться под тем же углом, что и широта, на которой они установлены. Отклонения от 30 до 45 градусов обычно работают хорошо в большинстве сценариев.
• Азимут. Угол солнечного азимута — это направление компаса, откуда идет солнечный свет. В полдень солнечный свет исходит с юга в северном полушарии и с севера в южном полушарии. Неправильный угол азимута может снизить эффективность солнечной панели дома до 35%. Азимут нуля (обращенный к экватору) обычно является лучшим выбором.

Реальные бытовые солнечные панели могут достичь эффективности около 15 процентов, дать процентное соотношение здесь или там, и это вряд ли станет намного лучше. Солнечные элементы первого поколения с однопереходными солнечными батареями не будут приближаться к 30-процентному КПД ограничения Шокли-Кейссера, не говоря уже о лабораторных показателях в 46 процентов. Все виды неприятных реальных факторов будут влиять на номинальную эффективность, включая конструкцию панелей, то, как они расположены и под каким углом находятся, попадают ли они в тень, в какой чистоте вы их держите, насколько они горячие (повышение температуры имеют тенденцию снижать их эффективность), и вентилируются ли они (позволяя воздуху циркулировать внизу), чтобы они оставались прохладными.

Большинство солнечных панелей, которые вы видите сегодня на крышах домов, по сути, представляют собой просто кремниевые бутерброды, специально обработанные («легированные»), чтобы сделать их лучшими электрическими проводниками. Ученые называют эти классические солнечные элементы первым поколением, в значительной степени отличая их от двух разных, более современных технологий, известных как второе и третье поколение. Так в чем же разница?

Около 90 процентов солнечных панелей в мире изготовлены из пластин кристаллического кремния (сокращенно c-Si), нарезанных из крупных слитков, которые выращиваются в суперчистых лабораториях, процесс которых может занять до месяца. Слитки либо принимают форму монокристаллов (монокристаллический или моно-Si), либо содержат несколько кристаллов (поликристаллический, мульти-Si или поли-c-Si). Солнечные элементы первого поколения работают так, как мы показали выше: они используют одно простое соединение между кремниевыми слоями n-типа и p-типа, которые вырезаны из отдельных слитков. Таким образом, слиток n-типа можно получить, нагревая куски кремния с небольшим количеством фосфора, сурьмы или мышьяка в качестве легирующей добавки, в то время как слиток р-типа будет использовать бор в качестве легирующей примеси. Ломтики кремния n-типа и p-типа затем сливаются для соединения. Добавлены еще несколько наворотов (например, антиотражающее покрытие, которое улучшает поглощение света и придает фотоэлектрическим элементам их характерный синий цвет, защитное стекло на передней панели и пластиковая подложка, а также металлические соединения, позволяющие подключить элемент к цепи), но простой pn-переход — это сущность большинства солнечных панелей.

Классические солнечные элементы представляют собой относительно тонкие пластины — обычно их доля составляет миллиметровую глубину (около 200 микрометров, 200 микрон или около того). Но они являются абсолютными плитами по сравнению с элементами второго поколения, широко известными как тонкопленочные солнечные элементы(TPSC) или тонкопленочные фотоэлектрические элементы (TFPV), которые снова примерно в 100 раз тоньше (несколько микрометров или миллионные доли метра глубиной). Хотя большинство из них все еще сделаны из кремния (другая форма, известная как аморфный кремний, a-Si, в которой атомы расположены случайным образом, а не точно упорядочены в правильной кристаллической структуре), некоторые сделаны из других материалов, в частности, теллурида кадмия (Cd -Te) и диселенид меди-индия-галлия (CIGS). Поскольку они чрезвычайно тонкие, легкие и гибкие, солнечные элементы второго поколения можно ламинировать на окнах, окнах в крыше, черепице и всех видах «подложек» (материалов подложки), включая металлы , стекло и полимеры (пластики). То, что элементы второго поколения приобретают в гибкости, они жертвуют эффективностью: классические солнечные элементы первого поколения по-прежнему превосходят их. Таким образом, в то время как первоклассные ячейки первого поколения могут достигать эффективности 15–20 процентов, аморфный кремний изо всех сил пытается достичь более 7 процентов, а лучшие тонкопленочные ячейки Cd-Te справляются только с 11 процентами, а ячейки CIGS не лучше чем 7–12 процентов. Это одна из причин, почему, несмотря на их практические преимущества, элементы второго поколения до сих пор оказывали относительно небольшое влияние на солнечный рынок.

Новейшие технологии сочетают в себе лучшие черты ячеек первого и второго поколения. Как и клетки первого поколения, они обещают относительно высокую эффективность (30 процентов и более). Как и элементы второго поколения, они, скорее всего, будут изготовлены из материалов, отличных от «простого» кремния, таких как аморфный кремний, органические полимеры (создание органических фотоэлектрических элементов), кристаллы перовскита, и имеют несколько соединений (из нескольких слоев) различных полупроводниковых материалов. В идеале это сделало бы их дешевле, эффективнее и практичнее, чем клетки первого или второго поколения.

