В начале был кремний: производство солнечных батарей

Современная энергетика переживает эпоху «зеленого» ренессанса. И это не удивительно, поскольку климатические изменения и нарастающий дефицит природных ресурсов, заставил мировую общественность изменить курс в сторону альтернативной энергетики. Таким образом, увеличение добычи энергии из возобновляемых источников, стало приоритетом в стратегическом развитии многих стран. Известно, что среди всех, солнечная энергетика занимает первое место. Ведь солнечные электростанции (СЭС) более практичны в использовании и имеют отличный КПД. В свою очередь, модернизированное производство солнечных батарей также повлияло на популяризацию технологии. За последние 10 лет фотоэлектрические модули значительно снизились в цене и повысили свою производительность. Поэтому, давайте более подробно рассмотрим весь процесс производства.

В начале был кремний

Если инвертор для частного дома является сердцем электрификации, то кремний — сердце электрогенерации СЭС. Потому что служит основополагающим элементом, который формирует фотоэлектрический модуль. Кремний не дефицитный материал. Он занимает второе место по распространению на Земле после кислорода. Однако в природных условиях его редко встретишь в чистом виде, поэтому кремний добывают в соединении с кислородом — кремнегезом (SIO2) и другими примесями. Широкое применение кремния в альтернативной энергетике, обусловлено тем, что материал обладает высокой реактивностью. А это, по сути, наделяет его свойствами отличного полупроводника.   

Чистота кремния определяет производительность будущих солнечных модулей. Чем чище элемент, тем выше КПД панелей. Оттого, производство солнечных батарей имеет несколько способов. В зависимости от выбранной технологии изготовления, будет определен тип будущей панели: монокристаллическая или поликристаллическая.

Выращивание кристаллов

Технология производства монокристаллов и поликристаллов разная, поэтому будем их рассматривать поочередно.

Изготовление монокристаллов

Монокристаллы кремния являются основным элементом, формирующим монокристаллический тип панелей. Чтобы получить необходимый кристалл, используют кварцевый песок с высоким содержанием кремния, который проходит многоэтапную очистку от кислорода. Для этого применяют метод высокоточного плавления и синтеза с добавлением химических веществ. После очистки, кремний имеет неоднородную структуру. Чтобы ее упорядочить, кристаллы выращивают по методу Чохральского. Данный процесс происходит следующим образом: куски кремния помещаются в тигель, где они плавятся при t 1500 С. Далее в расплав помещают затравку - шаблон будущей формы кристалла. После чего, атомы выстраиваются в определенную структуру и формируют на затравке слой за слоем. Этот процесс занимает достаточно длительное время, но результат стоит ожиданий. Ведь в итоге получается большой однородный кристалл.

Изготовление поликристаллов

Чтобы очистить кремний и сформировать поликристалл, более 75% производителей используют Сименс-процесс. Метод, при котором свободный кремний добывают путем взаимодействия парогазовой смеси из водорода и силана с поверхностью кремниевых слитков, разогретой до 650-1300°C. По итогу, атомы освободившего кремния формируют кристаллы древовидной формы. 

Отметим, что технология производства поликристаллов дешевле, чем у монокристаллов. Поэтому, солнечная электростанция 1кВт, из поликристаллических панелей обойдется дешевле.

Обработка

Вот теперь начинается непосредственное производство солнечных панелей. После выращивания, сформированные кристаллы отправляют на обработку. На этом этапе им придают необходимую форму и режут на пластины толщиной 250-300 мкм. После чего, получившиеся кристаллические пластины тестируют на брак и уровень производительности.

Фотоэлектрический элемент

Этап, на котором в кремний добавляют бор и фосфор, чтобы он мог производить энергию. Слой фосфора образует свободные электроны (p), а бор — их отсутствие (n) (дырки). Это даст возможность появлению между ними p-n-перехода. Проще говоря, при попадании ультрафиолетовых лучей на ячейку, из атомов решетки будут выбиваться атомы и дырки, попадая в зону электрического поля, они разбегутся в сторону своего разряда. При подсоединении внешнего проводника, электроны будут стараться компенсировать дырки на другой части пластинки, что спровоцирует появление напряжения и тока. Поэтому, на пластинах с обеих сторон припаиваются проводники. 

Сборка батареи

Готовые пластины соединяются в цепочки из которых потом формируют блоки. Чтобы достичь необходимых электрических параметров солнечной батареи, все ее элементы соединяются и объединяются очень последовательно. После чего, ячейки покрывают защитной пленкой, переносят на стекло и фиксируют в прямоугольной рамке. В итоге, готовую солнечную панель тестируют — измеряют вольтаж и амперные характеристики. 

Мир меняется и активно применяет более щадящие методы для обеспечения своего существования. И солнечная энергетика,  как раз стала одним из основных инструментов, обеспечивающих нашу устойчивость во внешней среде. Поэтому, в наше время мало кого удивит установка солнечных батарей. Украина, в свою очередь, поддерживает мировые тенденции и с каждым годом наращивает количество СЭС. Радует то, что несмотря на относительно высокую стоимость, для множества украинцев (и не только) более предпочтительна солнечная, а не передвижная электростанция. Это объясняется тем, что солнечная энергетика оптимальнее обеспечивает автономность жилья и более экологична. Учитывая ее преимущества, технология производства фотоэлектрических модулей с каждым годом совершенствуется и их стоимость снижается, что делает энергию солнца еще более доступной.