Güneş panelleri için fotovoltaik hücre üretimi

Herhangi bir fotovoltaik kurulumun temeli her zaman bir fotovoltaik modüldür. Bir fotovoltaik modül, elektriksel olarak birbirine bağlı fotovoltaik hücrelerin bir kombinasyonudur. Fotovoltaik terimi, elektrik mühendisliğinde voltaj için bir ölçü birimi olan "fotoğraf" (Yunanca Işık'tan) ve "volt" (Alessandro Volta - 1745-1827, İtalyan fizikçi) kelimesinden oluşur. Fotovoltaik terimini inceleyerek şunu söyleyebiliriz - bu ışığı elektriğe dönüştürmek.

Güneş radyasyonunu dönüştürerek elektrik üretmek için bir fotovoltaik hücre (güneş pili) kullanılır. Bir fotosel, taşıyıcısı tükenmiş bir bölge oluşturulmuş n-tipi ve p-tipi yarı iletkenlerden oluşan bir diyot olarak düşünülebilir, bu nedenle aydınlatılmamış bir fotosel bir diyot gibidir ve bir diyot olarak tanımlanabilir.

Genişliği 1 ile 3 eV arasında olan yarı iletkenler için maksimum teorik verime %30'a ulaşılabilir. Bant aralığı, bir elektronu değerlik bandından iletim bandına kaldırabilen minimum foton enerjisidir. En yaygın ticari güneş pilleri çakmaktaşı elemanlar.

Silikon monokristaller ve polikristaller. Silikon, günümüzde fotovoltaik modüllerin üretimi için en yaygın unsurlardan biridir. Bununla birlikte, güneş radyasyonunun düşük absorpsiyonu nedeniyle, silikon kristal güneş pilleri genellikle 300 µm genişliğinde yapılır. Silikon monokristal fotoselin verimi %17'ye ulaşır.

Çok kristalli bir silikon fotosel alırsak, bunun verimliliği monokristal silikondan% 5 daha düşüktür. Bir polikristalin tane sınırı, yük taşıyıcılarının rekombinasyon merkezidir. Çok kristalli silisyum kristallerinin boyutu birkaç mm'den bir cm'ye kadar değişebilir.

Galyum arsenit (GaAs). Galyum arsenit güneş pilleri, laboratuvar koşullarında şimdiden %25'lik bir verimlilik göstermiştir. Optoelektronik için geliştirilen galyum arsenitin büyük miktarlarda üretilmesi zordur ve güneş pilleri için oldukça pahalıdır. Galyum arsenit güneş pilleri uygulanır güneş yoğunlaştırıcıları ile birlikte, hem de kozmonotik için.

İnce film fotosel teknolojisi. Silikon hücrelerin ana dezavantajı yüksek maliyetleridir. Amorf silikon (a-Si), kadmiyum tellür (CdTe) veya bakır-indiyum diselinid'den (CuInSe2) yapılan ince film hücreler mevcuttur. İnce film güneş pillerinin avantajı, silikon güneş pillerine kıyasla hammadde tasarrufu ve daha ucuz üretimdir. Bu nedenle ince film ürünlerin fotosellerde kullanım olasılıkları olduğunu söyleyebiliriz.

Dezavantajı, bazı malzemelerin oldukça zehirli olmasıdır, bu nedenle ürün güvenliği ve geri dönüşüm önemli bir rol oynar. Ek olarak tellür, silikona kıyasla tüketilen bir kaynaktır.İnce film fotosellerin verimliliği %11'e (CuInSe2) ulaşır.

1960'ların başlarında, güneş pilleri yaklaşık 1.000 $/W pik güce mal oluyordu ve çoğunlukla uzayda üretiliyordu. 1970'lerde fotosellerin seri üretimi başladı ve fiyatı 100$/W'a düştü.Daha fazla ilerleme ve fotosel fiyatlarının düşmesi, fotosellerin ev ihtiyaçları için kullanılmasını mümkün kıldı.Özellikle elektrik hatlarından ve elektrik hatlarından uzakta yaşayan nüfusun bir kısmı için. standart güç kaynakları, fotovoltaik modüller iyi bir alternatif haline geldi.

Fotoğraf, silikon bazlı ilk güneş pilini göstermektedir. 1956'da Amerikan şirketi Bell Laboratories'in bilim adamları ve mühendisleri tarafından oluşturuldu. Bir güneş pili, birbirine elektriksel olarak bağlı fotovoltaik modüllerin bir kombinasyonudur. Kombinasyon, akım ve gerilim gibi gerekli elektriksel parametrelere bağlı olarak seçilir. 1 watt'tan daha az elektrik üreten böyle bir güneş pilinin bir hücresinin maliyeti 250 dolardır. Üretilen elektrik, geleneksel şebekeden 100 kat daha pahalıydı.

