Тонкопленочные модули из аморфного кремния

Большинство доступных сегодня на рынке солнечных панелей можно условно разделить на три типа: монокристаллические,поликристаллические и тонкопленочные. Они отличаются друг от друга технологией производства, внешним видом, производительностью, стоимостью и областью применения. Поли- и монокристаллические панели составляют почти 85% продаж на рынке. А вот тонкопленочные (аморфные) солнечные панели считаются перспективными за счет собственных преимуществ и широкой сферы применения.

Они работают в условиях очень жаркого климата и пасмурной/облачной погоды, особенно эффективны при рассеянном свете, а фотоэлементы небольшого размера на основе аморфного кремния активно используются для бытовых нужд, интегрируются в экстерьер зданий, походные зарядные устройства для гаджетов, карманных калькуляторов.

В течение долгого времени низкая выходная мощность солнечных батарей на основе аморфного кремния ограничивала их использование только для узкого круга применения. Эта проблема частично решилась методом наслоения нескольких аморфных солнечных элементов друг на друга, что повышает их производительность и делает более компактными.

Как сделаны панели из аморфного кремния?

Аморфный кремний (a-Si) является некристаллической формой кремния. Слово «аморфный» буквально означает бесформенный. Такой кремниевый материал не структурирован и не кристаллизован на молекулярном уровне, как в многих других типах солнечных элементов на основе кремния.

Панели из аморфного кремния – это хорошо разработанная технология тонких пленок, которая существует на рынке около двух десятков лет. Такие модули формируются путем оседания из паров кремниевого вещества тонким слоем около 1 микрометра (иногда колеблется от нескольких нанометров до десятков микрометров) на материал подложки, например, стекло или металл. Аморфный кремний может оседать и при очень низких температурах, вплоть до 75°С, что также позволяет наносить его на пластик или другие гибкие материалы, которые пропускают солнечные лучи. Именно благодаря возможности использовать гибкую основу тонкопленочные модули имеют широкую область применения.

В простейшей форме структура аморфного модуля имеет один слой. Но однослойные элементы имеют невысокую выходную мощность. Для большей стабильности необходимо увеличить напряженность электрического поля на материале. Однако из-за этого снижается поглощение света и, следовательно, эффективность работы модулей. Это привело к тому, что индустрия разработала двух- и даже трехслойные устройства, которые содержат контактные модули, расположенные друг над другом.

КПД тонкопленочных панелей из аморфного кремния

Изначально, если сравнивать выходную мощность тонкопленочных панелей и панелей из кристаллического кремния, то цифра говорит не в пользу тонких пленок: 18-22% против примерно 7-8%. Такой низкий коэффициент полезного действия частично обусловлен эффектом Стаблера-Вронского (фотоиндуцированная деградация), который проявляется в первые часы, когда панели подвергаются воздействию солнечного света. Это явление приводит к уменьшению выхода энергии панели из аморфного кремния с 10 до примерно 7 процентов.

Однако с развитием технологий в последние годы эти показатели стремительно улучшаются. Сегодня ученые и инженеры, работающие над усовершенствованием панелей, постепенно довели в лабораторных условиях показатели эффективности аморфных панелей до 12,5%. Эффективность солнечных батарей на основе аморфного кремния, которые производятся в больших объемах, составляет от 6% до 9%.

Сейчас выделяют три поколения тонкопленочных панелей на основе аморфного кремния.

1-е поколение. Сюда относится родоначальник технологии – однопереходная солнечная батарея. Для нее характерны маленький срок эксплуатации (до 10 лет) и низкий уровень производительности (около 5%).

2-е поколение. Та же самая однопереходная солнечная батарея с увеличенным КПД (до 8%).

3-е поколение. Наиболее высокоэффективные на сегодня тонкопленочные аморфные панели со сроком эксплуатации выше 10 лет и уровнем производительности 12-12,5%.

Чаще всего тонкопленочные панели используют для гелиосистем, работающих в промышленных масштабах с зависимыми (ведомыми, grid-tie) инверторами и подающих электричество в общую сеть, поскольку наибольшую эффективность аморфные модули показывают при использовании их в мощных системах (от 10 кВт). 

