Фотоэлектрические модули ФЭМ

 Основным компонентом для построения фотоэлектрических систем (ФЭС) являются фотоэлектрические модули (ФЭМ).

     Кристаллический кремний — это основная форма, в которой используется кремний при производстве фотоэлектрических преобразователей и твердотельных электронных приборов методами планарной технологии. Активно развивается использование кремния в виде тонких плёнок (эпитаксиальных слоёв) кристаллической и аморфной структуры на различных подложках.

     Кристаллический кремний производится путём перекристаллизации поликристаллического кремния не смешанного либо смешанного в той или иной пропорции с кристаллическим кремнием. Перекристаллизация производится одним из известных способов. Наиболее распространёнными являются метод Чохральского, метод направленной кристаллизации расплава в тигле. В меньшей мере для получения наиболее чистых кристаллов с максимальным удельным электрическим сопротивлением и временем жизни неосновных носителей заряда используется метод зонной плавки.

 В зависимости от способа перекристаллизации различают:

     1. кремний монокристаллический — цилиндрические слитки кремния моно- и поликристаллической структуры с диаметром до 400 мм, полученные методом Чохральского;

     2. кремний монокристаллический бестигельный — цилиндрические слитки кремния монокристаллической структуры с диаметром до 150 мм, полученные методом бестигельной зонной плавки;

      3. поликристаллический кремний — прямоугольные блоки, получаемые в больших тиглях (контейнерах) прямоугольной формы методом направленной кристаллизации. При кристаллизации температура расплава кремния в тигле (контейнере) по высоте постепенно понижается, тем самым кристаллиты растут в одном направлении, постепенно разрастаясь и вытесняя более мелкие кристаллиты. Размер зерна поликристалла выращенного таким образом может достигать в сечении перпендикулярном направлению роста 5-10 мм. Получившиеся блоки обрезают для удаления краевых участков, содержащих частицы тигля-футеровки, а полученный блок разрезают на призмы квадратного сечения с размерами 100х100 мм, 125х125 мм, 150х150 мм, 170х170 мм, 200х200 мм в зависимости от используемой технологии.

1

 

     Устройства для прямого преобразования световой или солнечной энергии в электроэнергию называются фотоэлементами (по-английски Photovoltaics, от греческого photos - свет и названия единицы электродвижущей силы - вольт). Преобразование солнечного света в электричество происходит в фотоэлементах, изготовленных из полупроводникового материала, например, кремния, которые под воздействием солнечного света вырабатывают электрический ток. Соединяя фотоэлементы в модули, а те, в свою очередь, друг с другом. Можно строить крупные фотоэлектрические станции, солнечные батареи.

     КПД фотоэлектрических установок на основе кристаллического кремния в настоящее время составляет около 14%, однако отдельные фотоэлементы могут достигать эффективности 20% и более. Различие между моно-, поликристаллической и аморфной формами в том, как организованы атомы кремния в кристалле. Различные ФЭ имеют разный КПД преобразования энергии света. Моно- и поликристаллические элементы имеют почти одинаковый КПД, который выше, чем у фотоэлементов на основе аморфного кремния.

     В ФЭ имеется задний контакт и 2 слоя кремния разной проводимости. Сверху имеется сетка из металлических контактов и антибликовое просветляющее покрытие, которое дает ФЭ характерный синий оттенок.

Простейшей солнечной батареей является цепочка из последовательно соединенных элементов. Можно соединить эти цепочки параллельно, получив так называемое последовательно-параллельное соединение. Параллельно можно соединять лишь цепочки (линейки) с идентичным напряжением, при этом их токи согласно закону Кирхгофа суммируются.

     Электрические параметры солнечного фотоэлектрического модуля представляются как и отдельного солнечного элемента в виде вольтамперной кривой при стандартных условиях  (Standart Test Conditions), т.е., при солнечной радиации 1000 Вт/м2, температуре 25оС и солнечном спектре на широте 45о(АМ1,5).

