Типы солнечных батарей, их эффективность. Нано солнечные батареи. Солнечные батареи высшего качества – чёрные, монокристалл
Рекордсменом по КПД среди солнечных батарей, из числа так или иначе доступных на рынке сегодня, являются, разработанные Институтом гелиоэнергетических систем Общества имени Фраунгофера в Германии, солнечные батареи на базе многослойных фотоэлементов. Начиная с 2005 года, их коммерческим внедрением занимается компания Soitec.
Размер самих фотоэлементов не превышает 4 миллиметра, а фокусировка солнечного света на них достигается путем применения вспомогательных концентрирующих линз, благодаря которым насыщенный солнечный свет преобразуется в электричество с КПД достигающим 47%.
Батарея содержит четыре p-n перехода, чтобы четыре различные звена фотоэлемента могли эффективно принимать и преобразовывать излучение с конкретной длиной волны, из солнечного света, сконцентрированного в 297,3 раза, в диапазоне длин волн от инфракрасного до ультрафиолетового.
Исследователи под руководством Франка Димирота изначально поставили перед собой задачу вырастить многослойный кристалл, и решение было найдено, - они срастили подложки для выращивания, и в результате был получен кристалл с различными полупроводниковыми слоями, с четырьмя фотоэлектрическими подъячейками.
Многослойные фотоэлементы давно используются на космических аппаратах, но теперь на их основе запущены и солнечные станции уже в 18 странах. Это становится возможным благодаря совершенствованию и удешевлению технологии. В итоге, количество стран, снабженных новыми солнечными станциями, будет расти, и налицо тенденция к конкуренции на рынке промышленных солнечных батарей.
На втором месте - солнечные батареи на базе трехслойных фотоэлементов Sharp, КПД которых достиг 44,4%. Фосфид индия-галлия - первый слой фотоэлемента, арсенид галлия - второй, арсенид индия-галлия - третий слой. Три слоя разделены диэлектриком, который служит для достижения туннельного эффекта.
Концентрация света на фотоэлемент достигается благодаря линзе Френеля, как и у немецких разработчиков, - свет солнца концентрируется в 302 раза, и преобразуется трехслойным полупроводниковым фотоэлементом.
Научные исследования по развитию этой технологии непрерывно велись Sharp, начиная с 2003 года при поддержке NEDO - японской организации общественного управления, содействующей научным исследованиям и развитию, а также распространению промышленных, энергетических и экологических технологий. К 2013 году Sharp был достигнут рекорд в 44,4%.
За два года до Sharp, в 2011 году, американская компания Solar Junction уже выпустила аналогичные батареи, но с КПД 43,5%, элементы которых обладали размером 5 на 5 мм, и фокусировка также производилась линзами, концентрируя свет солнца в 400 раз. Фотоэлементы были трехпереходными на основе германия, и группа планировала даже создать пяти и шестипереходные фотоэлементы, чтобы лучше захватить спектр. Исследования ведутся компанией и по сей день.
Таким образом, максимально рекордным КПД обладают солнечные батареи, выполненные в сочетании с концентраторами, которые, как мы видим, производят и в Европе, и в Азии, и в Америке. Но эти батареи в основном изготавливаются для постройки наземных солнечных электростанций крупных масштабов и для эффективного электроснабжения космических аппаратов.
Недавно был поставлен рекорд в сфере обычных потребительских солнечных панелей, которые доступны большинству желающих снабдить ими, например, крышу дома.
В середине осени 2015 года компания Илона Маска «SolarCity» представила наиболее эффективные потребительские солнечные панели, КПД которых превышает 22%.
Этот показатель подтвердили замеры, проведенные лабораторией Renewable Energy Test Center. Завод в Баффало уже ставит план производства на каждый день - от 9 до 10 тысяч солнечных панелей, точные характеристики которых пока не сообщаются. Компания уже планирует снабжать своими батареями не менее 200000 домов ежегодно.
