Produksi sel fotovoltaik untuk panel surya

Dasar dari setiap instalasi fotovoltaik selalu merupakan modul fotovoltaik. Modul fotovoltaik adalah kombinasi sel fotovoltaik yang terhubung secara elektrik. Istilah fotovoltaik terdiri dari dua kata «foto» (dari bahasa Yunani. Cahaya) dan «volt» (Alessandro Volta - 1745-1827, fisikawan Italia) - unit pengukuran voltase dalam teknik kelistrikan. Menganalisis istilah fotovoltaik, kita dapat mengatakan - itu mengubah cahaya menjadi listrik.

Sel fotovoltaik (sel surya) digunakan untuk menghasilkan listrik dengan mengubah radiasi matahari. Fotosel dapat dianggap sebagai dioda yang terdiri dari semikonduktor tipe-n dan tipe-p dengan daerah yang kekurangan pembawa yang terbentuk, sehingga fotosel yang tidak bercahaya seperti dioda dan dapat digambarkan sebagai dioda.

Untuk semikonduktor dengan lebar antara 1 dan 3 eV, efisiensi teoritis maksimum dapat dicapai hingga 30%. Celah pita adalah energi foton minimum yang dapat mengangkat elektron dari pita valensi ke pita konduksi. Sel surya komersial yang paling umum adalah elemen batu api.

Silikon monokristal dan polikristal. Silikon saat ini merupakan salah satu elemen paling umum untuk produksi modul fotovoltaik. Namun, karena rendahnya penyerapan radiasi matahari, sel surya kristal silikon biasanya dibuat selebar 300 µm. Efisiensi fotosel silikon monokristalin mencapai 17%.

Jika kita mengambil fotosel silikon polikristalin, maka efisiensinya 5% lebih rendah daripada silikon monokristalin. Batas butir polikristal adalah pusat rekombinasi pembawa muatan. Ukuran kristal silikon polikristalin dapat bervariasi dari beberapa mm hingga satu cm.

Gallium arsenida (GaAs). Sel surya gallium arsenide telah menunjukkan efisiensi 25% dalam kondisi laboratorium. Gallium arsenide, dikembangkan untuk optoelektronik, sulit diproduksi dalam jumlah banyak dan cukup mahal untuk sel surya. Sel surya gallium arsenide diterapkan bersama dengan konsentrator surya, serta untuk kosmonautika.

Teknologi fotosel film tipis. Kerugian utama sel silikon adalah biayanya yang tinggi. Sel film tipis yang terbuat dari silikon amorf (a-Si), telluride kadmium (CdTe) atau diselinida tembaga-indium (CuInSe2) tersedia. Keunggulan sel surya film tipis adalah penghematan bahan baku dan produksi yang lebih murah dibandingkan dengan sel surya silikon. Oleh karena itu, kita dapat mengatakan bahwa produk film tipis memiliki prospek untuk digunakan dalam fotosel.

Kelemahannya adalah beberapa bahan cukup beracun, sehingga keamanan dan daur ulang produk memainkan peran penting. Selain itu, telluride adalah sumber daya yang menipis dibandingkan dengan silikon.Efisiensi fotosel film tipis mencapai 11% (CuInSe2).

Pada awal 1960-an, sel surya menghabiskan daya puncak sekitar $1.000/W dan sebagian besar diproduksi di luar angkasa. Pada tahun 1970-an, produksi massal fotosel dimulai dan harganya turun menjadi $100/W. Kemajuan lebih lanjut dan penurunan harga fotosel memungkinkan penggunaan fotosel untuk kebutuhan rumah tangga. Terutama bagi sebagian penduduk yang tinggal jauh dari saluran listrik dan catu daya standar, modul fotovoltaik telah menjadi alternatif yang baik.

Foto menunjukkan sel surya berbasis silikon pertama. Itu dibuat oleh para ilmuwan dan insinyur dari perusahaan Amerika Bell Laboratories pada tahun 1956. Sel surya adalah kombinasi modul fotovoltaik yang terhubung secara elektrik satu sama lain. Kombinasi dipilih tergantung pada parameter listrik yang dibutuhkan seperti arus dan tegangan. Satu sel dari baterai surya semacam itu, menghasilkan listrik kurang dari 1 watt, berharga $250. Listrik yang dihasilkan 100 kali lebih mahal dari jaringan konvensional.

