Fotovoltinių elementų gamyba saulės kolektoriams

Bet kokios fotovoltinės instaliacijos pagrindas visada yra fotovoltinis modulis. Fotovoltinis modulis yra elektra sujungtų fotovoltinių elementų derinys. Terminas fotovoltinė susideda iš dviejų žodžių «foto» (iš graikų. Šviesa) ir «voltas» (Alessandro Volta - 1745-1827, italų fizikas) - elektros inžinerijos įtampos matavimo vienetas. Analizuodami terminą fotovoltinė, galime pasakyti – taip šviesą paverčiant elektra.

Fotovoltinis elementas (saulės elementas) naudojamas elektros energijai gaminti konvertuojant saulės spinduliuotę. Fotoelementas gali būti laikomas diodu, sudarytu iš n-tipo ir p-tipo puslaidininkių su suformuota nešiklio išeikvota sritimi, todėl neapšviestas fotoelementas yra kaip diodas ir gali būti apibūdintas kaip diodas.

Puslaidininkių, kurių plotis nuo 1 iki 3 eV, maksimalus teorinis efektyvumas gali siekti iki 30%. Juostos tarpas yra mažiausia fotono energija, galinti pakelti elektroną iš valentinės juostos į laidumo juostą. Labiausiai paplitę komerciniai saulės elementai yra titnago elementai.

Silicio monokristalai ir polikristalai. Silicis šiandien yra vienas iš labiausiai paplitusių elementų fotovoltinių modulių gamybai. Tačiau dėl mažos saulės spinduliuotės sugerties silicio kristalų saulės elementai paprastai gaminami 300 µm pločio. Silicio monokristalinio fotoelemento efektyvumas siekia 17%.

Jei imsime polikristalinio silicio fotoelementą, tai jo efektyvumas yra 5% mažesnis nei monokristalinio silicio. Polikristalo grūdelių riba yra krūvininkų rekombinacijos centras. Polikristalinio silicio kristalų dydis gali svyruoti nuo kelių mm iki vieno cm.

Galio arsenidas (GaAs). Galio arsenido saulės baterijos laboratorinėmis sąlygomis jau įrodė 25% efektyvumą. Galio arsenidas, sukurtas optoelektronikai, sunkiai gaminamas dideliais kiekiais ir gana brangus saulės elementams. Taikomi galio arsenido saulės elementai kartu su saulės koncentratoriais, taip pat kosmonautikai.

Plonosios plėvelės fotoelementų technologija. Pagrindinis silicio elementų trūkumas yra jų didelė kaina. Galima įsigyti plonasluoksnių elementų, pagamintų iš amorfinio silicio (a-Si), kadmio telūrido (CdTe) arba vario-indžio diselinido (CuInSe2). Plonasluoksnių saulės elementų privalumas – žaliavų taupymas ir pigesnė gamyba lyginant su silicio saulės elementais. Todėl galime teigti, kad plonasluoksniai gaminiai turi perspektyvų naudoti fotoelementuose.

Neigiama yra tai, kad kai kurios medžiagos yra gana toksiškos, todėl gaminių sauga ir perdirbimas atlieka svarbų vaidmenį. Be to, palyginti su siliciu, teluridas yra senkantis išteklius.Plonasluoksnių fotoelementų efektyvumas siekia 11% (CuInSe2).

1960-ųjų pradžioje saulės elementai kainavo apie 1000 USD už W didžiausią galią ir dažniausiai buvo gaminami kosmose. Aštuntajame dešimtmetyje pradėta masinė fotoelementų gamyba ir jų kaina nukrito iki 100 USD/W. Tolesnė pažanga ir fotoelementų kainų mažinimas leido fotoelementus naudoti buitinėms reikmėms.Ypač daliai gyventojų, gyvenančių atokiau nuo elektros linijų ir standartiniai maitinimo šaltiniai, fotovoltiniai moduliai tapo gera alternatyva.

Nuotraukoje parodytas pirmasis silicio pagrindu pagamintas saulės elementas. Jį 1956 m. sukūrė amerikiečių kompanijos „Bell Laboratories“ mokslininkai ir inžinieriai. Saulės elementas – tai vienas su kitu elektra sujungtų fotovoltinių modulių derinys. Derinys parenkamas atsižvelgiant į reikiamus elektrinius parametrus, tokius kaip srovė ir įtampa. Vienas tokios saulės baterijos elementas, gaminantis mažiau nei 1 vatą elektros energijos, kainuoja 250 USD. Pagaminta elektra buvo 100 kartų brangesnė nei iš įprasto tinklo.