Дело в том, что оптимизированный технологический процесс позволил предприятию значительно снизить стоимость производства, при этом повысив КПД в 2 раза по сравнению с широко распространенными потребительскими кремниевыми солнечными панелями. Маск уверен, что именно его солнечные панели будут пользоваться наибольшей популярностью у домовладельцев в ближайшем будущем.
Много путаницы сегодня существует вокруг понятия кпд гелиосистемы, что является важным критерием их стоимости. Понятие кпд солнечных батарей означает процент падающего на панель солнечного света, преобразованного в электричество, с дальнейшей возможностью использования. Разные материалы для солнечных панелей создают различный кпд, даже одинаковые компании – производители имеют различный показатель эффективности преобразования. Повышение кпд является лучшим способом снизить затраты на солнечную энергию.
КПД солнечной батареи зависит от чистоты пластин, которые используются в качестве сырья при изготовлении. Кроме того, очень важно, является ли панель монокристаллического или поликристаллического вида. Большинство крупных компаний концентрирует свои усилия именно на повышении эффективности, для сокращения расходов в беспощадном использовании солнечной энергетики.
Рассмотрим общий диапазон кпд солнечных батарей, исходя из разных типов элементов и различных технологий.
Бывают следующих - поликристаллического или монокристаллического кремния. Мульти-солнечные батареи имеют более низкую эффективность, чем батареи из монокристаллических элементов.
Кпд солнечной батареи может варьироваться от 12% до 20% для обычного монокристаллического кремния. В обычно устанавливаемых, расчетный кпд составляет 15% и зависит от вида исполнения самого кремния. Одни из мировых производителей постоянно повышают эффективность для того, чтобы снизить свои издержки и опередить соперников в этой конкурентной индустрии. Другие дают максимальную эффективность кристаллических солнечных элементов, используя крупные масштабы производства.
Поликристаллические фотоэлементы имеют более низкую стоимость, чем монокристаллические и кпд в диапазоне 14-17%.
Тонкопленочная технология, в отличие от углерод – кремниевых материалов, имеет ряд преимуществ.
Аморфные кремниевые технологии С-Si имеют самый низкий средний коэффициент эффективности, но они наиболее дешевые.
Наибольший потенциал в повышении эффективности имеют медь-индий-галлий-сульфидные (CIGS) и кадмий - теллур (Cd-Te). Многие изготовители продвигают вперед разработку этой технологии и представляют один из наиболее высоких показателей эффективности своих моделей, увеличив его на 19%. Они достигли этого значения, используя несколько методов, в том числе – применение отражающих покрытий, которые могут захватить больше света от угла.
Если обосновывать зависимость не от материала, а от габаритных размеров, то, чем выше эффективность, тем меньше необходимая площадь рабочей поверхности батарей.
Хотя средний процент может показаться немного низким, можно легко изменить оснащение, именно при установке, с достаточной мощностью, чтобы покрыть потребности в энергии.
Факторы, влияющие на кпд солнечных массивов, включают в себя:
Ориентация поверхности монтажа
Крыша в идеале должна смотреть на юг, но и качество дизайна зачастую может компенсировать другие направления.
Угол наклона
Высота и наклон поверхности может повлиять на количество часов солнечного света, полученных в среднем за день в течение года. Крупные коммерческие системы имеют системы солнечного слежения, которая автоматически изменяет угол падения луча солнца в течение дня. Обычно не используется для жилых установок.
Температура
Большинство панелей при эксплуатации нагреваются. Таким образом, обычно должны быть установлены несколько выше уровня крыши, для обеспечения достаточного потока охлаждаемого воздуха.
Тень
В принципе, тень - враг солнечной энергии.При выборе неудачного дизайна при монтировании, даже небольшое количество тени на одной панели может закрыть производство энергии на всех других элементах.Перед тем, как разработать систему, проводится детальный анализ затенения поверхности крепления, для выявления возможных форм тени и солнечного света в течение года. Затем проводится другой детальный анализ, проверяющий сделанные выводы.
