Napelemekhez való fotovoltaikus cellák gyártása

Minden fotovoltaikus telepítés alapja mindig egy fotovoltaikus modul. A fotovoltaikus modul elektromosan összekapcsolt fotovoltaikus cellák kombinációja. A fotovoltaikus kifejezés két szóból áll "fotó" (a görögből. Fény) és a "volt" (Alessandro Volta - 1745-1827, olasz fizikus) - a feszültség mértékegysége az elektrotechnikában. A fotovoltaikus kifejezést elemezve azt mondhatjuk, hogy az a fény elektromos árammá alakítása.

A fotovoltaikus cellát (napelemet) a napsugárzás átalakításával elektromos áram előállítására használják. A fotocella felfogható egy n-típusú és p-típusú félvezetőkből álló diódának, amelynek hordozószegény régiója van kialakítva, így a meg nem világított fotocella olyan, mint egy dióda, és diódának nevezhető.

Az 1 és 3 eV közötti szélességű félvezetők esetében a maximális elméleti hatásfok elérheti a 30%-ot. A sávköz az a minimális fotonenergia, amely képes az elektront a vegyértéksávból a vezetési sávba emelni. A legelterjedtebb kereskedelmi napelemek a kovakő elemek.

Szilícium monokristályok és polikristályok. A szilícium ma az egyik legelterjedtebb elem a fotovoltaikus modulok gyártásához. A napsugárzás alacsony abszorpciója miatt azonban a szilíciumkristályos napelemek általában 300 µm szélesek. A szilícium monokristályos fotocella hatékonysága eléri a 17%-ot.

Ha egy polikristályos szilícium fotocellát veszünk, akkor annak hatásfoka 5%-kal alacsonyabb, mint a monokristályos szilíciumé. A polikristály szemcsehatára a töltéshordozók rekombinációs központja. A polikristályos szilícium kristályok mérete néhány mm-től egy cm-ig változhat.

Gallium-arzenid (GaAs). A gallium-arzenid napelemek már 25%-os hatékonyságot mutattak be laboratóriumi körülmények között. Az optoelektronikára kifejlesztett gallium-arzenidet nehéz nagy mennyiségben előállítani, napelemekhez pedig meglehetősen drága. Gallium-arzenid napelemeket alkalmaznak napelem koncentrátorokkal együtt, valamint a kozmonautika számára.

Vékonyréteg fotocellás technológia. A szilícium cellák fő hátránya a magas költség. Amorf szilíciumból (a-Si), kadmium-telluridból (CdTe) vagy réz-indium-diselinidből (CuInSe2) készült vékonyrétegű cellák kaphatók. A vékonyrétegű napelemek előnye az alapanyag-megtakarítás és a szilícium napelemekhez képest olcsóbb gyártás. Ezért elmondhatjuk, hogy a vékonyrétegű termékeknek van kilátása fotocellákban való felhasználásra.

Hátránya, hogy egyes anyagok meglehetősen mérgezőek, így a termékbiztonság és az újrahasznosítás fontos szerepet játszik. Ráadásul a tellurid a szilíciumhoz képest kimerítő erőforrás.A vékonyrétegű fotocellák hatásfoka eléri a 11%-ot (CuInSe2).

Az 1960-as évek elején a napelemek körülbelül 1000 USD/W csúcsteljesítménybe kerültek, és többnyire az űrben gyártották őket. Az 1970-es években megindult a fotocellák tömeggyártása és ára 100 dollár/W-ra csökkent.A további előrelépés és a fotocellák árának csökkenése lehetővé tette a fotocellák háztartási szükségleteinek alkalmazását.Különösen a lakosság egy része, aki távol él a villanyvezetékektől, ill. szabványos tápegységek, a fotovoltaikus modulok jó alternatívává váltak.

A képen az első szilícium alapú napelem látható. Az amerikai Bell Laboratories cég tudósai és mérnökei alkották meg 1956-ban. A napelem olyan fotovoltaikus modulok kombinációja, amelyek elektromosan kapcsolódnak egymáshoz. A kombináció a szükséges elektromos paraméterek, például áram és feszültség függvényében kerül kiválasztásra. Egy ilyen, 1 wattnál kevesebb áramot termelő napelem elem 250 dollárba kerül. A termelt áram százszor drágább volt, mint a hagyományos hálózatból.

