Основной из основных проблем современной энергетики является поиск новых альтернативных возобновляемых источников электроэнергии. Приоритетным направлением в этой области является фотоэлектричество. Это связано с такими факторами, как экологическая безопасность и неограниченность запаса солнечной энергии.
Пиковая мощность фотоэлектрических станций составляет 1200 ТВт, а объем вырабатываемой энергии — 2 *10^10 ТВт * ч. Мировой рынок фотоэлектричества очень динамичен. Возрастающий рынок солнечной фотоэнергетики — коммерчески крайне перспективен. К середине века запасы нефти и газа будут близки к истощению, и солнечное электричество должно компенсировать сокращение объемов добычи. При этом увеличивающийся выброс двуокиси углерода в атмосферу должен привести к ускоренному развитию экологически чистой солнечной фотоэнергетики для снижения загрязнения среды и глобального потепления.
Солнечное электричество будет доминирующим источником энергии с долей приблизительно 60% к концу века благодаря практически неистощаемому ресурсу энергии — Солнцу. Скрытые социальные затраты на компенсацию вредного воздействия «традиционных» электростанций (болезни, уменьшение продолжительности жизни и др.) распределены на все общество и составляют 50–80% цен на энергию.Если включить эти затраты прямо в тарифы на топливо и энергию, то фотоэнергетика может стать конкурентоспособной уже на данном этапе ее развития.
Электроэнергия является ключом для повышения уровня жизни в районах, не имеющих снабжения электричеством, и солнечная энергия могла бы стать доминирующим децентрализованным источником энергии в этих районах благодаря ее практически неограниченному ресурсу. Однако, для того, чтобы сделать применение преобразователей солнечной энергии массовым, предстоит решить ряд проблем.
• Повысить к.п.д.
• Решить проблему поддержания в идеальной чистоте гигантские поверхности солнечных панелей.
• Устранить снижение эффективности солнечных панелей при их нагреве.
• Увеличить срок службы солнечных панелей.
• Снизить стоимость панелей.
Несмотря на экологическую чистоту получаемой энергии, сами фото преобразователи содержат ядовитые вещества, например, свинец, кадмий, галлий, мышьяк и т. д., а их производство потребляет массу других опасных веществ. До сих пор не решен вопрос утилизации отработанных полупроводниковых устройств.
Основные типы фотоэлектрических модулей, производимых в мире:
Модули для интеграции в крыши. Такие модули обычно выпускаются без рамки и поставляются в комплекте с конструкцией для установки на крышах. Такие модули выпускаются, например, швейцарской компанией Solar Megaslate.
Модули с использованием ФЭП «Сатурн» производства BP. Уникальная технология BP Laser Groove Buried Contact позволяет получать монокристаллические кремниевые элементы с микроскопической пирамидальной структурой, которая минимизирует потери на отражение и улучшает преобразование падающего под углом к поверхности элемента света. Дополнительно, металлические контакты расположены не на поверхности ФЭП, а в специальных желобках и намного тоньше, чем в обычных ФЭП. Этот метод используется более 5 лет и постоянно совершенствуется, что позволило достигнуть КПД ФЭП 18% . В модулях BP серии «Сатурн» КПД достигает 15,5%.
Тонкопленочные модули типа CSG (crystalline silicon on Glass) выглядят как модули из аморфного кремния, но на самом деле являются кристаллическими. Специальный технологический процесс позволяет наносить тонкий слой кристаллического кремния (около 2мкм) прямо на стекло (толщина «обычного» ФЭП составляет 200-300мкм). Контакты внедряются с использованием лазера и трафаретной печати. Первые фотоэлектрические модули, произведенные по такой технологии, имели КПД около 7%.
Модули с использованием ФЭП «Сатурн» производства BP. Уникальная технология BP Laser Groove Buried Contact позволяет получать монокристаллические кремниевые элементы с микроскопической пирамидальной структурой, которая минимизирует потери на отражение и улучшает преобразование падающего под углом к поверхности элемента света. Дополнительно, металлические контакты расположены не на поверхности ФЭП, а в специальных желобках и намного тоньше, чем в обычных ФЭП. Этот метод используется более 5 лет и постоянно совершенствуется, что позволило достигнуть КПД ФЭП 18% . В модулях BP серии «Сатурн» КПД достигает 15,5%.
Тонкопленочные модули типа CSG (crystalline silicon on Glass) выглядят как модули из аморфного кремния, но на самом деле являются кристаллическими. Специальный технологический процесс позволяет наносить тонкий слой кристаллического кремния (около 2мкм) прямо на стекло (толщина «обычного» ФЭП составляет 200-300мкм). Контакты внедряются с использованием лазера и трафаретной печати. Первые фотоэлектрические модули, произведенные по такой технологии, имели КПД около 7%.
