Система солнечной электростанции условно состоит из стабилизатора, инвертора, аккумуляторных батарей (АКБ), солнечного трекера и т. д. Но основной элемент, оказывающий наибольшее влияние на конечный результат работы системы, – фотоэлектрические модули (солнечные панели). На данный момент рынок предоставляет потребителю целый ряд солнечных панелей, отличающихся по составу используемых материалов и по принципу преобразования энергии.

Различают два вида фотоэлектрических модулей:

• Солнечные панели на основе кристаллических кремниевых пластин;
• Тонкопленочная технология.

Первый вид на данный момент занимает порядка 80% рынка солнечных модулей. В свою очередь различают два «подвида»: использование монокристаллических элементов и поликристаллических элементов. Тонкопленочная технология подразумевает нанесение (процесс осаждения) на основу различных материалов (например, аморфного кремния, органических элементов, микроморфного кремния и т. д.).

Солнечные панели на базе монокристаллического элемента из кремния среди панелей коммерческого применения занимают лидирующие позиции по эффективности преобразования энергии Солнца в электрическую. Высоких результатов добиваются за счет использования сверхчистого кремния, из которого производят монокристаллы солнечной панели. КПД монокристаллических кремниевых элементов составляет около 15% при коммерческом использовании и 25% при опытных исследованиях. Главный недостаток данной солнечной панели – это дороговизна и энергоемкость производства монокристаллов (основной метод выращивания кристаллов – метод Чохральского).

Технология изготовления солнечных панелей на базе поликристаллических кремниевых элементов заключается в нагревании кремниевой массы до получения жидкообразной формы и последующем разливе по заготовкам. Процесс остывания сопровождается регулированной системой охлаждения. Производство поликристаллических элементов проходит без дорогостоящего оборудования, способствуя снижению себестоимости изделия. В процессе остывания кремниевая масса получает некоторое количество мельчайших пузырьков, примесей, что приводит к дополнительному преломлению солнечных лучей и снижению эффективности фотоэлектрического модуля. Коммерческий КПД поликристаллических кремниевых элементов находится на уровне 13-14%, а результат, полученный опытным путем, составляет 20%.

Фотоэлектрические модули (с поли- или монокристаллическими кремниевыми элементами) обладают многослойной структурой, помещенной в каркас из алюминия. Порядок расположения «слоев» следующий: верхняя и тыльная сторона – прозрачный материал (например, закаленное стекло), по центру расположены солнечные элементы. Между прозрачным слоем и солнечным элементом (с обеих сторон) расположен защитный слой герметизирующей (ламинирующей) пленки EVA. Её задача – обеспечить герметичную среду для солнечных элементов. Этот слой позволяет при работе солнечных панелей на открытом воздухе защитить кристаллы кремния от пагубного воздействия кислорода и влаги. От качества используемых материалов зависит срок службы и КПД солнечной панели. Например, от качества EVA зависит старение фотоэлектрического модуля, так как со временем теряется её пропускная способность. Применяют пленки со сроком службы от 5 до 25 лет и выше. Группа ученых в мае 2017 года представила новаторское решение – двухсторонний солнечный модуль. Солнечные панели на базе этих модулей поглощают обращенной к свету стороной прямое солнечное излучение, а тыльной стороной – отраженное от поверхности. За счет двухсторонней рабочей поверхности они добились увеличения выработки энергии солнечной панелью на 30%.

Все больше популярности из-за низкой себестоимости набирают фотоэлектрические панели, построенные на использовании тонкоплёночной технологии. Светочувствительный элемент, преобразующий солнечную энергию в электрическую, наносят тонким слоем на стеклянную или пластиковую подложку. Солнечные панели получаются легкими, что облегчает процесс монтажа и снижает сложность несущей конструкции. При нанесении светочувствительного элемента на гибкую основу фотоэлектрическая панель приобретает эластичность, благодаря которой панель можно размещать на любых поверхностях, в том числе и на одежде. Постоянные эксперименты со светочувствительным материалом для тонкоплёночных солнечных панелей связан со стремлением уменьшить стоимость изготовления и повысить эффективность работы.