В теории огромное количество. Давайте на время забудем солнечные элементы и просто рассмотрим чистый солнечный свет. До 1000 Вт необработанной солнечной энергии попадает на каждый квадратный метр Земли, направленной прямо с Солнца (это теоретическая мощность прямого солнечного света в полдень в безоблачный день — солнечные лучи излучают перпендикулярно поверхности Земли и дают максимальное освещение или инсоляцию), как это технически известно. На практике, после того, как мы скорректировали наклон планеты и время суток, лучшее, что мы можем получить, это, возможно, 100–250 Вт на квадратный метр в типичных северных широтах (даже в безоблачный день). Это составляет примерно 2–6 кВт/ч в день (в зависимости от того, находитесь ли вы в северном регионе, например, в Канаде или Шотландии, или наоборот в южном полушарии, например, в Аризоне или Мексике). Умножение производства на целый год дает нам где-то между 700 и 2500 кВт/ч на квадратный метр (700–2500 единиц электроэнергии). Более жаркие регионы, очевидно, обладают гораздо большим солнечным потенциалом: например, на Ближнем Востоке ежегодно получается на 50–100 процентов больше солнечной энергии, чем в Европе.

К сожалению, типичные солнечные элементы эффективны только на 15 процентов, поэтому мы можем захватить только часть этой теоретической энергии. Вот почему солнечные панели должны быть такими большими: количество энергии, которую вы можете производить, очевидно, напрямую связано с тем, сколько места вы можете позволить себе покрыть панелями. Один солнечный элемент (примерно размером с компакт-диск) может генерировать около 3–4,5 Вт; типичный солнечный модуль, изготовленный из массива около 40 элементов (5 рядов по 8 элементов), может генерировать около 100–300 Вт; поэтому несколько солнечных панелей, каждая из которых состоит из 3–4 модулей, могут генерировать абсолютный максимум в несколько киловатт (вероятно, достаточно для удовлетворения пиковой потребности дома в электроэнергии).

11 лучших солнечных панелей для частного дома в 2023 году

Современные тенденции развития цивилизации обуславливаются все более широким применением альтернативных источников питания для повседневных нужд. В первую очередь это касается энергии небесного светила. Чтобы получить из него электрический ток, нужно использовать солнечные панели

Солнечная панель (батарея) – это устройство, имеющее в своем составе множество фотоэлектрических преобразователей. Другое название – фотоэлементы, по физическим свойствам являющиеся полупроводниками. Лучи небесного светила попадают на поглощающий их материал, а они превращают энергию солнечного света в постоянный электрический ток. Далее активизируются электроны, которые приходят в движение, а получающийся заряд с определенной степенью напряжения выводится для накопления в аккумулятор.

Например, электростанция до 3 кВт-ч, работающая на этом принципе, способна обеспечить функционирование всей бытовых механизмов, обычно применяемых на даче или в загородном доме: систему освещения, насосы, холодильник, компьютерную технику, аккумуляторные агрегаты. Удобство таких устройств заключается в том, что они не требуют практически никакого обслуживания. Достаточно их установить один раз, и они будут исправно давать питание на протяжении десятилетий. Правда, потери мощности после 20 лет эксплуатации могут составить до 10%.

Устройство гелиосистемы довольно просто. В ее состав входят основные функциональные звенья:

Модуль предназначен для поглощения энергии солнца и преобразовании ее в электрический ток мощностью 100 Вт при напряжении 12 В (хотя имеет компактные размеры 680 на 760 мм). Во время повышенной пасмурности параметры могут быть снижены. Агрегат собран из монокристаллических токопреобразующих элементов, которые за 10 лет эксплуатации способны сохранять 95 процентов от номинального мощностного показателя.

Распределительный блок имеет только один диод, элементы схемы плохо защищены (нет заливки компаундом). При этом модуль обладает небольшим весом (5.15 кг), что облегчает монтаж.

Основные характеристики

Солнечная батарея монокристаллического типа, основным компонентом в которой являются кристаллы кремния монолитной структуры. Прибор показывает высокую производительность по току (120 Вт) и напряжению (18 В) даже в зимний пасмурный день. При этом сила тока составляет 6,67 А.

Небольшой вес (4,2 кг) компактные размеры (1500х550х5 мм) максимально облегчают установку конструкции в рабочее положение. Переносной вариант обеспечивает снабжение электричеством в зонах активного отдыха, вдали от стационарных сетей. Панель имеет в комплекте преобразователь и контроллер. Пользователи отмечают, что к устройству инструкция непонятная и типовая (под все модели), что вызывает сложности при установке.

Основные характеристики

Предназначается для зарядки аккумуляторных солнечных батарей, питания вычислительной техники и других бытовых приборов. Область применения: загородный дом, места пребывания вне доступа к сетевому электричеству. Компактная панель (850х410 мм) преобразовывает солнечный свет в ток мощностью 60 Вт, напряжением 18 В, силой 5,56 А.

