Среди альтернативных источников энергии для частного использования одним из наиболее перспективных вариантов признаны солнечные панели. Это обусловлено разнообразием предложений на рынке, практичностью, простотой построения автономных систем электроснабжения для частных и даже многоквартирных домов.
При построении собственных гелиостанций многие пользователи выбирают гибкие солнечные панели – весьма перспективное решение, которое уже на текущий момент отличается эффективностью, удобством и экономичностью.
Гибкие солнечные батареи и жесткие конструкции – разница в технологиях и характеристиках
В сфере солнечных панелей наметилась жесткая конкуренция между:
- С одной стороны – традиционными поликристаллическими и монокристаллическими батареями в исполнении на жесткой раме;
- С другой – гибкими панелями на базе аморфного кремния, полиморфными и полимерными солнечными элементами.
У каждой из групп есть собственные достоинства и недостатки.
Жесткие моно- и поликристаллические кремниевые батареи с 30% и 53% рынка соответственно, пока, безусловно, лидируют. Для такого положения дел есть веские основания:
Плюсы
- Технологии создания моно- и поликристаллических панелей в принципе очень хорошо отработаны.
- Многие производители выпускают действительно достаточно солидные объемы одиночных элементов, а также и готовых панелей, которые способны полноценно удовлетворить множество запросов предприятий-сборщиков, кроме того удовлетворить львиную долю потребностей конечного пользователя.
- Эти модули остаются лидерами по эффективности преобразования среди изделий массового производства. Речь идет, прежде всего, о монокристаллических панелях с КПД серийных образцов на уровне 24% и некоторых поликристаллических, достигающих 18%-ной эффективности.
- Используемые технологии сборки и защиты панелей гарантируют их высокую надежность, устойчивость к различным атмосферным воздействиям и длительный срок службы.
Именно по этой причине спрос на моно-/поликристаллические солнечные батареи продолжает расти, заинтересованность в них частных покупателей уже практически достигла уровня покупок предприятиями.
Взрывной рост этого спроса сдерживают несколько факторов:
Минусы
- Высокая стоимость сырья (чистого кремния) и, соответственно, конечной продукции.
- Медленный рост эффективности.
- Некоторые специфические свойства солнечных элементов, например, ускоренная деградация при воздействии температур. Последний фактор имеет важное значение, поскольку максимальный прогрев панелей приходится на моменты максимума солнечного излучения.
Свои особенности есть и у каждой из разновидностей гибких панелей.
Виды и свойства гибких солнечных панелей
Сегодня разрабатываются и выпускаются несколько принципиально разных видов гибких солнечных батарей. Они отличаются используемыми материалами и технологиями, что, в свою очередь определяет как характеристики, так и особенности монтажа и эксплуатации.
Аморфные панели (элементы из аморфного кремния)
Аморфные гибкие солнечные панели создаются на базе элементов из аморфного кремния (a-Si). Такое название получил гидрид кремния, образующийся в результате распада силана или кремневодорода (SiH4) под воздействием электрического разряда.
Соединение превосходит кристаллический кремний по коэффициенту поглощения – для полного поглощения солнечного излучения достаточно слоя толщиной 0.5-1 мкм по сравнению со 100-300 мкм для кремниевых кристаллов.
Кроме того, достаточно низкая температура осаждения (порядка 150оС) позволяет формировать пленки необходимой для фотовольтатики толщины не только на металлической или стеклянной, но и на полимерной основе, причем сделать этот процесс непрерывным.
Еще одно достоинство технологии – дешевизна сырья, поскольку для получения кремневодорода не требуется высокая степень очистки кремния. Это позволяет использовать в производстве отходы предприятий металлургической отрасли, поступающие на утилизацию кремниевые солнечные батареи и другие дешевые источники.
