1. Кремнієві кристалічні фотомодулі.
2. Тонкоплівкові сонячні батареї ефективність.
3. Багатоперехідних (багатошарові, тандемні) сонячні панелі характеристики.

Дата додавання: 30.04.2015

У наш час відновлювальна енергетика, особливо де використовується сонячна енергія, розвивається дуже інтенсивно. У зв'язку з цим триває активний пошук способів і пристроїв, підвищення продуктивності існуючих систем, що дозволяють максимально ефективно перетворити енергію сонця в електрику. Тут можна виділити два напрямки - пряме перетворення сонячного випромінювання в електричний струм, і багаторазове перетворення сонячної енергії - в тепло, далі в механічну роботу, а потім в електрику. Поки в другому напрямку досягнуто більш високі результати - промислові геліоустановки з концентраторами, турбінами або двигунами Стірлінга показують відмінну продуктивність перетворення сонячної енергії. Так, на експлуатується в в Нью-Мексико геліостанції з сонячними концентраторами і двигунами Стірлінга отриманий ККД на виході, з урахуванням витрат енергії на систему орієнтації та інше - 31,25%.

Але подібні геліоустановки надзвичайно складні і дорогі, ефективні в умовах дуже високої сонячної інсоляції і поки достатнього розвитку в світі не отримали. Тому прямі перетворювачі сонячного випромінювання - сонячні батареї , Займають лідируюче положення в світі сонячної енергетики по інсталяцій і спектру застосування. Продуктивність серійних промислових сонячних панелей на сьогоднішній час, в залежності від технології, знаходиться в діапазоні від 7 до 20%. Технології не стоять на місці, розвиваються і удосконалюються, вже розробляються і тестуються нові осередки, по крайней мере, вдвічі продуктивніше існуючих. Спробуємо коротко розглянути основні напрямки розвитку фотоелектричних панелей, технологій і їх продуктивності.

Переважна більшість осередків сонячних перетворювачів сучасних серійних фотомодулів виготовляється з монокристалічного (C-Si), або полікристалічного (МС-Si) кремнію. На сьогоднішній день такі кремнієві фотоелектричні модулі займають близько 90% ринку фотоелектричних перетворювачів, з яких приблизно 2/3 припадає на полікристалічний кремній і 1/3 - на монокристалічний. Далі йдуть сонячні модулі, фотоелементи яких виготовлені по тонкоплівкової технології - методом осадження, або напилення фоточутливих речовин на різні підкладки. Суттєва перевага модулів з цих елементів - більш низька вартість продукції, адже для їх потрібно приблизно в 100 разів менше матеріалу в порівнянні з кремнієвими пластинами. І поки що найменше представлені багатоперехідних сонячні елементи з так званих тандемних, або багатоперехідних осередків (multijunction cells).

Частки ринку фотоелектричних панелей різних технологій:

Кремнієві кристалічні фотомодулі.

ККД осередків кремнієвих модулів на сьогодні близько 15 - 20% (полікристалів - монокристали). Цей показник в цілому скоро може бути збільшений на кілька відсотків. Наприклад, компанія SunTech Power, один з найбільших світових виробників модулів з кристалічного кремнію, заявила про свій намір протягом найближчого пари років випустити на ринок фотомодулі з ККД 22%. Існуючі ж лабораторні зразки монокристалічних осередків показують продуктивність 25%, полікристалічних - 20,5%. Теоретичний максимальний ККД у кремнієвих одноперехідних (pn) елементів - 33,7%. Поки він не досягнуть, і основне завдання виробників, крім збільшення ефективності осередків - удосконалення технології виробництва, здешевлення фотомодулів.

Окремо позиціонуються фотомодулі компанії Sanyo, вироблені за технологією HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin layer) з використанням декількох шарів кремнію, аналогічно тандемним багатошаровим осередкам. ККД таких елементів з монокристалічного C-Si і декількох шарів нано кристалічного nc-Si - 23%. Це найвищий на сьогодні показник ККД осередків серійних кристалічних модулів, свого роду нано сонячні батареї.