Устройство оснащено встроенным преобразователем, имеющим два порта USB и выход DC (один из которых обеспечивает формат быстрой зарядки QC3.0). Однако выход на максимальную скорость зависит от яркости солнца (трудно получить максимальную мощность даже при ярком солнце). Прибор оснащен LED-индикатором в виде светодиода красного цвета.

Основные характеристики

Модуль предназначен для обеспечения электричеством отдельно стоящих домовладений и небольших зданий общественного пользования. Она снабжает местную электросеть током мощностью 340 Вт и напряжением 24 В. Поглощение света осуществляется солнечными элементами поликристаллической структуры.

Конструкция содержит дополнительный внутренний отражающий слой и поглощающие ячейки, которые смонтированы при помощи автоматической пайки. Все эти факторы повышают токоотдачу в максимально пасмурную погоду. Панели в процессе производства проходят удвоенный контроль качества, однако отгрузка товара производится только в оберточную пленку (без упаковки).

Основные характеристики

Прибор не испытывает деформаций и стабильно работает в самых сложных погодных условиях. 36 фотоэлементов выдают на бытовые нужды ток мощностью 100 Вт, напряжением 12 В и силой 5,5 А. Панель легко монтируется для подключения в солнечные станции частных домов и других мест потребления. Работает в температурном диапазоне -40 °C до +85 °C при ветровой нагрузке 5400 Па.

Обеспечивает полную автономность от стационарных электросетей. Прибор через контроллер с зажимами типа «крокодил» может заряжать автомобильные аккумуляторы и автохолодильник, а компьютерную и другую технику – от порта USB и розетки 220 В (для этого имеется преобразователь 12/220В, но придется приобрести инвертор). Панель путем преобразования солнечного света вырабатывает ток мощностью 100 Вт, напряжением 12 В и силой 6,1 А.

Фотоэлементы изготовлены из монокристаллического кремния и обеспечивают стабильную работу при температуре от -45 до +80 градусов. Компактные размеры (500x700x12 мм) и небольшая масса (2,7 кг) позволяют легко монтировать солнечную батарею в любом месте. Длинный провод (3 м) с разъемами создает максимум удобств при подключении.

Основные характеристики

Представляет новое поколение батарей, работающих от солнца, и изготовлен по самой современной технологии Half cell PERC (разрезание солнцепоглощающих элементов на две половины при помощи лазера). Это позволило повысить эффективность преобразования света в ток (550 Вт, 24 В) на 21%. В условиях затененности такие ячейки меньше перегреваются и дольше служат. Большие габаритные размеры (2279х1134х35 мм) утяжелили конструкцию до 28,6 кг.

Панель может вырабатывать ток, даже если она наполовину закрыта густой тенью. Модуль включает в свой состав повышенное по сравнению с другими количество токопроводящих шин (11 шт.). Причем их максимально укоротили, что дает снижение мощностных потерь до 6% (от 5 до 15 Вт).

Основные характеристики

Оборудование рассчитано на работу в средней полосе РФ. Прибор обеспечивает питанием электроприборы мощностью до 3 кВт (различные гаджеты, компьютеры, система освещения, бытовые насосы). Суточная выработка тока составляет 3.5 кВт-ч с двумя режимами в 12 и 24 В. В зимний период она снижается до усредненного значения 870 Вт-ч, поэтому подключение отопления не целесообразно.

Установка допускает возможность модернизации с добавлением солнечных панелей и/или аккумуляторных батарей для увеличения времени работы, электротока и экономии. Электростанция подключается к генератору или внешней сети (в автоматическом режиме). В комплект поставки входят солнечные батареи, контроллер, аккумуляторы общей мощностью 210 А-ч и инвертор. Вес агрегата составляет 200 кг.

Основные характеристики

Панели премиального класса предназначены для создания солнечных станций как автономного, так и сетевого типа, дающих суммарную мощность 340 Вт при напряжении 24 В (в сильно пасмурную погоду показатель может падать). Они пользуются повышенным спросом из-за оптимального соотношения стоимости и качества.

Батарейный модуль произведен из солнцепоглощающих элементов поликристаллической структуры. Они отличаются высокой чувствительностью к поглощению световых лучей (способны воспринимать даже максимально рассеянный солнечный свет).

Анодированный алюминий дает достаточную жесткость несущей раме. Увеличивает прочность конструкции пластины из закаленного стекла. Как показала практика использования в фермерских хозяйствах и частных домовладениях, срок службы панели длится более четверти века.

Основные характеристики

Панель данного типа при относительно компактных размерах (1580х514 мм) имеет высокий коэффициент конверсии (в среднем на 23% больше, чем аналогичные устройства). Она собрана из монокристаллических солнцепоглощающих ячеек, выдающих ток мощностью 110 Вт и напряжением около 22 В. В некоторых случаях возможно отклонение от заданных параметров зарядки.

