Развитие Фотоэлементов

Фотоэлементы, как правило, выполняются из полупроводниковых материалов соединенных между собой, образуя потенциальный барьер. Их работа основана на явлении p-n перехода возникающего под воздействием солнечного излучения. Фотоны, попадая на фотоэлемент в зону полупроводника с большей шириной запрещенной зоны, «выбивает» электроны, которые начинают движение к зоне N, а затем пройдя через цепь (нагрузку) связываются с положительными зарядами (дырками). В результате движения электронов образуется  разность потенциалов, или напряжение.

Фотоэлемент из монокристаллического кремния

Монокристаллический фотоэлемент состоит из цельного кристалла кремня. Он характеризуется высокой эффективностью, как правило, 18-22%, и высокой ценой. Он имеет характерный темный цвет.

Фотоэлементы из поликристаллического кремния

Производство поликристаллического кремния происходит при медленном охлаждении кремниевого расплава. Эти элементы характеризуются эффективностью в диапазоне 14-18%. Меньшее значение КПД объясняется наличием внутри кристалла поликристаллического кремния областей, отделенных зернистыми границами, которые препятствуют более высокой производительности элементов. Однако цена таких элементов ниже. Обычно поликристаллические фотоэлементы обладают синим цветом с четко выраженными кристаллами кремния.

Фотоэлементы из аморфного кремния

Фотоэлементы из аморфного кремния представляют собой тончайшие слои кремния, полученные путем напыления в вакууме на стекло, пластик или фольгу из высококачественного металла. Эти элементы характеризуются низкой эффективностью в диапазоне 6-10% и значительно низшей ценой. Обычно такие солнечные элементы имеют блекло сероватый цвет, видимые кристаллы кремня отсутствуют.

Образ кремниевого фотоэлемента это первое что приходит на ум большинству людей при упоминании слова солнечная батарея. Это объясняется тем, что несколько лет назад кремний, как сырье для фотоэлектрической индустрии, составлял почти 100% рынка. Сегодня ситуация значительно изменилась. Кремний, как строительный блок солнечной батареи все больше уступает место на рынке новым технологиям называемым«тонкопленочные солнечные ячейки». В данной технологии фотоэлементы изготавливаются из очень тонкого слоя полупроводника. Есть более прогрессивные технологии, полностью лишенные классических полупроводников.

Чтобы классифицировать эти технологии ввели понятие поколения фотоэлементов

Первое поколение фотоэлементов это классические кремниевые элементы с традиционным p-n переходом, которые большинство из нас подразумевает под словом солнечные фотоэлементы. Как правило, это пластины из чистого монокристаллического или поликристаллического кремния толщиной 200-300 мкм. Они характеризуются высоким КПД (17-22%) и высокой себестоимостью. В настоящее время доля рынка около 82%.

Второе поколение фотоэлементов так же основывается на использовании p-n перехода, однако не используют кристаллический кремний как основной материал. Обычно используются следующие материалы: теллурий, кадмий (CdTe), смесь меди, индия, галлия, селен (CIGS) и аморфный кремний. Как правило, толщина поглощающего свет слоя полупроводника составляет всего от 1 до 3 мкм.

Процесс производства таких фотоэлементов более автоматизирован и имеет значительно меньшую себестоимость. Основным недостатком второго поколения элементов является меньшая эффективность, чем элементы первого поколения, которая колеблется в зависимости от технологии от 7-15%. В настоящее время доля рынка около 18%.

Третье поколение фотоэлементов также относятся к тонкопленочным технологиям, однако они лишены привычного понятия p-n перехода, следовательно и использования полупроводников. В настоящее время это поколение включает в себя разнообразные технологии, такие как перовскитовые солнечные элементы и другие. Большинство технологий основаны на применении органических полимерных материалов.

Преимуществом фотоэлементов третьего поколения является низкая себестоимость и простота изготовления. Главным препятствием на пути популяризации является низкая эффективность, которая  не превышает 7%. В настоящее время рыночная доля третьего поколения элементов не превышает 0,5%