Солнечные панели в качестве альтернативного источника электроэнергии завоевывают все большую популярность среди широких слоев населения. Из дорогостоящих устройств с низкой эффективностью они превратились в достойную замену стационарным электрическим сетям. Среди них следует отметить монокристаллические солнечные батареи и поликристаллические, используемые на различных объектах. Эффективность таких приборов зависит от правильного выбора. Для этого нужно в целом иметь представление о конструкции, принципе работы, параметрах и технических характеристиках этих устройств.
Физические характеристики кристаллического кремния
Элементы для солнечных панелей изготавливаются из полупроводниковых материалов. Среди них несомненным лидером является кремний, который служит основным материалом для производства панелей.
По своим физическим свойствам кремний бывает монокристаллический, поликристаллический, мультикристаллический и аморфный. Такое разнообразие структур дает ему несомненное преимущество перед другими видами полупроводников, и делает незаменимым в производстве микроэлектроники и электронной техники. То же самое в полной мере касается и солнечной энергетики.
Кремний относится к наиболее распространенным химическим элементом, а его запасы практически неограниченны. Данный материал отличается доступностью, дешевизной и экологической чистотой. В природе он известен как двуокись кремния, а в натуральном виде представлен речным и кварцевым песком, кремнем, кварцем и кварцитами. Кристаллическая решетка кремния похожа на алмазную, поэтому он очень хрупкий и приобретает пластичность лишь при температуре свыше 800 градусов.
При идеальной кристаллической структуре и отсутствии примесей, в температурных условиях абсолютного нуля, кремний можно рассматривать как изолятор. При повышении температуры в нем возникает явление так называемой собственной проводимости. В этом случае электрический ток возникает за счет свободных электронов или дырок, представляющих электронную или дырочную проводимость.
Помещенный в комнатную температуру, чистый кремний ведет себя как химически инертное вещество. Однако, если температура повышается, он начинает вступать в активную реакцию с другими элементами. Особую активность данный материал проявляет в расплавленном виде, создавая серьезные проблемы при его очистке до требуемого уровня.
Солнечные элементы на основе кремния изготавливаются из тонких кремниевых пластинок, нарезаемых на установленную толщину. Предварительно они подвергаются различным видам обработки, и в результате сложных технологических процессов получается нужный материал.
Производство кремниевых кристаллов
Производство солнечных панелей начинается с изготовления моно- или поликристаллических кремниевых элементов. Монокристаллический кремний требует более сложной и трудоемкой технологии.
Его создание осуществляется в несколько этапов:
- Многоступенчатая очистка кварцевого песка, содержащего большое количество диоксида кремния. В результате очистки из него удаляется кислород. Этот процесс выполняется при высокой температуре, обеспечивающей плавление и последующий синтез материала с другими химическими веществами.
- Далее, из очищенного кремния выращиваются кристаллы. Вначале отдельные куски чистого материала закладываются в тигель, внутри которого они разогреваются и плавятся. В расплавленную массу помещается затравка, используемая в качестве основы будущего кристалла. Атомы кремния, оседая слоями на этой затравке, постепенно принимают четкую упорядоченную структуру. Конечным результатом этого продолжительного действия становится крупный однородный кристалл.
- На следующем этапе монокристалл измеряется, калибруется и обрабатывается до требуемой формы. На выходе он получается в форме цилиндра, не совсем удобной для последующей обработки. Поэтому заготовка в сечении превращается в квадрат с закругленными углами. Затем, готовый монокристалл при помощи стальных нитей разрезается на отдельные тонкие пластинки. После этого выполняется их очистка, проверка качества и работоспособность.
- Способность вырабатывать электроэнергию появляется у кремния после добавления в него бора и фосфора. Сторона п-типа покрыта фосфором, обеспечивающим получение свободных электронов. На стороне р-типа располагается слой бора с дырочной проводимостью. Таким образом, между двумя элементами создается р-п-переход. При попадании на ячейку солнечного света, из атомной решетки начнется усиленный выход электронов и дырок. Они распространяются по всему электрическому полю и устремляются к своему заряду. Сбор полученного тока осуществляется с помощью проводников, припаянных с каждой стороны пластины.
