Микроморфные солнечные модули

В последнее время все большее внимание уделяется возобновляемым, экологически чистым источникам энергии. Растущие цены на природные ископаемые энергоносители, загрязнение окружающей среды, нанесение непоправимого ущерба экосистемам огромных регионов – все это стимулирует развитие альтернативной энергетики.

Строятся приливные, ветровые электростанции, на огромных территориях располагают солнечные электростанции, теплоцентрали. Если речь идет о прямом преобразовании энергии солнца в энергию электрическую, то неизбежно возникает вопрос о максимальной эффективности фотоэлементов – главных компонентов солнечных батарей. В качестве материала для изготовления солнечных батарей используется кремний.

После кислорода это самый распространенный химический элемент на земле. В земной коре его содержится почти 30%. И, как оказалось, этот самый кремний обладает свойством преобразовывать яркий свет в электричество.

Сначала солнечные панели делались из чистого кремния. Это были так называемые монокристаллические батареи. Технология получения максимально чистого силиконового кристалла достаточно сложная и дорогая, что, естественно, сказывается и на конечной цене таких панелей.

Полученный в результате расплава жидкий кремний затвердевает, после чего кристалл разрезается на множество тонких пластин, которые затем прошиваются сеткой тончайших электродов. Таким образом, получается панель гелиевой батареи. Эти панели стоят недешево, но затраты вполне компенсируются высоким коэффициентом полезного действия – до 22%.

Технология получения поликристаллического кремния гораздо менее затратна, поэтому и стоимость батарей на поликристаллах меньше. Однако КПД таких батарей ниже (максимально – 18%), чем у батарей на монокристаллическом кремнии. Это объясняется тем, что при медленном охлаждении, которому подвергается расплав кремния, внутри полученного поликристалла возникают области с границами из неправильно ориентированных зерен.

Монокристаллическая и поликристаллическая солнечные панели

Следующим этапом в создании гелиевых панелей стала разработка технологии получения тонких пленок на базе аморфного кремния. Для получения таких панелей кристаллический кремний не используется, а применяется силан или кремневодород.

Тончайшим слоем эти материалы наносятся на подложку. Коэффициент полезного действия этих устройств очень низок и достигает максимум 6%. Несмотря на низкий показатель эффективности, они, тем не менее, имеют и существенные достоинства.

Они, во-первых, дешевле. Во-вторых, они имеют повышенную гибкость, так как толщина элементов у них не превышает одного микрометра. И, в-третьих, у этих панелей более чем в 20 раз выше показатель оптического преломления по сравнению с моно- или поликристаллами. За счет этого у них более высокая производительность в пасмурную погоду.

Солнечная батарея на базе аморфного кремния

Логическим продолжением этого ряда фотоэлектрических преобразователей на кремниевой основе стало появление микроморфного солнечного модуля. Это технологическая разработка швейцарской фирмы «Oerlikon Solar». Появлению этого модуля предшествовало длительное изучение опыта эксплуатации аморфных кремниевых модулей.

Далее потребовалось провести серьезные исследования и разработать технологию нанесения слоя кремния толщиной в нанометр. Микроморфный кремний получил уникальные свойства прозрачности как для видимой, так и для инфракрасной области спектра солнечного света. Это стало возможным, благодаря целенаправленному изменению ориентации элементов структуры кристаллической решетки кремния.

Компания Хевел (HEVEL SOLAR) на технологической базе фирмы Oerlikon Solar построила в Чувашии, в городе Новочебоксарске, завод, выпускающий микроморфные солнечные модули. Предполагается, что это будет предприятие с полным замкнутым циклом, которое будет выпускать в год до одного миллиона таких модулей. Суммарная мощность этой продукции завода составит порядка 130 мегаватт в год.

О том, насколько перспективны подобные разработки, говорит тот факт, что в 2012 году для решения проблем тонкопленочных материалов и технологий при НТИ имени академика А.Ф. Иоффе был создан Научно-технический центр.

По сути, это был первый российский научно-исследовательский институт, занимающийся проблемами гелиоэнергетики. Именно под его эгидой работает компания Хевел, которая первой начала производить в России тонкопленочные солнечные модули. В перспективе планируется создание полноценной высокотехнологической отрасли, решающей проблемы солнечной энергетики.

Микроморфная технология

Эта технология основывается на применении нескольких слоев тонких пленок на кремниевой основе, выращенных на одной подложке. Причем, эти слои выращиваются из различных полупроводников, отличие которых друг от друга заключается в ширине так называемой «запрещенной зоны». Тогда между двумя различными слоями формируется переход, в котором становится возможной более высокая концентрация носителей, чем в однослойной структуре.

В микроморфном солнечном модуле имеются два слоя полупроводников. Такое строение элемента фотопреобразователя отличается от строения предшественника – фотоэлемента, выполненного с применением только аморфного кремния – тем, что в нем присутствует наноструктурированный микроморфный слой. Наличие этого слоя микроморфного кремния позволяет преобразовывать в электричество более широкий диапазон света. Тем самым увеличивается и коэффициент полезного действия модуля.

Структуры аморфного и микроморфного модулей

Солнечные батареи, построенные на базе микроморфных модулей, могут улавливать не только прямое солнечное излучение, но и рассеянный свет, то есть они могут вырабатывать электричество в пасмурную погоду, во время заката и восхода солнца, что существенно увеличивает время активной работы.

К преимуществам микроморфных модулей также нужно отнести их низкую стоимость, абсолютную экологичность, а также возможность использования их при строительстве различных объектов в качестве элементов внешней отделки и одновременно резервного электрообеспечения здания.

Солнечный микроморфный модуль

Компания Hevel Solar, на основе технологии швейцарской фирмы Oerlikon Solar, приступила к производству микроморфных солнечных модулей под брендовым названием Pramac.

Солнечные панели, выполненные на базе этих модулей, являются фотоэлектрическими преобразователями самого последнего поколения. Полное название модуля PRAMAC MCPH P7/ 125 Вт. Номинальная мощность этого модуля 125 Вт. С выходом на номинальную мощность вырабатывается напряжение 96,2 В при токе 1,3 А.

Микроморфный модуль Pramac

Если модуль используется в системах с номинальным напряжением 12/24/48 вольт, то дополнительно нужно использовать МРРТ-контроллер заряда. Диапазон рабочих температур модуля находится в пределах от -40°С до +90°С. Модуль выполнен в классе защиты IP65/IP67. Размеры модуля 1300х1100х6,8 мм при весе 26 килограмм. Цена модуля – 5925 рублей.

Применение микроморфной технологии значительно расширяет возможности фотоэлектрических преобразователей. А привлекательный внешний вид таких панелей открывает широкое поле деятельности для архитекторов, дизайнеров.

Так выглядит здание, облицованное микроморфными модулями

Ведь, кроме выполнения своей основной задачи, – вырабатывать электричество – эти панели могут послужить и прекрасной облицовкой, украшая здание снаружи и освещая его изнутри.