Обычные солнечные батареи с высоким кпд гелиосистем промышленных масштабов устанавливаются на сваи над поверхностью земли на 80см, расположены по направления с востока на запад, вдоль движения солнца, под углом 25 градусов.
Мне интересно встречаться с людьми, которые находятся в постоянном поиске. Среди них, мой коллега Александр, фанат электромобилей. Информацию о его разработках и становлении парка электромобилей в Украине вы найдете здесь. Но, как ни странно, кроме электрокара его еще интересуют солнечные панели с высоким КПД.
После заданного им вопроса, мне пришлось немного попотеть, и вот что из этого вышло.
Кремниевые кристаллические фотомодули
Коэффициент полезного действия ячеек кремниевых модулей на сегодня порядка 15 – 20% (поликристаллы — монокристаллы). Этот показатель скоро может быть увеличен на несколько процентов. Например, компания SunTech Power, один из крупнейших мировых производителей модулей из кристаллического кремния, заявила о своем намерении в течение двух лет выпустить на рынок фотомодули с КПД 22%.
Существующие же лабораторные образцы монокристаллических ячеек показывают производительность 25%, поликристаллических – 20,5%. Теоретический максимальный КПД у кремниевых однопереходных (p-n) элементов – 33,7%. Пока он не достигнут, и основная задача производителей, кроме увеличения эффективности ячеек – усовершенствование технологии производства, удешевление фотомодулей.
Отдельно позиционируются фотомодули компании Sanyo, произведенные по технологии HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin layer) с использованием нескольких слоев кремния, аналогично тандемным многослойным ячейкам. КПД таких элементов из монокристаллического C-Si и нескольких слоев нано кристаллического nc-Si — 23%. Это самый высокий на сегодня КПД ячеек серийных кристаллических модулей.
Тонкопленочные солнечные батареи
Под таким названием разработано несколько различных технологий, о производительности которых можно сказать следующее.
Сегодня существует три основных типа неорганических пленочных солнечных элементов – кремниевые пленки на основе аморфного кремния (a-Si), пленки на основе теллурида кадмия (CdTe) и пленки селенида меди-индия-галлия (CuInGaSe2, или CIGS).
КПД современных тонкопленочных солнечных батарей на основе аморфного кремния около 10%, фотомодулей на основе теллурида кадмия — 10-11% (производитель компания First Solar), на основе селенида меди-индия-галлия – 12-13% (японские солнечные модули SOLAR FRONTIER). Показатели эффективности серийных элементов: CdTe имеют КПД 15.7% (модули MiaSole), а CIGS элементов, производимых в Швейцарии — 18,7% (ЕМРА).
КПД отдельных тонкопленочных солнечных батарей значительно выше, например, данные по производительности лабораторных образцов элементов из аморфного кремния – 12,2% (компания United Solar), CdTe элементов – 17,3% (First Solar), CIGS элементов – 20,5% (ZSW). Пока солнечные преобразователи на основе тонких пленок аморфного кремния лидируют по объемам производства среди других тонкопленочных технологий – объем мирового рынка тонкопленочных Si элементов около 80%, солнечных ячеек на основе теллурида кадмия – около 18% рынка, и селенид меди-индия-галлия – 2% рынка.
Это связано, в первую очередь, со стоимостью и доступностью сырья, а так же более высокой стабильностью характеристик, чем в многослойных структурах. Отметим, что кремний – один из самых распространенных элементов в земной коре, индий же (элементы CIGS) и теллур (элементы CdTe) рассеяны и добываются в малом количестве. Кроме того, кадмий (элементы CdTe) токсичен, хотя большинство производителей таких солнечных панелей гарантируют полную утилизацию своей продукции.
Дальнейшее развитие фотоэлектрических преобразователей на основе неорганических тонких пленок связано с усовершенствованием технологии производства и стабилизации их параметров.