Рама изготовлена из высокопрочного композитного материала. В комплектацию входит зарядная портативная станция. Прибор имеет возможность использования в мобильном варианте – для этого он укомплектован дорожным чехлом, который служит одновременно как подставка с регулируемым углом наклона. Панель может работать в диапазоне температур от -20 °C до +85 °C. Аппарат прошел сертификацию по стандарту IP68 (погружение в воду сроком на 72 часа и противоударность).

Основные характеристики

Монокристаллическая панель собрана из элементов поглощения солнечного света, изготовленных из монолитных кремниевых кристаллов. Аппарат вырабатывает ток мощностью 200 Вт, напряжением 18 В, максимальной силой 11 А (можно подключить даже морозильник 12 В). При относительно средних размерах (2200х550 мм) он весит всего 7,8 кг, что существенно облегчает монтаж.

В комплект поставки входит контроллер, а также предусмотрен выход на прикуриватель. Солнечную батарею можно использовать в переносном варианте вдали от стационарных сетей (имеется удобная сумка, однако отсутствует надежная защита от дождя).

Как работают солнечные батареи

©Wikipedia

Когда-то фотоэлементы использовались почти исключительно в космосе, например, в качестве основного источника энергии спутников. С тех пор солнечные батареи все больше входят в нашу жизнь: ими покрывают крыши домов и машин, используют в наручных часах и даже в темных очках.

Но как же функционируют солнечные батареи? Каким образом удается преобразовывать энергию солнечных лучей в электричество?

Основные принципы

Солнечные панели состоят из фотоэлектрических ячеек, запакованных в общую рамку. Каждая из них сделана из полупроводникового материала, например, кремния, который чаще всего используется в солнечных батареях.

Когда лучи падают на полупроводник, тот нагревается, частично поглощая их энергию. Приток энергии высвобождает электроны внутри полупроводника. К фотоэлементу прилагается электрическое поле, которое направляет свободные электроны, заставляя их двигаться в определенном направлении. Этот поток электронов и образует электрический ток.

Если приложить металлические контакты к верху и к низу фотоэлемента, можно направить полученный ток по проводам и использовать его для работы различных устройств. Сила тока вместе с напряжением ячейки определяют мощность электроэнергии, производимой фотоэлементом.

Кремниевые полупроводники

Рассмотрим процесс высвобождения электронов на примере кремния. Атом кремния имеет 14 электронов в трех оболочках. Первые две оболочки полностью заполнены двумя и восемью электронами соответственно. Третья же оболочка наполовину пуста – в ней всего 4 электрона.

Благодаря этому кремний имеет кристаллическую форму; пытаясь заполнить пустоты в третьей оболочке, атомы кремния пытаются «делиться» электронами с соседями. Однако кристалл кремния в чистом виде – плохой проводник, поскольку практически все его электроны крепко сидят в кристаллической решетке.

Поэтому в солнечных батареях используют не чистый кремний, а кристаллы с небольшими примесями, т. е. в кремний вводятся атомы других веществ. На миллион атомов кремния приходится всего один атом, например, атом фосфора.

У фосфора пять электронов во внешней оболочке. Четыре из них образуют кристаллические связи с близлежащими атомами кремния, однако пятый электрон фактически остается «висеть» в пространстве, без всяких связей с соседними атомами.

Когда на кремний попадают солнечные лучи, его электроны получают дополнительную энергию, которой оказывается достаточно, чтобы оторвать их от соответствующих атомов. В результате на их месте остаются «дырки». Освободившиеся же электроны блуждают по кристаллической решетке как носители электрического тока. Встретив очередную «дырку», они заполняют ее.

Однако в чистом кремнии таких свободных электронов слишком мало из-за крепких связей атомов в кристаллической решетке. Совсем другое дело – кремний с примесью фосфора. Для высвобождения несвязанных электронов в атомах фосфора требуется приложить значительно меньшее количество энергии.

Большая часть таких электронов становится свободными носителями, которые можно эффективно направлять и использовать для получения электричества. Процесс добавления примесей для улучшения химических и физических свойств вещества называется легированием.

Кремний, легированный атомами фосфора, становится электронным полупроводником n-типа (от слова «negative», из-за отрицательного заряда электронов).

Кремний также легируют бором, у которого всего три электрона во внешней оболочке. В результате получается полупроводник p-типа (от «positive»), в котором возникают свободные положительно заряженные «дырки».

Устройство солнечной батареи

Что же произойдет, если соединить полупроводник n-типа с полупроводником p-типа? В первом из них образовалось множество свободных электронов, а во втором – много дырок. Электроны стремятся как можно быстрее заполнить дырки, но если это произойдет, оба полупроводника станут электрически нейтральными.

Вместо этого при проникновении свободных электронов в полупроводник p-типа, область на стыке обоих веществ заряжается, образуя барьер, перейти который не так просто. На границе p-n перехода возникает электрическое поле.