Majdnem 20 éve a napelemeket csak az űrben használták. 1977-ben az áram költségét wattcellánként 76 dollárra csökkentették. A hatékonyság fokozatosan nőtt: az 1990-es évek közepén 15%, 2000-re pedig 20%. A jelenlegi legrelevánsabb adatok ebben a témában —A napelemek és modulok hatékonysága

A szilícium napelemek gyártása nagyjából három fő szakaszra osztható:

• nagy tisztaságú szilícium gyártása;

• vékony szilikon alátétek készítése;

• a fotocella felszerelése.

A nagy tisztaságú szilícium előállításának fő nyersanyaga a kvarchomok (SiO2)2). Az olvadékot elektrolízissel nyerik kohászati ​​szilíciumamelynek tisztasága akár 98%. A szilícium visszanyerési folyamata akkor megy végbe, amikor a homok kölcsönhatásba lép a szénnel magas, 1800°C-os hőmérsékleten:

Ez a tisztasági fok nem elegendő a fotocella gyártásához, ezért azt tovább kell feldolgozni. A félvezetőipar számára a szilícium további tisztítását a Siemens által kifejlesztett technológia segítségével gyakorlatilag az egész világon végzik.

"Siemens folyamat" a szilícium tisztítása kohászati ​​szilícium és sósav reakciójával, ami triklór-szilánt (SiHCl3) eredményez:

A triklórszilán (SiHCl3) folyékony fázisban van, így könnyen elválasztható a hidrogéntől. Ezenkívül a triklór-szilán ismételt desztillációja 10-10%-ra növeli a tisztaságát.

Az ezt követő eljárást – a tisztított triklór-szilán pirolízisét – nagy tisztaságú polikristályos szilícium előállítására használják. A keletkező polikristályos szilícium nem felel meg teljes mértékben a félvezetőiparban való felhasználás feltételeinek, de a napelemes fotovoltaikus ipar számára az anyag minősége megfelelő.

A polikristályos szilícium nyersanyag a monokristályos szilícium előállításához. A monokristályos szilícium előállítására két módszert alkalmaznak – a Czochralski-módszert és a zónaolvadási módszert.

Czochralski módszere energia- és anyagigényes is. Viszonylag kis mennyiségű polikristályos szilíciumot töltenek a tégelybe, és vákuumban megolvasztják.Egy kis monoszilícium mag esik az olvadék felületére, majd csavarodva felemelkedik, a felületi feszültség hatására a hengeres tuskót maga mögött húzva.

Jelenleg a húzott bugák átmérője eléri a 300 mm-t. A 100-150 mm átmérőjű bugák hossza eléri a 75-100 cm-t A megnyúlt tuskó kristályszerkezete megismétli a mag monokristályos szerkezetét. A tuskó átmérőjének és hosszának növelése, valamint a forgácsolásának technológiájának javítása csökkenti a hulladék mennyiségét, így csökken a keletkező fotocellák költsége.

Szíj technológia. A Mobil Solar Energy Corporation által kifejlesztett technológiai eljárás azon alapul, hogy az olvadékból szilíciumcsíkokat húznak ki, és napelemeket alakítanak ki rájuk. A mátrix részben belemerül a szilícium olvadékba és a kapilláris hatás következtében a polikristályos szilícium felemelkedik, szalagot képezve az olvadék kikristályosodik és kikerül a mátrixból. A termelékenység növelése érdekében a berendezést úgy alakították ki, hogy egyidejűleg akár kilenc öv fogadására is van lehetőség. Az eredmény egy kilencoldalú prizma.

A szalagok előnye, hogy olcsók, mivel a tuskó vágási folyamata kizárt. Ezen kívül téglalap alakú fotovoltaikus cellák is könnyen beszerezhetők, míg a monokristályos lemezek kerek formája nem járul hozzá a napelem megfelelő elhelyezéséhez a fotovoltaikus modulban.

A kapott polikristályos vagy monokristályos szilícium rudakat ezután vékony, 0,2-0,4 mm vastag lapkákra kell vágni. A monokristályos szilícium rúd vágásakor az anyag körülbelül 50%-a veszteségbe megy.Ezenkívül a kerek alátéteket nem mindig, de gyakran vágják négyzet alakúvá.