Saulės fotovoltinių elemento konstrukcija

Didžioji dauguma saulės fotovoltinių elementų yra gaminami naudojant kristalinio silicio plokšteles. Plokštelės gali būti vienos iš dviejų pagrindinių tipų: monokristalinės arba polikristalinės, taip pat žinomos kaip daugiakristalinės. Našiausi yra monokristaliniai elementai, gaminami naudojant gerai žinomą Czochralskio procesą. Tačiau pastaruoju metu populiariausi yra įvairialytės sandūros arba HJT elementai, nes jų našumas didesnis ir jie geriau veikia aukštoje temperatūroje

1. Kaip gaminami fotovoltiniai elementai?

Silicis paprastai gaminamas iš tam tikros rūšies smėlio, žinomo kaip kvarcinis smėlis, kuris paprastai gaunamas iš susmulkintos kvarcinės uolienos ir kuriame yra didelis kiekis natūralaus junginio, vadinamo silicio dioksidu (SiO2). Saulės elementų gamyba iš kristalinio silicio reikalauja daugybės skirtingų gamybos procesų ir žaliavos – kvarcinės uolienos ar kvarcito. Iš pradžių kvarcinis smėlis paverčiamas metalurginiu siliciu sujungiant anglį ir kvarcitą lanko krosnyje. Šis procesas vyksta labai aukštoje temperatūroje ir gaunamas 99 proc. grynas silicis. Tada metalurginis silicis paverčiamas grynu polisiliciu naudojant cheminio gryninimo procesą, vadinamą „Siemens“ procesu, arba patobulintu metalurginiu siliciu (UMG-Si) naudojant kelis ekonomiškesnius metalurginius procesus.

Šiame etape metalurginis polisilicis gali būti legiruojamas nedidelio kiekio boru arba fosforu ir tampa P arba N tipo polisiliciu. Norint pagaminti polikristalines arba daugiakristalines plokšteles, legiruotas silicis išlydomas ir išliejamas į didelius stačiakampius blokus bei plonai supjaustomas naudojant deimantinę vielą. Tada plokšteles galima padengti itin plonu P arba N tipo silicio sluoksniu, kad susidarytų PN sandūra (fotovoltinis elementas).

Pagrindinės medžiagos ir etapai, susiję su monokristalinio saulės elemento gamyba.

Monokristalinei plokštelei pagaminti legiruotą silicį galima paversti vienu kietu kristaliniu luitu naudojant Czochralskio procesą. Šis procesas apima polikristalinio silicio lydymą esant aukštam slėgiui ir temperatūrai, kad lėtai būtų išgautas vienas monokristalinis kristalas, vadinamas luitu.

2. Pagrindiniai monokristalinių fotovoltinių elementų gamybos etapai

1. Kvarcinis smėlis gryninamas siekiant išgauti 99 proc. gryną silicį.

2. 99 proc. silicis toliau rafinuojamas ir gaunamas beveik 100 proc. grynas silicis.

3. Silicis legiruojamas boru ar fosforu (P tipas arba N tipas).

4. Legiruotas silicis paverčiamas kietu kristaliniu luitu naudojant Czochralskio procesą.

5. Kietas apvalus luitas deimantine viela supjaustomas į plonas kvadratines plokšteles.

6. Pagrindo plokštelė padengiama itin plonu P arba N tipo silicio sluoksniu, kad susidarytų PN sandūra.

7. Uždedamas galinis aliuminio paviršiaus sluoksnis arba PERC sluoksniai.

8. Uždedami metaliniai dygiai ir antirefleksinės dangos.

9. Pridedamos plokščios juostinės šynos (kaip pavaizduota toliau) ar plonavielės (MBB) šynos.

Įprasto monokristalinio saulės elemento priartintas vaizdas, kuriame matosi smulkūs metaliniai dygiai ir 5 šynos.