Тонкоплівкові сонячні батареї ефективність.

Під цією назвою мається на увазі кілька різних технологій, про продуктивність яких коротко розповімо. В даний час існує три основних типи неорганічних плівкових сонячних елементів - кремнієві плівки на основі аморфного кремнію (a-Si), плівки на основі телуриду кадмію (CdTe) і плівки селеніду міді-індію-галію (CuInGaSe2, або CIGS). ККД сучасних тонкоплівкових сонячних батарей на основі аморфного кремнію близько 10%, фотомодулів на основі телуриду кадмію - 10-11% (компанія First Solar), на основі селеніду міді-індію-галію - 12-13% (японські сонячні модулі SOLAR FRONTIER). Показники ефективності перед серійних елементів: CdTe мають ККД 15.7% (модулі MiaSole), а CIGS елементів 18,7% (ЕМРА). ККД окремих тонкоплівкових сонячних батарей значно вище, наприклад, дані по продуктивності лабораторних зразків елементів з аморфного кремнію - 12,2% (компанія United Solar), CdTe елементів - 17,3% (First Solar), CIGS елементів - 20,5% ( ZSW). Поки сонячні перетворювачі на основі тонких плівок аморфного кремнію лідирують за обсягами виробництва серед інших тонкоплівкових технологій - обсяг світового ринку тонкоплівкових Si елементів близько 80%, сонячних осередків на основі телуриду кадмію - близько 18% ринку, і селенід міді-індію-галію - 2% ринку. Це пов'язано, в першу чергу, з вартістю і доступністю сировини, а так само більш високою стабільністю характеристик, ніж в багатошарових структурах. Адже кремній - один з найпоширеніших елементів в земній корі, індій ж (елементи CIGS) і телур (елементи CdTe) розсіяні і видобуваються в малій кількості. Крім того, кадмій (елементи CdTe) токсичний, хоча всі виробники таких сонячних модулів гарантують повну утилізацію своєї продукції. Так само процес деградації в елементах тонкоплівкових модулів протікає швидше кристалічних осередків. Подальший розвиток фотоелектричних перетворювачів на основі неорганічних тонких плівок пов'язано з удосконаленням технології виробництва і стабілізації їх параметрів.

До тонкоплівкових сонячних батарей відносяться також органічні / полімерні тонкоплівкові світлочутливі елементи і сенсибілізовані барвники. В цьому напрямку комерційне застосування сонячних елементів поки обмежена, все знаходиться в лабораторній стадії, а так само в удосконаленні технології майбутнього серійного виробництва. Ряд джерел заявив про досягнення ККД елементів на органічних перетворювачах більше 10%: німецька компанія Heliatek -10,7%, університету Каліфорнії UCLA - 10,6%. Група вчених з лабораторії в EPFL отримала ККД 12,3% осередків з сенсибілізованих барвників. Взагалі напрямок органічних тонкоплівкових елементів, а так само світлочутливих барвників вважається одним з перспективних. Регулярно робляться заяви про досягнення чергового рекорду ефективності, вихід технологій за стіни лабораторій, покритті незабаром всіх доступних поверхонь високоефективними і дешевими сонячними перетворювачами - компанії Konarka, Dyesol, Solarmer Energy. Роботи зосереджені над підвищенням стабільності характеристик, здешевленням технологій.

Багатоперехідних (багатошарові, тандемні) сонячні панелі характеристики.

Осередки з таких елементів містять шари різних матеріалів, що утворюють кілька pn переходів. Ідеальний сонячний елемент в теорії повинен мати сотні різних верств (pn переходів), кожен з яких налаштований на невеликий діапазон довжин хвиль світла у всьому спектрі, від ультрафіолетового до інфрачервоного. Кожен перехід поглинає сонячне випромінювання з певною довжиною хвилі, таким чином, охоплюючи весь спектр. Основним матеріалом для таких елементів є сполуки галію (Ga) - фосфід індію галію, арсенід галію, і ін.

Одним з приватних рішень перетворення всього сонячного спектра є застосування призм, що розкладають сонячне світло на спектри, що концентруються на одноперехідних елементах з різним діапазоном перетворення випромінювання. Не дивлячись на те, що дослідження в області багатоперехідних сонячних елементів тривають вже два десятиліття, і фотомодулі з таких осередків успішно працюють в космосі (сонячні батареї станції «Мир», марсоходів «Mars Exploration Rover» і ін.), Їх практичне земне використання розпочато порівняно нещодавно. Перші комерційні продукти на таких елементах вийшли на ринок кілька років тому і показали відмінний результат, а дослідження в цьому напрямку постійно приковують до себе увагу. Справа в тому, що теоретичний ККД двошарових осередків може скласти 42% ефективності, тришарових осередків 49%, а осередків з безліччю шарів - 68% Не фокусированного сонячного світла. Межа продуктивності осередків з безліччю шарів становить 86,8% при застосуванні концентрованого сонячного випромінювання. На сьогодні практичні результати ККД для багатоперехідних осередків становлять близько 30% прі не сфальцьованому сонячному світлі. Цього недостатньо, щоб компенсувати витрати на виробництво таких осередків - вартість багатоперехідних осередку приблизно в 100 разів вище аналогічної за площею кремнієвої, тому в конструкціях модулів з багатоперехідних осередків застосовуються концентратори для фокусування світла в 500 - 1000 разів. Концентратор у вигляді лінзи Френеля і параболічного дзеркала збирає сонячне світло з площі, в 1000 разів перевищує площу осередку. Повна вартість фотомодулів з багатоперехідних осередків із застосуванням концентраторів (СРV) значно здешевлюється за рахунок недорогих лінз і підкладок, компенсуючи високу вартість виробництва самого осередку. При цьому продуктивність осередків зростає до 40%.

Сонячні батареї характеристики. Наприклад, ККД осередків компанії SolFocus розміром 5,5 мм х 5,5 мм складає 40% при застосуванні концентраторів; а середні розміри осередків в СРV системах мають розміри в діапазоні від 5,5 мм х 5,5 мм до 1 см х 1 см. При чому для виробництва 1см? осередків необхідна 1/1000 сировини в порівнянні з осередком аналогічної продуктивності з кристалічного кремнію. Щоб багатоперехідних осередки працювали з максимальною ефективністю, необхідна постійна висока інтенсивність сонячного випромінювання, для цього застосовуються двовісний системи орієнтації СРV систем. Місцями розгортання сонячних ферм на базі модулів з багатоперехідних осередків з концентраторами є регіони з високою сонячною інсоляцією.

Максимальний ККД багатоперехідних осередків, отриманий в лабораторних умовах c застосуванням концентраторів, становить на сьогодні 43,5% (Solar Junction), і за прогнозами, буде збільшений в найближчих пару років до 50%.

Як бачимо, на сьогодні існують сонячні осередки з високою продуктивністю, що виготовляються за різними технологіями, і основне завдання виробників - здешевлення кінцевого продукту, адаптація лабораторних досліджень для масового виробництва. Не дивлячись на малий витрата сировини в тонкоплівкових сонячних елементах, вартість деяких компонентів в різних видах досить висока, так само, як енергоємні самі технології виробництва. Залишається під питанням довготривала стабільність параметрів. Поки що дуже дорогими є багатоперехідних сонячні осередки, для максимальної ефективної роботи яких до того ж необхідна підвищена концентрація сонячного випромінювання. Тому кристалічні кремнієві елементи найближчим часом будуть утримувати лідируючі позиції на ринку фотоелектричних перетворювачів, знижуючись в ціні. Потіснять їх тільки ефективні і дешеві тонкоплівкові модулі, можливо, з полімерних напівпровідників, або світлочутливих барвників. Але прогнози в розвитку тієї, чи іншої технології - справа не вдячна. Поживемо побачимо.

Характеристики