Энергии каждого фотона солнечного света хватает обычно на высвобождение одного электрона, а значит и на образование одной лишней дырки. Если это происходит вблизи p-n перехода, электрическое поле посылает свободный электрон на n-сторону, а дырку – на p-сторону.

Таким образом, равновесие нарушается еще больше, и если приложить к системе внешнее электрическое поле, свободные электроны потекут на p-сторону, чтобы заполнить дырки, создавая электрический ток.

К сожалению, кремний довольно хорошо отражает свет, а значит, значительная часть фотонов пропадает втуне. Чтобы уменьшить потери, фотоэлементы покрывают антибликовым покрытием. Наконец, чтобы защитить солнечную батарею от дождя и ветра, ее также принято покрывать стеклом.

Коэффициент полезного действия современных солнечных батарей не слишком высок. Большинство из них эффективно перерабатывают от 12 до 18 процентов попадающего на них солнечного света. Лучшие образцы перешли 40-процентный барьер КПД.

Солнечные элементы. Принципы работы солнечных батарей

Простейшая конструкция солнечного элемента (СЭ) – прибора для преобразования энергии солнечного излучения – на основе монокристаллического кремния показана на рис.1. На малой глубине от поверхности кремниевой пластины p-типа сформирован p-n-переход с тонким металлическим контактом. На тыльную сторону пластины нанесен сплошной металлический контакт.

Когда СЭ освещается, поглощенные фотоны генерируют неравновесные электрон-дырочные пары. Электроны, генерируемые в p-слое вблизи p-n-перехода, подходят к p-n-переходу и существующим в нем электрическим полем выносятся в n-область.

Аналогично и избыточные дырки, созданные в n-слое, частично переносятся в p-слой (рис.2а). В результате n-слой приобретает дополнительный отрицательный заряд, а p-слой – положительный. Снижается первоначальная контактная разность потенциалов между p- и n-слоями полупроводника, и во внешней цепи появляется напряжение (рис.2б).

Отрицательному полюсу источника тока соответствует n-слой, а p-слой – положительному.

Рис.2. Зонная модель разомкнутого p-n-перехода:
а) – в начальный момент освещения;
б) – изменение зонной модели под действием
постоянного освещения и возникновение фотоЭДС

Величина установившейся фотоЭДС при освещении перехода излучением постоянной интенсивности описывается уравнением вольт-амперной характеристики (ВАХ) (рис.3):

где Is– ток насыщения, а Iph – фототок.

ВАХ поясняет эквивалентная схема фотоэлемента (рис.4), включающая источник тока

где S – площадь фотоэлемента, а коэффициент собирания Q – безразмерный множитель (

Материалы для солнечных элементов

Для эффективной работы солнечных элементов необходимо соблюдение ряда условий:

• оптический коэффициент поглощения (a) активного слоя полупроводника должен быть достаточно большим, чтобы обеспечить поглощение существенной части энергии солнечного света в пределах толщины слоя;
• генерируемые при освещении электроны и дырки должны эффективно собираться на контактных электродах с обеих сторон активного слоя;
• солнечный элемент должен обладать значительной высотой барьера в полупроводниковом переходе;
• полное сопротивление, включенное последовательно с солнечным элементом (исключая сопротивление нагрузки), должно быть малым для того, чтобы уменьшить потери мощности (джоулево тепло) в процессе работы;
• структура тонкой пленки должна быть однородной по всей активной области солнечного элемента, чтобы исключить закорачивание и влияние шунтирующих сопротивлений на характеристики элемента.

Производство структур на основе монокристаллического кремния, удовлетворяющих данным требованиям, – процесс технологически сложный и дорогостоящий. Поэтому внимание было обращено на такие материалы, как сплавы на основе аморфного кремния (a-Si:H), арсенид галлия и поликристаллические полупроводники.

Аморфный кремний выступил в качестве более дешевой альтернативы монокристаллическому. Первые СЭ на его основе были созданы в 1975 году. Оптическое поглощение аморфного кремния в 20 раз выше, чем кристаллического. Поэтому для существенного поглощения видимого света достаточно пленки а-Si:Н толщиной 0,5–1,0 мкм вместо дорогостоящих кремниевых 300-мкм подложек. Кроме того, благодаря существующим технологиям получения тонких пленок аморфного кремния большой площади не требуется операции резки, шлифовки и полировки, необходимых для СЭ на основе монокристаллического кремния. По сравнению с поликристаллическими кремниевыми элементами изделия на основе a-Si:Н производят при более низких температурах (300°С): можно использовать дешевые стеклянные подложки, что сократит расход кремния в 20 раз.

Пока максимальный КПД экспериментальных элементов на основе а-Si:Н – 12% – несколько ниже КПД кристаллических кремниевых СЭ (~15%). Однако не исключено, что с развитием технологии КПД элементов на основе а-Si:Н достигнет теоретического потолка – 16 %.

