3D измерение поверхности. Характеристика солнечных батарей

Комбинирование технологий интерферометрии и конфокальной микроскопии позволило получить бесконтактный и высокоточный инструмент анализа текстуры поверхности

В прошлом для этого требовался СЭМ анализ, занимающий очень много времени. Двухъядерный измерительный 3D микроскоп является результатом комбинирования технологий интерферометрии и конфокальной микроскопии, который обеспечивает бесконтактный и высокоточный анализ текстуры поверхности солнечных батарей за считанные секунды.

Для подробного ознакомления с медицинской и исследовательской техникой основных мировых производителей оптических систем и сопутствующего оборудования посетите наш каталог или свяжитесь с нашими специалистами и получите полную профессиональную консультацию по любым, имеющимся у Вас, вопросам. 

Монокристаллический и поликристаллический кремний

Самым часто используемым базовым материалом для солнечных батарей является кремний. При широком использовании установок по добыче энергии из энергии Солнца используются в основном толстопленочные батареи с различием в материале. Монокристаллические батареи производятся из монокристаллических кремниевых пластин, еще используемых при производстве полупроводников. Поликристаллические батареи состоят из пластин с различно ориентированными кристаллами.  Их производство значительно легче, а цена меньше по сравнению с монокристаллическими батареями.

Эффективность солнечной батареи зависит от кремниевого допанта, интенсивности света, диапазона длины волны, оптической плотности и структуры поверхности. На данный момент, эффективность переработки энергии солнечной батареей составляет около 20 процентов. Применение дорогостоящих методов обработки поверхности позволяет повысить этот показатель до 50 процентов.

Текстура поверхности может улучшить коэффициент переработки энергии

Были протестированы бесчисленные техники по увеличению эффективности солнечных батарей, к примеру, фокусировка света с помощью линз Френеля, концентраторы солнечной энергии или противоотражающие покрытия. Самым эффективным методом увеличения уровня поглощения света стало повышение оптической плотности поверхности кремния.

3D измерение поверхности за считанные секунды

Контроль качества солнечной батареи проводится в конце производства. Тестируется эффективность каждой отдельной батареи. В отличие от долгого сканирования с помощью СЭМ, новейшие системы позволяют сделать это меньше чем за 10 секунд. На изображении можно увидеть 3D измерение монокристаллической кремниевой пластины после пирамидального травления. Для данного 3D измерения был использован 150x объектив с числовой апертурой 0.95. В результате размер видимого поля был уменьшен до нескольких десятков микрон, что приблизительно равно полю зрения СЭМ. Поверхность сканируется на несколько микрон по позиции фокуса объектива, шаг за шагом получая конфокальные изображения, которые потом преобразуются в единое изображение высокого разрешения.

Как устроена солнечная батарея

Сегодня солнечные модули становятся все более востребованными в самых разных сферах. Из технологической экзотики они давно превратились в надежный источник энергии, почти такой же привычный, как и бытовая электросеть или газовый котел. Но если о преимуществах гелиопанелей знают практически все, то устройство солнечной батареи и принцип ее функционирования далеко не так известны.

Особенности конструкции

По сути, классическая солнечная батарея – это несколько объединенных между собой фотоэлектрических ячеек, помещенных в защитный корпус с прозрачным верхом. Ее главными элементами являются именно фотоячейки, которые преобразуют падающие на них лучи солнца в электричество. В отличие от коллекторов, нагревающих воду и вырабатывающих тепловую энергию, солнечная батарея генерирует непосредственно электричество.

Устройство солнечной батареи

Фотоячейка же представляет собой полупроводниковую структуру (обычно – на базе кремния), состоящую из двух веществ с разным типом проводимости. Сегодня выпускается три вида таких фотоячеек: поликристаллические, монокристаллические и тонкопленочные. Наиболее востребованы модули на монокристаллах, поскольку они отличаются более высокой производительностью за счет однородной структуры.

Защитный корпус же необходим для предохранения хрупких фотоэлементов от негативных факторов. Причем лицевая часть корпуса обязательно выполняется из специального высокопрочного стекла, пропускающего полный спектр солнечного излучения. Такое устройство позволяет преобразовывать в электричество практически все падающие лучи (за исключением некоторых потерь в самих полупроводниках).

Принцип действия солнечных батарей

Фотоэффект и солнечные батареи

Суть фотоэффекта заключается в преобразовании солнечной энергии в постоянный электроток. Происходит это следующим образом. Электроны некоторых веществ (например, кремния) способны поглощать энергию солнечных лучей. В результате они покидают свои орбиты, образуя направленный поток. Этот направленный поток электронов и будет постоянным фототоком.

