Типы солнечных элементов: принцип работы, конструкция и применение
Солнечный элемент и его виды
Что такое солнечный элемент?
В фотовольтаическом (ФВ) преобразовании солнечное излучение падает на полупроводниковые устройства — солнечные элементы, которые преобразуют солнечный свет непосредственно в электричество.
Схематическая диаграмма фотовольтаической ячейки (PV-ячейки) или солнечного элемента приведена на рисунке.

Принцип действия основан на эффекте света на границе раздела двух типов полупроводников — p-типа и n-типа. N-тип имеет избыток электронов, p-тип — дефицит электронов (дырки).
Когда яркий свет падает на элемент, энергия фотонов позволяет электронам вырваться из зоны p-n-перехода.
Это называется фотоэлектрическим эффектом. Для монокристаллического кремния (4 валентных электрона) p-тип получают легированием борам (3 валентных электрона), толщина обычно 1 мкм; n-тип — легированием мышьяком или фосфором (5 валентных электронов), толщина обычно 800 мкм.

Читайте также: Что такое солнечная панель? Их типы, работа, преимущества и многое другое
Типы солнечных элементов
Ниже приведены различные типы солнечных элементов, используемые в солнечных панелях:
- Аморфнокремниевые солнечные элементы (a-Si)
- Биогибридные солнечные элементы
- Солнечные элементы с зарытым контактом (Buried contact)
- Кадмий-теллуридные солнечные элементы (CdTe)
- Концентрирующие ФВ-элементы (CVP и HCVP)
- Меднь-индий-галлий-селеневые солнечные элементы (CI(G)S)
- Кристаллические кремниевые солнечные элементы (c-Si)
- Красочно-сенсибилизированные солнечные элементы (Dye-sensitised)
- Гибридные солнечные элементы
- Многосоединенные солнечные элементы (Multi-junction)
- Монохроматические солнечные элементы
- Нанокристаллические солнечные элементы
- Фотоэлектрохимические ячейки
- Твердотельные солнечные элементы
- Пленочные солнечные элементы (Thin-Film)
- Оболочечные солнечные элементы на основе пластин (Wafer-based)
#1 Аморфнокремниевые солнечные элементы (a-Si)
Это модифицированные версии пленочных солнечных элементов. Используют три слоя аморфного кремния с разной шириной запрещенной зоны. Различные запрещенные зоны позволяют каждому слою реагировать на разную часть солнечного спектра, повышая КПД.
Аморфные элементы предлагают более высокий КПД, чем другие типы, и легко доступны. Но они требуют в два раза большую площадь для получения той же мощности, что и монохроматические элементы.
#2 Биогибридные солнечные элементы
Составлены из органического вещества (содержащего углерод) — фотосистемы — и неорганического вещества. Несколько слоев фотосистемы собирают фотонную энергию, преобразуют в химическую и создают ток, проходящий через элемент.
Главное преимущество — преобразование солнечной энергии в электричество с 100% эффективностью. Потеря мощности при переходе от химической к электрической энергии минимальна или отсутствует.
#3 Солнечные элементы с зарытым контактом
Технология высокого КПД. Работают на основе плавикового металлического контакта внутри лазерно образованной канавки.
Обеспечивают производительность на ~25% выше коммерческих экранно-печатных элементов. Прирост КПД дает существенные затратные и эксплуатационные преимущества.
#4 Кадмий-теллуридные солнечные элементы (CdTe)
Используют кадмий-теллурид в тонком полупроводниковом слое, предназначенном для поглощения и преобразования солнечного света в электричество. Являются основным фотопреобразовательным слоем и поглощают большую часть видимого света в первом микроне материала.
TCO-слой создает электрическое поле, преобразующее поглощенный в CdTe-слое свет в ток и напряжение. Эти системы значительно эффективнее сравнимых кристаллических кремниевых.
#5 Концентрирующие ФВ-элементы (CVP и HCVP)
Генерируют электрическую энергию так же, как обычные ФВ-системы. CVP обычно используют криволинейные зеркала для фокусировки солнечного света на маленькие, высокоэффективные многосоединенные солнечные элементы. Обеспечивают КПД ~40% и дешевле.
#6 Меднь-индий-галлий-селеневые солнечные элементы (CI(G)S)
Преобразуют энергию солнечного света в электрическую. Изготавливаются осаждением тонкого слоя меди, индия, галлия и селена на стекло или пластик, с электродами для сбора тока.
Благодаря высокому коэффициенту поглощения и сильного поглощения солнечного света требуется гораздо более тонкая пленка. Материалы поглощают значительную часть солнечного спектра, достигая наивысшего КПД.
#7 Кристаллические кремниевые солнечные элементы (c-Si)
Кристаллический кремний — основной полупроводниковый материал в ФВ-технологии. Состоят из кремниевых частиц, образующих кристаллическую решетку.
Кристаллическая решетка обеспечивает организованную структуру, делающую преобразование света в электричество более эффективным. Высокий КПД снижает стоимость конечной установки.
#8 Красочно-сенсибилизированные солнечные элементы
Дешевые пленочные солнечные элементы на полупроводнике, образованном между фоточувствительным анодом и электролитом — фотоэлектрохимическая система. Преобразуют свет в электричество с помощью органических красителей и полупроводников.
По сравнению с другими типами лучше работают при высоких температурах и рассеянном свете. Кроме того, дешевы в производстве, просты в изготовлении и манипулировании.
#9 Гибридные солнечные элементы
Состоят из двух материалов: органического и неорганического полупроводников. Органический материал — сопряженные полимеры, поглощающие свет как доноры и транспортирующие дырки.
Неорганические материалы выступают акцепторами и электронными транспортерами. Преимущество — накопление солнечной энергии и дешевая электричество. Использование солнечной энергии становится возможным в пиковые часы потребления.
#10 Многосоединенные солнечные элементы
Солнечные элементы с несколькими p-n переходами из различных полупроводниковых материалов. p-n переход каждого материала генерирует электрический ток в ответ на разные длины волн света.
Способны поглощать разные длины волн входящего солнечного света отдельными слоями. Это делает их более эффективными при преобразовании солнечного света в электричество, чем односоединенные элементы.
#11 Монохроматические солнечные элементы
Составлены из цилиндрического кремниевого слитка из единого кристалла кремния высокой чистоты, аналогичного полупроводнику. Работают как поликристаллические элементы.
Когда солнечный свет падает на монохроматические элементы, они поглощают энергию и через сложный процесс создают электрическое поле, включающее напряжение и ток, генерирующие электричество. Имеют относительно высокий КПД.
#12 Нанокристаллические солнечные элементы
Изготавливаются из материала, покрытого нанокристаллами (кремний, CdTe, или SiGs). Подложки — обычно кремний или различные органические полупроводники.
Нанокристаллы образуются методом центрифугирования: капля раствора квантовых точек наносится на плоскую поверхность, раствор распределяется равномерно, поверхность вращается до достижения требуемой толщины.
#13 Фотоэлектрохимические ячейки
Поглощают солнечный свет на полупроводнике или фотосенсибилизаторе для производства электрической энергии, аналогично красно-сенсибилизированным элементам.
Каждая ячейка состоит из одного или двух полупроводниковых фотоэлектродов, а также дополнительного металлического и референсного электрода, погруженных в электролит. Низкая стоимость и относительно простой процесс — одно из преимуществ.
#14 Твердотельные солнечные элементы
Обычно используются для полупроводникового оборудования, аналогичного диодам и интегральным схемам. Также в полупроводниковой электронике без движущихся частей, заменяя устройства с движущимися частями.
Состоят из двух кристаллов: один легирован n-типом (дополнительные свободные электроны зоны проводимости), другой — p-типом (дополнительные электронные дырки).
#15 Пленочные солнечные элементы (Thin-Film)
Преобразуют энергию солнечного света в электрическую с помощью фотовольтаического эффекта. Изготавливаются осаждением одного или нескольких тонких слоев на гибкую подложку: стекло, пластик или металл.
Сейчас различные типы пленочных элементов используются благодаря относительно низкой стоимости и эффективности генерации мощности. Применяются в технологиях: кадмий-теллурид, медь-индий-галлий-диселенид, аморфный пленочный кремний.
#16 Оболочечные солнечные элементы на основе пластин (Wafer-based)
Изготавливаются из пластин моно- или поликристаллического кремния. Достигают наивысшего КПД среди всех ФВ-технологий. Все функциональные слои осаждаются на подложку и разделяются для электрической изоляции подэлементов.
Принцип работы солнечного элемента
Фотоны солнца падают на элемент на сверхтонкой p-стороне и проникают до перехода, генерируя электронно-дырочные пары. Когда элемент подключен к нагрузке, электроны диффундируют от n-области. Направление тока (I) противоположно движению электронов.
Типичные вольт-амперные характеристики показаны на рисунке для двух уровней солнечной радиации: Voc — напряжение холостого хода, Isc — ток короткого замыкания. Идеальная мощность элемента — Vo·Isc. Максимальная полезная мощность — площадь наибольшего прямоугольника, вписанного под I-V кривой.

