Как устроены и как работают солнечные батареи?

Обновлено: 13.11.2019


Как устроен и работает фотоэлемент?

Фотоэлемент преобразует энергию солнечного света в электроэнергию. Он изготавливается из пластины очищенного кремния, в верхнюю часть которой добавляют атомы фосфора, а в нижнюю - атомы бора.

Таким образом, в пластине образуются 2 слоя: сверху N-слой (Negative) с избытком электронов, а снизу - P-слой (Positive) с дефицитом электронов. Между слоями образуется PN-переход - электрическое поле, не позволяющее электронам из N-слоя переходить в P-слой.



Фотоны солнечного света выбивают электроны из атомов кремния в PN-переходе. При этом, под воздействием поля PN-перехода, электроны переходят только в верхний N-слой. Между слоями усиливается разность потенциалов, и соединив их электродами, можно получить электрический ток.

Как устроена солнечная панель

Ячейки фотоэлементов последовательно соединяют, крепят на каркас и запаковывают в общую рамку (таким образом, чтобы в случае выхода из строя их можно было заменять по одному). Получается солнечная панель с двумя электродами, генерирующая постоянный ток.



Чтобы защитить солнечную батарею от дождя и ветра, снаружи ее покрывают стеклом.

Т.к. кремний хорошо отражает свет, значительная часть фотонов может не достигать PN-перехода. Чтобы уменьшить потери, фотоэлементы покрывают антибликовым покрытием.

КПД и эффективность солнечных батарей

Коэффициент фотоэлектрического преобразования современных солнечных батарей - примерно 20%. Т.е. всего 20% энергии солнечного света преобразуется в электричество. Причем, КПД снижается при нагреве солнечной панели из-за броуновского движения электронов.

Однако, для владельца солнечной электростанции важен не столько КПД панелей, сколько их мощность (т.е. сколько энергии они могут вырабатывать), а также стоимость, надежность и срок службы.

Как рассчитать рентабельность солнечной электростанции - описано здесь.

Однако, не забывайте, что технологический прогресс в солнечной энергетике постоянно снижает стоимость солнечных панелей, повышает их надежность и срок службы, и даже КПД.

Виды солнечных панелей

- Монокристаллические — на основе монокристалла кремния. КПД около 19% от номинальной мощности, для производства 1 кВт энергии необходима площадь 7 кв.м. Применение нашли как в быту, так и на специальных станциях.

- Поликристаллические — на основе выращенных поликристаллов кристаллов кремния. КПД — около 16% от номинальной мощности, для производства 1 кВт энергии необходимо 8,3 кв.м. Применяются там, где необходимы отдельные элементы мощностью свыше 200 ватт.

- Тонкопленочные фотовольтажные модули (ТFT) — наиболее производительные на данный момент. КПД — около 25% от номинальной мощности, для производства 1 кВт энергии необходимо 18,3 кв.м. Рациональны там, где необходимо производить свыше 2,5 кВт выходной электроэнергии, т.е. системы от 10 КВт номинальной мощности. Отличаются высокой чувствительностью и могут работать при рассеянном свете, при этом дают высокое напряжение при низком токе.

Мировыми лидерами производства солнечных панелей являются компании First Solar (США), Sharp (Япония), Suntech, Yingli, Trina Solar (все Китай).

Ниже - представлены новости развития технологий солнечных батарей.

2019. Создано покрытие для солнечных батарей, следящее за солнцем



Сейчас иногда маленькие наземные солнечные электростанции оборудуются поворотными системами (трекерами), которые отслеживают движение солнца в течение дня. Говорят, такой трекер увеличивает производство энергии на 30%. Но очевидно, что он также значительно усложняет и удорожает конструкцию, снижает надежность и долговечность СЭС, да и сам потребляет часть энергии. Ученные Калифорнийского университета, возможно, придумали более красивое решение. Они создали особый материал, который может отслеживать направление на солнце, как подсолнух. Он состоит из элементов размером менее одного миллиметра, которые расширяются и сжимаются при нагревании. Благодаря этому материал выгибается в сторону источника тепла.


2019. Солнечные батареи могут использовать снег для выработки дополнительной энергии



Зимой солнечные панели иногда заносит снегом, и приходится их очищать. Исследователи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе отчасти решили эту проблему, создав дополнительную панель Snow TENG, которая вырабатывает электричество от взаимодействия непосредственно с выпавшим снегом. Происходит это благодаря трибоэлектрическому эффекту, когда электрические заряды возникают в ходе трения одних заряженных частиц с другими. В случае с устройством Snow TENG, положительно заряженным объектом выступает снег, а отрицательным - нанесенный на поверхность панелей силикон, подсоединенный к электродам. Конечно, вырабатываемая энергия - небольшая, но возможно, ее хватит, чтобы растопить снег и очистить панель.


2019. Корейцы сделали фотоэлементы из перовскита на 80% эффективнее



В 2013 журнал Science в своем рейтинге топ-10 прорывов года отметил открытие возможности создания солнечных батарей из перовскита. Перовскит (титанат кальция) - это сравнительно редкий для поверхности Земли минерал (в отличии от кремния). Но он дешевый, его можно наносить на гибкую поверхность и он имеет трехмерную структуру, которая позволяет солнечной батарее эффективно работать даже на закате, в облачную погоду и в туман. Изначально КПД перовскитовых фотоэлементов была ниже кремниевых - 15%. Но вот ученые из южно-корейского университета UNIST поколдовали и создали комбинацию двойного перовскита (Cs2SnI6) и органической ячейки Гретцеля, которая продемонстрировала хорошие показатели переноса заряда, достигнув увеличения плотности фотоэлектрического тока на 79% по сравнению с обычным жидким электролитом.***