В результате аморфные солнечные панели считаются одним из наиболее перспективных на ближайшие годы направлений развития гелиоэнергетики. Прогнозируется, что к 2023-2025 гг. эти модули на основе аморфных элементов станут лидерами рынка, значительно потеснив и поли- и монокристаллические изделия.
Из серьезных недостатков технологии следует выделить:
- Ускоренную деградацию пленок под воздействием ультрафиолета и высокой температуры, что снижает срок службы панелей до 3-5 лет. Бороться с ним можно применением защищающих от УФИ ламинирующих пленок и применение в конструкции эффективных теплоотводов.
- Относительно низкий по сравнению с кристаллическим кремнием коэффициент конверсии, что снижает КПД батареи в целом и требует значительного увеличения площади панелей для обеспечения необходимой потребителям мощности генерации. В настоящий момент единственный путь повышения эффективности – совершенствование технологий.
Поколения аморфных солнечных панелей
Сегодня на рынке можно найти устройства уже трех поколений аморфных солнечных модулей.
- 1 поколение создавалось сразу после разработки технологий. Панели характеризовались невысоким коэффициентом преобразования менее 5% и сроком службы порядка 3-5 лет.
- 2 поколение представлено максимально широко (более 70% продаваемых аморфных панелей относятся именно к нему). Их КПД вырос до 8-9%, а срок эксплуатации продлен до 10 лет.
- 3 поколение – наиболее совершенные аморфные батареи. Значительные средства, инвестированные в разработку, позволили получить панели со сроком службы свыше 15 лет и коэффициентом конверсии на уровне 12%, что всего на 20-30% уступает серийным образцам поликристаллических батарей.
Коммерческое производство гелиопанелей третьего поколения пока только началось, поэтому цены на них еще существенно превышают стоимость модулей второго. Однако выпуск их налажен у большинства именитых мировых производителей, предлагают их и российские компании, что позволит насытить рынок достаточно быстро.
Микроморфные (полиморфные) панели
Одним из направлений развития технологий аморфных солнечных панелей стало производство полиморфных (другое название – микроморфных) модулей.
В таких изделиях фотовольтатическая пленка представляет собой многослойный пирог a-Si с особыми свойствами каждого из слоев. Так, например, предлагаемые компанией Solar Electro панели используют основной слой наноструктурированного аморфного кремния и дополнительный слой, выращенный по обычной технологии. Это позволило:
- уменьшить общую толщину пленки;
- обеспечить повышение эффективности преобразования в инфракрасной части спектра без потери коэффициента поглощения в видимой части;
- снизить на 20-25% скорость деградации.
Добиться этого удалось без значительного усложнения технологий осаждения и использовании в качестве сырья все того же кремневодорда (силана). В результате потребители получают возможность приобрести панели:
- с подтвержденной эффективностью на уровне 9.6%;
- с потерей мощности не более 10% после 10 лет эксплуатации и не более 20% при 25-летнем сроке;
- с устойчивой генерацией с отклонением в пределах 10% от номинальной мощности в диапазоне температур от -10 до +85оС.
Достоинства и недостатки аморфных гибких панелей
Электрофизические свойства полупроводниковой пленки из аморфного кремния и технология производства определили достоинства гибких аморфных солнечных батарей:
Плюсы
- Высокий коэффициент поглощения видимого солнечного излучения (превосходит показатель кристаллического кремния не менее чем в 20 раз). В результате батареи обладают высокой стабильностью при работе в рассеянном свете.
- Способность работать с минимальным снижением мощности при значительном прогреве (у кремниевых элементов потеря мощности может достигать 20%).
- Уменьшенная скорость деградации при прогреве - аморфные панели третьего поколения и микроморфные модули теряют не более 10% мощности в течение 10 лет эксплуатации.
В целом, гибкие аморфные панели, особенно последнего поколения, оказываются значительно выгоднее кристаллических модулей. При прочих равных следует отдать предпочтение именно им, особенно в Средней полосе России и более северных регионах.
