Солнечный элемент

<час />

Фон

Фотоэлектрические солнечные элементы - это тонкие кремниевые диски, которые преобразуют солнечный свет в электричество. Эти диски служат источниками энергии для самых разных целей, включая:калькуляторы и другие небольшие устройства; телекоммуникации; кровельные панели индивидуальных домов; и для освещения, насосов и медицинского охлаждения для деревень в развивающихся странах. Солнечные элементы в виде больших массивов используются для питания спутников и, в редких случаях, для обеспечения электроэнергией электростанций.

Когда начались исследования в области электричества и были созданы и изучены простые батареи, исследования солнечного электричества последовали удивительно быстро. Еще в 1839 году Антуан-Сезар Беккерель обнаружил химическую батарею . к солнцу, чтобы увидеть, как оно производит напряжение. Это первое преобразование солнечного света в электричество было эффективным на один процент. То есть один процент поступающего солнечного света был преобразован в электричество. Уиллоби Смит в 1873 году обнаружил, что селен чувствителен к свету; в 1877 г. Адамс и Дэй отметили, что селен при воздействии света производит электрический ток. Чарльз Фриттс в 1880-х годах также использовал покрытый золотом селен для изготовления первого солнечного элемента, эффективность которого опять-таки составила всего один процент. Тем не менее Фриттс считал свои клетки революционными. Он рассматривал бесплатную солнечную энергию как средство децентрализации, предсказывая, что солнечные батареи заменят электростанции жилыми домами с индивидуальным питанием.

С объяснением Альбертом Эйнштейном в 1905 году фотоэлектрического эффекта - металл поглощает энергию света и будет сохранять эту энергию до тех пор, пока на него не попадет слишком много света - снова возвысилась надежда, что солнечное электричество с более высокой эффективностью станет возможным. Однако прогресс был незначительным, пока исследования диодов и транзисторов не дали знания, необходимые ученым Bell Гордону Пирсону, Дэррилу Чапину и Кэлу Фуллеру для создания кремниевого солнечного элемента с четырехпроцентной эффективностью в 1954 году.

Дальнейшие работы повысили КПД ячейки до 15 процентов. Солнечные элементы были впервые использованы в сельском и изолированном городе Америкус, штат Джорджия, в качестве источника питания для системы телефонной ретрансляции, где они успешно использовались в течение многих лет.

Тип солнечных элементов, полностью удовлетворяющих бытовые потребности в энергии, еще не разработан, но солнечные элементы успешно используются для обеспечения энергией искусственных спутников. Топливные системы и обычные батареи были слишком тяжелыми для программы, где имела значение каждая унция. Солнечные элементы обеспечивают больше энергии на унцию веса, чем все другие традиционные источники энергии, и они экономичны.

Было создано всего несколько крупномасштабных фотоэлектрических систем. Большинство усилий направлено на предоставление технологии солнечных батарей в отдаленные места, где нет других средств сложной энергетики. Ежегодно устанавливается около 50 мегаватт, но солнечные батареи обеспечивают лишь около 50 мегаватт энергии. Сейчас производится 1 процент всей электроэнергии. Сторонники солнечной энергии утверждают, что количество солнечной радиации, достигающей поверхности Земли каждый год, может легко обеспечить все наши потребности в энергии в несколько раз, однако солнечным элементам предстоит пройти долгий путь, прежде чем они осуществят мечту Чарльза Фриттса о бесплатном и полностью доступном солнечном электричестве. .

Сырье

Основным компонентом солнечного элемента является чистый кремний, который в своем естественном состоянии не является чистым. Для производства солнечных элементов сырье - диоксид кремния, состоящий из кварцитового гравия или измельченного кварца - сначала помещается в электродуговая печь, в которой используется угольная дуга для высвобождения кислорода. Это диоксид углерода и жидкий кремний. На данный момент кремний все еще недостаточно чистый, чтобы его можно было использовать для солоровых ячеек, и требует дальнейшей очистки. Чистый кремний получают из таких диоксидов кремния, как кварцитовый гравий (самый чистый кремнезем) или измельченный кварц. Затем полученный чистый кремний легируют (обрабатывают) фосфором и бором, чтобы произвести избыток электронов и недостаток электронов, соответственно, чтобы сделать полупроводник способным проводить электричество. Силиконовые диски блестящие и требуют антибликового покрытия, обычно диоксида титана.

Солнечный модуль состоит из кремниевого полупроводника, окруженного защитным материалом в металлическом каркасе. Защитный материал состоит из герметика из прозрачного силиконового каучука или бутирилового пластика (обычно используется в автомобильных лобовых стеклах) . связываются вокруг ячеек, которые затем погружаются в этиленвинилацетат. Основа составляет полиэфирная пленка (например, майлар или тедлар). Стеклянная крышка находится на наземных массивах, легкая пластиковая крышка - на спутниковых массивах. Электронные компоненты стандартные и состоят в основном из меди. Рама либо стальная, либо алюминиевая. Кремний используется как цемент, чтобы собрать все вместе.

