Особенности тонкопленочных солнечных батарей

Сегодня тонкопленочные солнечные батареи распространены гораздо меньше, чем их кристаллические аналоги. Связано это, прежде всего, с их более низким КПД и, как следствие, с большими габаритами. Однако многие специалисты утверждают, что, несмотря на эти факторы, будущее гелиоэнергетики – как раз за тонкопленочными фотоэлементами. Дело в том, что себестоимость их производства существенно ниже, а особенности работы таковы, что разница в производительности не настолько велика, как кажется.

А кроме того, в условиях постоянного повышения цен на моно- и поликремний, некоторой ограниченности их оптических параметров и недостаточность захвата солнечного спектра вынуждают исследователей искать новые варианты. И наиболее надежными и эффективными зарекомендовали себя именно технологии тонких пленок. В настоящий момент разработано несколько разновидностей тонкопленочных (их еще называют «гибкими») батарей, выпускаемых на основе разных материалов.

Сегодня тонкопленочные солнечные батареи распространены гораздо меньше, чем их кристаллические аналоги. Связано это, прежде всего, с их более низким КПД и, как следствие, с большими габаритами. Однако многие специалисты утверждают, что, несмотря на эти факторы, будущее гелиоэнергетики – как раз за тонкопленочными фотоэлементами. Дело в том, что себестоимость их производства существенно ниже, а особенности работы таковы, что разница в производительности не настолько велика, как кажется.

А кроме того, в условиях постоянного повышения цен на моно- и поликремний, некоторой ограниченности их оптических параметров и недостаточность захвата солнечного спектра вынуждают исследователей искать новые варианты. И наиболее надежными и эффективными зарекомендовали себя именно технологии тонких пленок. В настоящий момент разработано несколько разновидностей тонкопленочных (их еще называют «гибкими») батарей, выпускаемых на основе разных материалов.

Чаще всего используют аморфный кремний, сульфид/теллурид кадмия, медно-галлиевые и медно-индиевые диселениды.

Главные отличия батарей на тонких пленках

Очевидно, что у тонкопленочных солнечных батарей множество отличий от объемных кристаллических вариантов. Прежде всего это – их весьма скромная толщина (менее 1 мкм) и гибкость, что позволяет использовать их на любых криволинейных поверхностях (в том числе и цилиндрических).

Однако у тонких фотоэлементов есть и масса других достоинств:

• Сохранение рабочих параметров при рассеянном свете, как следствие – повышение суммарной энерговыработки на 10-15% относительно кристаллических аналогов;
• Низкая себестоимость производства, а значит, и более низкая цена;
• Эффективная работа в высокомощных энергосистемах (свыше 10 кВт);
• Высокая эффективность в условиях жаркого климата;
• Более высокие показатели оптического поглощения солнечного спектра.

К некоторым недостаткам таких батарей можно отнести их более значительные габариты (при одинаковой мощности они занимают примерно в 2,5 раза больше места, чем кристаллические панели). Кроме того, для использования тонкопленочных батарей в электросистемах необходимы высоковольтные инверторы и контроллеры.

Где их применяют

Сфера применения гибких солнечных элементов весьма обширна. Их широко используют в регионах преобладания пасмурной погоды, в жарких странах и в мощных гелиостанциях. В последнее время все более востребованными становятся и тонкопленочные батареи, заключенные в стеклянные триплексы. Фотопленка помещается под закаленное стекло, отличающееся высокой прочностью, но при этом оптически прозрачное. Такие решения нашли свое применение в архитектуре, производстве светодиодных триплексов и автомобилестроении.

Немного о технологии

Тонкопленочная солнечная батарея образуется в результате напыления полупроводникового соединения на гибкую (обычно – полимерную) подложку. Изначально в качестве полупроводника применялся только аморфный кремний, но производительность полученных фотоэлементов была слишком низкой (всего 4-5%). Однако благодаря внедрению новых материалов (теллуриды, селениды), удалось добиться повышения КПД до 12%.

Самыми перспективными на сегодняшний день являются пленки на основе меди-галлия-индия селенида. Получают их при напылении галлия, индия и меди с последующей обработкой фотоэлемента в парах селена. Вещества распыляются либо одновременно, либо поочередно (в зависимости от особенностей технологического процесса). Затем батарея обрабатывается парами селена.

Главной проблемой при таком производстве является обеспечение равномерного и однородного состава на всей (достаточно значительной) площади фотоэлемента. Осаждение пленок диселенидов из паровой фазы осуществляется при помощи электронных пушек и вакуум-камер. Можно использовать и другие приемы, например, высоковакуумное напыление или ионное распыление, но этот подход сопряжен с другими проблемами. В частности, пленка оседает не только на подложке, но и на всей внутренней поверхности камеры. Еще один аспект – возможный недостаток поставок индия, который широко востребован в производстве плоскопанельных дисплеев.

КПД медно-индий-галлиевых батарей может достигать 20%. Но пока доля подобных элементов на рынке тонких солнечных пленок невелика (порядка 2%). Более распространены пленки на базе кадмия теллурида (порядка 18%, КПД до 16%). Очень востребованы и аморфно-кремниевые батареи, КПД которых удалось повысить до 10%.

Метод суспензии

Некоторые ведущие производители тонкопленочных батарей используют для нанесения диселенидов метод печати, основанный на применении суспензированных частиц оксидов данных металлов. При изменении параметров суспензии (вязкости, концентрации и т.д.) можно получить своеобразные «чернила», которые, в свою очередь, корректируются для конкретной технологии нанесения (от струйного осаждения до трафаретной печати).

Материал подложки при этом может быть различным, к примеру, используют стекло, металлизированную фольгу и даже пластик. Коэффициенты полезного применения материалов при таком методе достигают 90%, а технологическое оборудование (и само производство) гораздо дешевле, чем при вакуумировании. Кроме того, данный способ позволяет получить более однородный и равномерный состав напыления.

КПД полученных этим методом батарей составляет порядка 14%, что ниже, чем у вакуумно напыленных панелей (порядка 18%). Однако и производство их обходится гораздо дешевле. Купить такие тонкопленочные гелиоэлементы можно в специализированных магазинах, их стоимость вполне демократична.