Наиболее простые конструкции СЭ из а-Si:Н были созданы на основе структуры металл – полупроводник (диод Шотки) (рис. 6). Несмотря на видимую простоту, их реализация достаточно проблематична – металлический электрод должен быть прозрачным и равномерным по толщине, а все состояния на границе металл/а-Si:Н – стабильными во времени. чаще всего солнечные элементы на основе а-Si:Н формируют на ленте из нержавеющей стали или на стеклянных подложках, покрытых проводящим слоем.

Рис.5. Конструкция фотоэлемента с барьером Шотки

При использовании стеклянных подложек на них наносят прозрачную для света проводящую оксидную пленку (ТСО) из SnO2, In2O3 или SnO2+In2O3 (ITO), что позволяет освещать элемент через стекло. Поскольку у нелегированного слоя электронная проводимость выражена слабо, барьер Шотки создается за счет осаждения металлических пленок с высокой работой выхода (Pt, Rh, Pd), которая обуславливает образование области положительного объемного заряда (обедненного слоя) в а-Si:Н.

При нанесении аморфного кремния на металлическую подложку образуется нежелательный потенциальный барьер а-Si:Н/металлическая подложка, высоту которого необходимо уменьшать. Для этого используют подложки из металлов с малой работой выхода (Mo, Ni, Nb). Перед нанесением аморфного кремния желательно осадить на металлической подложке тонкий слой (10–30 нм) а-Si:Н, легированный фосфором. Не рекомендуется использовать в качестве материалов электродов легко диффундирующие в аморфный кремний металлы (например, Au и Al), а также Cu и Ag, поскольку а-Si:Н обладает плохой адгезией к ним. Отметим, что Uxx солнечных элементов с барьером Шотки на основе а-Si:Н обычно не превышает 0,6 В.

Более высокой эффективностью обладают СЭ на основе аморфного кремния с p-i-n-структурой (рис.6). В этом “заслуга” широкой нелегированной i-области a-Si:H, поглощающей существенную долю света. Но возникает проблема – диффузионная длина дырок в a-Si:H очень мала (~100 нм), поэтому в солнечных элементах на основе a-Si:H носители заряда достигают электродов в основном только благодаря внутреннему электрическому полю, т.е. за счет дрейфа носителей заряда. В СЭ на основе кристаллических полупроводников носители заряда, имея большую диффузионную длину (100 – 200 мкм), достигают электродов и в отсутствие электрического поля. Поскольку в простом p-n-переходе в a-Si:H область сильного электрического поля очень узка и диффузионная длина носителей заряда мала, в большей части СЭ не происходит эффективного разделения носителей заряда, генерируемых при поглощении света.

Следовательно, для получения эффективных СЭ на основе p-i-n-сруктуры аморфного гидрогенизированного кремния необходимо добиться во всей i-области однородного мощного внутреннего электрического поля, достаточного для достижения длины дрейфа носителей, соизмеримого с размерами области поглощения (см. рис.6).

Рис.6. Энергетическая зонная диаграмма p-i-n-структуры (а)
и расчетное распределение электрического поля (б)

Данная задача решается, если при изготовлении p-i-n-структуры первым формировать p-слой (рис.7). Для его создания необходимо небольшое количество бора (

Что такое солнечные элементы, каково их предназначение?

Солнечный элемент (по-другому он еще именуется фотоэлемент) – это прибор, состоящий из полупроводников, основным предназначением которого является трансформация энергии света в ток. Научной основой рассматриваемого преобразования служит явление фотоэффекта.

Солнечные элементы совершенно обоснованно называют наиболее значимой частью солнечных батарей, потому как последние и есть не что иное, как соединенные между собой в единую систему солнечные элементы (их количество определяется размерами системы). Функция солнечных элементов заключается в преобразовании световой энергии в ток (причем постоянный).

Благодаря своим функциональным и структурным особенностям, солнечные элементы, как и построенные уже на их основе батареи, могут иметь самые разные размеры – начиная от микроскопических солнечных элементов калькулятора до покрытия машин и зданий (чаще всего вы можете их видеть установленными на крышах).

С каждым годом актуальность использования энергии Солнца растет, ведь она считается достойной альтернативой устаревающей выработке электроэнергии, добываемой путем переработки ископаемых видов топлива и энергии атома. Поэтому в данном направлении отмечается систематический, неуклонный прогресс.

Принцип работы любых фотоэлементов зиждется на полупроводниковом pn переходе. В случае проникновении фотона в область, непосредственно прилегающую к pn переходу, возникает пара носителей заряда. Таковыми являются электрон и дырка. С высокой долей вероятности одна из этих частиц, играющая роль неосновного заряда, проникает чрез переход. Результатом этого явления становится то, что появившиеся благодаря поглощению световой энергии фотона заряды, утрачивают способность к рекомбинированию и разделяются в пространстве. Соответственно, происходит нарушение равновесия плотности зарядов. При подсоединении элемента к внешней нагрузке в цепи появляется ток. Большая часть необратимых энергопотерь в фотоэлементах так или иначе связана с низким КПД трансформации фотона в электронно-дырочную пару.