2.1. P tipo ir N tipo saulės elementai

Visi kristalinio silicio saulės elementai yra pagaminti naudojant labai ploną silicio plokštelę, kuri gali būti dviejų pagrindinių tipų: P ir N. Plokštelės gaminamos silicį legiruojant su tam tikrais cheminiais elementais, kad būtų sukurtas teigiamas (P tipo) arba neigiamas (N tipo) krūvis. Legiruojant naudojami cheminiai elementai: fosforas, kuris sukuria teigiamą krūvį, ir boras, kuris sukuria neigiamą krūvį. Priklausomai nuo elementų struktūros tipo, kaip elemento pagrindas arba „padėklas“ naudojamas N tipo arba P tipo legiruotas silicis. Daugumoje šiandien naudojamų monokristalinių ir daugiakristalinių elementų naudojamas P tipo padėklas, kurio pagrindas yra boru legiruotas silicis. Iki šiol tik keli aukščiausios kokybės plokščių gamintojai, pvz., LG, „Panasonic“, „SunPower“ ir REC, naudojo našesnes N tipo silicio plokšteles, bet dabar mažėjant savikainai vis daugiau bendrovių pradeda kurti N tipo elementus. N tipo silicio elementus gaminti yra brangiau, bet jie pasižymi didesniu našumu ir lėtesniu šviesos sukeltu saulės elementų galios sumažėjimu bei geresniu temperatūros koeficientu.

• N tipas – neigiamo krūvio silicis, legiruotas fosforu

• P tipas – teigiamo krūvio silicis, legiruotas boru

Visuose saulės elementuose naudojamas P tipo ir N tipo silicio derinys, kuris kartu sudaro PN sandūrą, kuri yra esminis saulės elemento veikimo mechanizmas. Skirtumas yra tas, kad P tipo elementuose naudojamas boru legiruotas silicio pagrindas kartu su itin plonu N tipo silicio sluoksniu, o N tipo elementuose naudojamas N tipo silicio pagrindas su itin plonu P tipo silicio sluoksniu.

2.2. P tipo saulės elementai

Pagrindinė įprasto P tipo silicio elemento konstrukcijos schema

​Šaltinis: Adaptuota pagal Clean Energy ataskaitą

Kaip paaiškinta pirmiau, P tipo ir N tipo silicis yra sujungti ir sudaro vadinamąją PN sandūrą. Sandūra sukuria elektrinį lauką, kuris įgalina elektronų srautą, kai saulės spinduliuotė pereina per elementą. Fotovoltinis efektas vyksta tada, kai šviesos fotonai (energija) išlaisvina elektronus iš silicio ir sukuria elektros srovę.

2.3. N tipo saulės elementai

Pagrindinė našesnio N tipo silicio elemento konstrukcijos schema

​Šaltinis: Adaptuota pagal Clean Energy ataskaitą

N tipo privalumai:

• Mažiau priemaišų N tipo elemente.

• Geresnis veikimas aukštoje temperatūroje.

• Lėtesnis šviesos sukeltas galios sumažėjimas.

Dėl pačios savo prigimties ir medžiagų sudėties N tipo elementai pasižymi didesniu našumu, nes yra labiau atsparūs priemaišoms ir rečiau sutrinka, todėl padidėja bendras našumas. Be to, N tipo elementai geriau toleruoja temperatūros sąlygas, palyginti su monokristaliniais ir daugiakristaliniais P tipo elementais. Dar svarbiau, kad N tipo elementų neveikia šviesos sukeltas galios sumažėjimas dėl boro ir deguonies sukeliamų defektų, kurie yra dažna boru legiruotų P tipo elementų problema.

Kainos ir našumo santykis

N tipo elementų konstrukcija yra brangesnė, nes plonam P tipo „emiterio“ sluoksniui pridėti naudojamas vadinamasis boro difuzijos procesas. Šis difuzijos procesas yra sudėtingesnis ir reikalauja aukštesnės temperatūros, palyginti su P tipo elementų fosforo difuzijos procesu. Nors N tipo elementų gamyba yra brangesnė, bazinis N tipo silicis yra daug grynesnis, o tai užtikrina didesnį našumą, mažesnius nuostolius ir daug lėtesnį galios sumažėjimą laikui bėgant, todėl generuojama daugiau energijos ir užtikrinamos geresnės eksploatavimo savybės, o tai taip pat pagreitina atsipirkimą ir apskritai viršija papildomas pirmines išlaidas per plokštės eksploatavimo trukmę.

