Yozeal нови енергийни технологии Ко, ООД
Начало > Изложба > Съдържание
Фотоволтаика: Слънчева електроенергия и слънчеви клетки в теория и практика
- May 09, 2017 -

Фотоволтаика: Слънчева електроенергия и слънчеви клетки в теория и практика

Думата Фотоволтаик е комбинация от гръцката дума за Светлина и името на физиката Алесандро Волта. Тя идентифицира прякото превръщане на слънчевата светлина в енергия чрез слънчеви клетки. Процесът на преобразуване се основава на фотоелектричния ефект, открит от Александър Бекурел през 1839 г. Фотоелектричният ефект описва освобождаването на положителни и отрицателни носители на заряд в твърдо състояние, когато светлината удари повърхността му.

Как работи соларната клетка?

Слънчевите клетки са съставени от различни полупроводникови материали. Полупроводниците са материали, които стават електропроводими, когато се доставят със светлина или топлина, но които действат като изолатори при ниски температури.

Над 95% от всички произведени в света слънчеви клетки са съставени от полупроводников материал Силикон (Si). Като вторият най-богат елемент в земната кора, силиконът има предимството, че е наличен в достатъчни количества, а освен това обработката на материала не натоварва околната среда. За да се произведе слънчева клетка, полупроводникът е замърсен или "лепен". "Допинг" е целенасоченото въвеждане на химически елементи, с които може да се получи излишък от носители на положителен заряд (р-проводящ полупроводников слой) или носители на отрицателни заряди (n-проводящ полупроводников слой) от полупроводниковия материал. Ако се комбинират два различно замърсени полупроводникови слоя, тогава се получава т. Нар. Възел на границата на слоевете.

модел на кристална слънчева клетка

На това кръстовище се изгражда вътрешно електрическо поле, което води до отделяне на носителите на заряд, които се освобождават от светлината. Чрез метални контакти може да се постави електрически заряд. Ако външната верига е затворена, което означава, че потребителят е свързан, тогава директните потоци на тока.

Силиконовите клетки са приблизително 10 cm на 10 cm големи (наскоро също 15 cm на 15 cm). Прозрачното антирефлексно фолио защитава клетката и намалява отразяващата загуба на повърхността на клетката.

Характеристики на слънчевата клетка

линията на текущото напрежение на SI-слънчевата клетка

Използваното напрежение от слънчеви клетки зависи от полупроводниковия материал. При силиций то е около 0,5 V. Напрежението на клемите е слабо зависимо от светлинното лъчение, докато интензитетът на тока се увеличава с по-висока яркост. Силициевата клетка от 100 см2, например, достига максимален токов интензитет от приблизително 2 А, когато се излъчва с 1000 W / m².

Изходът (продукт на електричество и напрежение) на слънчевата клетка зависи от температурата. По-високите температури на клетките водят до по-ниска производителност и следователно до по-ниска ефективност. Нивото на ефективност показва колко от излъченото количество светлина се превръща в използваема електрическа енергия.

Различни типове клетки

Човек може да различи три типа клетки според типа кристал: монокристален, поликристален и аморфен. За да се получи монокристална силиконова клетка, е необходим абсолютно чист полупроводников материал. Монокристалните пръти се извличат от разтопения силиций и след това се разрязват на тънки плочи. Този производствен процес гарантира сравнително високо ниво на ефективност.
Производството на поликристални клетки е по-рентабилно. При този процес течният силиций се излива в блокове, които впоследствие се разрязват на плочи. По време на втвърдяването на материала се формират кристални структури с различни размери, при чиито граници се появяват дефекти. В резултат на този кристален дефект, слънчевата клетка е по-малко ефективна.
Ако се постави силиконов филм върху стъкло или друг субстрат, това е така наречената аморфна или тънкослойна клетка. Дебелината на слоя е по-малка от 1 μm (дебелина на човешката коса: 50-100 μm), така че производствените разходи са по-ниски поради ниските разходи за материали. Ефективността на аморфните клетки обаче е много по-ниска от тази на другите два клетъчни типа. Поради това те се използват предимно в оборудване с ниска мощност (часовници, джобни калкулатори) или като фасадни елементи.

Материал

Ниво на ефективност в% Lab

Ниво на ефективност в% Производство

Монокристален силиций

прибл. 24

14 до 17

Поликристален силиций

прибл. 18

13 до 15

Аморфен силиций

прибл. 13

5 до 7



От клетката до модула

За да се направят подходящите напрежения и изходи на разположение за различни приложения, отделните слънчеви клетки са взаимосвързани, за да образуват по-големи единици. Свързаните в серия клетки имат по-високо напрежение, докато тези, свързани паралелно, генерират повече електрически ток. Взаимосвързаните слънчеви клетки обикновено са вградени в прозрачен етил-винил-ацетат, снабден с алуминиева или неръждаема стоманена рамка и покрити с прозрачно стъкло от предната страна.

Типичните мощности на тези соларни модули са между 10 Wpeak и 100 Wpeak. Характерните данни се отнасят до стандартните условия на изпитване при 1000 W / m2 слънчева радиация при температура на клетката 25 ° Celsius. Стандартната гаранция на производителя от десет или повече години е доста дълга и показва високите стандарти за качество и продължителността на живота на днешните продукти.

Естествени ограничения на ефективността

Теоретични максимални нива на ефективност на различни слънчеви клетки при стандартни условия

В допълнение към оптимизирането на производствените процеси, се работи и за повишаване нивото на ефективност, за да се намалят разходите за слънчеви клетки. Различните механизми на загуба обаче определят границите на тези планове. По принцип различните полупроводникови материали или комбинации са подходящи само за специфични спектрални диапазони. Следователно, определена част от лъчистата енергия не може да бъде използвана, защото светлинните кванти (фотони) нямат достатъчно енергия, за да "активират" носителите на заряда. От друга страна, известно количество излишък от фотона енергия се трансформира в топлина, а не в електрическа енергия. В допълнение към това има оптични загуби, такива като засенчване на повърхността на клетката чрез контакт със стъклената повърхност или отражение на входящите лъчи върху повърхността на клетката. Други механизми на загуба са загубите на електрическо съпротивление в полупроводника и свързващия кабел. Разрушаващото влияние на материалното замърсяване, повърхностните ефекти и кристалните дефекти обаче също са значителни.
Механизмите за единична загуба (фотоните с твърде малко енергия не се абсорбират, излишъкът от фотонна енергия се трансформира в топлина) не може да се подобри допълнително поради присъщите физически ограничения, наложени от самите материали. Това води до теоретично максимално ниво на ефективност, т.е. приблизително 28% за кристалния силиций.