Энергообеспечение фотопанелями

Установка тонкопленочных солнечных элементов

Конкурентоспособность солнечной энергетики определяется, главным образом, двумя наиболее значимыми факторами: во-первых - это эффективность преобразования солнечной энергии в электричество, а во- вторых, - конечно же, цена. Однако, занимающие ведущее положение на мировом рынке, панели из кристаллического кремния, несмотря на наметившуюся тенденцию к повышению эффективности, далеко не дешевы. Причем, основная часть их стоимости приходится на долю кремния. Наземные солнечные панели до некоторых пор не могли соперничать с традиционными источниками энергии, кроме, разве что, удаленных от центральных сетей мест, где реальной альтернативы солнечной энергии просто нет. Рост цен на поликристаллический кремний, ограничения поставок, недостаточные оптические характеристики, ограниченность захвата солнечного спектра и другие менее значимые недостатки кремниевых моно- и поликристаллических элементов привели ученых к необходимости поиска более надежных и эффективных материалов для солнечных элементов, а также создания новых усовершенствованных технологий для их производства.

Тонкопленочные технологии, являющиеся на сегодняшний день наиболее перспективными в солнечной энергетике, позволили существенно снизить затраты на производство. Разработано несколько типов тонкопленочных фотоэлементов, как находящихся на стадии исследований и экспериментов, так и успешно применяемых в различных областях человеческой деятельности.

Наиболее известные из них - это:

• аморфный кремний (a-Si: Н);
• теллурид/сульфид кадмия (CTS);
• медно-индиевый или медно-галлиевый диселенид (CIS or CIGS), тонкопленочный кристаллический кремний (c-Si film);
• нанокристаллические сенсибилизированные красителем электро­химические фотоэлементы (nc-dye).

Специалистами компании Flisom была предложен и разработан инновационный тип светочувствительной пленки для солнечных панелей, позволяющий предположительно снизить себестоимость генерируемого электрического тока до 0,5 долларов за ватт, что почти в два раза ниже себестоимости электроэнергии, производимой при сжигании углеводородного топлива. Данная разработка основана на применении в качестве полупроводника не чистого кремния, а селенида меди-индия-галлия (copper indium gallium selenide, CIGS), нанесенного на гибкую поверхность. Тонкопленочный элемент такого состава получается при распылении меди, индия и галлия с последующей обработкой парами селена.

Гибкость и тонкослойность открыли для солнечных панелей новые сферы применения. Тонкопленочные элементы могут быть встроены в различные электронные приборы, строительные конструкции и даже ткани. По прогнозам специалистов, развитие тонкопленочных технологий в солнечной индустрии приведет всего через 10 лет к завоеванию почти 50% всего энергетического рынка.

Рисунок 4.9

В сравнении с применяемыми видами солнечных панелей тонкопленочные обладают рядом преимуществ:

• нанесение таких элементов возможно на поверхности любой конфигурации - стеклянные фасады зданий, оконные стекла зданий и автомобилей, что делает их уже готовыми источниками электроэнергии;
• меньшая материалоемкость приводит к сокращению финансовых затрат;
• способность воспринимать рассеянное солнечное излучение с большей эффективностью, чем объемные кремниевые панели позволяет применять их в местах с низкой инсоляцией;
• затемнение и нагрев тонкопленочных модулей оказывают на них меньшее негативное влияние, чем на кристаллические объемные модули.

Кремниевые тонкопленочные элементы занимают сегодня около 80 % объема мирового рынка тонкопленочных солнечных ячеек, около 18 % принадлежат пленкам на основе теллурида кадмия и лишь 2 % занимают тонкопленочные элементы из селенида меди-индия-галлия.

Уже сейчас понятно, что будущее солнечной энергетики за тонкопленочными технологиями. Исследования и разработки в области тонкопленочных солнечных элементов направлены на усовершенствование существующих и создание новых технологий, упрощающих эксплуатацию, повышающих КПД и снижающих затраты на производство.

Сравнительная характеристика объемных кремниевых панелей (КПД 20-25 %) и тонкопленочных панелей из аморфного кремния (КПД 10 %), теллурида кадмия (КПД до 16 %) и селенида меди-индия-галлия (КПД до 20%) доказывает явное преимущество тонкопленочных солнечных панелей на основе селенида меди-индия-галлия, так как выработка 1000 Вт электроэнергии такой панелью достигается пленкой площадью в 9-11 кв. метров, тогда как для пленки из теллурида кадмия для генерирования такого же количества энергии требуется 12-17 кв. метров, а для кремниевой - 14-20 кв. метров.

Рисунок 4.10

Хорошо освоенным и практичным способом производства тонкопленочных солнечных панелей является способ, связанный с применением закаленного стекла, что обусловлено его прозрачностью для солнечного излучения и, в то же время, прочностью. В одном из вариантов фотоэмульсионная пленка размещается внутри стекла триплекса. Тонкопленочные стеклянные солнечные панели особенно популярны в архитектуре зданий, автомобилестроении и индивидуальном домостроении. Светодиодные триплексы, камеры слежения, уличные осветительные приборы, садовые фонтаны, фонари и пр. - идеальные сферы применения тонкопленочных элементов. Такие стеклянные солнечные панели в темное время суток работают от аккумуляторов, заряжающихся днем энергией солнца от солнечной панели.

