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:

1. Аморфнокремниевые солнечные элементы (a-Si)
2. Биогибридные солнечные элементы
3. Солнечные элементы с зарытым контактом (Buried contact)
4. Кадмий-теллуридные солнечные элементы (CdTe)
5. Концентрирующие ФВ-элементы (CVP и HCVP)
6. Меднь-индий-галлий-селеневые солнечные элементы (CI(G)S)
7. Кристаллические кремниевые солнечные элементы (c-Si)
8. Красочно-сенсибилизированные солнечные элементы (Dye-sensitised)
9. Гибридные солнечные элементы
10. Многосоединенные солнечные элементы (Multi-junction)
11. Монохроматические солнечные элементы
12. Нанокристаллические солнечные элементы
13. Фотоэлектрохимические ячейки
14. Твердотельные солнечные элементы
15. Пленочные солнечные элементы (Thin-Film)
16. 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:

1. Фотовольтаические электростанции
2. Кровные солнечные ФВ-системы
3. Автономные ФВ-системы
4. Гибридные солнечные энергосистемы
5. Концентрирующие фотовольтаические системы
6. Солнечные панели
7. Солнечные насоса-лазеры
8. Солнечные транспортные средства
9. 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: