Productie de celule fotovoltaice pentru panouri solare

Baza oricărei instalații fotovoltaice este întotdeauna un modul fotovoltaic. Un modul fotovoltaic este o combinație de celule fotovoltaice conectate electric între ele. Termenul fotovoltaic este format din două cuvinte „foto” (din greacă. Lumină) și „volt” (Alessandro Volta - 1745-1827, fizician italian) - o unitate de măsură pentru tensiune în inginerie electrică. Analizând termenul fotovoltaic, putem spune că este transformarea luminii în electricitate.

O celulă fotovoltaică (celula solară) este utilizată pentru a genera electricitate prin conversia radiației solare. O fotocelulă poate fi gândită ca o diodă alcătuită din semiconductori de tip n și p cu o regiune epuizată de purtător formată, astfel încât o fotocelulă neiluminată este ca o diodă și poate fi descrisă ca o diodă.

Pentru semiconductori cu lățimea cuprinsă între 1 și 3 eV, randamentul teoretic maxim poate fi atins la 30%. Gap-ul de bandă este energia fotonului minimă care poate ridica un electron din banda de valență în banda de conducție. Cele mai comune celule solare comerciale sunt elemente din silex.

Monocristale și policristale de siliciu. Siliciul este astăzi unul dintre cele mai comune elemente pentru producția de module fotovoltaice. Cu toate acestea, din cauza absorbției scăzute a radiației solare, celulele solare cu cristal de siliciu sunt de obicei realizate cu o lățime de 300 µm. Eficiența fotocelulei monocristaline de siliciu atinge 17%.

Dacă luăm o fotocelulă de siliciu policristalin, atunci eficiența acesteia este cu 5% mai mică decât cea a siliciului monocristalin. Limita granulelor unui policristal este centrul de recombinare al purtătorilor de sarcină. Dimensiunea cristalelor de siliciu policristalin poate varia de la câțiva mm la un cm.

Arseniura de galiu (GaAs). Celulele solare cu arseniură de galiu au demonstrat deja o eficiență de 25% în condiții de laborator. Arseniura de galiu, dezvoltată pentru optoelectronică, este greu de produs în cantități mari și destul de costisitoare pentru celulele solare. Se aplică celule solare cu arseniură de galiu împreună cu concentratoare solare, precum și pentru cosmonautică.

Tehnologia fotocelule cu peliculă subțire. Principalul dezavantaj al celulelor de siliciu este costul lor ridicat. Sunt disponibile celule cu peliculă subțire din siliciu amorf (a-Si), telură de cadmiu (CdTe) sau diselinidă de cupru-indiu (CuInSe2). Avantajul celulelor solare cu peliculă subțire este economisirea de materii prime și o producție mai ieftină în comparație cu celulele solare cu siliciu. Prin urmare, putem spune că produsele cu peliculă subțire au perspective de utilizare în fotocelule.

Dezavantajul este că unele materiale sunt destul de toxice, astfel încât siguranța produselor și reciclarea joacă un rol important. În plus, telurura este o resursă epuizantă în comparație cu siliciul.Eficiența fotocelulelor cu peliculă subțire ajunge la 11% (CuInSe2).

La începutul anilor 1960, celulele solare costau aproximativ 1.000 USD/W putere de vârf și erau fabricate în mare parte în spațiu. În anii 1970, a început producția de masă a fotocelulelor, iar prețul acestora a scăzut la 100 USD/W. Progresele suplimentare și o reducere a prețului fotocelulelor au făcut posibilă utilizarea fotocelulelor pentru nevoile gospodărești, în special pentru o parte a populației care locuiește departe de liniile electrice și surse de alimentare standard, modulele fotovoltaice au devenit o alternativă bună.

Fotografia prezintă prima celulă solară pe bază de siliciu. A fost creată de oamenii de știință și inginerii companiei americane Bell Laboratories în 1956. O celulă solară este o combinație de module fotovoltaice conectate electric între ele. Combinația este selectată în funcție de parametrii electrici necesari, cum ar fi curentul și tensiunea. O celulă dintr-o astfel de baterie solară, care produce mai puțin de 1 watt de electricitate, costă 250 de dolari. Electricitatea produsă a fost de 100 de ori mai scumpă decât din rețeaua convențională.

