Фотодіод, оптимізований для ефективного харчування навантаження, є сонячним елементом. Він працює в фотогальванічних режимі, так як він зміщений в прямому напрямку напругою, створюваним на опорі навантаження.
Монокристалічні сонячні елементи виготовляються в процесі, подібному виробництва напівпровідникових приладів. Він передбачає вирощування монокристалічного злитка з розплавленого кремнію високої чистоти (P-типу), хоча і не настільки чистого, як для напівпровідникових приладів. Злиток розпилюється алмазної пилкою на пластини. Оскільки сучасні сонячні елементи майже квадратні, зайвий кремній видаляється в процесі надання зливка квадратної форми. Сонячні елементи можуть бути витравлені для додання поверхні текстури (шорсткості), щоб поліпшити поглинання світла. Значна кількість кремнію втрачається при виробництві квадратних пластин розміром 10 або 15 см. В даний час виробники сонячних елементів зазвичай купують пластини на цьому етапі у виробників напівпровідників.
Пластини P-типу занурюються «спиною до спини» в ванни з розплавленим діоксидом кремнію, піддаючи тільки зовнішню сторону легування домішкою N-типу в дифузійної печі. Процес дифузії утворює тонкий шар N-типу на верхній поверхні сонячного елементу. Дифузія також замикає межі верхньої і нижньої поверхонь сонячного елемента. Щоб видалити замикання сонячного елемента, межі повинні бути видалені за допомогою плазмового травлення. Срібна та / або алюмінієва паста наноситься на задню сторону сонячного елемента, а срібна сітка - на передню сторону. Потім вони спікається в печі для гарного електричного контакту (малюнок нижче).
Осередки з'єднуються металевими стрічками послідовно. Для 12-вольтів зарядних пристроїв на сонячних батареях 36 осередків (приблизно по 0,5 В кожна) вакуумно ламинируются між склом і металом з полімерним покриттям. Скло може мати текстуровану поверхню, яка допомагає поглинати світло.
Промислові монокристалічні кремнієві сонячні елементи з максимальною ефективністю (21,5%) мають всі контакти на задній стінці осередки. Активна поверхня осередку збільшується за рахунок переміщення контактних провідників верхнього (-) контакту на задню частину комірки. Верхні (-) контакти зазвичай робляться на кремнії N-типу на верхній стороні осередку. На малюнку нижче (-) контакти виконані на N + дифузії внизу, чергуючись з (+) контактами. Верхня поверхня текстурірована для полегшення поглинання світла всередині осередку.
Мультикристалічні кремнієві елементи починаються у вигляді розплавленого кремнію, відлитого в прямокутну форму. У міру того як ремені охолоджується, він кристалізується в кілька великих (розміром від мм до см) випадково орієнтованих кристалів, замість одного кристала. Інша частина процесу така ж, як у монокристалічних сонячних елементів. На готових осередках видно лінії, як ніби осередку зламані. Їх ефективність не настільки висока, як у монокристалічних елементів, через втрати на кордонах кристалів. Через випадкову орієнтації кристалів поверхні сонячного елементу не може бути надана шорсткість шляхом травлення. Однак антіотражающее покриття підвищує їх ефективність. Ці сонячні елементи конкурентоспроможні всюди, крім космічних застосувань.
Тришаровий сонячний елемент: самий високоефективний сонячний елемент являє собою стек з трьох елементів, налаштованих на поглинання різних частин сонячного спектра. Хоча три елементи можуть бути складені один на одного, але монолітна монокристалічна структура з 20 напівпровідникових шарів є більш компактною. При ефективності 32%, для використання в космосі зараз перевага віддається кремнію. Висока вартість не дозволяє знайти багато застосувань на Землі, крім концентраторів, заснованих на лінзах або дзеркалах.
Інтенсивні дослідження недавно випустили версію, поліпшену для наземних концентраторів, на 400-1000 сонць і ефективністю 40,7%. Для неї потрібна велика дешева лінза Френеля або відбивач і невелика поверхню дорогого напівпровідника. Ця комбінація вважається конкурентоспроможною з недорогими кремнієвими сонячними елементами дл сонячних електростанцій.
Металлоорганическое хімічне осадження з парової фази (MOCVD, Metal organic chemical vapor deposition) відкладає шари на поверхні германію P-типу. Верхні шари фосфіду галію-індію (GaInP) N і P типів, що мають заборонену зону 1,85 еВ, поглинають ультрафіолетове і видиме світло. Ці довжини хвилі мають достатню енергію для переходу забороненої зони. Більш довгі хвилі (більш низька енергія) не володіють достатньою енергією для створення електронно-доручених пар і переходять до наступного шару. Шари арсеніду галію, що мають ширину забороненої зони 1,42 еВ, поглинають ближній інфрачервоний світло. Нарешті, шар германію та підкладка поглинають дальній інфрачервоне світло. Послідовність з трьох елементів створює напругу, яка є сумою напруг трьох елементів. Напруга, що виробляється кожним матеріалом, на 0,4 В менше, ніж енергія забороненої зони, наведена в таблиці нижче. Наприклад, для GaInP: 1,8 еВ / е - 0,4 В = 1,4 В. Для всіх трьох елементів напруга становить 1,4 В + 1,4 В + 0,3 В = 2,7 В.
