Productie van fotovoltaïsche cellen voor zonnepanelen

De basis van elke fotovoltaïsche installatie is altijd een fotovoltaïsche module. Een fotovoltaïsche module is een combinatie van fotovoltaïsche cellen die elektrisch met elkaar zijn verbonden. De term fotovoltaïsch bestaat uit twee woorden «foto» (uit het Grieks. Licht) en «volt» (Alessandro Volta - 1745-1827, Italiaanse natuurkundige) - een meeteenheid voor spanning in de elektrotechniek. Als we de term fotovoltaïsch analyseren, kunnen we zeggen: dat is het licht omzetten in elektriciteit.

Een fotovoltaïsche cel (zonnecel) wordt gebruikt om elektriciteit op te wekken door zonnestraling om te zetten. Een fotocel kan worden gezien als een diode die bestaat uit n-type en p-type halfgeleiders met een gevormd gebied met verarmde draaggolf, dus een onverlichte fotocel is als een diode en kan worden omschreven als een diode.

Voor halfgeleiders met een breedte tussen 1 en 3 eV kan het maximale theoretische rendement worden bereikt tot 30%. De bandafstand is de minimale fotonenergie die een elektron van de valentieband naar de geleidingsband kan tillen. De meest voorkomende commerciële zonnecellen zijn vuurstenen elementen.

Silicium eenkristallen en polykristallen. Silicium is tegenwoordig een van de meest voorkomende elementen voor de productie van fotovoltaïsche modules. Vanwege de lage absorptie van zonnestraling worden zonnecellen van siliciumkristal echter meestal 300 µm breed gemaakt. De efficiëntie van de silicium monokristallijne fotocel bereikt 17%.

Als we een fotocel van polykristallijn silicium nemen, dan is het rendement daarvoor 5% lager dan dat van monokristallijn silicium. De korrelgrens van een polykristal is het recombinatiecentrum van ladingsdragers. De grootte van polykristallijne siliciumkristallen kan variëren van enkele mm tot een cm.

Galliumarsenide (GaAs). Galliumarsenide-zonnecellen hebben onder laboratoriumomstandigheden al een efficiëntie van 25% aangetoond. Galliumarsenide, ontwikkeld voor opto-elektronica, is moeilijk in grote hoeveelheden te produceren en vrij duur voor zonnecellen. Galliumarsenide zonnecellen worden toegepast samen met zonneconcentratoren, evenals voor ruimtevaart.

Dunne-film fotoceltechnologie. Het grootste nadeel van siliciumcellen zijn hun hoge kosten. Er zijn dunnefilmcellen van amorf silicium (a-Si), cadmiumtelluride (CdTe) of koper-indiumdiselinide (CuInSe2) beschikbaar. Het voordeel van dunne film zonnecellen is de besparing van grondstoffen en goedkopere productie in vergelijking met silicium zonnecellen. Daarom kunnen we zeggen dat dunne-filmproducten vooruitzichten hebben voor gebruik in fotocellen.

De keerzijde is dat sommige materialen behoorlijk giftig zijn, dus productveiligheid en recycling spelen een belangrijke rol. Bovendien is telluride een uitputtende hulpbron in vergelijking met silicium.De efficiëntie van dunne-film fotocellen bereikt 11% (CuInSe2).

Begin jaren zestig kostten zonnecellen ongeveer $ 1.000/W piekvermogen en werden ze meestal in de ruimte geproduceerd. In de jaren 70 begon de massaproductie van fotocellen en daalde hun prijs tot $ 100/W. Verdere vooruitgang en een verlaging van de prijs van fotocellen maakten het mogelijk om fotocellen te gebruiken voor huishoudelijke behoeften, vooral voor een deel van de bevolking dat ver van hoogspanningslijnen en standaard voedingen zijn fotovoltaïsche modules een goed alternatief geworden.

De foto toont de eerste op silicium gebaseerde zonnecel. Het is gemaakt door wetenschappers en ingenieurs van het Amerikaanse bedrijf Bell Laboratories in 1956. Een zonnecel is een combinatie van fotovoltaïsche modules die elektrisch met elkaar zijn verbonden. De combinatie wordt geselecteerd afhankelijk van de vereiste elektrische parameters zoals stroom en spanning. Een cel van zo'n zonnebatterij, die minder dan 1 watt elektriciteit produceert, kost $ 250. De geproduceerde elektriciteit was 100 keer duurder dan uit het conventionele net.