Первые тонкоплёночные солнечные элементы производились путем нанесения на подложку аморфного кремния. Удалось получить КПД до 5 % при непродолжительном сроке службы. Следующим шагом развития этой технологии считается замена аморфного кремния на теллурид кадмия, который в середине 70-х годов использовался исключительно в космических технологиях. Его применение позволило добиться увеличения КПД плёночных солнечных панелей до 8-12%. Одновременно с появлением теллурид-кадмиевых батарей начали появляться солнечные пленочные панели с использованием селенида индия и меди. Коммерческий КПД таких фотоэлектрических модулей достиг 13-14%, что сопоставимо с поликристаллическими модулями. Так как индий – основной элемент, который используют при производстве жидкокристаллических матриц мониторов, то часто при производстве солнечных модулей индий заменяют на галлий (схожий по свойствам элемент).

В настоящее время запущены первые производственные линии по выпуску тонкоплёночных солнечных модулей, использующих в своей основе арсенид галлия (соединение мышьяка и галлия). Эффективность их работы превзошла эффективность привычных кремниевых фотоэлементов. Коммерческий КПД подобных модулей – 25%, а в лабораторных условиях добивались показателя КПД до 42%. На данный момент модули нашли применение только в специализированных отраслях из-за дороговизны технологического процесса и высокой себестоимости материала. Ученые видят будущее солнечной энергетики в использовании именно арсенида галлия и ищут способ удешевить технологию производства, так как он обладает преимуществами (помимо высокого КПД) перед своими конкурентами: высокая поглощающая способность (материал наносится на основу толщиной в несколько микрон), стойкость к радиации и малая чувствительность к нагреву.

Научные центры не останавливаются на достигнутом и продолжают экспериментировать с материалами для солнечных батарей. На стадии разработок находятся фотоэлектрические модули с использованием в качестве светопоглощающего элемента органических полупроводников, таких как фуллерены, полифенилен, фталоцианин меди. На данный момент в лабораториях получили КПД 4-5% для подобных солнечных панелей. К преимуществам фотоэлектрических модулей с органическими элементами относят низкую себестоимость и экологичность материала, дешевизну технологического процесса.

Не так давно ученым удалось разработать и приступить к наладке массового выпуска практически «невидимых» солнечных тонкоплёночных панелей – SolarWindows. Новый производственный процесс позволил получать интегрированные фотоэлектрические модули при низких температурах и атмосферном давлении. Это стало возможным благодаря использованию фотоэлектрических материалов, не нуждающихся в применении системы вакуумного напыления или высоких температур при его распылении на твердую и прозрачную основу. Предполагается применение данной технологии при производстве окон, которые смогут выполнять свою основную функцию и производить электрическую энергию из солнечного света. Особенность покрытия SolarWindows – способность генерировать электричество не только под прямыми солнечными лучами, но и при искусственном освещении.

Чтобы расширить диапазон спектра солнечного излучения при преобразовании солнечной энергии в электрическую используют многослойную структуру фотоэлектрического элемента, который получил название «каскадный элемент». В рассмотренных ранее солнечных элементах используется один p-n переход. Это означает, что в процессе создания электричества участвуют только те фотоны, которые соответствуют ширине запрещенной зоны. Каскадный элемент – комбинирование различных полупроводниковых материалов, которые имеют различную ширину запрещенной зоны поглощения солнечного света (например, применяются такие материалы, как кремний, арсенид галлия, германий и т. п.). Основная задача, которая стоит перед учеными, – это разбиение солнечного излучения таким образом, чтобы каждый «слой» каскадного элемента получал свою часть спектра солнечного света, которая соответствовала бы параметрам полупроводника.

Первый вариант каскадного элемента представлял из себя «пирог», в котором фотоэлементы располагались последовательно друг за другом. Очередность формировалась в порядке убывания ширины запрещенной зоны. То есть первый слой – элемент с наибольшей шириной запрещенной зоны, который поглощает фотоны с наибольшей энергией.

Для разложения света можно обойтись и без применения многослойной структуры элемента, которую рассмотрели выше. Для решения этой задачи используют устройство спектрального разложения света, которое разбивает солнечное излучение на несколько спектральных полос. Для каждой полосы подбирается фотоэлектрический элемент с оптимальной шириной запрещенной зоны. Например, существуют фотоэлектрические панели, у которых разложение солнечного света на спектры осуществляется с помощью дихроичных зеркал или специальных призм.

Помочь не потеряться в разнообразии солнечных панелей при строительстве солнечной электростанции (как частной, так и промышленной) помогут специалисты фирмы ЭДС-ИНЖИНИРИНГ. Сотрудники фирмы знакомы со спецификой солнечных панелей разных производителей и помогут добиться необходимого результата.