Солнечный модуль выполнен в виде панели, заключенной в каркас из алюминиевого профиля (либо на пластиковой основе). Панель представляет собой фотоэлектрический генератор, состоящий из стеклянной плиты, с тыльной стороны которой между двумя слоями герметизирующей (ламинирующей), пленки размещены солнечные элементы, электрически соединенные между собой металлическими шинами. Нижний слой герметизирующей пленки защищен от внешних воздействий слоем защитной пленки. К внутренней стороне корпуса модуля прикреплен блок терминалов, предназначенные для подключения модуля.

     Кремниевые солнечные элементы являются нелинейными устройствами, и их поведение нельзя описать простой формулой типа закона Ома. Вместо нее для объяснения характеристик элемента можно пользоваться семейством простых для понимания кривых - вольтамперных характеристик (ВАХ)

2

Напряжение холостого хода, генерируемое одним элементом, слегка изменяется при переходе от одного элемента к другому в одной партии и от одной фирмы изготовителя к другой и составляет около 0,6В. Эта величина не зависит от размеров элемента. По иному обстоит дело с током. Он зависит от интенсивности света и размера элемента, под которым подразумевается площадь его поверхности.

Элемент размером 100*100 мм в 100 раз превосходит элемент размером 10*10 мм и, следовательно, он при той же освещенности выдаст ток в 100 раз больший.

     Нагружая элемент, можно построить график зависимости выходной мощности от напряжения, получим ВАХ изображенную на рис.2

3

    Пиковая мощность соответствует напряжению около 0,47 В. Таким образом, чтобы правильно оценить качество солнечного элемента, а также ради сравнения элементов между собой в одинаковых условиях, необходимо нагрузить его так, чтобы выходное напряжение равнялось 0,47 В. После того, как солнечные элементы подобраны для работы, необходимо их спаять. Серийные элементы снабжены токосъемными сетками, которые предназначены для припайки к ним проводников.

Батареи можно составлять в любой желаемой комбинации. Простейшей батареей является цепочка из последовательно включенных элементов. Можно также соединить параллельно цепочки, получив так называемое последовательно-параллельное соединение.

     Важным моментом работы солнечных элементов является их температурный режим. При нагреве элемента на один градус свыше 25оС он теряет в напряжении 0,002В, т.е. 0,4 %/градус. На рис.3 приведено семейство кривых ВАХ для температур 25оС и 60оС.

4

     В яркий солнечный день элементы нагреваются до 60-70оС теряя 0,07-0,09В каждый. Это и является основной причиной снижения КПД солнечных элементов, приводя к падению напряжения, генерируемого элементом.

КПД обычного солнечного элемента в настоящее время колеблется в пределах 10-16 %. Это значит, что элемент размером 100*100 мм при стандартных условиях может генерировать 1-1,6 Вт.

5

     Точка пересечения кривой с осью напряжений называется напряжением холостого хода - Uxx, точка пересечения с осью токов – током короткого замыкания Iкз.

Максимальная мощность модуля определяется как наибольшая мощность при STC (Standart Test Conditions).

     Напряжение, соответствующее максимальной мощности, называется напряжением максимальной мощности (рабочим напряжением - Up), а соответствующий ток - током максимальной мощности (рабочим током - Ip).

     Значение рабочего напряжения для модуля, состоящего из 36 элементов, таким образом, будет около 16…17В при 25оС.

Такой запас по напряжению по сравнению с напряжением полного заряда аккумулятора (14,4 В) необходим для того, чтобы компенсировать потери в контроллере заряда-разряда АКБ. Следует заметить, что напряжение холостого хода модуля мало зависит от освещенности, в то время как ток короткого замыкания, а соответственно и рабочий ток, прямо пропорциональны освещенности.

Таким образом, при нагреве в реальных условиях работы, модули разогреваются до температуры 60-70оС, что соответствует смещению точки рабочего напряжения, к примеру, для модуля с рабочим напряжением 17В - со значения 17В до 13,7-14,4В (0,38-0,4 В на элемент).

 

Сравнение монокристаллических и поликристаллических

фотоэлектрических модулей.

