Παραγωγή φωτοβολταϊκών στοιχείων για ηλιακούς συλλέκτες

Η βάση κάθε φωτοβολταϊκής εγκατάστασης είναι πάντα μια φωτοβολταϊκή μονάδα. Ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο είναι ένας συνδυασμός φωτοβολταϊκών στοιχείων ηλεκτρικά συνδεδεμένων μεταξύ τους. Ο όρος φωτοβολταϊκά αποτελείται από δύο λέξεις «φωτογραφία» (από τα ελληνικά. Light) και «volt» (Alessandro Volta - 1745-1827, Ιταλός φυσικός) - μια μονάδα μέτρησης της τάσης στην ηλεκτρική μηχανική. Αναλύοντας τον όρο φωτοβολταϊκά, μπορούμε να πούμε — είναι μετατροπή του φωτός σε ηλεκτρική ενέργεια.

Ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο (ηλιακό στοιχείο) χρησιμοποιείται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας μετατρέποντας την ηλιακή ακτινοβολία. Ένα φωτοκύτταρο μπορεί να θεωρηθεί ως μια δίοδος που αποτελείται από ημιαγωγούς τύπου n και τύπου p με σχηματισμένη μια περιοχή που δεν έχει φέρει, έτσι ένα μη φωτισμένο φωτοκύτταρο μοιάζει με δίοδο και μπορεί να περιγραφεί ως δίοδος.

Για ημιαγωγούς με πλάτος μεταξύ 1 και 3 eV, η μέγιστη θεωρητική απόδοση μπορεί να φτάσει στο 30%. Το διάκενο ζώνης είναι η ελάχιστη ενέργεια φωτονίων που μπορεί να ανυψώσει ένα ηλεκτρόνιο από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας. Τα πιο κοινά εμπορικά ηλιακά κύτταρα είναι στοιχεία πυριτόλιθου.

Μονοκρύσταλλοι και πολυκρύσταλλοι πυριτίου. Το πυρίτιο είναι σήμερα ένα από τα πιο κοινά στοιχεία για την παραγωγή φωτοβολταϊκών πλαισίων. Ωστόσο, λόγω της χαμηλής απορρόφησης της ηλιακής ακτινοβολίας, τα ηλιακά κύτταρα κρυστάλλου πυριτίου κατασκευάζονται συνήθως πλάτους 300 μm. Η απόδοση του μονοκρυσταλλικού φωτοκυττάρου πυριτίου φτάνει το 17%.

Εάν πάρουμε ένα πολυκρυσταλλικό φωτοκύτταρο πυριτίου, τότε η απόδοση για αυτό είναι 5% χαμηλότερη από αυτή του μονοκρυσταλλικού πυριτίου. Το όριο κόκκων ενός πολυκρυστάλλου είναι το κέντρο ανασυνδυασμού των φορέων φορτίου. Το μέγεθος των κρυστάλλων πολυκρυσταλλικού πυριτίου μπορεί να ποικίλλει από μερικά mm έως ένα cm.

Αρσενίδιο του γαλλίου (GaAs). Οι ηλιακές κυψέλες από αρσενικό γάλλιο έχουν ήδη επιδείξει απόδοση 25% σε εργαστηριακές συνθήκες. Το αρσενίδιο του γαλλίου, που αναπτύχθηκε για την οπτοηλεκτρονική, είναι δύσκολο να παραχθεί σε μεγάλες ποσότητες και αρκετά ακριβό για τα ηλιακά κύτταρα. Εφαρμόζονται ηλιακά κύτταρα αρσενιδίου του γαλλίου μαζί με ηλιακούς συγκεντρωτές, καθώς και για την κοσμοναυτική.

Τεχνολογία φωτοκυττάρων λεπτού φιλμ. Το κύριο μειονέκτημα των κυψελών πυριτίου είναι το υψηλό τους κόστος. Διατίθενται κύτταρα λεπτής μεμβράνης από άμορφο πυρίτιο (a-Si), τελλουρίδιο του καδμίου (CdTe) ή δισελινίδιο χαλκού-ινδίου (CuInSe2). Το πλεονέκτημα των ηλιακών κυψελών λεπτής μεμβράνης είναι η εξοικονόμηση πρώτων υλών και η φθηνότερη παραγωγή σε σύγκριση με τα ηλιακά κύτταρα πυριτίου. Επομένως, μπορούμε να πούμε ότι τα προϊόντα λεπτής μεμβράνης έχουν προοπτικές χρήσης σε φωτοκύτταρα.