Применение на практике

Солнечные элементы стали незаменимы для электроснабжения преимущественно в отдаленных от ЛЭП местах или на орбитальных станциях, не позволяющих использовать электросеть. Кроме того, современные технологии сделали возможным применение солнечных элементов для запиткикалькуляторов, радиотелефонов, а также зарядных устройств, насосов.
Август 2009 г. ознаменовался тем, что ученые смогли достичь рекордной эффективности КПД солнечных батарей – 43% (иначе говоря, в данном случае 43% солнечной энергии переходило в электрическую). Однако приведенный рекорд имел только лишь теоретическое значение – не было соблюдено несколько условий, имеющих место на практике.

Например, до того момента, как свет попадал на батареи, он фокусировался особыми линзами. Помимо этого, стоимость всего задействованного в ходе эксперимента оборудования была далека от значений, позволительных в промышленном производстве. Поэтому рекорды практикой выглядят куда более скромными – в реальных условиях КПД рассматриваемого процесса не превышает 25%.

Классификация солнечных элементов

В зависимости от того, какие материалы были использованы при изготовлении фотоэлемента, принято различать следующие их типы:

• Монокристаллические – они являются наиболее сложными и дорогостоящими (из всех, использующихся в широком обиходе), потому как для их изготовления необходим кристаллический кремний. Вместе с тем, именно они обеспечивают максимальный КПД (14% -20% трансформации световой энергии в ток).
• Поликристаллические илимультикристаллическиефотоэлементы – изготовлены из более доступного по цене материала, но вместе с тем отличаются и меньшей эффективностью.
• Тонкопленочные фотоэлементы – их функционирование становится возможным благодаря использованию тонких пленок, изготавливаемых из расплавленного кремния. Эти фотоэлементы оказываются наименее эффективны.

Гетерофотоелементы (используются в космических аппаратах) – наиболее дорогостоящие, они состоят из большого количества pn-переходов (AlGaAs-GaAs), и обеспечивают максимальную эффективность – 35% – 50%. Но они стоят очень дорого, что значительно суживает их область применения.

Солнечные элементы и их виды

Солнечные элементы – это части батарей, которые генерируют электрический ток. Появились они сравнительно недавно, в XIX веке, и только сейчас их начали использовать в качестве недорогого, но эффективного способа добычи энергоресурсов. Принцип работы солнечных батарей довольно прост. Ими можно оснастить жилое или нежилое помещения. Существуют различные виды данных элементов питания. Разберем их более подробно.

Элементы солнечных батарей

Зачастую энергия солнечной панели используется для дома и его нужд. Вырабатываемого электрического тока достаточно для двухэлементной бойлерной системы, холодильника, телевизора и прочих бытовых приборов.

Солнечные лучи – это экологически чистое «топливо». Ведь в процессе работы модуль солнечной батареи не выделяет обилие вредных выхлопов, углекислый газ и не расходует невосполнимые природные ископаемые.

Стоит понимать, что солнечные батареи складываются из множества модулей. И то, что мы видим на крыше зданий или на стенах, является только частью системы.

Из чего состоит солнечная система электроснабжения:

1. Солнечные ячейки, складывающиеся в панели. Это те видимые нам батареи, которые крепятся на крышу или стены. . Данный элемент в системе необходим для накапливания лишней энергии, например, в ясный день. В пасмурную погоду, когда батареи работают не на полную мощность, ток на бытовые нужды берется из АКБ. регулирует заряд аккумулятора, подсказывает владельцу системы, что заряда недостаточно или слишком много. Излишнее напряжение губительно для аккумулятора.
2. Преобразователь постоянного тока в переменный (инвертор) необходим для работоспособности бытовых приборов. Ведь не все из них способны работать на постоянном потоке заряженных частиц.

Подключая солнечные модули, необходимо уже изначально определиться с местом их расположения, видом, количеством бытовой техники, необходимостью контролера АБК.

Стоит понимать, что такая системы является наборной, и вы с легкостью можете установить еще не один солнечный модуль.

Принцип работы солнечных батарей

Человечество научилось получать энергию из ископаемых, потоков воды и порывов ветра, дошли и до применения световых лучей. Существуют даже солнечные модули, которые поглощают невидимый инфракрасный спектр и работают ночью. Всепогодные батареи эффективны в пасмурную погоду, туман, дождь.

Принцип работы любой батареи – преобразование лучей солнца в электрический импульс.

Зачастую солнечные модули работают на кристаллах кремния, и этому есть объяснение. Данный металл чувствителен к воздействию лучей, он недорог в добыче, а КПД батарей составляет 17-25%. Кристалл кремния при попадании на него солнечных лучей образует направленное движение электронов. При средней площади батареи 1-1,5 м² можно достичь на выходе напряжение в 250 Вт.

