Солнечные элементы → Солнечные элементы - Общие сведения

Солнечные элементы-общие сведения

Каталог солнечных элементов и солнечных модулей находится здесь

Солнечные элементы

Большинство из нас не догадываются, что идея и принцип, лежащий в основе работы солнечных батарей открыт более 170 лет назад. Явление фотоэлектрического эффекта Эдмон Беккерель первым открыл и наблюдал в электролите еще в далеком 1839г. Произошло это в общем то случайно и до 1873 года никто не обращал на это открытие внимание, пока в 1873 году, тогда У.Смит заметил схожий эффект при освещении солнечным светом пластины из селена. Через 14 лет Г.Герц продолжил изучение этого эффекта. Естественно на сегодняшний день подобные опыты довольно примитивны, но именно они послужили основой для развития солнечных элементов на основе полупроводников. Используя все те же пластины из селена Чарльз Фриттс смог сделать фотоэлементы с КПД 1-2%. Работали его фотоэлементы в видимом спектре света. Кстати из селена по нынешний день производят светочувствительные элементы для фотоаппаратов и видеокамер. Следующим шагом в совершенствовании элементов солнечных батарей стало изобретение в знаменитой лаборатории Белла(Bell Labs) кремниевого элемента. Именно эти солнечные элементы на основе кремния явились прототипом современных фотоэлементов. Более менее приемлемый КПД 6% был достигнут американскими учеными Г. Пирсоном, К. Фуллером и Д. Чаплиным (США) в 1953-54. А уже в 1958 г. США вывелили на орбиту спутник "Авангард" на борту которого были солнечные батареи. Мощность солнечной батареи на этом спутнике была всего лишь 1Вт и служила она для питания радиопередатчика. Именно потребность в солнечных элементах в космосе дала важный толчок для их развития. Кризис в нефтяной отрасли в середине 70-х годов XIX века также оказал влияние на развитие отрасли, подстегнув некоторые страны, и в частности США к установке большого количества солнечных батарей. Только в США их было установлено более 4000 тысяч. Большинство тех установок успешно работают и поныне. Основа преобразования световой энергии в электричество - это фотовольтаический эффект. Солнечные элементы "р" типа имеют фронтальную(лицевую) в качестве отрицательного полюса, а тыльная сторона это положительный контакт. Элементы "n" типа имеют тыльную сторону в качестве отрицательного контакта, а рабочую/лицевую сторону в качестве положительного контакта. Элементы "р" типа гораздо более распространены. Строение солнечного элемента напоминает бутерброд, который состоит из двух полупроводников в виде пластинок. В одной пластинке избыток электронов, а в другой дефицит. Фотон света пробуждает спящий электрон и проникновение этого электрона в пластинку с недостатком электронов вызывает электрический ток. Повышение КПД элементов напрямую связано с усовершенствованием материалов "р" и "n" слоев. Физика этого явления чрезвычайно сложна, и не углубляясь в неё, опишем лишь практическую сторону дела. В основном для производства солнечных элементов используются кремний (Si) и арсенид галлия(GaAs). Кремний более дешев и доступен, но GaAs имеет более высокий КПД - 28 % и более. Кремний же в массовом производстве достиг показателя в 18-20%. Для "наземки"- фотоэлектрических станций наземного базирования кремний это основной материал. Арсенид галлия из-за дороговизны в основном применяется в космических программах. Кремний различают монокристаллический(монокремний) и поликристаллический(мультикремний) . На фото ниже можете видеть солнечные элементы одного и другого типа. Слева монокристаллический ФЭП, а справа поликристалл.

монокристаллические солнечные элементы поликристаллические солнечные элементы

В последние несколько лет в мире наблюдался дефицит солнечного кремния, и как следствие изменилась толщина пластин. Вместо прежних 350-500мкм нынешняя толщина стала 180-200мкм. Чтобы сохранить прочностные характеристики фотоэлементов на время сборки их в солнечные модули также была изменена и ориентация кристаллов кремния. Вместо ориентации "100", используется ориентация "111". Это можно заметить, если попытаться сломать пластину фотоэлемента- она неизменно ломается по диагонали. Именно это свойство не позволяет элементу трескаться вдоль токосъемной дорожки при напаивании монтажной шинки. Если при пайке солнечных элементов при помощи робота или же вручную будет разница температур между жалом паяльника и фотоэлементом, то также возможны микротрещины, которые проявятся сразу или позже при ламинировании схемы из элементов. Именно поэтому столик для пайки элементов должен иметь высокую температуру, обычно 60-70 градусов. Это уменьшает разницу температур между элементом и паяльником и ощутимо снижает процент микротрещин. Обратная ситуация при тестировании элементов. Всеми производителями продуктов для солнечной энергетики приняты определенные условия для тестирования и паспортизации. Они называются стандартными(STC- Standart Test Сondition). Одно из условий температура поверхности солнечного элемента(или модуля) должна быть равна 25°С. Имитатор солнечного света производит измерение очень быстро, но даже за это время элемент толщиной 180 мкм успевает нагреться и возникает погрешность измерения. Поэтому температура столика поддерживается такой, чтобы при замере температура солнечного элемента была равна 25°С. Обычно внутри столика циркулирует жидкость определенной температуры. Кроме температуры STC включают в себя еще два параметра. Это величина освещенности и спектр излучения:

• - освещенность 1000 Вт/м²;
• - температура 25°С;
• - спектр АМ 1,5 (солнечный спектр на географической широте 45°)

Наша фирма находится в Краснодаре как раз на 45-й параллели. Здесь находится наше производство солнечных батарей.

ВАХ солнечного элемента

Солнечная батарея представляет собой источник тока, т.е. они могут поддерживать протекание в проводнике тока определенной силы. Им не страшно короткое замыкание и они переносят его совершенно безболезненно. В остальном использовать энергию, получаемую от солнечных модулей можно использовать также как и энергию, получаемую из других источников. Но мощность генерируемая этим источником тока находится в большой зависимости от освещения. В большей степени это касается величины тока, напряжение меньше подвержено зависимости от освещенности. Набежавшее облако может существенно уменьшить мощность, генерируемую фотоэлементом. Зависимость тока, а следовательно и мощности фотоэлемента от освещенности близка к линейной. Даже серийно производимые элементы не могут быть полностью идентичны, В последовательной цепочке один элемент с током отличающимся от тока остальных элементов в меньшую сторону по причине затененности или дефекта качества может уменьшить мощность всего изделия. Ситуация аналогична ситуации с засорившимся участком водопроводной трубы. Именно поэтому элементы перед сборкой подвергаются сортировке. Характеристики ФЭП из кристаллического кремния нелинейны и закон Георга Ома для их описания не подходит. Кривая для описания их характеристик носит название вольтамперной характеристики (ВАХ), рис 1.

— Wp - максимальная мощность, Вт;

— Uхх - напряжение холостого хода, В;

— Uр - рабочее напряжение, В;

— Uн - номинальное напряжение, В;

— Iкз - ток короткого замыкания, А;

— Iр - рабочий ток, А;

Солнечные элементы

Напряжение без нагрузки(Uxx) незначительно колеблется при изменении освещенности и обычно равно 0.6В. Оно также вне зависимости от производителя, партии, типа кремния и площади фотоэлемента. По другому обстоит дело с током этого элемента. Ток генерируемый элементом в прямой зависимости от освещенности и площади солнечного элемента. Фотоэлемент размером 50х50 мм в 100 раз больше по площади чем элемент размером 5*5 мм и, естественно что при аналогичной освещенности он сгенерирует ток в 100 раз больше. Варьируя нагрузку на фотоэлемент, можно получить кривую зависимости мощности солнечного элемента от его рабочего напряжения. На рис.2 можете видеть типичную зависимость мощности элемента от напряжения нагрузки:

Солнечные элементы

Максимум мощности наблюдается у качественного фотоэлемента при рабочем напряжении 0.47-0.49В. Современные тестеры солнечных элементов мгновенно "снимают" с элемента ВАХ и проблем с оценкой качества элемента нет. Предыдущее поколение тестеров нагружало элемент так, чтобы рабочее напряжение составляло 0.47В. По величине тока при этом напряжении и сортировались элементы. На серийные фотоэлементы наносится токосъемная сетка из серебряной пасты. Токосъемная сетка состоит из двух элементов: тонкой сетки из "ресничек" и перпендикулярной им широкой дорожки, которая служит для напаивания монтажной шинки. Температура солнечного элемента в сильной степени влияет на КПД. Каждый фотоэлемент теряет в рабочем напряжении 0.002В при возрастании температуры на 1°С свыше 25°С. Рисунок 3 показывает как изменяется ВАХ при повышении температуры элемента. Ток короткого замыкания наоборот имеет положительный коэффициент роста и увеличивается при нагревании фотоэлемента или модуля. КПД современных фотоэлементов составляет 15-18%. Это значит к примеру , что с фотоэлемента 100×100 мм при STC возможно снять 1.5-1.8 Вт. Габариты стандартных солнечных элементов, которые производят все фирмы мира в настоящий момент такие:125×125мм, 156×156мм. Для производства маломощных солнечных модулей помощи лазера фотоэлементы режутся на доли. Элементы 103х103мм уже трудно встретить на мировом рынке, а фотоэлементы 85х85мм исчезли вовсе. Элементы для систем наземного базирования постепенно укрупняются. На странице "Обзор продукции: солнечные элементы" Вы можете подробнее ознакомиться с солнечными элементами.

Обзор солнечных элементов