Аморфні сонячні батареї (з аморфного кремнію)

Сонячні батареї почали виготовляти з 1954 р Спочатку це були фотоелектричні елементи на основі напівпровідникового кремнію. Набагато пізніше була розроблена технологія отримання аморфних сонячних батарей. Сонячні батареї цілком не виготовляються, а збираються з окремих елементів, що перетворюють світло в електрику.

Сучасна малогабаритна сонячна батарея

Одиничний фотоелектричний напівпровідниковий перетворювач виготовляється з металу кремнію найвищого ступеня очищення. Найчастіше в технологічному процесі очищення отримують кристалічний кремній у вигляді циліндра діаметром кілька десятків міліметрів.
З циліндра нарізають диски, що мають товщину в долі міліметра.

Кремнієві диски легируют нанесенням на їх поверхню різних домішок, як металевих, так і неметалевих. При цьому в пластині кремнію формуються зони з різним ступенем насиченості електронами, з n-провідністю (електронної) і «дірками» з p-провідністю.

«Дірки» - це метал, з якого дозованими домішками видалили частину електронів і отримали p-провідність, тобто позитивну, а метал з надлишком електронів має n-провідність, тобто негативну або електронну.

Структура кремнієвого ФЕП

Комбінацією домішок, їх складом, черговістю нанесення, товщиною і багато інших в товщі пластини отримують p-n переходи або гетеропереходи. В результаті цих процесів напівпровідникові пластини отримують здатність при опроміненні світлом давати електричний струм. Так були створені фотоелектричні перетворювачі (ФЕП).

До кінця першого десятиліття 21-го століття ККД кремнієвих сонячних батарей промислового виробництва, в залежності від виробника, досяг величини в 28-30%. Цю величину значно знижує (до 20-22%) нагрів від сонячного освітлення, без якого обійтися неможливо.

Деякі недоліки кремнієвих елементів

Металевий кремній напівпровідникової чистоти - матеріал дуже дорогий, тому що при виробництві він проходить безліч стадій очищення.

При різанні монокристалла значна частина матеріалу йде в стружку - товщина пластини близько 0,25 - 0,4 мм.

При опроміненні ФЕП світлом, що падає на елемент енергія перетворюється в електрику в повному обсязі:

• частина відбивається з поверхні назад;
• частина проходить «наскрізь» без поглинання і перетворення;
• частина викликає теплові коливання кристалічної решітки;
• частина витрачається на рекомбінацію (взаємне знищення «дірки» і електрона з виділенням тепла) фото-пар в поверхневому шарі і т.д.

Ці явища зменшують ККД кремниево-кристалічних ФЕП до 12-15%, іноді до 22-25%.

Виробництво ФЕП з аморфного кремнію

Сировиною для виробництва є підкладки з різних матеріалів:

• металу, часто з нержавіючої сталі;
• полімерних плівок різного складу;
• кераміки спеціальних марок;
• скла високого ступеня очищення;
• кристалів штучного сапфіра і т.п.

Сировиною для головного шару аморфних ФЕП є силан - кремневодород. Його хімічна формула SiH4. Кремній обробляють воднем і отримують з'єднання типу (a-Si: H) або гідрогенізований кремній.

Для нанесення аморфного кремнію на підкладку силан в закритій камері піддають дії тліючого електричного розряду. Він випаровується, і пари кремнію осідають на підкладку. Товщина шару близько 1 мкм і менше. Температура осадження близько 250 - 400 ° С, тому для підкладок можна вибрати різні матеріали невисокої вартості.

Гнучка сонячна батарея

Виробництво безвідходне, тому ціна продукції відносно невелика.

Процес напилення дозволяє виробляти ФЕП значно більшої площі, ніж диски з кремнію, діаметром в десятки міліметрів. Модулі, виготовлені за такою технологією, можуть мати площу до декількох квадратних метрів.

Гідрогенізація кремнію дозволяє отримати напівпровідникові властивості у дуже тонких плівок, товщиною до 1 мкм, чому сприяє збільшене в 15 - 20 разів оптичне поглинання цього матеріалу по відношенню до кремнію.

Сонячна батарея з використанням аморфного кремнію на скляній підкладці

Гнучкий ФЕП на основі аморфного кремнію

Особливості тонкоплівкових сонячних батарей

Сонячні батареї, виготовлені з аморфного кремнію, для роботи не вимагають опромінення прямим потоком сонячного світла. Їм досить розсіяного світла, наприклад, світла Сонця, закритого хмарами. В результаті цього такі батареї за рік виробляють на 10 - 15% більше електроенергії, ніж традиційні кремнієві батареї. Вони працюють при великій запиленості повітря або при насиченні його аерозолями.

Елементи малої потужності використовуватися почали ще в кінці минулого століття в калькуляторах, електронному годиннику, в кишенькових радіоприймачах і т.п.

Для створення тонкого шару напівпровідникового матеріалу для сонячної енергетичної панелі потрібно в сотні разів менше, і це теж зменшує кінцеву ціну.

Використання енергетичних сонячних батарей великої потужності дозволяє зменшити залежність від енергетичних компаній, а при наявності в державі законів з альтернативної енергетики - навіть заробляти, подаючи в промислову мережу надлишок енергії.