Арсенид-галлиевые гибкие солнечные батареи
Арсенид галлия (GaAs) фактически является идеальным полупроводником для фотовольтатики. В результате гелиоэлементы на его основе демонстрируют самый высокий из достигнутых на настоящий момент КПД преобразования – до 44% (порядка 30% у серийно выпускаемых), что значительно превышает показатели лучших кремниевых образцов. На его основе выпускают солнечные модули для нужд космоса и мощных концентраторных электростанций.
Для стабильного фотоэффекта при максимальном поглощении солнечного излучения достаточно пленки полупроводника порядка 2-3 микрон, что позволяет создавать модули на гибкой основе, например, алюминиевой фольге. Перенести и закрепить такую конструкцию на полимерной пленке труда не составляет.
Еще одно достоинство использования GaAs – возможность создания многослойных пленок из нескольких материалов, что позволяет повысить эффективность использования невидимых частей спектра.
Плюсы
- Простота корректировки электрофизических (например, ширины запрещенной зоны) и оптических свойств материала внесением примесей.
- Слабая зависимость конверсии излучения от температуры (мощность генерации практически не изменяется даже при нагреве до 150-180оС) и других негативных факторов, например, воздействия жесткого излучения.
В настоящее время производители предпринимают целый ряд мер, направленных, прежде всего, на удешевление конечной продукции.
- Уменьшение толщины полупроводниковой пленки. Так, еще в 2012 г. Solar Devices достигла при толщине пленки в 1 мкм эффективности преобразования в 27.6% (подтверждено американской Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии).
- Создание многослойных структур. На сегодня наиболее перспективным выглядит использование пленки со слоями германия, арсенида галлия и фосфида галлия-индия (толщина каждого слоя менее 1 мкм).
Однако в настоящее время ни один производитель не выпускает гибкие арсенид-галлиевые панели в промышленных объемах, а регулярно представляемые образцы коммерческого значения не имеют.
Тонкопленочные элементы на основе теллурида кадмия
Разработка солнечных элементов на базе теллурида кадмия (CdTe) стартовала 1970е годы прошлого столетия. Их планировалось использовать в космической отрасли. Побочным продуктом широкого потребления стали малогабаритные солнечные источники для калькуляторов.
Основу структуры полупроводника составляют тонкие (суммарная толщина 2-8 мкм) пленки CdTe-CdS. Однопереходной полупроводник с шириной запрещенной зоны 1.46эВ дает теоретически возможный КПД преобразования порядка 29%. В настоящее время реальная эффективность серийно выпускаемых фотоэлектрических элементов составляет 15-17%.
Хотя действующая технология предполагает напыление пленок материалов на стекло, мировой лидер в производстве батарей на теллуриде кадмия, американская компания FirstSolar сообщает об успешной разработке гибких элементов на полимерной основе. Это стадо возможным благодаря микронной толщине пленок и относительно невысокой (не превышает 200 градусов) температуре осаждения материалов. Аналогичными исследованиями занимаются и в России, в частности в Воронежском техническом университете (первые работы опубликованы еще в 2009 г.).
Плюсы
- Высокая устойчивость к негативным воздействиям, в частности, жесткому излучению.
- Температурная стабильность генерации.
- Значительно меньшая, по сравнению с кремниевыми элементами скорость деградации.
Вследствие этого чуть ли не единственным производителем солнечных батарей на основе теллурида кадмия стала упомянутая выше FirstSolar. Тем не менее, ей принадлежит порядка 5% солнечных элементов. К сожалению, в силу известных причин российским покупателям эта продукция пока недоступна, но приобрести батареи FirstSolar совершенно легально можно на рынках стран ближнего зарубежья, например, в Украине и Казахстане.
Что касается стоимости таких панелей, при сравнимой с поликристаллическими кремниевыми эффективности, они дают практически аналогичную цену генерации – порядка 0.7 доллара за 1 Вт.
