Типи сонячних батарей та їх ККД

У наш час поновлювана енергетика, особливо та 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,  в Нью-Мексико на 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 галузі сонячної енергетики по кількості 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 технології, практично вдвічі продуктивніше існуючих. Спробуємо коротко розглянути основні напрямки розвитку фотоелектричних панелей, технологій і їх продуктивності.

Переважна більшість 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 тонкоплівковій технології – методом осадження, або напилення фоточутливих речовин на різні підкладки. Суттєва перевага модулів з цих елементів – більш низька вартість продукції, адже для них потрібно приблизно в 100 разів менше матеріалу в порівнянні з кремнієвими пластинами. І поки що найменше представлені багатоперехідні сонячні елементи з так званих тандемних, або багатоперехідних осередків.

Частки ринку фотоелектричних панелей різних технологій

Кремнієві кристалічні фотомодулі.

ККД кремнієвих модулів на сьогодні близько 15 – 20% (полікристалів – монокристалів). 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 найближчої пари років випустити на ринок фотомодулі з ККД 22%. Існуючі ж лабораторні зразки монокристалічних фотоелемнтів показують продуктивність 25%, полікристалічних – 20,5%. Теоретичний максимальний ККД у кремнієвих одноперехідних (p-n) елементів – 33,7%. Поки він не досягнутий, і основне завдання виробників, крім збільшення ефективності – 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 модулям. ККД таких елементів з монокристалічного C-Si і декількох шарів нано кристалічного nc-Si – 23%. Це найвищий на сьогодні показник ККД серійних кристалічних модулів.

Тонкоплівкові сонячні батареї.

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.Подальший розвиток фотоелектричних перетворювачів на основі неорганічних тонких плівок пов’язаний 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 обмежене, все знаходиться в лабораторній стадії, а так само в удосконаленні технології майбутнього серійного виробництва. Ряд виробників заявили про досягнення ККД елементів на органічних претворювачах більше 10%: німецька компанія Heliatek -10,7%, університет Каліфорнії UCLA – 10,6%. Група вчених з лабораторії в EPFL отримала ККД 12,3% фотомодулів з сенсибілізованих барвників. Взагалі напрямок органічних тонкоплівкових елементів, а так само світлочутливих барвників вважається одним з перспективних.

Багатоперехідні (багатошарові, тандемні) сонячні модулі.

Фотомодулі з таких елементів містять шари різних матеріалів, що утворюють кілька p-n переходів. Ідеальний сонячний елемент в теорії повинен мати сотні різних шарів (p-n 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 ідеальних 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 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% від отриманого не фокусованого 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% при не фокусованому сонячному світлі. Цього недостатньо, щоб компенсувати витрати на виробництво такихфотомодулів – вартість багатоперехідних осередків приблизно в 100 разів вище аналогічних за площею кремнієвих, тому в конструкціях модулів з багатоперехідних осередків застосовуються концентратори для фокусування світла в 500 – 1000 разів. Повна вартість фотомодулів з багатоперехідних осередків із застосуванням концентраторів (СРV) значно здешевлюється за рахунок недорогих лінз і підкладок, компенсуючи високу вартість виробництва самого модуля. При цьому продуктивність осередків зростає до 40%.

Максимальний ККД багатоперехідних панелей, отриманий в лабораторних умовах з 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 батареї з високою продуктивністю, що виготовляються за різними технологіями, і основне завдання виробників – здешевлення кінцевого продукту, адаптація лабораторних досліджень для масового виробництва. Не дивлячись на малі витрати 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 ще дуже дорогими є багатоперехідні 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.