Если напряжение и ток в этой точке обозначены Vm и Im, максимальная полезная мощность = Vm·Im. Отношение максимальной полезной мощности к идеальной называется коэффициентом заполнения (k). Типичные значения для кремниевого элемента:
Voc = 450–400 мВ; Isc = 30–50 мА/см², k = 0,65–0,80.
Солнечные элементы в виде тонких пленок или пластин преобразуют от 3% до <30% падающей солнечной энергии в постоянный ток. Последовательно-параллельное соединение позволяет создавать панели с напряжением до нескольких киловольт.

В сочетании с накопителями энергии и оборудованием обусловления мощности эти элементы могут использоваться как неотъемлемая часть полной системы солнечно-электрического преобразования.
Применение солнечных элементов
Много практических применений для солнечных панелей или фотовольтаики. Первое применение — в сельском хозяйстве как источник питания для орошения. В здравоохранении — для холодильников медицинских препаратов. ФВ-модули используются в ФВ-системах и включают широкий спектр электроустройств:
Основные направления применения:
- Фотовольтаические электростанции
- Кровные солнечные ФВ-системы
- Автономные ФВ-системы
- Гибридные солнечные энергосистемы
- Концентрирующие фотовольтаические системы
- Солнечные панели
- Солнечные насоса-лазеры
- Солнечные транспортные средства
- Солнечные панели на космических аппаратах и орбитальных станциях
Вот и всё, спасибо за чтение. Если есть вопросы по «типам солнечных элементов» — пишите в комментариях. Если статья понравилась — делитесь с друзьями.
Подпишитесь на рассылку для получения нового контента:
Промышленные технологии
- Понимание 3D-печати: принципы, типы и ключевые применения
- Понимание MEMS: микроэлектромеханические системы, типы и применения
- Штамповка: виды, процессы и применение в металлообработке
- Лазерная лучевая обработка: типы, процесс и применение
- Быстрое прототипирование: типы, процессы и преимущества
- Аддитивное производство: типы, процессы и применения
- Строгание: процесс, принцип работы и основные виды
- Расточные станки: виды, назначение и применение
- Ионно-лучевая обработка (IBM): принципы, процесс и промышленное применение
- Понимание синусной линейки: ключевые принципы, виды и применение