Selama hampir 20 tahun, panel surya hanya digunakan untuk ruang angkasa. Pada tahun 1977, biaya listrik diturunkan menjadi $76 per watt sel. Efisiensi secara bertahap meningkat: 15% pada pertengahan 1990-an dan 20% pada tahun 2000. Data terkini yang paling relevan tentang topik ini —Efisiensi sel surya dan modul

Produksi sel surya silikon secara kasar dapat dibagi menjadi tiga tahap utama:

• produksi silikon dengan kemurnian tinggi;

• membuat pencuci silikon tipis;

• pemasangan fotosel.

Bahan baku utama untuk produksi silikon dengan kemurnian tinggi adalah pasir kuarsa (SiO2)2). Lelehan diperoleh dengan elektrolisis silikon metalurgiyang memiliki kemurnian hingga 98%. Proses pemulihan silikon terjadi ketika pasir berinteraksi dengan karbon pada suhu tinggi 1800°C:

Tingkat kemurnian ini tidak cukup untuk menghasilkan fotosel, sehingga harus diproses lebih lanjut. Pemurnian silikon lebih lanjut untuk industri semikonduktor dilakukan hampir di seluruh dunia dengan menggunakan teknologi yang dikembangkan oleh Siemens.

«Proses Siemens» adalah pemurnian silikon melalui reaksi silikon metalurgi dengan asam klorida, menghasilkan triklorosilan (SiHCl3):

Trichlorosilane (SiHCl3) berada dalam fase cair, sehingga mudah dipisahkan dari hidrogennya. Selain itu, distilasi berulang triklorosilan meningkatkan kemurniannya menjadi 10-10%.

Proses selanjutnya — pirolisis triklorosilan yang dimurnikan — digunakan untuk menghasilkan silikon polikristalin dengan kemurnian tinggi. Silikon polikristalin yang dihasilkan tidak sepenuhnya memenuhi persyaratan untuk digunakan dalam industri semikonduktor, tetapi untuk industri fotovoltaik surya, kualitas bahannya cukup.

Silikon polikristalin adalah bahan baku untuk produksi silikon monokristalin. Dua metode digunakan untuk produksi silikon monokristalin - metode Czochralski dan metode peleburan zona.

metode Czochralski padat energi dan padat material. Silikon polikristalin dalam jumlah yang relatif kecil dimasukkan ke dalam wadah dan dilelehkan di bawah vakum.Benih kecil monosilikon jatuh di permukaan lelehan dan kemudian, berputar, naik, menarik ingot silinder di belakangnya, karena gaya tegangan permukaan.

Saat ini, diameter batangan yang ditarik mencapai 300 mm. Panjang ingot berdiameter 100-150 mm mencapai 75-100 cm Struktur kristal ingot memanjang mengulangi struktur monokristalin benih. Meningkatkan diameter dan panjang ingot, serta meningkatkan teknologi pemotongannya, akan mengurangi jumlah limbah, sehingga mengurangi biaya fotosel yang dihasilkan.

Teknologi sabuk. Proses teknologi yang dikembangkan oleh Mobil Solar Energy Corporation didasarkan pada menarik strip silikon dari lelehan dan membentuk sel surya di atasnya. Matriks sebagian terendam dalam lelehan silikon dan, karena efek kapiler, silikon polikristalin naik, membentuk pita.Lelehan mengkristal dan dikeluarkan dari matriks. Untuk meningkatkan produktivitas, peralatan dirancang, yang memungkinkan untuk menerima hingga sembilan sabuk pada saat yang bersamaan. Hasilnya adalah prisma bersisi sembilan.

Keuntungan dari sabuk adalah harganya yang murah karena tidak termasuk proses pemotongan batangan. Selain itu, sel fotovoltaik persegi panjang dapat dengan mudah diperoleh, sedangkan pelat monokristalin yang berbentuk bulat tidak berkontribusi pada penempatan sel fotovoltaik yang baik dalam modul fotovoltaik.

Batang silikon polikristalin atau monokristalin yang dihasilkan kemudian harus dipotong menjadi wafer tipis setebal 0,2-0,4 mm. Saat memotong batang silikon monokristalin, sekitar 50% material hilang.Selain itu, mesin cuci bundar tidak selalu, tetapi seringkali, dipotong menjadi bentuk persegi.