Производственный
процесс

Очистка кремния

• 1 Диоксид кремния, состоящий из кварцитового гравия или дробленого кварца, помещается в электродуговую печь. Затем применяется угольная дуга для высвобождения кислорода. Это диоксид углерода и жидкий кремний. Этот простой процесс дает кремний с одним процентным содержанием примесей, который используется во многих отраслях промышленности, но не в производстве солнечных батарей.
• 2 Кремний с чистотой 99% дополнительно очищается с помощью технологии плавающих зон. Стержень нечистого кремния пропускают через зону нагрева несколько раз в одном и том же направлении. Эта процедура «притягивает» примеси к одному концу с каждым проходом. В определенный момент кремний считается чистым, а нечистый конец удаляется.

Изготовление монокристаллического кремния

• 3 Солнечные элементы сделаны из кремниевых булей, поликристаллических структур, которые имеют атомную структуру монокристалла. Наиболее часто используемый процесс создания були называется методом Чохральского. В этом процессе затравочный кристалл кремния погружается в расплавленный поликристаллический кремний. Когда затравочный кристалл извлекается и вращается, образуется цилиндрический слиток или «буля» кремния. Извлеченный слиток необычайно чистый, потому что примеси, как правило, остаются в жидкости.

Изготовление кремниевых пластин

• 4 Из були нарезаются силиконовые пластины по одной с помощью циркулярной пилы, внутренний диаметр которой врезается в стержень, или сразу несколько пластин с помощью многопроволочной пилы. (Алмазная пила дает разрезы шириной с пластину - толщиной 5 миллиметров.) Только около половины кремния теряется из були в готовую круглую пластину - больше, если пластина затем разрезается на прямоугольную или прямоугольную. шестиугольный. Прямоугольные или шестиугольные пластины иногда используются в солнечных элементах, потому что они могут быть идеально подогнаны друг к другу, тем самым используя все доступное пространство на передней поверхности солнечного элемента. После начальной очистки кремний дополнительно очищается в процессе плавающей зоны. В этом процессе кремниевый стержень несколько раз проходит через зону нагрева, которая служит для «перетаскивания» примесей к одному концу стержня. Загрязненный конец может быть удален.
  Затем затравочный кристалл кремния удаляется. помещают в аппарат для выращивания Чохральского, где его погружают в расплавленный поликристаллический кремний. Затравочный кристалл вращается при извлечении, образуя цилиндрический слиток очень чистого кремния. Затем из слитка вырезают пластинки.
• 5 Затем пластины полируются для удаления следов пил. (Недавно было обнаружено, что более грубые клетки поглощают свет более эффективно, поэтому некоторые производители решили не полировать пластину.)

Допинг

• 6 Традиционный способ легирования (добавления примесей) кремниевых пластин бором и фосфором заключается во введении небольшого количества бора во время процесса Чохральского на шаге № 3, описанном выше. Затем пластины запаиваются вплотную и помещаются в печь для нагрева до температуры чуть ниже точки плавления кремния (2570 градусов по Фаренгейту или 1410 градусов по Цельсию) в присутствии газообразного фосфора. Атомы фосфора «зарываются» в кремний, который более пористый, потому что он близок к превращению в жидкость. Температура и время процесса тщательно контролируются, чтобы обеспечить равномерный переход на нужную глубину.

  Более поздний способ легирования кремния фосфором заключается в использовании небольшого ускорителя частиц для попадания ионов фосфора в слиток. Контролируя скорость ионов, можно контролировать их глубину проникновения. Однако этот новый процесс обычно не принимается коммерческими производителями.

Размещение электрических контактов

• 7 электрических контактов соединяют каждый солнечный элемент с другим и с приемником вырабатываемого тока. Контакты должны быть очень тонкими (по крайней мере, спереди), чтобы не закрывать солнечный свет на ячейку. Металлы, такие как палладий / серебро, никель или медь, испаряются в вакууме. На этой иллюстрации показан внешний вид типичного солнечного элемента. Ячейки инкапсулированы в этиленвинилацетат и помещены в металлический каркас с майларовым тыльным листом и стеклянной крышкой. через фоторезист, шелкографию или просто нанесение на открытую часть ячеек, частично покрытых воском. Все три метода включают систему, в которой часть ячейки, с которой контакт нежелателен, защищена, в то время как остальная часть ячейки подвергается воздействию металла.
• 8 После установки контактов между ячейками помещаются тонкие полоски («пальцы»). Чаще всего используются ленты из луженой меди.