Το μειονέκτημα είναι ότι ορισμένα υλικά είναι αρκετά τοξικά, επομένως η ασφάλεια των προϊόντων και η ανακύκλωση παίζουν σημαντικό ρόλο. Επιπλέον, το τελλουρίδιο είναι ένας εξαντλητικός πόρος σε σύγκριση με το πυρίτιο.Η απόδοση των φωτοκυττάρων λεπτής μεμβράνης φτάνει το 11% (CuInSe2).

Στις αρχές της δεκαετίας του 1960, τα ηλιακά κύτταρα κόστιζαν περίπου 1.000 $/W μέγιστη ισχύς και κατασκευάζονταν κυρίως στο διάστημα. Στη δεκαετία του 1970 άρχισε η μαζική παραγωγή φωτοκυττάρων και η τιμή τους έπεσε στα 100$/W. Η περαιτέρω πρόοδος και η μείωση της τιμής των φωτοκυττάρων κατέστησαν δυνατή τη χρήση φωτοκυττάρων για οικιακές ανάγκες. Ειδικά για μέρος του πληθυσμού που ζει μακριά από ηλεκτροφόρα καλώδια και τα τυπικά τροφοδοτικά, οι φωτοβολταϊκές μονάδες έχουν γίνει μια καλή εναλλακτική λύση.

Η φωτογραφία δείχνει το πρώτο ηλιακό στοιχείο με βάση το πυρίτιο. Δημιουργήθηκε από επιστήμονες και μηχανικούς της αμερικανικής εταιρείας Bell Laboratories το 1956. Ένα ηλιακό στοιχείο είναι ένας συνδυασμός φωτοβολταϊκών πλαισίων ηλεκτρικά συνδεδεμένων μεταξύ τους. Ο συνδυασμός επιλέγεται ανάλογα με τις απαιτούμενες ηλεκτρικές παραμέτρους όπως ρεύμα και τάση. Ένα στοιχείο μιας τέτοιας ηλιακής μπαταρίας, που παράγει λιγότερο από 1 watt ηλεκτρικής ενέργειας, κοστίζει 250 δολάρια. Η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια ήταν 100 φορές πιο ακριβή από ό,τι από το συμβατικό δίκτυο.

Για σχεδόν 20 χρόνια, τα ηλιακά πάνελ χρησιμοποιούνται μόνο για το διάστημα. Το 1977, το κόστος της ηλεκτρικής ενέργειας μειώθηκε στα 76 $ ανά κυψέλη watt. Η αποδοτικότητα αυξήθηκε σταδιακά: 15% στα μέσα της δεκαετίας του 1990 και 20% έως το 2000. Τα τρέχοντα πιο σχετικά δεδομένα για αυτό το θέμα —Αποδοτικότητα ηλιακών κυψελών και πλαισίων

Η παραγωγή ηλιακών κυψελών πυριτίου μπορεί να χωριστεί χονδρικά σε τρία κύρια στάδια:

• παραγωγή πυριτίου υψηλής καθαρότητας.

• κατασκευή λεπτών ροδέλες σιλικόνης.

• εγκατάσταση του φωτοκυττάρου.

Η κύρια πρώτη ύλη για την παραγωγή πυριτίου υψηλής καθαρότητας είναι η χαλαζιακή άμμος (SiO2)2). Το τήγμα λαμβάνεται με ηλεκτρόλυση μεταλλουργικό πυρίτιοπου έχει καθαρότητα έως και 98%. Η διαδικασία ανάκτησης πυριτίου λαμβάνει χώρα όταν η άμμος αλληλεπιδρά με τον άνθρακα σε υψηλή θερμοκρασία 1800°C:

Αυτός ο βαθμός καθαρότητας δεν επαρκεί για την παραγωγή ενός φωτοκυττάρου, επομένως πρέπει να υποβληθεί σε περαιτέρω επεξεργασία. Ο περαιτέρω καθαρισμός του πυριτίου για τη βιομηχανία ημιαγωγών πραγματοποιείται πρακτικά σε όλο τον κόσμο χρησιμοποιώντας τεχνολογία που αναπτύχθηκε από τη Siemens.

«Διαδικασία Siemens» είναι ο καθαρισμός του πυριτίου με την αντίδραση μεταλλουργικού πυριτίου με υδροχλωρικό οξύ, με αποτέλεσμα το τριχλωροσιλάνιο (SiHCl3):

Το τριχλωροσιλάνιο (SiHCl3) βρίσκεται στην υγρή φάση, επομένως διαχωρίζεται εύκολα από το υδρογόνο. Επιπλέον, η επαναλαμβανόμενη απόσταξη τριχλωροσιλανίου αυξάνει την καθαρότητά του στο 10-10%.

