Saules paneļu fotoelektrisko elementu ražošana

Jebkuras fotoelementu iekārtas pamatā vienmēr ir fotoelementu modulis. Fotoelektriskais modulis ir elektriski savienotu fotoelektrisko elementu kombinācija. Termins fotoelements sastāv no diviem vārdiem «foto» (no grieķu valodas. Light) un «volt» (Alesandro Volta - 1745-1827, itāļu fiziķis) - sprieguma mērvienība elektrotehnikā. Analizējot terminu fotoelements, mēs varam teikt - tā ir gaismas pārvēršana elektrībā.

Fotoelementu (saules elementu) izmanto, lai ražotu elektroenerģiju, pārveidojot saules starojumu. Fotoelementu var uzskatīt par diodi, kas sastāv no n-tipa un p-tipa pusvadītājiem ar nesēju noplicinātu reģionu, tāpēc neapgaismots fotoelements ir kā diode un to var raksturot kā diodi.

Pusvadītājiem ar platumu no 1 līdz 3 eV maksimālo teorētisko efektivitāti var sasniegt līdz 30%. Joslas sprauga ir minimālā fotona enerģija, kas var pacelt elektronu no valences joslas uz vadīšanas joslu. Visizplatītākās komerciālās saules baterijas ir krama elementi.

Silīcija monokristāli un polikristāli. Silīcijs mūsdienās ir viens no visizplatītākajiem elementiem fotoelektrisko moduļu ražošanā. Tomēr, ņemot vērā zemo saules starojuma absorbciju, silīcija kristāla saules baterijas parasti tiek izgatavotas 300 µm platas. Silīcija monokristāliskā fotoelementa efektivitāte sasniedz 17%.

Ja ņemam polikristāliskā silīcija fotoelementu, tad tā efektivitāte ir par 5% zemāka nekā monokristāliskā silīcija. Polikristāla graudu robeža ir lādiņnesēju rekombinācijas centrs. Polikristāliskā silīcija kristālu izmērs var svārstīties no dažiem mm līdz vienam cm.

Gallija arsenīds (GaAs). Gallija arsenīda saules baterijas laboratorijas apstākļos jau ir pierādījušas 25% efektivitāti. Gallija arsenīds, kas izstrādāts optoelektronikai, ir grūti ražojams lielos daudzumos un diezgan dārgs saules baterijām. Tiek pielietotas gallija arsenīda saules baterijas kopā ar saules koncentratoriem, kā arī kosmonautikai.

Plānās plēves fotoelementu tehnoloģija. Galvenais silīcija elementu trūkums ir to augstās izmaksas. Ir pieejamas plānslāņa šūnas, kas izgatavotas no amorfā silīcija (a-Si), kadmija telurīda (CdTe) vai vara-indija diselinīda (CuInSe2). Plānas plēves saules bateriju priekšrocība ir izejvielu taupīšana un lētāka ražošana salīdzinājumā ar silīcija saules baterijām. Tāpēc mēs varam teikt, ka plānslāņa izstrādājumus var izmantot fotoelementos.

Negatīvā puse ir tāda, ka daži materiāli ir diezgan toksiski, tāpēc produktu drošībai un otrreizējai pārstrādei ir liela nozīme. Turklāt, salīdzinot ar silīciju, telurīds ir noplicinošs resurss.Plānkārtiņu fotoelementu efektivitāte sasniedz 11% (CuInSe2).

Sešdesmito gadu sākumā saules baterijas maksāja aptuveni USD 1000 par W maksimālo jaudu, un tās galvenokārt tika ražotas kosmosā. 70.gados sākās fotoelementu masveida ražošana un to cena noslīdēja līdz 100$/W.Turpmākais progress un fotoelementu cenas samazinājums ļāva fotoelementus izmantot mājsaimniecības vajadzībām.Īpaši daļai iedzīvotāju, kas dzīvo tālu no elektrolīnijām un standarta barošanas avoti, fotoelementu moduļi ir kļuvuši par labu alternatīvu.

Fotoattēlā redzama pirmā uz silīcija bāzes veidotā saules baterija. To 1956. gadā izveidoja amerikāņu kompānijas Bell Laboratories zinātnieki un inženieri. Saules baterija ir fotoelementu moduļu kombinācija, kas elektriski savienoti viens ar otru. Kombinācija tiek izvēlēta atkarībā no nepieciešamajiem elektriskajiem parametriem, piemēram, strāvas un sprieguma. Viena šāda saules baterijas šūna, kas saražo mazāk par 1 vatu elektroenerģijas, maksā 250 USD. Saražotā elektroenerģija bija 100 reizes dārgāka nekā no parastā elektrotīkla.