Високоефективний тришаровий сонячний елемент
Кристалічні масиви сонячних батарей мають тривалий термін служби. Багато масиви мають гарантію на 25 років і вважаються придатними для використання протягом 40 років. Вони не страждають від первісної деградації в порівнянні з аморфним кремнієм.
Як монокристалічні, так і многокрісталліческіе сонячні елементи засновані на кремнієвих пластинах. Кремній - це і підкладка, і активні верстви. Отже, споживається багато кремнію. Цей тип сонячних елементів існує вже кілька десятиліть і займає близько 86% ринку сонячної електроенергії.
Тонкоплівкові сонячні елементи з аморфного кремнію використовують дуже невелика кількість активного сировини, кремнію. Приблизно половиною вартості звичайних кристалічних сонячних елементів є вартість кремнію. Процес осадження тонкої плівки знижує цю вартість. Недоліком є те, що ефективність становить приблизно половину від ефективності звичайних кристалічних сонячних елементів. Крім того, ефективність знижується на 15-35% при впливі сонячного світла. Ефективність 7% скоро знижується до 5%. Тонкоплівкові елементи з аморфного кремнію працюють краще кристалічних елементів при тьмяному світлі. Їх добре використовувати в калькуляторах на сонячній енергії.
Некремніевие сонячні елементи складають близько 7% ринку. Це тонкоплівкові полікристалічні сонячні елементи. Предметом досліджень є різні складові напівпровідники. Деякі некремніевие елементи знаходяться у виробництві. Як правило, їх ефективність краще, ніж у аморфного кремнію, але не така гарна, як у кристалічного кремнію.
Телурид кадмію як полікристалічна тонка плівка на металі або склі може мати більш високу ефективність, ніж тонка плівка аморфного кремнію. При нанесенні на метал цей шар є негативним контактом до тонкої плівці телллуріда кадмію. Прозорий сульфід кадмію P-типу поверх телллуріда кадмію служить буферним шаром. Позитивний верхній контакт - це прозорий, електропровідний оксид олова, легований фтором. Ці шари можуть бути покладені, замість скла, на фольгу при виробництві. Ця фольга видаляється після того, як осередок встановлена на постійну підкладку.
Процес осадження телуриду кадмію на склі починається з осадження прозорого, електропровідного оксиду олова N-типу на скляну підкладку. Наступний шар - це телурид кадмію P-типу; хоча може використовуватися і N-тип, і власний напівпровідник. Ці два шари складають PN перехід. Шар P + (сильно легований P-тип) телуриду свинцю допомагає встановити низькоомним контакт. Металевий контакт забезпечує остаточний контакт з телуриду свинцю. Ці шари можуть бути покладені вакуумним осадженням, хімічним осадженням з газової фази (CVD), трафаретного печаткою, електроосадженням або хімічним осадженням з атмосферного тиску (APCVD) в гелії.
Варіацією телуриду кадмію є телурид кадмію-ртуті. Його володіння більш низьким питомим опором і більш низьким опором контакту підвищує ефективність в порівнянні з телуриду кадмію.
Сонячний елемент на базі діселеніда кадмію-індію-галію (CIGS)
Діселеніда кадмію-індію-галію. найперспективніший тонкоплівковий сонячний елемент в даний час проводиться на рулоні шириною десять дюймів з гнучкого полиимида - діселеніда кадмію-індію-галію (CIGS, Cadmium Indium Gallium diSelenide). Ефективність - 10%. Хоча кристалічні кремнієві елементи промислового класу перевершили це значення десятиліття назад, CIGS повинен бути конкурентоспроможний за вартістю. Процеси осадження відбуваються при досить низькій температурі для використання поліімідного полімеру в якості підкладки замість металу або скла (рисунок вище). CIGS виготовляється у вигляді рулону, що має знизити витрати. Елементи на базі CIGS також можуть бути отримані в результаті вкрай дешевого електрохімічного процесу.
Підведемо підсумки
- Більшість сонячних елементів - це монокристали або мультикристалів кремнію, що обумовлено їх хорошою ефективністю і помірною вартістю.
- Менш ефективні тонкоплівкові різні аморфні або полікристалічні матеріали займають іншу частину ринку.
- У наведеній нижче таблиці порівнюються обрані сонячні елементи
Властивості сонячних елементів
Тип сонячних елементів