Päikesepaneelide fotogalvaaniliste elementide tootmine

Iga fotogalvaanilise paigalduse aluseks on alati fotogalvaaniline moodul. Fotogalvaaniline moodul on elektriliselt ühendatud fotogalvaaniliste elementide kombinatsioon. Mõiste fotogalvaaniline koosneb kahest sõnast «foto» (kreeka keelest Light) ja «volt» (Alessandro Volta - 1745-1827, itaalia füüsik) - pinge mõõtühik elektrotehnikas. Analüüsides terminit fotogalvaanika, võime öelda - see on nii valguse muundamine elektriks.

Fotogalvaanilist elementi (päikesepatarei) kasutatakse elektrienergia tootmiseks päikesekiirguse muundamise teel. Fotoelementi võib pidada dioodiks, mis koosneb n-tüüpi ja p-tüüpi pooljuhtidest, mille kandjast on tühi piirkond, seega on valgustamata fotoelement nagu diood ja seda võib kirjeldada kui dioodi.

Pooljuhtide laiusega 1–3 eV võib maksimaalne teoreetiline efektiivsus ulatuda 30% -ni. Ribavahe on minimaalne footoni energia, mis võib tõsta elektroni valentsribalt juhtivusribale. Kõige tavalisemad kaubanduslikud päikesepatareid on tulekivi elemendid.

Räni monokristallid ja polükristallid. Räni on tänapäeval üks levinumaid elemente fotogalvaaniliste moodulite tootmisel. Kuid päikesekiirguse vähese neeldumise tõttu tehakse ränikristallidest päikesepatareid tavaliselt 300 µm laiuseks. Räni monokristallilise fotoelemendi efektiivsus ulatub 17% -ni.

Kui võtta polükristallilise räni fotoelement, siis on selle efektiivsus 5% madalam kui monokristallilisel ränil. Polükristalli terapiir on laengukandjate rekombinatsioonikeskus. Polükristalliliste ränikristallide suurus võib varieeruda mõnest mm-st kuni ühe cm-ni.

Galliumarseniid (GaAs). Galliumarseniidist valmistatud päikesepatareid on laboritingimustes juba näidanud 25% efektiivsust. Optoelektroonika jaoks välja töötatud galliumarseniidi on raske suurtes kogustes toota ja päikesepatareide jaoks üsna kallis. Rakendatakse galliumarseniidi päikesepatareid koos päikesekontsentraatoritega, samuti kosmonautika jaoks.

Õhukeste fotoelementide tehnoloogia. Ränielementide peamine puudus on nende kõrge hind. Saadaval on amorfsest ränist (a-Si), kaadmiumtelluriidist (CdTe) või vask-indium diseliniidist (CuInSe2) valmistatud õhukese kilega rakud. Õhukese kilega päikesepatareide eeliseks on tooraine kokkuhoid ja odavam tootmine võrreldes räni päikesepatareidega. Seetõttu võime öelda, et õhukese kilega toodetel on väljavaateid fotoelementides kasutamiseks.

Negatiivne külg on see, et mõned materjalid on üsna mürgised, mistõttu toote ohutus ja taaskasutus mängivad olulist rolli. Lisaks on telluriid räniga võrreldes kurnav ressurss.Õhukese kilega fotoelementide efektiivsus ulatub 11%-ni (CuInSe2).

1960. aastate alguses maksid päikesepatareid umbes 1000 dollarit W kohta ja neid toodeti enamasti kosmoses. 1970ndatel algas fotoelementide masstootmine ja nende hind langes 100 $/W.Edasine edusammud ja fotoelementide hinna alanemine võimaldas fotoelemente kasutada majapidamises.Eelkõige osa elanikkonnast, kes elavad elektriliinidest kaugel ja standardsed toiteallikad, fotogalvaanilised moodulid on muutunud heaks alternatiiviks.

Fotol on esimene ränipõhine päikesepatarei. Selle lõid Ameerika ettevõtte Bell Laboratories teadlased ja insenerid 1956. aastal. Päikesepatarei on fotogalvaaniliste moodulite kombinatsioon, mis on omavahel elektriliselt ühendatud. Kombinatsioon valitakse sõltuvalt vajalikest elektrilistest parameetritest, nagu vool ja pinge. Sellise päikesepatarei üks element, mis toodab vähem kui 1 vati elektrit, maksab 250 dollarit. Toodetud elekter oli 100 korda kallim kui tavavõrgust.