И все-таки, исходя из стабильности характеристик и относительно недорогой цены, предпочтение отдается солнечным батареям, изготавливаемые на основе аморфного кремния. Но КПД как мы видим, у них не более 12,2%.
Более высокие результаты достигнуты пока в лабораторных условиях. В качестве примера можно привести разработку инженеров из Швейцарской национальной лаборатории материалов, наук и технологий EMPA, которым удалось достигнуть высокого показателя КПД (20,4%) работая с новым поколением тонкопленочных солнечных панелей. В основе новых панелей лежат гибкие полимеры из комплексного соединения CIGS или copper indium gallium (di)selenid (медь-индий-галлий-(ди) селенид).
Современные исследователи, которые занимаются гелиосистемами, постоянно ведут между собой дискуссии о КПД солнечных батарей. Это один из главных критериев, на основании которого оцениваются их эффективность и уровень производительности. Поскольку затраты на преобразование энергии Солнца в электрическую у панелей по-прежнему велики, производители беспокоятся о том, как сделать их КПД выше.
Известно, что на 1м² площади элементов вырабатывается около 20% от общей мощности излучения Солнца, которое попадает на батарею. При этом речь идет о самых благоприятных условиях климата и погоды, которые бывают далеко не всегда. Следовательно, для увеличения показателя нужно установить много солнечных батарей. Это не всегда бывает удобно, да и по стоимости влетает в «копеечку». Поэтому нужно понимать, насколько целесообразно использование этих альтернативных источников энергии и какие перспективы имеются в дальнейшем.
Итак, КПД батареи - это количество реально вырабатываемого ею потенциала, обозначаемое в процентах. Для его вычисления необходимо мощность электрической энергии разделить на мощность энергии Солнца, попадающей на поверхность солнечных панелей.
Сейчас этот показатель находится в пределах от 12 до 25%. Хотя на практике, учитывая погодные и климатические условия, он не поднимается выше 15. Причиной тому являются материалы, из которых производят солнечные аккумуляторы. Кремний, который представляет собой основное «сырье» для их изготовления, не обладает способностью поглощения УФ-спектра и может работать только с инфракрасным излучением. К сожалению, из-за такого недостатка мы теряем энергию УФ-спектра и не применяем ее с пользой.
Взаимосвязь КПД с материалами и технологиями
Как работают солнечные батареи? По принципу свойств полупроводников. Свет, который падает на них, производит выбивание своими частицами электронов, находящихся на внешней орбите атомов. Большое количество электронов создает потенциал электрического тока - при замкнутых условиях цепи.
Чтобы обеспечить нормальный показатель мощности, одного модуля будет мало. Чем больше панелей, тем эффективней работа радиаторов, отдающих электроэнергию аккумуляторам, где она будет накапливаться. Именно по этой причине эффективность солнечных батарей зависит и от количества устанавливаемых модулей . Чем их больше, тем больше энергии Солнца они поглощают, а показатель мощности у них становится на порядок выше.
Можно ли повысить КПД батареи? Такие попытки были предприняты их создателями, и не один раз. Выходом из положения в будущем может стать производство элементов, состоящих из нескольких материалов и их слоев. Материалы следуют таким образом, чтобы модули могли вбирать в себя разные типы энергии.
Например, если одно вещество работает с УФ-спектром, а другое - с инфракрасным, КПД солнечных батарей в разы повышается. Если мыслить на уровне теории, то наивысшим коэффициентом полезного действия может стать показатель около 90%.
Также на КПД любой гелиосистемы большое влияние оказывает и разновидность кремния. Его атомы можно получить несколькими путями, и все панели, исходя из этого, делятся на три разновидности:
- поликристаллы;
- элементы из .
Из монокристаллов производят солнечные батареи, КПД которых составляет около 20%. Они стоят дорого, так как эффективность у них самая высокая. Поликристаллы по стоимости гораздо ниже, так как в данном случае качество их работы напрямую зависит от чистоты кремния, используемого при их изготовлении.