Η επακόλουθη διαδικασία - πυρόλυση καθαρού τριχλωροσιλανίου - χρησιμοποιείται για την παραγωγή πολυκρυσταλλικού πυριτίου υψηλής καθαρότητας. Το προκύπτον πολυκρυσταλλικό πυρίτιο δεν πληροί πλήρως τις προϋποθέσεις χρήσης στη βιομηχανία ημιαγωγών, αλλά για τη βιομηχανία ηλιακών φωτοβολταϊκών, η ποιότητα του υλικού είναι επαρκής.

Το πολυκρυσταλλικό πυρίτιο είναι μια πρώτη ύλη για την παραγωγή μονοκρυσταλλικού πυριτίου. Για την παραγωγή μονοκρυσταλλικού πυριτίου χρησιμοποιούνται δύο μέθοδοι — η μέθοδος Czochralski και η μέθοδος τήξης ζώνης.

Η μέθοδος του Czochralski είναι έντασης ενέργειας καθώς και έντασης υλικού. Μια σχετικά μικρή ποσότητα πολυκρυσταλλικού πυριτίου φορτώνεται στο χωνευτήριο και τήκεται υπό κενό.Ένας μικρός σπόρος μονοπυριτίου πέφτει στην επιφάνεια του τήγματος και στη συνέχεια, στρίβοντας, ανεβαίνει, τραβώντας πίσω του την κυλινδρική ράβδο, λόγω της δύναμης της επιφανειακής τάσης.

Επί του παρόντος, οι διάμετροι των συρόμενων πλινθωμάτων είναι μέχρι 300 mm. Το μήκος των πλινθωμάτων με διάμετρο 100-150 mm φτάνει τα 75-100 εκ. Η κρυσταλλική δομή του επιμήκους πλινθώματος επαναλαμβάνει τη μονοκρυσταλλική δομή του σπόρου. Η αύξηση της διαμέτρου και του μήκους ενός πλινθώματος, καθώς και η βελτίωση της τεχνολογίας κοπής του, θα μειώσει την ποσότητα των απορριμμάτων, μειώνοντας έτσι το κόστος των φωτοκυττάρων που προκύπτουν.

Τεχνολογία ζώνης. Η τεχνολογική διαδικασία που αναπτύχθηκε από την Mobil Solar Energy Corporation βασίζεται στο τράβηγμα λωρίδων πυριτίου από το τήγμα και στο σχηματισμό ηλιακών κυψελών πάνω τους. Η μήτρα βυθίζεται μερικώς στο τήγμα του πυριτίου και, λόγω του τριχοειδούς φαινομένου, το πολυκρυσταλλικό πυρίτιο ανεβαίνει σχηματίζοντας μια κορδέλα.Το τήγμα κρυσταλλώνεται και απομακρύνεται από τη μήτρα. Προκειμένου να αυξηθεί η παραγωγικότητα, έχει σχεδιαστεί ο εξοπλισμός, στον οποίο είναι δυνατή η λήψη έως και εννέα ζωνών ταυτόχρονα. Το αποτέλεσμα είναι ένα πρίσμα εννέα όψεων.

Το πλεονέκτημα των ζωνών είναι ότι είναι χαμηλού κόστους λόγω του ότι αποκλείεται η διαδικασία κοπής του πλινθώματος. Επιπλέον, μπορούν εύκολα να ληφθούν ορθογώνια φωτοβολταϊκά στοιχεία, ενώ το στρογγυλό σχήμα των μονοκρυσταλλικών πλακών δεν συμβάλλει στην καλή τοποθέτηση του φωτοβολταϊκού στοιχείου στο φωτοβολταϊκό στοιχείο.

Οι ράβδοι πολυκρυσταλλικού ή μονοκρυσταλλικού πυριτίου που προκύπτουν πρέπει στη συνέχεια να κοπούν σε λεπτές γκοφρέτες πάχους 0,2-0,4 mm. Κατά την κοπή μιας ράβδου από μονοκρυσταλλικό πυρίτιο, περίπου το 50% του υλικού χάνεται λόγω απωλειών.Επίσης, οι στρογγυλές ροδέλες δεν κόβονται πάντα, αλλά συχνά, για να κάνουν τετράγωνο σχήμα.