Преимущества аморфных панелей

  • Производство элементов из аморфного кремния является безотходным, что существенно уменьшает стоимость тонкопленочных панелей. Поэтому низкая стоимость производства является их основным преимуществом и делает фотомодули из аморфного кремния очень конкурентоспособными на рынке солнечных панелей.
  • Подложки/основания аморфных панелей могут быть изготовлены как из металла, так и из недорогих материалов – стекло и пластик.
  • Лучшая однородность на больших площадях. Это обусловлено тем, что аморфный кремний сам по себе полон дефектов. Поэтому любые другие дефекты, например, примеси, не слишком сильно влияют на общие характеристики материала.
  • Аморфный кремний может быть произведен в виде различных форм и размеров (круглой, квадратной, шестиугольной или любой другой сложной формы). Это делает его идеальной технологией для использования в различных областях применения, таких как питание электронных калькуляторов, солнечные наручные часы, садовые фонари, автомобильные аксессуары.
  • Человеческий глаз чувствителен к свету с длинами волн от 400 до 700 нанометров. Поскольку солнечные элементы из аморфного кремния чувствительны к свету с практически одинаковыми длинами волн, это означает, что в дополнение к использованию в качестве солнечных элементов они также могут использоваться в качестве датчиков света (например, наружных датчиков освещения и т. д.).
  • Гибкость, легкий вес, простота в монтаже. Прочность и гибкость тонкопленочных панелей из аморфного кремния определяются поверхностями или подложками, к которым прикреплены тонкопленочные солнечные элементы. Гибкий тонкопленочный модуль дает большую возможность конструкторам и установщикам, позволяет быть более креативными, когда дело доходит до применения панелей. Например, они могут быть размещены на изогнутых поверхностях, а среди разработок уже есть даже их применение в одежде.  
  • Тонкопленочные солнечные элементы работают относительно хорошо при плохих условиях освещения и мало подвержены влиянию затенения, при рассеянном или слабом солнечном свете генерируют на 20% больше энергии в сравнении с кристаллическими панелями. Имеют меньшие потери в мощности в условиях пасмурной погоды. У них выгоднее стоимость на каждый ватт мощности.
  • Процесс и технология изготовления солнечных панелей a-Si делает их гораздо менее восприимчивыми к поломке во время транспортировки или установки, чем кристаллические панели. Тонкопленочные аморфные панели реже бывают бракованными.
  • Еще одним принципиальным преимуществом этого типа технологий является большая устойчивость к теплу, жаре. К примеру, согласно исследованиям Национальной лаборатории возобновляемой энергии США, было обнаружено, что при повышении температуры фотомодули из аморфного кремния демонстрируют более высокие результаты по производительности, чем панели из кристаллического кремния.
  • Для производства тонкопленочных панелей требуется гораздо меньше кремния. Так как аморфный кремний является материалом с прямой запрещенной зоной, для изготовления аморфных модулей требуется всего около 1% кремния, который был бы использован для производства фотоэлементов на основе кристаллического кремния.
  • Тонкопленочные панели из аморфного кремния хорошо подходят для солнечных электростанций больших площадей и настенных СЭС.
  • Все вышеназванные преимущества могут помочь снизить риск значительных инвестиций в фотоэлектрическую систему с использованием таких панелей.

Недостатки тонкопленочных панелей из аморфного кремния

  • Аморфные тонкопленочные солнечные элементы имеют более низкую эффективность, чем моно- и поликристаллические. Попытки ее повысить, например, созданием многослойных модулей или легированием германием для уменьшения ширины запрещенной зоны и дальнейшего улучшения поглощения света, довольно сложный процесс, который делает производство дороже. Если внедрять эти процессы, тонкопленочные панели будут стоить дороже, а значит, потеряют свое конкурентное преимущество.
  • Тонкопленочные модули имеют тенденцию разрушаться быстрее, чем моно- и поликристаллические солнечные панели. Ожидаемый срок службы аморфных батарей меньше, чем у кристаллических. Определить насколько – не всегда возможно, особенно с учетом постоянного развития технологий, используемых при производстве тонкопленочных панелей.  На сегодняшний день срок службы таких панелей, в среднем, составляет от 10 до 25 лет, а в мощности они теряют примерно от 10 до 40% в первые несколько сезонов, после чего их мощность фиксируется на этом показателе и, как правило, уже не падает. Многие производители обещают к концу срока служба выходную мощность около 80%.
  • Большая занимаемая площадь. Нужно покрыть намного большую поверхность (примерно в 2,5 – 3 раза) солнечными панелями из аморфного кремния, чем панелями на кристаллической основе, чтобы получить равную мощность.

Солнечные панели из аморфного кремния постоянно совершенствуются и сегодня обнадеживают своими перспективами. Они легче по весу, более гибки и потенциально дешевле в производстве. С другой стороны, эта технология должна стать более зрелой, чтобы конкурировать с моно- и поликристаллическими солнечными батареями.

Оставьте комментарий

Этот сайт защищен reCaptcha и применяются Политика конфиденциальности и Условия обслуживания Google.