Элементы, в основе которых находится аморфный кремний, стали основой для производства тонкопленочных . Технология их изготовления гораздо проще, стоимость ниже, но и КПД меньше - не более 6%. Они быстро изнашиваются. Поэтому для улучшения срока их службы в них добавляются селен, галлий, индий.
Как сделать работу солнечной панели максимально эффективной
Производительность любой гелиосистемы зависит от:
- температурных показателей;
- угла падения лучей Солнца;
- состояния поверхности (она всегда должна быть чистой);
- погодных условий;
- наличия или отсутствия тени.
Оптимальный угол падения лучей Солнца на панель - 90°, то есть прямой. Уже существуют гелиосистемы, оснащенные уникальными устройствами. Они позволяют следить за положением светила в пространстве. Когда положение Солнца по отношению к Земле изменяется, меняется и угол наклона гелиосистемы.
Постоянный нагрев элементов тоже не лучшим образом сказывается на их производительности. Когда энергия преобразуется, возникают ее серьезные потери. Поэтому между гелиосистемой и поверхностью, на которую она монтируется, всегда нужно оставлять небольшое пространство . Воздушные потоки, проходящие в нем, будут служить природным способом охлаждения.
Чистота солнечных батарей - тоже немаловажный фактор влияющий на их КПД. Если они сильно загрязнены, они собирают меньше света, а значит, их эффективность снижается.
Также и правильная установка играет большую роль. Нельзя при монтировании системы допускать, чтобы на нее падала тень. Лучшая сторона, на которой их рекомендуется устанавливать - южная.
Переходя к погодным условиям, можно заодно ответить на популярный вопрос о том, работают ли солнечные батареи в пасмурную погоду. Безусловно, работа их продолжается, потому что электромагнитное излучение, исходящее от Солнца, попадает на Землю во все времена года. Конечно, производительность панелей (КПД) будет значительно меньше, особенно в регионах с обилием дождливых и пасмурных дней в году. Другими словами, электроэнергию они вырабатывать будут, но в гораздо меньшем количестве, чем в регионах с солнечным и жарким климатом.
Немного о батареях-чемпионах по КПД
Рекордсменом по коэффициенту полезного действия в гелиосистемах на данный момент считаются немецкие батареи. Они созданы в Институте гелиоэнергетики им. Фраунгофера. В их основу положены фотоэлементы, состоящие из нескольких слоев. Компания «Сойтек» активно внедряет их в сферу широкого потребления, начиная уже с 2005 года.
Сами элементы - не более 4 мм толщиной, а солнечный свет фокусируется на их поверхности с помощью специальных линз. Благодаря им осуществляется преобразование световых частиц в электроэнергию, а КПД при этом составляет целых 47%.
Второе место заслуженно занимают панели, созданные путем применения фотоэлементов из трех слоев фирмы «Шарп» . Это тоже солнечные батареи с высоким КПД, хотя и немного меньше - 44%.
Три слоя представлены тремя веществами: фосфидом индия (галлия), арсенидом галлия и арсенидом индия (галлия). Между ними располагается диэлектрическая прослойка, применяемая для того, чтобы получить туннельный эффект. Что касается фокусировки света, ее получают путем применения известной линзы Френеля. Концентрация света достигается до уровня в 302 раза, а далее попадает в трехслойный полупроводниковый преобразователь.
Безусловно, подобный рекорд КПД едва ли может быть доступен широкому кругу потребителей. Кстати, Илон Маск, известный американский миллиардер, является владельцем компании «Солар Сити» . Не так давно, в 2015 году, компания Маска разработала именно «потребительский» вариант солнечных батарей с коэффициентом полезного действия, превышающим 22%.
Разработки и многочисленные лабораторные опыты проводятся и по сей день. Можно быть уверенными в том, что такие технологии имеют большое будущее - в качестве экологичного альтернативного источника энергии.