Peaaegu 20 aastat on päikesepaneele kasutatud ainult kosmose jaoks. 1977. aastal vähendati elektrikulu 76 dollarile vatise elemendi kohta. Tõhusus kasvas järk-järgult: 1990. aastate keskel 15% ja 2000. aastaks 20%. Praegused kõige asjakohasemad andmed selle teema kohta —Päikesepatareide ja moodulite efektiivsus

Ränist päikesepatareide tootmise võib laias laastus jagada kolme põhietappi:

• kõrge puhtusastmega räni tootmine;

• õhukeste silikoonseibide valmistamine;

• fotoelemendi paigaldamine.

Kõrge puhtusastmega räni tootmise peamine tooraine on kvartsliiv (SiO2)2). Sulatus saadakse elektrolüüsi teel metallurgiline ränimille puhtus on kuni 98%. Räni taaskasutamise protsess toimub siis, kui liiv interakteerub süsinikuga kõrgel temperatuuril 1800 °C:

See puhtusaste ei ole fotoelemendi tootmiseks piisav, seetõttu tuleb seda edasi töödelda. Räni edasine puhastamine pooljuhtide tööstusele toimub praktiliselt kogu maailmas, kasutades Siemensi väljatöötatud tehnoloogiat.

"Siemensi protsess" on räni puhastamine metallurgilise räni reaktsioonil vesinikkloriidhappega, mille tulemusena saadakse triklorosilaan (SiHCl3):

Triklorosilaan (SiHCl3) on vedelas faasis, mistõttu on see vesinikust kergesti eraldatav. Lisaks suurendab triklorosilaani korduv destilleerimine selle puhtust 10-10% -ni.

Järgnevat protsessi – puhastatud triklorosilaani pürolüüsi – kasutatakse kõrge puhtusastmega polükristallilise räni tootmiseks. Saadud polükristalliline räni ei vasta täielikult pooljuhtide tööstuse kasutustingimustele, kuid päikese fotogalvaanilise tööstuse jaoks on materjali kvaliteet piisav.

Polükristalliline räni on tooraine monokristallilise räni tootmiseks. Monokristallilise räni tootmiseks kasutatakse kahte meetodit — Czochralski meetodit ja tsoonisulatusmeetodit.

Czochralski meetod on nii energiamahukas kui ka materjalimahukas. Tiiglisse laetakse suhteliselt väike kogus polükristallilist räni ja sulatatakse vaakumis.Väike monoräni seeme langeb sulandi pinnale ja tõuseb seejärel keerdudes, tõmmates pindpinevusjõu toimel silindrilise valuploki enda taha.

Praegu on tõmmatud valuplokkide läbimõõdud kuni 300 mm. 100-150 mm läbimõõduga valuplokkide pikkus ulatub 75-100 cm.Pikliku valuploki kristallstruktuur kordab seemne monokristallilist struktuuri. Valuploki läbimõõdu ja pikkuse suurendamine, samuti selle lõikamise tehnoloogia täiustamine vähendab jäätmete hulka, vähendades seeläbi tekkivate fotoelementide maksumust.

Rihma tehnoloogia. Mobil Solar Energy Corporationi välja töötatud tehnoloogiline protsess põhineb sulatiselt räniribade tõmbamisel ja nendele päikesepatareide moodustamisel. Maatriks on osaliselt sukeldatud ränisulatisesse ja kapillaarefekti tõttu tõuseb polükristalliline räni üles, moodustades lindi.Sula kristalliseerub ja eemaldatakse maatriksist. Tootlikkuse tõstmiseks on projekteeritud seadmed, millel on võimalik korraga vastu võtta kuni üheksa vööd. Tulemuseks on üheksapoolne prisma.

Lintide eeliseks on nende odavus, kuna valuploki lõikamise protsess on välistatud. Lisaks saab hõlpsasti hankida ristkülikukujulisi fotogalvaanilisi elemente, samas kui monokristalliliste plaatide ümar kuju ei aita kaasa fotogalvaanilise elemendi heale paigutusele fotogalvaanilises moodulis.

Saadud polükristallilised või monokristallilised ränivardad tuleb seejärel lõigata õhukesteks 0,2-0,4 mm paksusteks vahvliteks. Monokristallilise räni varda lõikamisel läheb kadudesse umbes 50% materjalist.Samuti ei lõigata ümmargused seibid alati, kuid sageli ruudukujuliseks.