В настоящее время применяется не только кремний, но и соединения селена, меди, иридия и полимеров. Но широкого распространения они не получили, даже несмотря на КПД в 30-50%. Все потому, что они очень дороги. Для электрификации обычного дачного или загородного дома отлично подойдет кремниевая фотоэлектрическая панель.

Виды солнечных батарей

Такие аккумуляторы постоянно видоизменяются. Эта область модифицируется и подвергается инновационным решениям.

Именно поэтому существует много видов солнечных панелей.

Монокристаллические

Данные батареи обладают хорошим КПД. Каждая ячейка являет собой отдельный кристалл кремния. Поверхность батареи слегка выпуклая, насыщенного синего цвета. Фотоэлектрические панели этого типа имеют самую высокую цену, которая обуславливается сложностью технологии. Ведь все кристаллы развернуты в одном направлении.

Необходимо будет дополнительное оборудование, которое будет разворачивать комплекс панелей в зависимости от положения Солнца на горизонте. Из-за необходимости прямых лучей такие элементы устанавливают на хорошо освещенных участках или возвышенностях.

Средний срок эксплуатации – 25 лет.

Поликристаллические (multi-Si)

Солнечные модули данного вида обладают неравномерно насыщенным синим цветом из-за разной направленности кристаллов кремния. Они дешевле монокристаллических аналогов, обладают хорошим КПД, их не нужно разворачивать к солнцу. В пасмурную погоду или облачность они показывают лучшие результаты, нежели вышеописанный вид.

Средний срок эксплуатации без потери качеств – 15-20 лет.

Аморфные (полимерные солнечные батареи)

В данном случае используются не цельные кристаллы, а гидрид кремния. Его наносят на твердую или гибкую подложку. Преимуществами является низкая стоимость. К тому же, полимерный солнечный элемент можно нанести на любую гибкую подложку. Значит, вы можете по максимуму использовать скат крыши, неровные поверхности.

Фотоэлектрическая структура полимерного кремния позволяет поглощать свет даже рассеянный. Аморфные солнечные батареи выгодно ставить в условиях севера, короткого светового дня, в областях с агрессивными атмосферными условиями.

Существуют и другие, более редкие разновидности.

Органические

Эти солнечные батареи только изучаются. Активные разработки появились в последнем десятилетии, поэтому достоверных данных насчет гарантированного срока эксплуатации у производителей нет. Солнечный элемент использует органическую основу – соединения углерода.

Некоторые виды солнечных панелей данного строения обладают хорошим КПД, они пластичны, экологичны, просты в утилизации и значительно дешевле кремниевых аналогов.

Безкремниевые

Изготовлены на основе редких металлов. Вместо кремния применяются соединения теллура, селена, меди, индия. Данные металлы редкие и дорогие, поэтому стоимость батарей очень высокая. Однако панели этого типа могут работать в широком температурном диапазоне.

Сравнение КПД батарей разного типа

Разновидность панели	Максимальное значение КПД
Монокристаллические	20-25%
Поликристаллические	15-20%
Аморфные	6-7% (в некоторых случаях до 15%)
Органические	12-15%
На основе редких металлов	10-20%, в зависимости от применяемого металла. Некоторые панели могут выдавать до 40%

Как подобрать солнечную панель?

Как видите, типы солнечных батарей различны.

Подбирать устройство необходимо, исходя из многих факторов:

• степени освещенности территории;
• климата;
• площади помещения;
• количества бытовых приборов;
• финансового бюджета;
• площади крыши;
• возможности пользования стационарными электросетями;
• отдаленности от населенного пункта.

Естественно, если вы собираетесь поставить солнечные панели на дачу, где проводите время только летом, стоит побеспокоиться о безопасности вашего имущества.

Если у вас длинный световой день, хорошо освещаемая территория, то отдайте предпочтение моно- и поликристаллическим моделям. В холодных широтах приобретайте поликристаллические или полимерные фотоэлементы.

Виды подключения

Вы уже купили фотоэлементы для солнечных батарей, АКБ и все остальные составляющие. Осталось определиться с типом электроснабжения вашего жилища. Они бывают:

1. Автономные. В данном случае ваш дом питается только от солнечных батарей и никак не связан с общей электрификацией.
2. Смежные. Панели подключаются в общую сеть. Если бытовые приборы потребляют небольшое количество энергии, то стационарная сети не используется, ток берется из аккумулятора. В случае превышения потребностей электричество расходуется и из общей сети. Стоит учитывать, что без сети сами по себе батареи работать не будут.
3. Комбинированные похожи на смежные. Но в данном случае излишек электроэнергии, получаемый панелями, идет не в аккумулятор, а в общую сеть.

Какую систему и панели выбрать, решать только вам. Перед покупкой проконсультируйтесь у нескольких специалистов, ведь такие системы приобретаются не на один год. При правильном подключении они будут радовать вас долгое время.