Розвиток фотоелементів

Фотоелементи є ключовою ланкою у створенні сонячних батарей. Як правило, сонячні батареї складаються з кремнію з різним ступенем кристалізації. Тому, дивлячись на окремі осередки фотоелементів сонячної батареї, можна побачити, що вони мають різні кольори та відтінки. Деякі елементи мають забарвлення від темно-синього до чорного, інші, блакитні із частинками кристалів тощо. Колір осередку залежить від технології виробництва та матеріалу.

Будова стандартного фотоелемента

Фотоелементи, як правило, виконуються з напівпровідникових матеріалів, з’єднаних між собою, утворюючи потенційний бар’єр. Їхня робота заснована на явищі p-n переходу, що виникає під впливом сонячного випромінювання. Фотони, потрапляючи на фотоелемент у зону напівпровідника з більшою шириною забороненої зони, «вибиває» електрони, які починають рух до зони N, а потім, пройшовши через ланцюг (навантаження), зв’язуються з позитивними зарядами (дірками). В результаті руху електронів утворюється різниця потенціалів, або напруга.

Фотоелемент із монокристалічного кремнію

Монокристалічний фотоелемент складається з цілісного кристалу кремнію. Він характеризується високою ефективністю, як правило, 18-22% і високою ціною. Він має характерний чорний колір.

Фотоелемент із монокристалічного кремнію

Сонячна батарея на основі монокристалічних фотоелементів

Фотоелементи з полікристалічного кремнію

Виробництво полікристалічного кремнію відбувається при повільному охолодженні кремнієвого розплаву. Ці елементи характеризуються ефективністю діапазоні 14-18%. Найменше значення ККД пояснюється наявністю всередині кристала полікристалічного кремнію областей, відокремлених зернистими межами, які перешкоджають вищій продуктивності елементів. Однак ціна таких елементів нижча. Зазвичай полікристалічні фотоелементи мають синій колір з чітко вираженими кристалами кремнію.

Фотоелемент із полікристалічного кремнію

Фотоелементи з аморфного кремнію

Фотоелементи з аморфного кремнію є тонкі шари кремнію, отримані шляхом напилення у вакуумі на скло, пластик або фольгу з високоякісного металу. Ці елементи характеризуються низькою ефективністю в діапазоні 6-10% і значно нижчою ціною. Зазвичай такі сонячні елементи мають блякло сіруватий колір, видимі кристали кремнію відсутні.

Фотоелемент із аморфного кремнію

Образ кремнієвого фотоелемента це перше що спадає на думку більшості людей при згадці слова сонячна батарея. Це пояснюється тим, що кілька років тому кремній як сировина для фотоелектричної індустрії становив майже 100% ринку. Сьогодні ситуація значно змінилася. Кремній, як будівельний блок сонячної батареї, все більше поступається місцем на ринку новим технологіям званим «тонкоплівкові сонячні осередки». У цій технології фотоелементи виготовляються з тонкого шару напівпровідника. Є більш прогресивні технології, які повністю позбавлені класичних напівпровідників.

Щоб класифікувати ці технології, ввели поняття покоління фотоелементів

Перше покоління фотоелементів – це класичні кремнієві елементи з традиційним p-n переходом, які більшість з нас має на увазі під словом сонячні фотоелементи. Як правило, це пластини з чистого монокристалічного або полікристалічного кремнію завтовшки 200-300 мкм. Вони характеризуються високим ККД (17-22%) та високою собівартістю. Нині частка ринку близько 82%.

Друге покоління фотоелементів також ґрунтується на використанні p-n переходу, проте не використовують кристалічний кремній як основний матеріал. Зазвичай використовуються такі матеріали: телурій, кадмій (CdTe), суміш міді, індія, галію, селен (CIGS) та аморфний кремній. Як правило, товщина шару напівпровідника, що поглинає світло, складає всього від 1 до 3 мкм.

Процес виробництва таких фотоелементів більш автоматизований і має значно меншу собівартість. Основним недоліком другого покоління елементів є менша ефективність ніж елементи першого покоління, яка коливається в залежності від технології від 7-15%. Нині частка ринку близько 18%.

Третє покоління фотоелементів також відносяться до тонкоплівкових технологій, однак вони позбавлені звичного поняття p-n переходу, а отже і використання напівпровідників. В даний час це покоління включає різноманітні технології, такі як перовскітові сонячні елементи та інші. Більшість технологій ґрунтуються на застосуванні органічних полімерних матеріалів.

Перевагою фотоелементів третього покоління є низька собівартість та простота виготовлення. Головною перешкодою на шляху популяризації є низька ефективність, яка не перевищує 7%. Нині ринкова частка третього покоління елементів вбирається у 0,5%

Сонячна панель третього покоління

Варто зазначити, що основна тенденція розвитку поколінь сонячних фотоелементів полягає в зниженні собівартості енергії іноді на шкоду ефективності. Однак це має призвести до значного здешевлення питомої потужності.