Наука и технологии не стоят на месте в сфере использования альтернативной энергетики, а использование солнечной энергии в быту и промышленности будет дальше развиваться и совершенствоваться, пытаясь вытеснить традиционные источники энергии. К сожалению, до глобального доминирования гелиоэнергетики пока далеко и виной тому низкий КПД солнечных батарей.

Факторы влияющие на эффективность солнечных батарей

На эффективность работы солнечных батарей влияют объективные и субъективные факторы, такие как:

• материалы, используемые в изготовлении,
• технологии,
• место использования (широта),
• угол падения солнечных лучей,
• запыленность и повреждения.

Причем все эти факторы связаны и зависимы между собой по влиянию на КПД солнечных батарей. Но начальным фактором, который определяет КПД является себестоимость изготовления элемента солнечной батареи.

Лидеры энергоэффективности солнечных батарей

Рассмотрим лидеров в изготовлении наиболее эффективных компонентов солнечных панелей и отсортируем по их эффективности:

• 44,7% КПД от первого из неуниверситетских научно-исследовательских институтов Германии. Результат получен для концентраторов тройного перехода слоев сложного состава полупроводника (Ga 0,35 В 0,65 P / Ga 0,83 В 0,17 As / Ge). Такие солнечные элементы сложны, не используются в жилых или коммерческих целях, потому что они очень дороги. Они используются в космической технике таких производителей, как NASA, где мало пространства.
• 37,9% эффективности получено из однослойного модуля полупроводникового перехода (InGaP / GaAs / InGaAs). При этом результат получен исключительно для 90° нормали к Солнцу. Эти солнечные элементы также сложны и трудоемки в изготовлении, но их промышленное производство видится более перспективным.
• 32,6% добились испанские исследователи с института (IES) и университета (UPM). Они использовали мульти-модули из концентраторов с двумя переходами полупроводников. Опять же, эти элементы еще далеки от широкого использования для коммерческих или жилых объектов.

Баланс эффективности солнечных батарей

Есть около десятка крупнейших производителей, выпускающих солнечные батареи со сравнительно неплохим КПД и умеренной стоимостью. Ведущие компании производящие солнечные батареи при самых современных технологиях могут промышленно изготавливать солнечные элементы с эффективностью близкой к 25%. При этом хорошо налажено массовое производство модулей с КПД солнечных батарей, как правило, не превышающих показатель 14-17%. Главной причиной этой разницы в эффективности является то, что методы исследования, используемые в лабораториях, не подходят для коммерческого производства фотоэлектрической продукции и, следовательно, более доступные технологии имеют сравнительно низкие затраты в производстве, что и приводит к понижению показателя КПД в использовании.

Для этого покажем на графике зависимость стоимости готового модуля к стоимости произведенной электроэнергии для технологических серий солнечных батарей с характерными для них показателями КПД.

На сравнительном графике хорошо видна экономическая эффективность солнечных батарей с начальными лабораторными показателями КПД, изготовленных по разным технологиям, в отношении оптимальной стоимости произведенной электроэнергии в 6 центов за кВт-час (3,4 руб/кВт-ч).

Таким образом, самые доступные и недорогие в изготовлении солнечные элементы из аморфного кремния в виде тонкой гнущейся пленки окупают себя при сравнительно небольших размерах, но экономически не эффективны при больших потребностях в электроэнергии. Они широко применяются для переносных зарядок телефонов, светильников и т. д.

Батареи из поликристаллического кремния уже становятся эффективны при применении для жилых домов и небольших теплиц.

Элементы опытных солнечных электростанции изготовлены на основе монокристаллов кремния высокой степени очистки (99,999). Обладают оптимальными показателями эффективности и имеют экономически обоснованный срок окупаемости.

Новейшие научные разработки фотоэлементов, имеющие, самый высокий КПД применяются исключительно в тех отраслях науки и промышленности, где стоимость не является основным критерием выбора.

Применение солнечных батарей все больше входит в различные сферы нашей жизни, но к сожалению, из-за несовершенства технологии производства (и как следствие достаточного низкого КПД) при значительной стоимости не имеет широко применения.

Дата добавления: 30.04.2015

В наше время возобновляемая энергетика, особенно где используется солнечная энергия, развивается очень интенсивно. В связи с этим продолжается активный поиск способов и устройств, повышение продуктивности существующих систем, позволяющих максимально эффективно преобразовать энергию солнца в электричество. Тут можно выделить два направления - прямое преобразование солнечного излучения в электрический ток, и многократное преобразование солнечной энергии - в тепло, далее в механическую работу, а потом в электричество. Пока во втором направлении достигнуты более высокие результаты - промышленные гелиоустановки с концентраторами, турбинами или двигателями Стирлинга показывают отличную продуктивность преобразования солнечной энергии. Так, на эксплуатирующейся в в Нью-Мексико гелиостанции с солнечными концентраторами и двигателями Стирлинга получен КПД на выходе, с учетом расходов энергии на систему ориентации и прочее - 31,25 %.

Но подобные гелиоустановки чрезвычайно сложные и дорогие, эффективны в условиях очень высокой солнечной инсоляции и пока достаточного развития в мире не получили. Поэтому прямые преобразователи солнечного излучения - солнечные батареи , занимают лидирующее положение в мире солнечной энергетики по инсталляциям и спектру применения. Продуктивность серийных промышленных солнечных панелей на сегодняшнее время, в зависимости от технологии, находится в диапазоне от 7 до 20%. Технологии не стоят на месте, развиваются и совершенствуются, уже разрабатываются и тестируются новые ячейки, по крайней мере, вдвое продуктивнее существующих. Попробуем вкратце рассмотреть основные направления развития фотоэлектрических панелей, технологий и их продуктивности.

Подавляющее большинство ячеек солнечных преобразователей современных серийных фотомодулей изготавливается из монокристаллического (C-Si), или поликристаллического (МС-Si) кремния. На сегодняшний день такие кремниевые фотоэлектрические модули занимают около 90% рынка фотоэлектрических преобразователей, из которых примерно 2/3 приходится на поликристаллический кремний и 1/3 — на монокристаллический. Далее идут солнечные модули, фотоэлементы которых изготовлены по тонкопленочной технологии - методом осаждения, или напыления фоточувствительных веществ на различные подложки. Существенное преимущество модулей из этих элементов - более низкая стоимость продукции, ведь для их требуется примерно в 100 раз меньше материала по сравнению с кремниевыми пластинами. И пока что меньше всего представлены многопереходные солнечные элементы из так называемых тандемных, или многопереходных ячеек (multijunction cells).

Доли рынка фотоэлектрических панелей различных технологий:

Кремниевые кристаллические фотомодули .

КПД ячеек кремниевых модулей на сегодня порядка 15 - 20% (поликристаллы - монокристаллы). Этот показатель в целом скоро может быть увеличен на несколько процентов. Например, компания SunTech Power, один из крупнейших мировых производителей модулей из кристаллического кремния, заявила о своем намерении в течении ближайшей пары лет выпустить на рынок фотомодули с КПД 22%. Существующие же лабораторные образцы монокристаллических ячеек показывают производительность 25%, поликристаллических - 20,5%. Теоретический максимальный КПД у кремниевых однопереходных (p-n) элементов - 33,7%. Пока он не достигнут, и основная задача производителей, кроме увеличения эффективности ячеек - усовершенствование технологии производства, удешевление фотомодулей.

Отдельно позиционируются фотомодули компании Sanyo, произведенные по технологии HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin layer) с использованием нескольких слоев кремния, аналогично тандемным многослойным ячейкам. КПД таких элементов из монокристаллического C-Si и нескольких слоев нано кристаллического nc-Si - 23%. Это самый высокий на сегодня показатель КПД ячеек серийных кристаллических модулей, своего рода нано солнечные батареи.

Тонкопленочные солнечные батареи эффективность.

Под этим названием подразумевается несколько различных технологий, о производительности которых вкратце расскажем. В настоящее время существует три основных типа неорганических пленочных солнечных элементов - кремниевые пленки на основе аморфного кремния (a-Si), пленки на основе теллурида кадмия (CdTe) и пленки селенида меди-индия-галлия (CuInGaSe2, или CIGS). КПД современных тонкопленочных солнечных батарей на основе аморфного кремния около 10%, фотомодулей на основе теллурида кадмия - 10-11% (компания First Solar), на основе селенида меди-индия-галлия - 12-13% (японские солнечные модули SOLAR FRONTIER). Показатели эффективности пред серийных элементов: CdTe имеют КПД 15.7% (модули MiaSole), а CIGS элементов 18,7% (ЕМРА). КПД отдельных тонкопленочных солнечных батарей значительно выше, например, данные по производительности лабораторных образцов элементов из аморфного кремния - 12,2% (компания United Solar), CdTe элементов - 17,3% (First Solar), CIGS элементов - 20,5% (ZSW). Пока солнечные преобразователи на основе тонких пленок аморфного кремния лидируют по объемам производства среди других тонкопленочных технологий - объем мирового рынка тонкопленочных Si элементов около 80%, солнечных ячеек на основе теллурида кадмия - около 18% рынка, и селенид меди-индия-галлия - 2% рынка. Это связано, в первую очередь, со стоимостью и доступностью сырья, а так же более высокой стабильностью характеристик, чем в многослойных структурах. Ведь кремний - один из самых распространенных элементов в земной коре, индий же (элементы CIGS) и теллур (элементы CdTe) рассеяны и добываются в малом количестве. Кроме того, кадмий (элементы CdTe) токсичен, хотя все производители таких солнечных модулей гарантируют полную утилизацию своей продукции. Так же процесс деградации в элементах тонкопленочных модулей протекает быстрее кристаллических ячеек. Дальнейшее развитие фотоэлектрических преобразователей на основе неорганических тонких пленок связано с усовершенствованием технологии производства и стабилизации их параметров.

К тонкопленочным солнечным батареям относятся также органические/полимерные тонкопленочные светочувствительные элементы и сенсибилизированные красители. В этом направлении коммерческое применение солнечных элементов пока ограничено, все находится в лабораторной стадии, а так же в совершенствовании технологии будущего серийного производства. Ряд источников заявил о достижении КПД элементов на органических преобразователях больше 10%: немецкая компания Heliatek -10,7%, университета Калифорнии UCLA - 10,6%. Группа ученых из лаборатории в EPFL получила КПД 12,3% ячеек из сенсибилизированных красителей. Вообще направление органических тонкопленочных элементов, а так же светочувствительных красителей считается одним из перспективных. Регулярно делаются заявления о достижении очередного рекорда эффективности, выходе технологий за стены лабораторий, покрытии в скором времени всех доступных поверхностей высокоэффективными и дешевыми солнечными преобразователями - компании Konarka, Dyesol, Solarmer Energy. Работы сосредоточены над повышением стабильности характеристик, удешевлением технологий.

Многопереходные (многослойные, тандемные) солнечные панели характеристики.

Ячейки из таких элементов содержат слои различных материалов, образовывающие несколько p-n переходов. Идеальный солнечный элемент в теории должен иметь сотни различных слоев (p-n переходов), каждый из которых настроен на небольшой диапазон длин волн света во всем спектре, от ультрафиолетового до инфракрасного. Каждый переход поглощает солнечное излучение с определенной длиной волны, таким образом, охватывая весь спектр. Основным материалом для таких элементов являются соединения галлия (Ga) - фосфид индия галлия, арсенид галлия, и др.

Одним из частных решений преобразования всего солнечного спектра является применение призм, разлагающих солнечный свет на спектры, концентрирующиеся на однопереходных элементах с различным диапазоном преобразования излучения. Не смотря на то, что исследования в области многопереходных солнечных элементов продолжаются уже два десятилетия, и фотомодули из таких ячеек успешно работают в космосе (солнечные батареи станции «Мир», марсоходов «Mars Exploration Rover» и др.), их практическое земное использование начато сравнительно недавно. Первые коммерческие продукты на таких элементах вышли на рынок несколько лет назад и показали отличный результат, а исследования в этом направлении постоянно приковывают к себе внимание. Дело в том, что теоретический КПД двухслойных ячеек может составить 42% эффективности, трехслойных ячеек 49%, а ячеек с бесконечным количеством слоев - 68% не фокусированного солнечного света. Предел продуктивности ячеек с бесконечным количеством слоев составляет 86,8% при применении концентрированного солнечного излучения. На сегодня практические результаты КПД для многопереходных ячеек составляют порядка 30% при не сфокусированном солнечном свете. Этого недостаточно, чтобы компенсировать затраты на производство таких ячеек - стоимость многопереходной ячейки примерно в 100 раз выше аналогичной по площади кремниевой, поэтому в конструкциях модулей из многопереходных ячеек применяются концентраторы для фокусировки света в 500 - 1000 раз. Концентратор в виде линзы Френеля и параболического зеркала собирает солнечный свет с площади, в 1000 раз превышающей площадь ячейки. Полная стоимость фотомодулей из многопереходных ячеек с применением концентраторов (СРV) значительно удешевляется за счет недорогих линз и подложек, компенсируя высокую стоимость производства самой ячейки. При этом производительность ячеек возрастает до 40%.

Солнечные батареи характеристики. Например, КПД ячеек компании SolFocus размером 5,5 мм х 5,5 мм составляет 40% при применении концентраторов; а средние размеры ячеек в СРV системах имеют размеры в диапазоне от 5,5 мм х 5,5 мм до 1 см х 1 см. При чем для производства 1см? ячеек необходима 1/1000 сырья в сравнении с ячейкой аналогичной продуктивности из кристаллического кремния. Чтобы многопереходные ячейки работали с максимальной эффективностью, необходима постоянная высокая интенсивность солнечного излучения, для этого применяются двухосевые системы ориентации СРV систем. Местами развертывания солнечных ферм на базе модулей из многопереходных ячеек с концентраторами являются регионы с высокой солнечной инсоляцией.

Максимальный КПД многопереходных ячеек, полученный в лабораторных условиях c применением концентраторов, составляет на сегодня 43,5% (Solar Junction), и по прогнозам, будет увеличен в ближайших пару лет до 50%.

Как видим, на сегодня существуют солнечные ячейки с высокой продуктивностью, изготавливаемые по различным технологиям, и основная задача производителей - удешевление конечного продукта, адаптация лабораторных исследований для массового производства. Не смотря на малый расход сырья в тонкопленочных солнечных элементах, стоимость некоторых компонентов в разных видах довольно высокая, так же, как энергоемки сами технологии производства. Остается под вопросом долговременная стабильность параметров. Пока еще очень дорогими являются многопереходные солнечные ячейки, для максимальной эффективной работы которых к тому же необходима повышенная концентрация солнечного излучения. Поэтому кристаллические кремниевые элементы в ближайшее время будут удерживать лидирующие позиции на рынке фотоэлектрических преобразователей, снижаясь в цене. Потеснят их только эффективные и дешевые тонкопленочные модули, возможно, из полимерных полупроводников, или светочувствительных красителей. Но прогнозы в развитии той, или иной технологии - дело не благодарное. Поживем - увидим.

Постоянно осваивая все новые рубежи, солнечная энергетика движется вперед, поднимая значение КПД на новые уровни. Не секрет, что производительность, которую выдают , не может соперничать с устоявшимися источниками энергии . Виной всему низкая производительность существующих панелей.

Влияние на производительность различных факторов

Повышение коэффициента полезного действия - головная боль всех исследователей, работающих в данном направлении. На сегодняшний день КПД подобных устройств находится в пределах от 15 до 25 %. Процент очень низкий. Солнечные батареи являются крайне прихотливым устройством, стабильная работа которых зависит от множества причин.

К основным факторам, которые могут двояко влиять на производительность, можно отнести:

• Материал основы солнечных батарей. Самым слабым в этом плане является поликристаллические солнечные батареи, имеющие КПД до 15 %. Перспективными же можно считать модули на основе индий-галлия или кадмий-теллура, имеющие до 20% производительности.
• Ориентация приемника солнечного потока. В идеале, солнечные батареи своей рабочей поверхностью должны быть обращены к солнцу под прямым углом. В таком положении они должны находиться как можно больший период времени. Для увеличения продолжительности правильного позиционирования модулей в области солнца, более дорогие аналоги имеют в своем арсенале устройство слежения за солнцем, которое поворачивает батареи вслед за движением светила.
• Перегрев установок. Повышенная температура негативно сказывается на выработке электроэнергии, поэтому при установке необходимо обеспечить достаточную вентиляцию и охлаждение панелей. Этого добиваются устройством вентилируемого зазора между панелью и поверхностью установки.
• Тень отбрасываемая любым предметом, может значительно испортить показатели КПД всей системы.

Выполнив все требования, и по возможности установив панели в нужном положении, можно получить солнечные батареи с высоким КПД. Именно высоким, а не максимальным. Дело в том, что расчетный, или теоретический КПД, это величина, выведенная в лабораторных условиях, при средних параметрах продолжительности светового дня и количества пасмурных дней.

На практике, конечно же, процент полезного действия будет ниже.

Подбирая солнечные батареи для своего дома, лучше ориентироваться на нижний предел производительности, а не на верхний. Выбрав, таким образом, солнечные модули и все надлежащие для работы компоненты, можно быть уверенным в достаточной мощности устанавливаемой установки. Выбрав нижний предел производительности при расчетах, можно сэкономить на покупке дополнительных панелей, которые покупаются для перестраховки, на случай нехватки мощности.

Обнадеживающие перспективы развития

На сегодняшний день абсолютный рекорд КПД в солнечной энергетике принадлежит Американским разработчикам и составляет 42,8 %. Это значение на 2 % выше предыдущего рекорда 2010 года. Рекордное количество энергии удалось добиться при усовершенствовании солнечной батареи из кристаллического кремния. Уникальностью такого исследования служит тот факт, что все замеры были проведены исключительно в рабочих условиях, то есть не в лабораторных и тепличных помещениях, а в реальных местах предполагаемой установки.

В кулуарах все тех же технических лабораторий не прекращаются работы по увеличению последнего рекорда. Следующая цель разработчиков - граница КПД солнечных модулей в 50 %. С каждым днем человечество все ближе приближается к тому моменту, когда солнечная энергия полностью заменит вредные и дорогие, используемые в настоящее время, источники энергии, и станет в один ряд с такими гигантами как гидроэлектростанции.

Институт Fraunhofer по изучению систем солнечной энергии, Soitec, CEA-Leti и Берлинский центр Гельмгольца объявили, что достигли нового мирового рекорда эффективности преобразования энергии Солнца в электрическую энергию, использовав новую структуру солнечных элементов с четырьмя слоями. Как и некоторые другие многослойные фотоэлементы, эта микросхема предназначена для работы с концентратором, который концентрирует поток солнечных лучей в 297,3 раза, то есть площадь линз концентратора примерно в 300 раз больше площади фотоэлемента. КПД 44,7% относится к широкому спектру солнечного излучения: от ультрафиолета до инфракрасного. Энергия волн длиной 200-1800 нм забирается четырьмя слоями ячейки. Это важный шаг к удешевлению использования солнечной электроэнергии и приближение к важному рубежу в 50% эффективности.

Солнечные элементы, составленные из четырех слоев из соединенных прямым способом III-IV полупроводников, достигли эффективности в 44,7%.

Внешняя квантовая эффективность четырехэлементной солнечной батареи (для каждого из четырех слоев – свой цвет).

Вольтамперная характеристика для поставивших рекорд солнечных элементов.

