Napelemek
A hatékony terheléshez optimalizált fénydióda egy napelem. Fényelektromos üzemmódban működik, mivel a terhelési ellenállás által előidézett feszültség előrenyomul.
A monokristályos napelemeket a félvezető eszközök előállításához hasonló eljárással állítják elő. Ez magában foglalja a nagy tisztaságú (P-típusú) olvadt szilícium egykristályos öntvény előállítását, bár nem olyan tiszta, mint a félvezető eszközök esetében. A gerendát egy gyémánt fűrész fűrészelte a lemezeken. Mivel a modern napelemek szinte négyzetesek, a felesleges szilíciumot eltávolítják a lerakott tér kialakításának folyamata során. A napelemeket úgy lehet bevágni, hogy textúrafelületet (érdességet) biztosítsanak a fény felszívódásának javítása érdekében. A 10 vagy 15 cm-es négyzetlapok előállítása során jelentős mennyiségű szilícium elveszik, jelenleg a félvezetőgyártók általában a lemezeket vásárolják.
A P-típusú lemezeket olvadt szilícium-dioxidos fürdőkben "back-to-back" módon merítették, és csak a külsõ oldalt a diffúziós kemencében N-típusú szennyezõdéssel doppingolták ki. A diffúziós folyamat vékony N típusú réteget képez a napelemek felső felületén. A diffúzió zárja a napelemek felső és alsó felületének arcát is. A napelem bezárásának eltávolítása érdekében az arcokat plazmavágással kell eltávolítani. Az ezüst és / vagy alumínium paszta a napelemek hátoldalára kerül, az ezüstháló pedig az elülső oldalon van. Ezután a kemencébe zsugorították a jó elektromos érintkezést (az alábbi ábra).
A cellákat sorba kötik fémcsíkkal. 12 V-os napelemes töltőkhöz 36 cellát (kb. 0,5 V mindegyiket) vákuum lamináltak az üveg és a polimer bevonattal ellátott fém között. Az üveg textúrájú felülettel rendelkezhet, amely segíti a fény elnyelését.
Az ipari egykristályos szilícium napelemek maximális hatékonysággal (21,5%) rendelkeznek az összes érintkezővel a cella hátsó falán. A cella aktív felületét növeli a felső (-) érintkező érintkezővezetői mozgatása a cella hátuljához. A felső (-) érintkezőket általában N-típusú szilíciumról készítik a cellának felső részén. Az alábbi ábrán (-) az érintkezők N + diffúzióval készülnek az alján, váltakozva (+) érintkezőkkel. A felső felület textúrázott a fény belsejében lévő fény abszorpciójának elősegítésére.
A sokkristályos szilikon elemek megolvadt szilícium formában kezdődnek, négyszög alakúak. Ahogy az öv hűl, sok nagy (mm-től cm-ig terjedő) véletlenszerűen orientált kristályokká kristályosodik, egyetlen kristály helyett. A folyamat többi része ugyanaz, mint az egykristályos napelemek esetében. A kész cellákon a vonalak láthatók, mintha a cellák megtörtek volna. Hatékonyságuk nem olyan magas, mint az egykristályos elemeké, a kristályhatárok veszteségei miatt. A kristályok véletlenszerű tájolásának köszönhetően a napelemek felületét nem lehet érdesíteni. Az antireflection bevonat azonban növeli hatékonyságukat. Ezek a napelemek mindenütt versenyképesek, kivéve az űralkalmazásokat.
Háromrétegű napelem: a leghatékonyabban működő napelem egy három elemből álló verem, amely a napspektrum különböző részeit elnyeli. Bár a három elem egymásra helyezhető, de a 20 félvezető réteg monolitikus egykristályos szerkezete kompaktabb. 32% -os hatékonysággal a szilícium most előnyben részesül a külső térben való használatra. A magas költségek nem teszik lehetővé a Földön számos alkalmazást, kivéve a lencse vagy a tükrön alapuló koncentrátorokat.
Az intenzív kutatások nemrégiben kiadtak egy verziót a földkoncentrátorok számára, 400-1000 napra és 40,7% hatékonyságra. Ehhez egy nagy, olcsó Fresnel lencse vagy reflektor, valamint egy drága félvezető kis felülete szükséges. Ez a kombináció versenyképesnek tekinthető a napenergiával működő olcsó szilikon napelemekkel.
A szerves kémiai gőz lerakódás (MOCVD, fém szerves kémiai gőzölés) a P-típusú germánium felületén lerakódik. Az 1.85 eV tiltott sávú gallium-indium-foszfid (GaInP) N és P típusú felső rétegek ultraibolya és látható fényt szívnak fel. Ezeknek a hullámhosszoknak elegendő energiája van a tiltott sáv átmenet számára. Hosszabb hullámok (alacsonyabb energia) nincs elegendő energia ahhoz, hogy elektron-lyuk párokat hozzanak létre és továbblépjenek a következő rétegbe. A gallium-arzén-rétegek, amelyeknek 1,42 eV sávfelületük van, közel infravörös fényt szívnak fel. Végül a germánium réteg és a szubsztrátum elnyeli a távoli infravörös fényt. Három elemből álló sorozatot hoz létre, amely a három elem feszültségének összege. Az egyes anyagok által előállított feszültség 0,4 V kisebb, mint az alábbi táblázatban látható sávszél energiája. Például GaInP esetén: 1,8 eV / e - 0,4 V = 1,4 V. Mindhárom elem esetén a feszültség 1,4 V + 1,4 V + 0,3 V = 2,7 V.