   Первое на что ссылаются противники поликристаллических модулей, что поликристаллические менее долговечны, чем монокристаллические. Тот, кто в этом уверяет, ничего не понимает в природе работы солнечных элементов.
Дело в том, что поликристаллический кремний получают точно такой же
кристаллизацией кремния из расплава, что и монокристаллический.
Только при монокристаллическом росте существует только одна точка
кристаллизации и, как следствие, все атомы выстраиваются во всем
объеме кристалла в одинаковом порядке. При росте поликристаллического кремния существует много точек начала кристаллизации. Поэтому мы имеем как бы много
монокристаллических кусков, произвольно ориентированных по отношению
друг к другу. В тех местах, где такие монокристаллы при
кристаллизации встречаются, друг с другом появляется граница, которая
содержит много дефектов. Эти-то дефекты и являются причиной более
низкого КПД поликристаллических солнечных элементов, по сравнению с
монокристаллическими. Зато процесс кристаллизации значительно дешевле
и кристалл сразу получается огромного размера и квадратной формы. В
итоге почти, одинаково. Хуже КПД, но стоимость ниже.
      Возможность выпускать солнечные элементы на поликристаллическом
кремнии появилась только после того, как научились пассивировать эти
дефектные границы водородными радикалами. Атомы водорода садятся на
дефектные места и не дают возможности электронам рекомбинировать (уничтожаться путем соединения с положительными зарядами) на них. Таким образом, электроны легко доходят до контактов на поверхности солнечного элемента, и мы имеем максимально возможный ток. Поскольку 100%-ного экранирования водородом дефектов получить никогда не удастся, то это и является причиной пониженного КПД поликристаллических элементов. Есть и другие причины, но они второстепенны.
Самое интересное, что то же самое делается и на монокристаллических
элементах. Только здесь водород экранирует точно такие же дефекты на
поверхности солнечного элемента (ведь любая поверхность - это обрыв
упорядоченного расположения атомов вещества, или другими словами -
огромный дефект!).
       С течением времени атомы водорода могут уходить со своих мест на дефектах, но это настолько медленный процесс, что за срок службы солнечных модулей его можно попросту не заметить.
  Гораздо хуже обстоит дело с атомами водорода в аморфном кремнии (тонкопленочных элементах), но мы сейчас это не обсуждаем.
Таким образом, при качественном изготовлении солнечного элемента на
поликристаллическом кремнии он будет вести себя точно так же, как и
монокристаллический.
      Правда есть еще одна проблема, но она относится к неаккуратным производителям элементов и не является общей для типов кремния. Это проблема ускоренной деградации элементов. Чаще всего это связано с другими примесями внутри кремния. Она может проявиться и на монокристаллическом кремнии, но чаще всего ее наблюдают на поликристаллческом.
Дело в том, что многие атомы металлов отрицательно сказываются на работе солнечного элемента. При этом эти атомы настолько подвижны, что при первоначальном их положении в неактивном состоянии, через некоторое время даже при температуре работы солнечного модуля они могут перейти в активное состояние.
Порядочные производители пластин и элементов не пропускают такие зараженные металлом пластины в модули. Но есть такие страны, в которых существуют компании, которым лишь бы продать, затратив как можно меньше, а потом трава не расти.      Технические требования в некоторых компаниях, когда явно некондиционные пластины по техническому регламенту считались годными. Подведем итог. Что моно, что поли - с точки зрения теории и надежности совершенно одинаковы. Не одинаковы производители пластин и элементов.
Кроме различия в себестоимости производства и окончательного КПД, других отличий между ними нет!
  Повышенный спрос в Европе на монокристаллические модули обусловлен изменением структуры рынка фотовольтаики. Теперь практически нет наземных инсталляций, а все идет на крыши. Место ограничено, а мощности пытаются снять максимально. Поэтому берут в основном с максимальным КПД. Спрос на мультикристаллические модули упал, а на монокристаллические вырос. Рынок среагировал и опустил цены на поли, но поднял на моно.

Оформить заявку

Нажатием на «Отправить» подтверждаю согласие с обработкой персональных данных
Введите правильный ответ