Солнечные элементы CIGS
Перспективной альтернативой панелям на аморфном кремнии стали элементы изготовленные на основе селенида меди-галлия- индия Cu(InGa)Se2. Материал обладает самым высоким коэффициентом поглощения из используемых в фотовольтатике полупроводников, что позволяет выращивать пленки толщиной всего в сотни нанометров, обеспечивая высокую эффективность преобразования.
Сегодня в списке компаний, выпускающих солнечные элементы CIGS более 10 производителей, использующих различные технологии:
- Напыление слоев металлов с последующей обработкой селеном или гидридом селена при высокой температуре. Подтвержденная эффективность преобразования при таком методе составляет 17.6%.
- Электроосаждение с селенизацией. Удалось подтвердить КПД 13.6%.
- Печать пленок из металлов или их оксидов с последующими восстановлением и селенизацией. Подтвержден КПД 14%.
- Химическое осаждение.
- Электрораспыление.
- Склеивание тонких пленок металлов и пр.
В результате максимальная подтвержденная эффективность модулей превышает 27%, а затраты на их производство оказываются ниже, чем у кремниевых аналогов на 20-40%.
При этом для CIGS-полупроводников также характерны:
- Высокая температурная стабильность;
- Широкий охват спектра излучения.
- Низкая скорость деградации.
Единственным препятствием для производства гибких модулей на их основе является высокая температура селенизации (порядка 400-500оС), но и она успешно решается с использованием термостойких (с термоустойчивостью свыше 450 градусов) полимеров, массовое производство которых в мире уже реализовано. Кроме того, некоторые из упомянутых технологий позволят отказаться от высокотемпратурных стадий процесса, что позволяет наладить выпуск дешевых гибких модулей.
Наиболее известным производителем CIGS панелей, продукция которого доступна в России, является японская Solar Frontier Kabushiki Kaisha, однако в ее ассортименте пока нет гибких батарей. Такие элементы предлагают другие компании, однако по цене они обойдутся дороже продукции японского производителя – на уровне сравнимом с ценой поликристаллических кремниевых аналогов,
Органические (полимерные) гибкие солнечные элементы
Полимерные гибкие солнечные панели создаются на основе тонких (менее 100 нм) пленок из фуллеренов, образующих т.н. «полимерный полупроводник». В результате стало возможным производство сверхтонких и сверхдешевых солнечных модулей, удельная стоимость генерации по прогнозам к 2023-2025 г составит порядка 0.16-0.2 доллара на 1 Вт.
Плюсы
- Экологичность, отсутствие необходимости создавать специальные предприятия для утилизации.
- Высокая скорость производства.
- Возможность его развертывания в любых масштабах, вплоть до печати элементов необходимого размера и конфигурации на 3D-принтерах.
- Удобство монтажа, в том числе в труднодоступных местах и на поверхностях сложной формы.
- Получение прозрачных в оптическом диапазоне панелей или модулей определенного цвета и т.д.
Сегодня российские покупатели могут приобрести полимерные солнечные модули только онлайн на мировых торговых площадках (например, на AliExpress). В Европе серийно производит их компания Mekoprint A/S, изделия китайских производителей пока остаются «темной лошадкой» с непроверенными характеристиками.
Таким образом, желающие создать собственную солнечную электростанцию из гибких панелей должны уяснить несколько фактов:
- Наиболее реальный вариант – аморфные или полиморфные кремниевые панели. В ближайшей перспективе (в течение 2-3 лет) интерес будут представлять полимерные модули.
- Площадь необходима для обеспечения потребителей гибкими батареями больше, чем при использовании кристаллических кремниевых.
- При этом выгода по стоимости генерации сохраняется и составляет до 50% от цены за 1 Вт в монокристаллах кремния, и до 25% – в поликристаллах.
- Эффективность гибких аморфных панелей в рассеянном свете выше, чем жестких кремниевых батарей, поэтому их выгоднее применять в Средней полосе и в северных регионах.