Yaklaşık 20 yıldır güneş panelleri sadece uzay için kullanılıyor. 1977'de elektriğin maliyeti watt hücre başına 76 dolara düşürüldü. Verimlilik kademeli olarak arttı: 1990'ların ortalarında %15 ve 2000'de %20. Bu konuyla ilgili mevcut en alakalı veriler —Güneş pilleri ve modüllerinin verimliliği

Silikon güneş pillerinin üretimi kabaca üç ana aşamaya ayrılabilir:

• yüksek saflıkta silikon üretimi;

• ince silikon pullar yapmak;

• fotosel montajı.

Yüksek saflıkta silikon üretimi için ana hammadde kuvars kumudur (SiO2)2). Eriyik elektroliz ile elde edilir metalürjik silikon% 98'e kadar saflığa sahiptir. Silisyum geri kazanım süreci, kumun 1800°C gibi yüksek bir sıcaklıkta karbon ile etkileşime girmesiyle gerçekleşir:

Bu saflık derecesi fotosel üretimi için yeterli değildir, bu nedenle daha fazla işlenmesi gerekir. Yarı iletken endüstrisi için silisyumun daha fazla saflaştırılması, Siemens tarafından geliştirilen teknoloji kullanılarak neredeyse tüm dünyada gerçekleştirilir.

"Siemens Süreci" metalurjik silikonun hidroklorik asit ile reaksiyona sokularak triklorosilan (SiHCl3) ile sonuçlanan silikonun saflaştırılmasıdır:

Triklorosilan (SiHCl3) sıvı fazda olduğundan hidrojenden kolayca ayrılır. Ek olarak, triklorosilanın tekrar tekrar damıtılması, saflığını %10-10'a çıkarır.

Sonraki süreç - saflaştırılmış triklorosilanın pirolizi - yüksek saflıkta polikristalin silikon üretmek için kullanılır. Ortaya çıkan polikristal silisyum, yarı iletken endüstrisinde kullanım koşullarını tam olarak karşılamaz, ancak güneş fotovoltaik endüstrisi için malzeme kalitesi yeterlidir.

Polikristal silikon, monokristal silikon üretimi için bir hammaddedir. Monokristal silikon üretimi için iki yöntem kullanılır - Czochralski yöntemi ve bölge eritme yöntemi.

Czochralski'nin yöntemi enerji yoğun olduğu kadar malzeme yoğundur. Nispeten az miktarda çok kristalli silikon potaya yüklenir ve vakum altında eritilir.Küçük bir monosilikon tohumu eriyiğin yüzeyine düşer ve ardından bükülerek yükselir, yüzey gerilimi kuvveti nedeniyle silindirik külçeyi arkasına çeker.

Şu anda, çekilmiş külçelerin çapları 300 mm'ye kadar çıkıyor. 100-150 mm çapındaki külçelerin uzunluğu 75-100 cm'ye ulaşır Uzatılmış külçenin kristal yapısı, tohumun monokristal yapısını tekrarlar. Bir külçenin çapının ve uzunluğunun arttırılması ve kesim teknolojisinin iyileştirilmesi, atık miktarını azaltacak ve böylece ortaya çıkan fotosellerin maliyetini azaltacaktır.

Kemer teknolojisi. Mobil Solar Energy Corporation tarafından geliştirilen teknolojik süreç, eriyikten silikon şeritlerin çekilmesi ve üzerlerinde güneş pillerinin oluşturulmasına dayanmaktadır. Matris kısmen silikon eriyiğine daldırılır ve kılcal etki nedeniyle polikristalin silikon yükselir ve bir şerit oluşturur Eriyik kristalleşir ve matristen çıkarılır. Üretkenliği artırmak için, aynı anda dokuz adede kadar kayışın alınabileceği ekipman tasarlanmıştır. Sonuç, dokuz kenarlı bir prizmadır.

Kayışların avantajı, külçe kesme işlemi hariç tutulduğu için düşük maliyetli olmalarıdır. Ayrıca dikdörtgen fotovoltaik hücreler kolayca elde edilebilirken, monokristal plakaların yuvarlak şekli fotovoltaik hücrenin fotovoltaik modüle iyi yerleştirilmesine katkıda bulunmaz.

Ortaya çıkan çok kristalli veya tek kristalli silikon çubuklar daha sonra 0,2-0,4 mm kalınlığında ince gofretler halinde kesilmelidir. Bir monokristal silikon çubuğu keserken, malzemenin yaklaşık %50'si kayıplara uğrar.Ayrıca yuvarlak rondelalar her zaman olmasa da çoğu zaman kare şeklinde kesilir.