Nagyon hatékony háromrétegű napelem
A kristályos napelemek hosszú élettartamúak. Sok tömböt 25 évig garantálnak, és 40 évig használhatók. Nem szenvednek kezdeti lebomlással az amorf szilíciumhoz képest.
Mind a monokristályos, mind a többkristályos napelemek szilícium ostyákon alapulnak. A szilícium egyaránt szubsztrát és aktív réteg. Következésképpen sok szilíciumot fogyasztanak. Az ilyen típusú napelemek több évtizede léteznek és a napenergia piacának mintegy 86% -át foglalják el.
Az amorf szilíciumból készült vékonyrétegű napelemek nagyon kis mennyiségű aktív nyersanyagot, szilíciumot használnak. A hagyományos kristályos napelemek költségének körülbelül a fele a szilícium költsége. A vékony film lerakódási folyamata csökkenti ezt a költséget. A hátrány az, hogy a hatékonyság a hagyományos kristályos napelemek hatékonyságának fele. Ezenkívül a hatásfok 15-35% -kal csökken, ha napfénynek van kitéve. A 7% -os hatékonyság hamarosan 5% -ra csökken. Az amorf szilícium vékony film elemei jobban működnek, mint a kristályos elemek homályos megvilágításban. Jól használják a napenergia számológépeken.
Nekremniaevye napelemek a piac mintegy 7% -át teszik ki. Ezek a vékonyfilm-polikristályos napelemek. A kutatás tárgya különböző összetett félvezetők. Néhány nem szilícium elem gyártás alatt áll. Rendszerint a hatékonysága jobb, mint az amorf szilíciumé, de nem olyan jó, mint a kristályos szilíciumé.
A kadmium-tellurid egy fém vagy üveg polikristályos vékonyrétegeként nagyobb hatékonyságú lehet, mint egy amorf szilícium vékonyréteg. Fémre történő felvitel esetén ez a réteg negatív érintkezés egy vékony, kadmium-tellurid filmmel. Átlátható P-típusú kadmium-szulfid a kadmium-tellurid felett szolgál pufferrétegként. A pozitív felső kontaktus átlátszó, elektromosan vezető fluorozott ón-oxid. Ezeket a rétegeket az üveg helyett helyettesítheti fólia előállítása során. Ezt a fóliát eltávolítjuk, miután a cella egy állandó szubsztrátumra van felszerelve.
Az üvegen lévő kadmium-tellurid lerakódása egy átlátszó, elektromosan vezető N-típusú ón-oxid lerakódásával kezdődik. A következő réteg P-típusú kadmium-tellurid; bár mind az N típusú, mind az intrinsic félvezető használható. Ez a két réteg alkotja a PN csomópontot. A P + réteg (erősen adalékolt P-típusú) ólom-tellurid segít megalapozni az alacsony ellenállású érintkezést. A fém érintkező biztosítja a végső érintkezést ólom-telluriddal. Ezeket a rétegeket vákuum lerakódás, kémiai gőzölés (CVD), szitanyomás, elektródepozíció vagy kémiai lerakódás légköri nyomáson (APCVD) lehet hegeszteni.
A kadmium-tellurid változása a kadmium-higany-tellurid. Az alacsonyabb fajlagos ellenállás és az alacsonyabb érintkezési ellenállás birtoklása növeli a kadmium-telluridhoz viszonyított hatékonyságot.
A kadmium-indium-gallium-diselenid (CIGS) alapú napelem
Kadmium-indium-gallium-diselenid. A legígéretesebb vékonyfilmes napelemeket jelenleg egy tíz hüvelykes széles rugalmas poliimid-kadmium-indium-gallium-diselenid (CIGS, Cadmium Indium Gallium diSelenide) tekercsen készítik el. A hatékonyság 10%. Annak ellenére, hogy az ipari osztály kristályos szilícium elemei meghaladták ezt az értéket évtizedekkel ezelőtt, a CIGS-nek versenyképesnek kell lennie. A lerakódási folyamatok elég alacsony hőmérsékleten mennek végbe, hogy a polimid polimert fém vagy üveg helyett szubsztrátumként használják (lásd a fenti ábrát). A CIGS egy tekercs formájában készül, amely csökkenti a költségeket. A CIGS alapú elemek rendkívül olcsó elektrokémiai folyamat eredményeként is beszerezhetők.
Összegezzük az eredményeket
- A legtöbb napelem egykristály vagy szilikon sokrétege, ami jó hatásfoka és mérsékelt költsége miatt következik be.
- Kevésbé hatékony vékonyfilm, különböző amorf vagy polikristályos anyagok foglalják el a piac többi részét.
- Az alábbi táblázat összehasonlítja a kiválasztott napelemeket
A napelemek tulajdonságai
A napelemek típusa