2. Класифікація фотоелектричних перетворювачів енергії
Сонячні елементи можна розділити на елементи без концентрації сонячного випромінювання та з концентрацією випромінювання на малій площі допомогою оптичних систем. Застосування високоефективних СЕ малої площі з оптичними концентраторами у вигляді різних лінз і відбивачів великої площі є альтернативним шляхом розвитку СЕ для зниження їх вартості. У системах з концентраторами дорогі СЕ замінюються відносно дешевими оптичними системами. Додаткові витрати на систему стеження за сонцем і охолоджування повинні компенсуватися підвищенням ККД. Як правило, концентраційні елементи виготовляються з дорогих світлопоглинаючих матеріалів з найкращими показниками фотовольтаїчного перетворення світла. У позначенні таких сонячних елементів обов'язково вказується коефіцієнт збирання світла, вимірюваний у сонцях (suns). Коефіцієнт збирання показує, у скільки раззбільшиться щільність потоку падаючого на СЕ випромінювання після його оптичного збирання системами, що концентрують.
За принципом, використовуваним для перетворення сонячної енергії в електричну, сонячні елементи можна розділити на елементи діодного типу, елементи, в яких використовується сенсибілізація органічними барвниками (так звані фотоелектричні комірки) і термофотовольтаіческіе перетворювачі.
Термофотовольтаіческое виробництво електроенергії - це перетворення довгохвильового (теплового) випромінювання, яке після розігріву матеріалу емітера (радіатора) до високої температури (за допомогою концентрованого сонячного випромінювання, спалювання природного газу, пропану, бензину, водню тощо), перетвориться в електрику фотоелементом. В даний час ККД подібних систем не високе і не перевищує 5%, але вони можуть працювати цілодобово, в той час як наземні сонячні елементи працюють зазвичай менше 40% часу.
Для виготовлення СЕ діодного типу застосовується цілий ряд матеріалів: 1) елементарні напівпровідники (Si, Ge); 2) напівпровідники типу AIIIBV (наприклад, GaAs); 3) напівпровідники типу AIIBVI (наприклад, CdS); 4) органічні матеріали. У залежності від структури використовуваного напівпровідника, сонячні елементи підрозділяються на СЕ на основі кристалічних, полікристалічних, мікрокристалічних, аморфних матеріалів. На рис. 2.1 представлена класифікація СЕ в залежності від застосовуваного матеріалу.
|
| |
|
Рис.2 |
Класифікація СЕ у зависимости від використовуваного матеріалу |
У залежності від використовуваної технології СЕ діодного типу можуть бути розділені на три великі класи: 1) на основі об'ємних кристалічних підкладок (кремнієвих, GaAs, Ge); 2) на основі тонких плівок кристалічного, аморфного і мікрокристалічного кремнію, CdTe, CuInSe2 (CIS) , Cu (In1-xGax) Se2 (CIGS); 3) фотоелектричні комірки, в яких використовується сенсибілізація барвниками.
Основним матеріалом для виготовлення сонячних елементів в даний час є кристалічний кремній. На ринку фотовольтаїки частка сонячних елементів і модулів, зроблених на основі кристалічного кремнію, зараз перевищує 90%, з яких приблизно 2/3 припадає на полікристалічний кремній і 1/3 - на монокристалічний. Настільки широке застосування кристалічного кремнію в фотовольтаїки обумовлено розвинутою кремнієвою технологією взагалі і можливістю виготовлення на його основі сонячних елементів наземного використання із найбільш прийнятним смпіввідношенням ефективність / вартість. Інша частина ринку фотовольтаїки припадає на плівкові елементи на основі інших матеріалів, в тому числі понад 5% складають СЕ на основі тонких плівок аморфного гідрогенізированного кремнію.
Сонячні елементи на основі об'ємних монокристалічних і полікристалічних матеріалів володіють високим ККД, стабільністю, але мають високу вартість.
При тонкоплівковій технології на основі матеріалів з високим коефіцієнтом поглинання, таких як CdTe, Cu (In, Ga) Se2, які застосовуються у вигляді полікристалічних плівок, аморфний гідрогенізований кремній (a-Si: H) дозволяє значно знизити витрату і вартість використовуваного матеріалу. Подібна технологія є високоефективною при використанні таких матеріалів, менш енерговитратною і дешевою. До недоліків таких СЕ можна віднести більш низькі ККД і стабільність параметрів.
Достоїнствами тонкоплівкових ФЕПов на основі a-Si: H є більш висока опрацьованість технології, відсутність екологічних проблем, як у випадку CdTe (Cd - токсичний матеріал), і використання дорогих матеріалів, як у випадку Cu (In, Ga) Se2. Крім того, слід зазначити, що ФЕПи на основі a-Si: H завдяки характеристикам аморфного кремнію (температурний коефіцієнт і спектральна залежність коефіцієнта поглинання) забезпечують більш високу ефективність перетворення сонячної енергії при температурах 40-60 ° С і в умовах захмареності.