Tillverkning av solcellsceller för solpaneler

Grunden för varje solcellsinstallation är alltid en solcellsmodul. En solcellsmodul är en kombination av solceller som är elektriskt sammankopplade. Termen solceller består av två ord «foto» (från grekiska. Ljus) och «volt» (Alessandro Volta - 1745-1827, italiensk fysiker) - en måttenhet för spänning inom elektroteknik. Genom att analysera termen solceller kan vi säga - det är det omvandla ljus till elektricitet.

En fotovoltaisk cell (solcell) används för att generera elektricitet genom att omvandla solstrålning. En fotocell kan ses som en diod som består av halvledare av n-typ och p-typ med en bärvågsutarmad region bildad, så en obelyst fotocell är som en diod och kan beskrivas som en diod.

För halvledare med en bredd mellan 1 och 3 eV kan den maximala teoretiska verkningsgraden nås till 30 %. Bandgapet är den minsta fotonenergi som kan lyfta en elektron från valensbandet till ledningsbandet. De vanligaste kommersiella solcellerna är flintelement.

Silikonmonokristaller och polykristaller. Kisel är idag ett av de vanligaste elementen för tillverkning av solcellsmoduler. Men på grund av den låga absorptionen av solstrålning görs kiselkristallsolceller vanligtvis 300 µm breda. Verkningsgraden för den monokristallina kiselfotocellen når 17 %.

Om vi ​​tar en polykristallin kiselfotocell är effektiviteten för den 5 % lägre än för monokristallint kisel. Korngränsen för en polykristall är rekombinationscentrum för laddningsbärare. Storleken på polykristallina kiselkristaller kan variera från några mm till en cm.

Galliumarsenid (GaAs). Galliumarsenidsolceller har redan visat en effektivitet på 25 % i laboratorieförhållanden. Galliumarsenid, utvecklat för optoelektronik, är svårt att producera i stora mängder och ganska dyrt för solceller. Galliumarsenid solceller appliceras tillsammans med solkoncentratorer, såväl som för kosmonautik.

Tunnfilmsfotocellsteknik. Den största nackdelen med kiselceller är deras höga kostnad. Tunnfilmsceller tillverkade av amorft kisel (a-Si), kadmiumtellurid (CdTe) eller kopparindiumdiselinid (CuInSe2) finns tillgängliga. Fördelen med tunnfilmssolceller är besparingen av råmaterial och billigare produktion jämfört med kiselsolceller. Därför kan vi säga att tunnfilmsprodukter har möjligheter att användas i fotoceller.

Nackdelen är att vissa material är ganska giftiga, så produktsäkerhet och återvinning spelar en viktig roll. Dessutom är tellurid en utarmande resurs jämfört med kisel.Effektiviteten hos tunnfilmsfotoceller når 11 % (CuInSe2).

I början av 1960-talet kostade solceller cirka 1 000 USD/W toppeffekt och tillverkades mestadels i rymden. På 1970-talet började massproduktion av fotoceller och deras pris sjönk till 100 $/W. Ytterligare framsteg och en sänkning av priset på fotoceller gjorde det möjligt att använda fotoceller för hushållsbehov. Speciellt för en del av befolkningen som bor långt från kraftledningar och standard strömförsörjning har solcellsmoduler blivit ett bra alternativ.

Bilden visar den första kiselbaserade solcellen. Den skapades av forskare och ingenjörer från det amerikanska företaget Bell Laboratories 1956. En solcell är en kombination av solcellsmoduler som är elektriskt anslutna till varandra. Kombinationen väljs beroende på nödvändiga elektriska parametrar som ström och spänning. En cell i ett sådant solbatteri, som producerar mindre än 1 watt elektricitet, kostar $250. Elen som producerades var 100 gånger dyrare än från det konventionella nätet.

I snart 20 år har solpaneler endast använts för rymden. 1977 sänktes elkostnaden till 76 dollar per wattcell. Effektiviteten ökade gradvis: 15 % i mitten av 1990-talet och 20 % till 2000. De aktuella mest relevanta uppgifterna om detta ämne —Effektivitet av solceller och moduler

Tillverkningen av kiselsolceller kan grovt delas in i tre huvudsteg:

• produktion av högrent kisel;

• göra tunna silikonbrickor;

• installation av fotocellen.

Den huvudsakliga råvaran för framställning av högrent kisel är kvartssand (SiO2)2). Smältan erhålls genom elektrolys metallurgiskt kiselsom har en renhet på upp till 98%. Kiselåtervinningsprocessen sker när sand interagerar med kol vid en hög temperatur på 1800°C:

Denna renhetsgrad är inte tillräcklig för framställning av en fotocell, så den måste bearbetas ytterligare. Den ytterligare reningen av kisel för halvledarindustrin utförs praktiskt taget över hela världen med hjälp av teknologi utvecklad av Siemens.

"Siemens Process" är rening av kisel genom reaktion av metallurgiskt kisel med saltsyra, vilket resulterar i triklorsilan (SiHCl3):

Triklorsilan (SiHCl3) är i flytande fas, så det separeras lätt från vätet. Dessutom ökar upprepad destillation av triklorsilan dess renhet till 10-10%.

Den efterföljande processen - pyrolys av renat triklorsilan - används för att producera polykristallint kisel med hög renhet. Det resulterande polykristallina kislet uppfyller inte helt villkoren för användning inom halvledarindustrin, men för solcellsindustrin är materialets kvalitet tillräcklig.

Polykristallint kisel är ett råmaterial för framställning av monokristallint kisel. Två metoder används för framställning av monokristallint kisel - Czochralski-metoden och zonsmältningsmetoden.

Czochralskis metod är energikrävande såväl som materialintensiva. En relativt liten mängd polykristallint kisel laddas i degeln och smälts under vakuum.Ett litet frö av monokisel faller på smältans yta och vrider sig sedan upp och drar det cylindriska götet bakom sig, på grund av ytspänningens kraft.

För närvarande är diametrarna på de dragna göten upp till 300 mm. Tackornas längd med en diameter på 100-150 mm når 75-100 cm.Kristallstrukturen hos det långsträckta götet upprepar fröets monokristallina struktur. Att öka diametern och längden på ett göt, såväl som att förbättra tekniken för dess skärning, kommer att minska mängden avfall, vilket minskar kostnaden för de resulterande fotocellerna.

Bältesteknik. Den tekniska process som utvecklats av Mobil Solar Energy Corporation bygger på att man drar kiselremsor från smältan och bildar solceller på dem. Matrisen är delvis nedsänkt i kiselsmältan och på grund av kapilläreffekten stiger det polykristallina kislet och bildar ett band, smältan kristalliserar och avlägsnas från matrisen. För att öka produktiviteten är utrustningen designad, på vilken det är möjligt att ta emot upp till nio remmar samtidigt. Resultatet är ett niosidigt prisma.

Fördelen med bälten är att de är billiga på grund av att processen att skära götet är utesluten. Dessutom kan rektangulära solcellsceller lätt erhållas, medan den runda formen av monokristallina plattor inte bidrar till den goda placeringen av solcellscellen i solcellsmodulen.

De resulterande polykristallina eller monokristallina kiselstavarna måste sedan skäras till tunna skivor 0,2-0,4 mm tjocka. När man skär en stav av monokristallint kisel förloras cirka 50 % av materialet till förluster.Runda brickor skärs inte alltid, men ofta, för att göra en kvadratisk form.