Антибликовое покрытие

• 9 Поскольку чистый кремний блестит, он может отражать до 35 процентов солнечного света. Чтобы уменьшить количество потерянного солнечного света, на силиконовую пластину нанесено антибликовое покрытие. Чаще всего используются покрытия из диоксида титана и оксида кремния, хотя используются и другие покрытия. Материал, используемый для покрытия, либо нагревается до тех пор, пока его молекулы не выкипают и не переходят в кремний и не конденсируются, либо материал подвергается распылению. В этом процессе высокое напряжение сбивает молекулы с материала и осаждает их на кремнии на противоположном электроде. Еще один метод заключается в том, чтобы позволить кремнию самому реагировать с кислородом или азотсодержащими газами с образованием диоксида кремния или нитрида кремния. Производители коммерческих солнечных элементов используют нитрид кремния.

Инкапсуляция ячейки

• 10 Готовые солнечные элементы инкапсулируются; то есть запаянный в силиконовый каучук или этиленвинилацетат. Инкапсулированные солнечные элементы затем помещаются в алюминиевую раму, которая имеет задний лист из майлара или тедлара и стеклянную или пластиковую крышку.

Контроль качества

Контроль качества важен при производстве солнечных элементов, поскольку несоответствие многих процессов и факторов может отрицательно повлиять на общую эффективность элементов. Основная цель исследования - найти способы повысить эффективность каждого солнечного элемента в течение более длительного срока службы. Проект Low Cost Solar Array Project (инициированный Министерством энергетики США в конце 1970-х годов) спонсировал частные исследования, направленные на снижение стоимости солнечных элементов. Сам кремний проверяется на чистоту, ориентацию кристаллов и удельное сопротивление. Производители также проверяют наличие кислорода (который влияет на его прочность и устойчивость к деформации) и углерода (который вызывает дефекты). Готовые силиконовые диски проверяются на предмет повреждений, отслаивания или изгиба, которые могли произойти во время пиления, полировки и травления.

В течение всего процесса изготовления кремниевых дисков температура, давление, скорость и количество присадок постоянно контролируются. Также принимаются меры для сведения к минимуму загрязнений в воздухе и на рабочих поверхностях.

Готовые полупроводники затем должны пройти электрические испытания, чтобы убедиться, что ток, напряжение и сопротивление для каждого из них соответствуют соответствующим стандартам. Более ранняя проблема с солнечными элементами заключалась в том, что они перестали работать при частичном затемнении. Эта проблема была решена за счет использования шунтирующих диодов, которые снижают опасно высокие напряжения в ячейке. Затем необходимо проверить сопротивление шунта, используя частично затемненные переходы.

Важное испытание солнечных модулей включает обеспечение испытательных ячеек с условиями и интенсивностью света, с которыми они будут встречаться в нормальных условиях, а затем проверку их работоспособности. Ячейки также подвергаются воздействию тепла и холода и испытываются на устойчивость к вибрации, скручиванию и граду.

Последним испытанием солнечных модулей является полевое испытание, в ходе которого готовые модули размещаются там, где они будут фактически использоваться. Это предоставляет исследователю наилучшие данные для определения эффективности солнечного элемента в условиях окружающей среды и эффективного срока службы солнечного элемента - наиболее важных факторов.

Будущее

Учитывая нынешнее состояние относительно дорогих и неэффективных солнечных элементов, будущее может только улучшиться. Некоторые эксперты предсказывают, что к 2000 году отрасль вырастет в миллиард долларов. Это предсказание подтверждается свидетельствами того, что в таких странах, как Япония, Германия и Италия, разрабатываются новые солнечные фотоэлектрические системы. Планы по производству солнечных батарей налажены в Мексике и Китае. Точно так же Египет, Ботсвана и Филиппины (всем трем при поддержке американских компаний) строят заводы, которые будут производить солнечные батареи.

Большинство текущих исследований направлено на снижение стоимости солнечных элементов или повышение эффективности. Инновации в технологии солнечных элементов включают разработку и производство более дешевых альтернатив дорогим элементам из кристаллического кремния. Эти альтернативы включают солнечные окна, имитирующие фотосинтез, и более мелкие клетки, сделанные из крошечных аморфных кремниевых шариков. Аморфный кремний и поликристаллический кремний уже набирают популярность за счет монокристаллического кремния. Дополнительные инновации, включая минимизацию тени и фокусировку солнечного света с помощью призматических линз. Сюда входят слои из различных материалов (в частности, арсенида галлия и кремния), которые поглощают свет на разных частотах, тем самым увеличивая количество солнечного света, эффективно используемого для производства электроэнергии.

Некоторые эксперты предвидят адаптацию гибридных домов; то есть дома, в которых используются солнечные водонагреватели, пассивное солнечное отопление и солнечные элементы для снижения потребности в энергии. Другая точка зрения касается космического челнока, выводящего на орбиту все больше и больше солнечных батарей, спутника солнечной энергии, который передает энергию на фермы солнечных батарей Земли, и даже космической колонии, которая будет производить солнечные батареи для использования на Земле.