Beveik 20 metų saulės baterijos buvo naudojamos tik kosmosui. 1977 m. elektros kaina buvo sumažinta iki 76 USD už vatų elementą. Efektyvumas palaipsniui didėjo: 15 % dešimtojo dešimtmečio viduryje ir 20 % iki 2000 m. Dabartiniai aktualiausi duomenys šia tema —Saulės elementų ir modulių efektyvumas

Silicio saulės elementų gamybą galima apytiksliai suskirstyti į tris pagrindinius etapus:

• didelio grynumo silicio gamyba;

• plonų silikoninių poveržlių gamyba;

• fotoelemento montavimas.

Pagrindinė žaliava didelio grynumo siliciui gaminti yra kvarcinis smėlis (SiO2)2). Tirpalas gaunamas elektrolizės būdu metalurginis siliciskurio grynumas yra iki 98%. Silicio regeneravimo procesas vyksta, kai smėlis sąveikauja su anglimi aukštoje 1800°C temperatūroje:

Tokio grynumo laipsnio fotoelemento gamybai nepakanka, todėl jį reikia toliau apdoroti. Tolesnis puslaidininkių pramonei skirto silicio valymas praktiškai visame pasaulyje vykdomas naudojant Siemens sukurtas technologijas.

„Siemens procesas“ yra silicio valymas metalurginiam siliciui reaguojant su druskos rūgštimi, todėl gaunamas trichlorsilanas (SiHCl3):

Trichlorsilanas (SiHCl3) yra skystoje fazėje, todėl lengvai atskiriamas nuo vandenilio. Be to, pakartotinis trichlorsilano distiliavimas padidina jo grynumą iki 10-10%.

Tolesnis procesas – išgryninto trichlorsilano pirolizė – naudojamas didelio grynumo polikristaliniam siliciui gaminti. Gautas polikristalinis silicis nevisiškai atitinka naudojimo puslaidininkių pramonėje sąlygas, tačiau saulės fotovoltinės energijos pramonei medžiagos kokybė yra pakankama.

Polikristalinis silicis yra žaliava monokristaliniam siliciui gaminti. Monokristalinio silicio gamybai naudojami du būdai – Czochralski metodas ir zoninio lydymo metodas.

Czochralskio metodas yra daug energijos reikalaujantis ir daug medžiagų reikalaujantis. Į tiglį įpilamas santykinai nedidelis kiekis polikristalinio silicio ir išlydomas vakuume.Nedidelė monosilicio sėkla nukrenta ant lydalo paviršiaus, o tada, sukdamasi, pakyla, traukdama už savęs esantį cilindrinį luitą dėl paviršiaus įtempimo jėgos.

Šiuo metu tempiamų luitų skersmenys siekia iki 300 mm. 100-150 mm skersmens luitų ilgis siekia 75-100 cm.. Pailginto luito kristalinė struktūra atkartoja sėklos monokristalinę struktūrą. Padidinus luito skersmenį ir ilgį bei tobulinant jo pjovimo technologiją, sumažės atliekų kiekis, taip sumažės susidarančių fotoelementų savikaina.

Diržo technologija. „Mobil Solar Energy Corporation“ sukurtas technologinis procesas pagrįstas silicio juostelių ištraukimu iš lydalo ir ant jų formuojant saulės elementus. Matrica dalinai panardinta į silicio lydalą ir dėl kapiliarinio efekto polikristalinis silicis pakyla, suformuodamas juostelę.Lydas kristalizuojasi ir pašalinamas iš matricos. Siekiant padidinti našumą, suprojektuota įranga, ant kurios vienu metu galima gauti iki devynių diržų. Rezultatas yra devynių pusių prizmė.

Juostų pranašumas yra tas, kad jie yra pigūs, nes neįtraukiamas luito pjovimo procesas. Be to, stačiakampius fotovoltinius elementus galima lengvai gauti, o apvali monokristalinių plokščių forma neprisideda prie geros fotovoltinės elemento vietos fotovoltiniame modulyje.

Gauti polikristaliniai arba monokristaliniai silicio strypai turi būti supjaustyti plonais 0,2–0,4 mm storio plokštelėmis. Pjaunant monokristalinio silicio strypą, dėl nuostolių prarandama apie 50 % medžiagos.Be to, apvalios poveržlės ne visada, bet dažnai supjaustomos, kad būtų kvadrato formos.