2.4. N tipo įvairialytės sandūros (HJT) saulės elementai

Įvairialytės sandūros saulės elementuose paprastai naudojamas didelio grynumo N tipo kristalinio silicio pagrindas su papildomais plonasluoksniais amorfinio silicio sluoksniais iš abiejų elemento pusių, sudarant vadinamąją įvairialytę sandūrą. Įvairios fotovoltinės medžiagos padeda sugerti daugiau šviesos fotonų ir sumažinti rekombinacijos nuostolius, tokiu būdu padidinant bendrą elementų našumą. Šiuo metu rinkoje parduodamų įvarialytės sandūros plokščių, pvz., REC „Alpha“ serijos, našumas siekia net 21,9 proc.

Pagrindinė N tipo įvairialytės sandūros (HJT) saulės elemento konstrukcijos schema

Šaltinis: Adaptuota pagal Clean Energy ataskaitą

Viena iš įspūdingiausių įvairialytės sandūros elementų charakteristikų yra neįtikėtinai žemas temperatūros koeficientas, kuris yra apie 0,26 proc./°C. Tai yra maždaug 40 proc. mažiau nei įprastų monokristalinių elementų temperatūros koeficientas. Saulės baterijų plokščių išėjimo galia nustatyta esant 25 °C elemento temperatūrai arba standartinėmis bandymo sąlygomis, todėl kiekvienas šią vertę viršijantis laipsnis šiek tiek sumažina išėjimo galią. Įprastuose daugiakristaliniuose ir monokristaliniuose elementuose temperatūros koeficientas yra apie 0,38 proc. vienam °C, o labai karštomis nevėjuotomis dienomis tai gali sumažinti bendrą išėjimo galią iki 18 proc. Įvarialytės sandūros elementų temperatūros koeficientas yra daug mažesnis – maždaug 0,26 proc. /°C, o tai sumažina elementų nuostolius iki maždaug 10 proc. labai karštomis dienomis.

2.5. N tipo „TOPCon“ saulės elementai

„TOPCon“ reiškia elektronų tuneliavimą užtikrinančio oksido pasyvintąjį kontaktą. Tai unikalus galinės pusės pasyvavimo metodas, kurį 2014 m. sukūrė Vokietijos tyrimų saulės energijos srityje institucija „Fraunhofer ISE“. Praėjus penkeriems plėtros vykdymo metams, „TOPCon“ technologija perėjo į didelio masto gamybą ir šiuo metu tikimasi, kad per ateinančius kelerius metus ji lėtai pakeis pramonės standartinę PERC elementų technologiją. „TOPCon“ elementų sandara iš esmės padeda sumažinti elemento vadinamuosius rekombinacijos nuostolius, o tai savo ruožtu didina elemento našumą. Dėl daugybės veiksnių saulės elemente vyksta keletas nuostolių, dėl kurių elektronai rekombinuojasi atgal į elementą nesudarydami elektros srovės. „TOPCon“ technologija ne tik padeda sumažinti šiuos rekombinacijos nuostolius, bet, veikdama kaip viso ploto galinis kontaktas, ji taip pat padeda srovei lengviau tekėti elemento struktūroje ir gali padidinti elemento našumą iki daugiau nei 25 proc. Atminkite, kad saulės baterijų plokščių našumas visada yra mažesnis už elementų našumą, nes apskaičiuojant plokščių našumą atsižvelgiama į nenaudojamas plokštės dalis ir papildomus visų elementų, šynų ir kolektorių nuostolius.

Pagrindinė N tipo „TOPCon“ saulės elemento konstrukcijos schema

​Šaltinis: Adaptuota pagal Clean Energy ataskaitą

Nors „TOPCon“ technologija paprastai naudojama kartu su N tipo elementais, ji taip pat gali efektyviai veikti su įprastesniais P tipo elementais, kad elementų našumas padidėtų iki 24 proc.

Daugiau naudingos informacijos apie SAULĖS ELEKTRINES rasite ČIA >>>

Informaciją kopijuoti ir platinti be UAB "SPgrupe"  sutikimo griežtai draudžiama! | © statybapigiau.lt 2022