Рисунок 4.11

зо

Уже не менее 10 компаний в мире выпускают прозрачные солнечные панели, которые можно вставлять в окна зданий вместо обычного стекла. Конечно, электроэнергии они вырабатывают пока еще недостаточно в сравнении с обычными солнечными панелями, однако, если такими окнами-панелями оснастить высотное здание, то резервный генератор для аварийных ситуаций будет в таком случае лишним.

Так, например, самое высокое здание в США чикагский 110-этажный небоскреб Уиллис-тауэр может стать солнечной электростанцией. Предполагается остеклить фасады здания стеклянными панелями, аккумулирующими солнечную энергию. Еще в ноябре 2010 года на 56 этаже здания были установлены 2 оконные фотоэлектрические панели, разработанные израильской компанией Pythagoras Solar. Окна-панели представляют собой своеобразный сэндвич из двух слоев обычного стекла и слоя фотоэлементов между ними, чередующегося с призмами. Такие окна свободно пропускают рассеянный свет и обеспечивают видимость, а прямые солнечные лучи, попадая на призмы, отражаются на фотоэлементы. Каждое такое окно имеет мощность равную 120 Вт, сопоставимую с мощностью обычной солнечной панели, устанавливаемой на крыше. В летнее время оконные фотоэлектрические панели сокращают поступление тепла в здание, что уменьшает расходы на кондиционирование. При остеклении восточного и западного фасадов Уиллис-тауэра новыми оконными системами, суммарная вырабатываемая мощность достигнет 2 МВт, что эквивалентно мощности, генерируемой средней электростанцией.

Полупрозрачные солнечные тонкопленочные панели встраивают в атомобильные люки компании Audi и Volkswagen. Количества генерируемой ими энергии достаточно пока лишь для работы вентилятора в салоне автомобиля, стоящего, к примеру, на заливаемой солнцем автопарковке, или GPS-навигатора.

Основными производителями тонкопленочных солнечных панелей являются Германия, Япония, США и Китай.

Как уже отмечалось, наиболее перспективным видом тонкопленочных фотоэлементов являются пленки на основе диселенида меди-индия-галлия (CIGS). Самыми распространенными методами получения такой пленки является напыление или распыление меди, индия и галлия одновременно либо поочередно и последующая обработка полученной пленки парами селена. Основной проблемой при массовом производстве является получение однородного состава на больших площадях элемента. Методы осаждения пленок CIGS из паровой фазы основан на использовании дорогостоящих вакуумных камер и электронных пушек. Наиболее дешевы методы ионного распыления и высоковакуумного напыления, однако при использовании этих методов возникают другие проблемы, например, пленкой покрывается не только подложка, но и вся камера.

Недостаток поставок индия также может затормозить производство CIGS, так как основной областью применения индия являются в настоящее время плоскопанельные дисплеи.

Таким образом, приоритетными направлениями исследований на пути создания оптимального метода нанесения CIGS должны стать получение однородности и снижение себестоимости за счет усовершенствования материалов и технологий.

Прогрессивным методом нанесения CIGS является метод печати, используемый такими ведущими производителями в этой отрасли как International Solar Electric Technology, Nanosolar и другие. Метод печати основан на использовании суспензии частиц оксидов металлов. Варьируя такими характеристиками суспензии, как, например, вязкость, зависящими от размера самих частиц, их концентрации и др., возможно получать, так называемые, «чернила» для печати, наиболее подходящие к конкретному методу печати - от трафаретной печати до струйного осаждения. Подложки при использовании методов печати могут быть из самых разнообразных материалов: металлической фольги, стекла и пластика. Коэффициент использования материалов в этих методах достигает 90 % и выше, причем используемое оборудование является более дешевым, чем при вакуумных процессах. Однородность при использовании этого метода также существенно повышается. Все это говорит о перспективности невакуумных методов получения CIGS. КПД недавно созданной фирмой Nanosolar солнечной панели CIGS, полученной методом печати равнялся 14%. панели же, полученные методом осаждения из паровой фазы, обладали эффективностью 18,8 %, однако, не надо забывать, что процесс осаждения протекал на очень дорогостоящем оборудовании. Серийно выпускаемые в настоящее время аморфные кремниевые панели имеют КПД 9,8 %.

Рисунок 4.12

Новая разработка стэнфордских ученых позволит повысить эффективность солнечных тонкопленочных элементов. Это тонкопленочные солнечные элементы, сенсибилизированные красителем. Панель фотоэлемента, сенсибилизированного красителем, представляет собой пластину из стекла или металла, покрытую фоточувствительной краской. КПД этих недавно появившихся на рынке тонкопленочных панелей составляет приблизительно 11%. Ученые из Стэнфорда использовали специальный металлический отражатель, позволивший повысить эффективность такой панели до 20%. Отражатель представляет собой покрытие из тонкой серебряной пленки с наноразмерными выемками: выемки способствуют улавливанию большего количества света внутри солнечной ячейки, повышая тем самым КПД на 5- 20%.