Институт Fraunhofer по изучению систем солнечной энергии, Soitec, CEA-Leti и Берлинский центр Гельмгольца объявили, что достигли нового мирового рекорда эффективности преобразования энергии Солнца в электрическую энергию, использовав новую структуру солнечных элементов с четырьмя слоями. Как и некоторые другие многослойные фотоэлементы, эта микросхема предназначена для работы с концентратором, который концентрирует поток солнечных лучей в 297,3 раза, то есть площадь линз концентратора примерно в 300 раз больше площади фотоэлемента. КПД 44,7% относится к широкому спектру солнечного излучения: от ультрафиолета до инфракрасного. Энергия волн длиной 200-1800 нм забирается четырьмя слоями ячейки. Это важный шаг к удешевлению использования солнечной электроэнергии и приближение к важному рубежу в 50% эффективности.
Солнечные элементы, составленные из четырех слоев из соединенных прямым способом III-IV полупроводников, достигли эффективности в 44,7%.
В мае 2013 года немецко-французская команда из Fraunhofer ISE, Soitec, CEA-Leti и Helmholtz Center Berlin уже объявляла о создании солнечных элементов с эффективностью в 43,6%. На базе этого результата и благодаря дальнейшей интенсивной исследовательской работе и шагов по оптимизации и была получена эффективность 44,7%.
Эти солнечные элементы используются в фотоэлектрическом концентраторе (ФЭК), технологии, эффективность которой более чем вдвое превышает эффективность обычных фотоэлектрических станций в богатых солнечными лучами местах. Использование полупроводников III-V, которые изначально использовалась в космических технологиях, помогло реализовать высокую эффективность для преобразования солнечного света в электричество. При этом соединении солнечных элементов, ячейки, сделанные из полупроводников III-V, уложены друг на друга. Каждый слой поглощает волны различной длины из солнечного спектра.
Внешняя квантовая эффективность четырехэлементной солнечной батареи (для каждого из четырех слоев – свой цвет).
Вольтамперная характеристика для поставивших рекорд солнечных элементов.
"Мы невероятно гордимся нашей командой, которая уже в течение трех лет работает над этим солнечным элементом", – говорит Франк Димрот, заведующий отделом и руководитель проекта, отвечающий за развитие этого направления в Институте Fraunhofer. “Этот вид соединения солнечных элементов усовершенствовался на протяжении нескольких лет, в результате тщательной экспериментальной работы. Помимо улучшенных материалов и оптимизации структуры, важную роль играет и новая технология "пластинная связка". С помощью этой технологии мы имеем возможность соединить два полупроводниковых кристалла, которые нельзя вырастить один поверх другого, сохраняя при этом их высокое качество. Таким образом, мы можем создать оптимальное сочетание, чтобы достичь высокой эффективности солнечных элементов”.
"Этот мировой рекорд, увеличивший уровень эффективности более чем на 1% менее чем за 4 месяца, демонстрирует крайне высокий потенциал нового вида соединения солнечных элементов ячейки." – говорит Андре-Жак Обертон-Эрве, председатель и исполнительный директор Soitec. "Новое достижение подтверждает тенденцию к достижению более высокой эффективности, что играет ключевую роль в конкурентоспособности наших собственных систем солнечных элементов. Мы очень гордимся этим достижением, и оно демонстрирует успешность нашего сотрудничества".
"Новый рекорд укрепляет доверие к такому способу, как прямая связь полупроводников. Этот способ был разработан в рамках нашего сотрудничества с Soitec и Институтом Fraunhofer. Мы очень гордимся этим новым результатом, открывающим широкие перспективы для “солнечных” технологий, основанных на новом виде соединения элементов", – сказал генеральный директор Leti Лоран Малье.
Модули концентратора производятся Soitec (проект начинался в 2005 году под названием "Concentrix Solar" и был ответвлением похожего проекта Института Fraunhofer). Эта эффективная технология используется в электростанциях, расположенных в местах с высокой долей прямого солнечного излучения. На данный момент у Soitec есть установки в 18 странах, в том числе в Италии, Франции, Южной Африке и штате Калифорния.