Для получения этого эффекта используются специальные вещества – полупроводники. Они бывают двух типов: с p- и n-проводимостью. N-проводимость означает избыток электронов в веществе, p-, соответственно, - их недостаток. Для создания фотоэлемента необходимы два разнопроводимых полупроводника. Они помещаются один на другой, образуя двухслойную структуру. Иными словами, получается своеобразное подобие электродной батареи, в которой роль катода играет n-проводник, а анода – p-проводник.

Дальнейший принцип действия фотоэлемента основан на формировании на стыке полупроводников зоны p-n перехода. Под действием падающих лучей электроны n-проводника (который располагается вверху структуры) покидают свои атомарные орбиты. Они переходят в p-слой, где наблюдается нехватка электронов. Таким образом и возникает направленный поток электронов, он же – фототок.

Для снятия тока к пластинам полупроводников подключаются тонкие проводники и нагрузка. Работать подобная система может очень долго, так как ее функционирование на связано с химическими взаимодействиями, а значит, не происходит разрушения материалов.

Солнечные фотоэлементы

Сегодня серийные солнечные элементы выпускаются на базе кремния. Это связано с тем, что, во-первых, кремний широко распространен, а во-вторых, его промышленная обработка не требует значительных затрат. Для придания кремнию разных типов проводимости используют всевозможные примеси. Например, избыток электронов создается за счет введения бора, а недостаток – мышьяка. Также применяют арсенид, галлий, кадмий и т.д. Помимо формирования проводимости добавка примесей позволяет повысить эффективность кремниевых батарей, КПД которых в среднем составляет 20%.

Конечно, существуют и солнечные батареи с гораздо более высоким КПД, но их производство крайне ограничено. Они изготавливаются малыми партиями в лабораторных условиях для спеццелей (например, для нужд космической промышленности). Это объясняется тем, что несмотря на аналогичные принципы действия, в этих солнечных батареях используются другие материал и примеси. Причем эти материалы довольно сложно обрабатывать, поэтому массовое их производство пока нецелесообразно. Тем не менее, сегодня продолжаются активные разработки в этой области, направленные на получение высокоэффективных и экономически выгодных солнечных батарей.

Типы солнечных батарей

На основе кремния производятся фотопанели трех видов:

• Из монокристаллов. Для их изготовления выращиваются монокристаллы с однородной структурой. В результате такие фотоячейки отличаются равномерной поверхностью и, как следствие, лучше поглощают солнечные лучи. Иными словами, их КПД выше, чем у других видов, но при этом они стоят несколько дороже. Эти ячейки имеют вид квадратов со скошенными углами или многоугольников, что объясняется формой монокристаллической кремниевой заготовки.
• Из поликристаллов. Такие ячейки имеют неоднородную, поликристаллическую, структуру. Их светопоглощение несколько ниже, чем у моноячеек, поскольку неравномерная поверхность отражает часть лучей.
• На тонких пленках. Принцип работы таких солнечных батарей аналогичен кристаллическим. Но выпускаются они в виде гибких ячеек, которые можно устанавливать на криволинейных поверхностях. Эти батареи дешевы в производстве, и довольно эффективны, но для бытовых целей применяются редко, поскольку по сравнению с кристаллическими занимают большую площадь (примерно в 2,5 раза) на единицу мощности.

Разумеется, каждая отдельно взятая фотоячейка не обладает достаточной производительностью. Поэтому их и объединяют в большие модули. Делается это для увеличения выходного напряжения или выходного тока системы. Для повышения тока применяют параллельную коммутацию, для напряжения – последовательную. Хотя чаще всего эти схемы комбинируются. Таким образом, классическая солнечная батарея, состоящая из нескольких фотоячеек, работает как обычная электросхема.

Соединение солнечных ячеек

Для повышения эффективности системы солнечные фотоячейки соединятся между собой последовательно либо параллельно (обычно эти схемы комбинируются). Причем параллельное соединение позволяет увеличить выходной ток, а последовательное – напряжение. Однако здесь есть несколько нюансов.

Например, чисто последовательное соединение нередко сложно реализовать из-за условий внешней среды и специфических электроэффектов, возникающих в фотоячейках. Дело в том, что в модульных солнечных батареях гелиоячейки располагаются рядами. И затенение отдельных рядов (как полное, так частичное) может привести к появлению обратных токов от освещенных ячеек. В лучшем случае это приведет к ощутимому снижению производительности, в худшем – к полному выходу ячейки из строя.

Поэтому система, которая устроена на базе только последовательного соединения применяется редко. Обычно схемы коммутации комбинируются, а ряды фотоячеек формируются как самостоятельные элементы. Для предотвращения обратных токов в этих случаях применяют специальные схемы распараллеливания. Также широко используются особые системы независимого распределения нагрузок. Принципы действия их основаны на избегании строго фиксированных цепей и переключении ячеек между последовательным и параллельным режимами для компенсации затенений и падений эффективности отдельных модулей.