Al bijna 20 jaar worden zonnepanelen alleen gebruikt voor ruimte. In 1977 werden de elektriciteitskosten verlaagd tot $ 76 per wattcel. De efficiëntie nam geleidelijk toe: 15% in het midden van de jaren negentig en 20% in 2000. De huidige meest relevante gegevens over dit onderwerp —Efficiëntie van zonnecellen en -modules

De productie van siliciumzonnecellen kan grofweg in drie hoofdfasen worden verdeeld:

• productie van zeer zuiver silicium;

• dunne siliconen ringen maken;

• installatie van de fotocel.

De belangrijkste grondstof voor de productie van hoogzuiver silicium is kwartszand (SiO2)2). De smelt wordt verkregen door elektrolyse metallurgisch siliciumdie een zuiverheid tot 98% heeft. Het siliciumterugwinningsproces vindt plaats wanneer zand in wisselwerking staat met koolstof bij een hoge temperatuur van 1800°C:

Deze zuiverheidsgraad is niet voldoende voor de productie van een fotocel, dus moet deze verder worden verwerkt. De verdere zuivering van silicium voor de halfgeleiderindustrie wordt praktisch overal ter wereld uitgevoerd met door Siemens ontwikkelde technologie.

«Siemens-proces» is de zuivering van silicium door de reactie van metallurgisch silicium met zoutzuur, resulterend in trichloorsilaan (SiHCl3):

Trichloorsilaan (SiHCl3) bevindt zich in de vloeibare fase en wordt dus gemakkelijk van de waterstof gescheiden. Bovendien verhoogt herhaalde destillatie van trichloorsilaan de zuiverheid tot 10-10%.

Het daaropvolgende proces - pyrolyse van gezuiverd trichloorsilaan - wordt gebruikt om zeer zuiver polykristallijn silicium te produceren. Het resulterende polykristallijne silicium voldoet niet volledig aan de voorwaarden voor gebruik in de halfgeleiderindustrie, maar voor de fotovoltaïsche zonne-industrie is de kwaliteit van het materiaal voldoende.

Polykristallijn silicium is een grondstof voor de productie van monokristallijn silicium. Er worden twee methoden gebruikt voor de productie van monokristallijn silicium: de Czochralski-methode en de zonesmeltmethode.

Czochralski's methode is zowel energie- als materiaalintensief. Een relatief kleine hoeveelheid polykristallijn silicium wordt in de kroes gebracht en onder vacuüm gesmolten.Een klein zaadje van monosilicium valt op het oppervlak van de smelt en stijgt dan, draaiend, omhoog en trekt de cilindrische staaf erachter, als gevolg van de kracht van oppervlaktespanning.

Momenteel zijn de diameters van de getrokken blokken tot 300 mm. De lengte van de blokken met een diameter van 100-150 mm bereikt 75-100 cm De kristalstructuur van de langwerpige staaf herhaalt de monokristallijne structuur van het zaad. Door de diameter en lengte van een staaf te vergroten en de technologie van het snijden te verbeteren, wordt de hoeveelheid afval verminderd, waardoor de kosten van de resulterende fotocellen worden verlaagd.

Riem technologie. Het technologische proces ontwikkeld door Mobil Solar Energy Corporation is gebaseerd op het trekken van siliconenstrips uit de smelt en het vormen van zonnecellen daarop. De matrix wordt gedeeltelijk ondergedompeld in de siliciumsmelt en door de capillaire werking stijgt het polykristallijne silicium op, vormt een lint.De smelt kristalliseert uit en wordt uit de matrix verwijderd. Om de productiviteit te verhogen, is de apparatuur ontworpen waarop het mogelijk is om tot negen banden tegelijkertijd te ontvangen. Het resultaat is een negenzijdig prisma.

Het voordeel van banden is dat ze goedkoop zijn omdat het proces van het snijden van de staaf is uitgesloten. Bovendien zijn op eenvoudige wijze rechthoekige fotovoltaïsche cellen te verkrijgen, terwijl de ronde vorm van monokristallijne platen niet bijdraagt ​​aan een goede plaatsing van de fotovoltaïsche cel in de fotovoltaïsche module.

De resulterende staven van polykristallijn of monokristallijn silicium moeten vervolgens worden gesneden tot dunne wafels van 0,2-0,4 mm dik. Bij het snijden van een staaf monokristallijn silicium gaat ongeveer 50% van het materiaal verloren door verliezen.Ook worden ronde ringen niet altijd, maar wel vaak, gesneden om een ​​vierkante vorm te krijgen.