Gandrīz 20 gadus saules paneļi ir izmantoti tikai kosmosa vajadzībām. 1977. gadā elektrības izmaksas tika samazinātas līdz 76 USD par vienu vatu elementu. Efektivitāte pakāpeniski pieauga: 15% deviņdesmito gadu vidū un 20% līdz 2000. gadam. Pašreizējie svarīgākie dati par šo tēmu —Saules bateriju un moduļu efektivitāte

Silīcija saules bateriju ražošanu var aptuveni iedalīt trīs galvenajos posmos:

• augstas tīrības pakāpes silīcija ražošana;

• plānu silikona paplāksņu izgatavošana;

• fotoelementa uzstādīšana.

Galvenā izejviela augstas tīrības pakāpes silīcija ražošanai ir kvarca smiltis (SiO2)2). Kausējumu iegūst ar elektrolīzi metalurģiskais silīcijskura tīrība ir līdz 98%. Silīcija reģenerācijas process notiek, smiltīm mijiedarbojoties ar oglekli augstā 1800°C temperatūrā:

Šī tīrības pakāpe nav pietiekama fotoelementa ražošanai, tāpēc tā ir jāapstrādā tālāk. Tālākā silīcija attīrīšana pusvadītāju rūpniecībai tiek veikta praktiski visā pasaulē, izmantojot Siemens izstrādātās tehnoloģijas.

"Siemens process" ir silīcija attīrīšana, metalurģiskam silīcijam reaģējot ar sālsskābi, iegūstot trihlorsilānu (SiHCl3):

Trihlorsilāns (SiHCl3) atrodas šķidrā fāzē, tāpēc to viegli atdala no ūdeņraža. Turklāt atkārtota trihlorsilāna destilācija palielina tā tīrību līdz 10-10%.

Nākamais process — attīrīta trihlorsilāna pirolīze — tiek izmantots augstas tīrības pakāpes polikristāliskā silīcija ražošanai. Iegūtais polikristāliskais silīcijs pilnībā neatbilst izmantošanas nosacījumiem pusvadītāju rūpniecībā, taču saules fotoelementu nozarei materiāla kvalitāte ir pietiekama.

Polikristāliskais silīcijs ir izejviela monokristāliskā silīcija ražošanai. Monokristāliskā silīcija ražošanai tiek izmantotas divas metodes — Czochralski metode un zonas kausēšanas metode.

Čečraļska metode ir energoietilpīgs, kā arī materiālu ietilpīgs. Tīģelī tiek iepildīts salīdzinoši neliels daudzums polikristāliskā silīcija un izkausēts vakuumā.Neliela monosilīcija sēkla nokrīt uz kausējuma virsmas un tad, sagriežoties, paceļas, virsmas spraiguma spēka ietekmē aizvelkot cilindrisko lietni aiz tā.

Šobrīd izvilkto lietņu diametri ir līdz 300 mm. Lietņu garums ar diametru 100-150 mm sasniedz 75-100 cm.. Izstieptā lietņa kristāliskā struktūra atkārto sēklas monokristālisko struktūru. Palielinot lietņa diametru un garumu, kā arī uzlabojot tā griešanas tehnoloģiju, samazināsies atkritumu daudzums, tādējādi samazinot izmaksas par iegūtajiem fotoelementiem.

Jostu tehnoloģija. Mobil Solar Energy Corporation izstrādātais tehnoloģiskais process ir balstīts uz silīcija sloksņu izvilkšanu no kausējuma un uz tām veidojot saules baterijas. Matrica ir daļēji iegremdēta silīcija kausējumā un kapilārā efekta dēļ polikristāliskais silīcijs paceļas, veidojot lenti.Kausējums kristalizējas un tiek izņemts no matricas. Darba ražīguma paaugstināšanai ir izstrādātas iekārtas, uz kurām iespējams saņemt līdz pat deviņām jostām vienlaikus. Rezultāts ir deviņu šķautņu prizma.

Lentu priekšrocība ir tā, ka tās ir zemas, jo ir izslēgts lietņa griešanas process. Turklāt taisnstūrveida fotoelementus var viegli iegūt, savukārt monokristālisko plākšņu apaļā forma neveicina labu fotoelementu izvietojumu fotoelektriskajā modulī.

Iegūtie polikristāliskā vai monokristāliskā silīcija stieņi pēc tam jāsagriež plānās plāksnēs, kuru biezums ir 0,2–0,4 mm. Griežot monokristāliskā silīcija stieni, aptuveni 50% materiāla tiek zaudēti zudumu dēļ.Arī apaļās paplāksnes ne vienmēr, bet bieži tiek sagrieztas, lai izveidotu kvadrātveida formu.