- На завершающей стадии пластинки соединяются в цепочки, после чего они собираются в более крупные блоки. Мощность батареи зависит от количества ячеек. При их последовательном соединении возникает определенное значение напряжения, а при параллельном сила тока. Для защиты от внешних воздействий ячейки покрываются пленкой, переносятся на стекло и устанавливаются в рамку прямоугольной формы. В конце сборки проверяются вольтамперные характеристики, после чего панель готова к эксплуатации.
Солнечные панели из монокристаллов
Характерной особенностью монокристаллических солнечных панелей является однородный цвет фотоэлементов, создающий точно такой же внешний вид у всей конструкции. Цветовая гамма определяется размерами зерен выращенного монокристалла. Выращивание кремниевых слитков осуществляется из природного кремния, после чего кристаллическая решетка материала приобретает необходимую структуру и частоту.
Монокристаллические солнечные батареи считаются наиболее эффективными и применяются на различных объектах. Они имеют свои плюсы и минусы, которые следует учитывать при выборе той или иной конструкции.
Среди положительных качеств можно отметить следующие:
- Высокая эффективность изделий, благодаря высокому качеству структуры материала. Это позволяет довести коэффициент полезного действия до 17-22%.
- Возможность уменьшения размеров солнечных панелей без потерь мощности по сравнению с другими типами батарей с такими же техническими характеристиками. Таким образом, чтобы получить электроэнергию в количестве 10 ватт, потребуется монокремниевая панель с меньшими размерами.
- Максимальный срок эксплуатации, превышающий этот показатель у других изделий. При условии соблюдения всех правил и норм, батарея прослужит не менее 25 лет.
Серьезным недостатком этих конструкций является их высокая стоимость. Для многих пользователей данный фактор имеет решающее значение при выборе изделия, несмотря на все положительные качества. Поэтому нередко выбираются более дешевые поликристаллические панели, хотя и не такие эффективные.
При незначительной загрязненности или недостаточном освещении, когда отдельные элементы перестают участвовать в процессе, наступает резкая потеря производительности всей системы. В связи с этим рекомендуется использовать инверторы, способные выровнять параметры цепи и ликвидировать последствия неравномерного освещения.
Особенности поликристаллических модулей
Солнечные панели с поликристаллическими кремниевыми элементами используются уже много лет. Их производство заметно отличается и обходится без дорогостоящих сложных процессов с применением высоких технологий. В результате, кристаллическая решетка получается не упорядоченной, а расположенной хаотично.
Исходный материал подвергается плавке, после чего он заливается в формы. После остывания заготовки разрезаются на стандартные пластинки квадратной формы. Готовые модули получаются недорогими и простыми в эксплуатации.
Многие останавливают свой выбор именно на этих изделиях, поскольку использование такого оборудования позволяет сэкономить значительные денежные средства. В результате низкой материалоемкости производства значительно упрощается дальнейшая утилизация отходов этих изделий. Бракованной продукции на выходе получается меньше.
Однако, у поликристаллических солнечных панелей имеется ряд недостатков, которых намного больше, чем у конструкций с монокристаллами. При выборе конкретного изделия рекомендуется учитывать следующие факторы:
- Поликристаллические солнечные батареи обладают более низкой устойчивостью к высоким температурам. Под их влиянием наступает снижение производительности панели, уменьшение срока эксплуатации. Это происходит не быстро, поэтому данный фактор не оказывает существенного влияния на общую функциональность конструкции.
- Коэффициент полезного действия находится в пределах 14-18%, то есть, он ниже, чем у монокристаллических панелей.
- Для получения мощности, аналогичной монокристаллам, потребуется большая площадь фотоэлементов. То есть, пространство используется менее эффективно.
- Внешний вид конструкции имеет ярко выраженную неоднородную структуру. Этот недостаток устраняется специальными просветляющими покрытиями, устанавливаемыми сверху.
Таким образом, рассмотрев преимущества, недостатки и отличия различных типов солнечных панелей, можно сделать вывод, что для всей системы не существует принципиальной разницы, какие из них будут использоваться. Значение основных параметров мощности и напряжения, не зависят от конструктивных особенностей той или иной батареи.
Определяющим фактором является производительность конкретной панели, ее параметры и технические характеристики. Остается лишь сделать привязку к стоимости и окончательно выбрать наиболее подходящий вариант.