Рекордсменом по КПД среди солнечных батарей, из числа так или иначе доступных на рынке сегодня, являются, разработанные Институтом гелиоэнергетических систем Общества имени Фраунгофера в Германии, солнечные батареи на базе многослойных фотоэлементов. Начиная с 2005 года, их коммерческим внедрением занимается компания Soitec.

Размер самих фотоэлементов не превышает 4 миллиметра, а фокусировка солнечного света на них достигается путем применения вспомогательных концентрирующих линз, благодаря которым насыщенный солнечный свет преобразуется в электричество с КПД достигающим 47%.

Батарея содержит четыре p-n перехода, чтобы четыре различные звена фотоэлемента могли эффективно принимать и преобразовывать излучение с конкретной длиной волны, из солнечного света, сконцентрированного в 297,3 раза, в диапазоне длин волн от инфракрасного до ультрафиолетового.

Исследователи под руководством Франка Димирота изначально поставили перед собой задачу вырастить многослойный кристалл, и решение было найдено, - они срастили подложки для выращивания, и в результате был получен кристалл с различными полупроводниковыми слоями, с четырьмя фотоэлектрическими подъячейками.

Многослойные фотоэлементы давно используются на космических аппаратах, но теперь на их основе запущены и солнечные станции уже в 18 странах. Это становится возможным благодаря совершенствованию и удешевлению технологии. В итоге, количество стран, снабженных новыми солнечными станциями, будет расти, и налицо тенденция к конкуренции на рынке промышленных солнечных батарей.

На втором месте - солнечные батареи на базе трехслойных фотоэлементов Sharp, КПД которых достиг 44,4%. Фосфид индия-галлия - первый слой фотоэлемента, арсенид галлия - второй, арсенид индия-галлия - третий слой. Три слоя разделены диэлектриком, который служит для достижения туннельного эффекта.

Концентрация света на фотоэлемент достигается благодаря линзе Френеля, как и у немецких разработчиков, - свет солнца концентрируется в 302 раза, и преобразуется трехслойным полупроводниковым фотоэлементом.

Научные исследования по развитию этой технологии непрерывно велись Sharp, начиная с 2003 года при поддержке NEDO - японской организации общественного управления, содействующей научным исследованиям и развитию, а также распространению промышленных, энергетических и экологических технологий. К 2013 году Sharp был достигнут рекорд в 44,4%.

За два года до Sharp, в 2011 году, американская компания Solar Junction уже выпустила аналогичные батареи, но с КПД 43,5%, элементы которых обладали размером 5 на 5 мм, и фокусировка также производилась линзами, концентрируя свет солнца в 400 раз. Фотоэлементы были трехпереходными на основе германия, и группа планировала даже создать пяти и шестипереходные фотоэлементы, чтобы лучше захватить спектр. Исследования ведутся компанией и по сей день.

Таким образом, максимально рекордным КПД обладают солнечные батареи, выполненные в сочетании с концентраторами, которые, как мы видим, производят и в Европе, и в Азии, и в Америке. Но эти батареи в основном изготавливаются для постройки наземных солнечных электростанций крупных масштабов и для эффективного электроснабжения космических аппаратов.

Недавно был поставлен рекорд в сфере обычных потребительских солнечных панелей, которые доступны большинству желающих снабдить ими, например, крышу дома.

В середине осени 2015 года компания Илона Маска «SolarCity» представила наиболее эффективные потребительские солнечные панели, КПД которых превышает 22%.

Этот показатель подтвердили замеры, проведенные лабораторией Renewable Energy Test Center. Завод в Баффало уже ставит план производства на каждый день - от 9 до 10 тысяч солнечных панелей, точные характеристики которых пока не сообщаются. Компания уже планирует снабжать своими батареями не менее 200000 домов ежегодно.

Дело в том, что оптимизированный технологический процесс позволил предприятию значительно снизить стоимость производства, при этом повысив КПД в 2 раза по сравнению с широко распространенными потребительскими кремниевыми солнечными панелями. Маск уверен, что именно его солнечные панели будут пользоваться наибольшей популярностью у домовладельцев в ближайшем будущем.