Модули с поликристаллическими ленточными элементами. При производстве ленточных ФЭП кристаллы кремния не разрезаются проволочными пилами, а плавятся специальными струнами (технология Evergreen Solar). Либо применяются специальные способы выращивания кристаллов (Edge defned flm-fed growth компании Schott Solar). КПД таких модулей ниже, чем обычных кристаллических модулей (не более 11,6%).
Тонкопленочные CdTe модули. 2 компании производят CdTe модули серийно. Это немецкая компания Antec Solar и First Solar LLC из США. Эта специальная тонкопленочная технология имеет большой потенциал для снижения стоимости фотоэлектрических модулей. КПД модулей достигает 9%. Содержание кадмия в модуле меньше, чем в обычной пальчиковой батарейке, и производители обещают принимать на переработку все произведенные ими «отработанные» модули. В 2005 году было произведено 29 МВт таких модулей, что составило 1,6% от общего производства фотоэлектрических модулей в мире.
Поликристаллические кремниевые модули. Это наиболее распространенная технология в мире. Такие модули отличаются на вид от остальных вследствие случайной структуры кристаллов элементов.
Поликристаллические ФЭП имеют более низкий КПД, чем монокристаллический, а также менее стабильны во времени. Однако стоят дешевле и вследствие лучшего заполнения площади модуля, его КПД ненамного меньше, чем у модулей из монокристаллического кремния.
Тонкопленочные модули из аморфного кремния.
Классический тонкопленочный модуль производится на базе аморфного кремния. В отличие от кристаллического материала, здесь нет структурированного положения атомов. Поэтому у аморфного кремния хуже полупроводниковые свойства и, следовательно, меньше КПД преобразования света. Однако для производства элементов необходимо гораздо меньше кремния и он может быть нанесен практически на любую поверхность — стекло, металл или другой материал. КПД элементов из аморфного кремния с одним слоем — около 6%. Доля модулей из аморфного кремния на рынке незначительна.
HIT элементы от Sanyo. Hetero Junction with Intrinsic Thin Layer (гетеропереходы с внутренним тонким слоем) элементы от Sanyo имеют рекордную эффективность. КПД достигает 16,8 % в серийных модулях. В HIT элементах электронные дырки проходят через различные материалы. N-легированная монокристаллическая пластина покрыта тончайшим слоем нелегированного аморфного кремния с 2-х сторон (intrinsic layer). Снаружи элемент покрыт p-легированным слоем аморфного кремния, а с задней стороны — n-легированным слоем аморфного кремния. Максимальная мощность модулей HIT составляет 270 Вт.
Стандартные монокристаллические модули. Такие модули дороже, поэтому менее распространены, по сравнению с поликристаллическими модулями. Однако, их КПД выше. В настоящее время производятся модули из псевдоквадратных элементов. Монокристаллические фотоэлектрические модули имеют важное преимущество — практически не ограниченный срок службы (первые фотоэлектрические станции на монокристаллических модулях работают более 20 лет без существенного изменения параметров).
Модули с задней контактной сеткой. Американский производитель солнечных элементов SunPower выпустил ФЭП из кремния с рекордным КПД — 2 %. Модули, сделанные из этих элементов, имеют КПД до 17,7% и являются одними из самых мощных.
Солнечные элементы A-300 сделаны из монокристаллического кремния высочайшего качества; их поверхность, как и у элементов BP «Сатурн», имеет пирамидальную структуру. Более того, все контакты находятся с задней стороны, поэтому вся поверхность элемента используется для преобразования энергии света. SunPower разработала очень продвинутую технологию, которая позволяет поместить как положительные, так и отрицательные контакты на задней стороне элемента. Этот элемент, который требует для изготовления сложного технологического процесса, также известен как Point Contact Cell (элемент с точечным контактом). Кроме SunPower, ФЭП немного другого дизайна с контактами на задней стороне производят Photovoltech и Q-Cells. Известно, что Sharp тоже работает над созданием такого типа элементов.
CIS модули. Основные ингредиенты CIS модулей — медь, индий, селен, и иногда галлий (тогда элементы обозначаются как CIGS). CIS имеют наибольший КПД в группе тонкопленочных ФЭП (до 11% в модуле). Несколько компаний уже заявили о готовящемся в этом или следующем году серийном выпуске CIS модулей с общей мощностью до 62 МВт. В 2005 году, однако, было выпущено 3,5 МВт таких модулей, что составляло 0,2% от общего производства фотоэлектрических модулей.