De aproape 20 de ani, panourile solare au fost folosite doar pentru spațiu. În 1977, costul energiei electrice a fost redus la 76 USD pe celulă watt. Eficiența a crescut treptat: 15% la mijlocul anilor 1990 și 20% până în 2000. Cele mai relevante date actuale pe acest subiect —Eficiența celulelor și modulelor solare

Producția de celule solare cu siliciu poate fi împărțită aproximativ în trei etape principale:

• producerea de siliciu de înaltă puritate;

• realizarea de șaibe subțiri din silicon;

• instalarea fotocelulei.

Principala materie primă pentru producerea de siliciu de înaltă puritate este nisipul de cuarț (SiO2)2). Topitura se obține prin electroliză siliciu metalurgiccare are o puritate de până la 98%. Procesul de recuperare a siliciului are loc atunci când nisipul interacționează cu carbonul la o temperatură ridicată de 1800°C:

Acest grad de puritate nu este suficient pentru producerea unei fotocelule, deci trebuie prelucrată în continuare. Purificarea ulterioară a siliciului pentru industria semiconductoarelor se realizează practic în toată lumea folosind tehnologia dezvoltată de Siemens.

„Procesul Siemens” este purificarea siliciului prin reacția siliciului metalurgic cu acidul clorhidric, rezultând triclorosilan (SiHCl3):

Triclorosilanul (SiHCl3) se află în fază lichidă, deci este ușor separat de hidrogen. În plus, distilarea repetată a triclorosilanului crește puritatea acestuia la 10-10%.

Procesul ulterior - piroliza triclorosilanului purificat - este utilizat pentru a produce siliciu policristalin de înaltă puritate. Siliciul policristalin rezultat nu îndeplinește pe deplin condițiile de utilizare în industria semiconductoarelor, dar pentru industria solară fotovoltaică, calitatea materialului este suficientă.

Siliciul policristalin este o materie primă pentru producerea siliciului monocristalin. Două metode sunt utilizate pentru producerea de siliciu monocristalin - metoda Czochralski și metoda de topire a zonei.

metoda lui Czochralski este consumatoare de energie, precum și de materiale. O cantitate relativ mică de siliciu policristalin este încărcată în creuzet și topită sub vid.O mică sămânță de monosiliciu cade pe suprafața topiturii și apoi, răsucindu-se, se ridică, trăgând lingoul cilindric în spate, datorită forței tensiunii superficiale.

În prezent, diametrele lingourilor trase sunt de până la 300 mm. Lungimea lingourilor cu diametrul de 100-150 mm ajunge la 75-100 cm.Structura cristalină a lingoului alungit repetă structura monocristalină a seminței. Creșterea diametrului și lungimii unui lingou, precum și îmbunătățirea tehnologiei de tăiere a acestuia, va reduce cantitatea de deșeuri, reducând astfel costul fotocelulelor rezultate.

Tehnologia curelei. Procesul tehnologic dezvoltat de Mobil Solar Energy Corporation se bazează pe tragerea benzilor de siliciu din topitură și formarea celulelor solare pe acestea. Matricea este parțial scufundată în topitura de siliciu și, datorită efectului capilar, siliciul policristalin se ridică, formând o panglică, topitura cristalizează și este îndepărtată din matrice. Pentru a crește productivitatea, este proiectat echipamentul pe care este posibil să primiți până la nouă curele în același timp. Rezultatul este o prismă cu nouă laturi.

Avantajul curelelor este că sunt ieftine datorită faptului că procesul de tăiere a lingoului este exclus. În plus, celulele fotovoltaice dreptunghiulare pot fi obținute cu ușurință, în timp ce forma rotundă a plăcilor monocristaline nu contribuie la buna plasare a celulei fotovoltaice în modulul fotovoltaic.

Tijele de siliciu policristalin sau monocristalin rezultate trebuie apoi tăiate în plachete subțiri de 0,2-0,4 mm grosime. La tăierea unei tije de siliciu monocristalin, aproximativ 50% din material se pierde din cauza pierderilor.De asemenea, șaibe rotunde nu sunt întotdeauna, dar adesea, tăiate pentru a face o formă pătrată.