Почему силикон используется для изготовления солнечных батарей?

Силикон часто используется в солнечных панелях в качестве полупроводников, поскольку это экономичный материал, обеспечивающий соответствующую энергоэффективность. Он также обладает исключительной коррозионной стойкостью, длительной прочностью, выдающимися характеристиками теплового расширения, полезной фотопроводимостью и незначительной токсичностью. 

Силикон встречается в природе в больших количествах, поэтому дефицита сырья для производства силиконовых материалов практически нет. Чистый силикон, который веками использовался в качестве электрического элемента, является элементарным компонентом солнечного элемента. Силиконовые солнечные панели обычно называют панелями «первого поколения», поскольку опыт использования силиконовых солнечных батарей приобрел важное значение в 1950-х годах. Силикон занимает более 90% рынка солнечных батарей.

Доступный кристаллический силикон не только является одним из наиболее исследованных материалов, но и ведущим полупроводниковым материалом в современной микроэлектронике. С тех пор, как первые интегральные схемы начали массово производиться, балансирующая концентрация интеграции металл-оксид-полупроводник и регулярность работы быстро увеличились.

Вот основные причины, по которым силикон обычно используется в солнечных панелях: 

1. Силикон — полупроводник.

Поскольку незагрязненный кристаллический силикон по своей сути является полупроводниковым материалом, он является слабым проводником электричества.

Чтобы решить эту проблему, силикон в солнечном элементе содержит примеси, которые представляют собой дополнительные атомы, намеренно добавленные к атомам силикона, чтобы развить способность силикона поглощать и превращать солнечную энергию в электрическую.

Например, у атома галлия на один электрон меньше, чем у атома кремния, но у одного атома мышьяка есть один дополнительный электрон. Когда атомы мышьяка набиваются посреди множества атомов кремния, конструкция получает дополнительные электроны после создания электронаполненного покрытия.

Покрытия в солнечном элементе организованы таким образом, чтобы создавать электрическое поле. Когда солнечный свет попадает на солнечный элемент, он возбуждает электроны, которые вызывают появление дырок.

Благодаря возникновению этого электрического поля они транспортируются к электродам клетки. В этом процессе вырабатывается электричество.

Полупроводники имеют потенциалы, которые находятся между потенциалами проводника и изолятора. Он обладает электрическими свойствами, которые позволяют ему быть проводящим в одном направлении, изолируя при этом противоположное. 

2. Обеспечивает достойную энергоэффективность.

Силиконовые солнечные элементы имеют эффективность более 20%. Это означает, что кремниевые солнечные элементы могут преобразовывать почти 20% солнечного света, который они получают, в электричество. Хотя производительность может показаться низкой, кремниевые солнечные элементы даже более изобретательны, чем различные виды фотоэлектрических элементов.

Существуют ли более качественные материалы, чем силикон, которые могут обеспечить превосходный результат? Да, силикон не самый эффективный, и некоторые составляющие могут работать более умело. Однако за это придется заплатить целое состояние!

С другой стороны, рассмотрев множество факторов, мы придем к выводу, что силикон является одним из лучших материалов.

3. Увеличение возможностей благодаря допингу

Когда силикон фиксируется такими примесями, как атомы галлия и мышьяка, его способность захватывать и преобразовывать солнечную энергию в электричество значительно возрастает.

4. Силикон не токсичен.

Еще одним фактором, который влияет на решение использовать силикон вместо любого из упомянутых выше элементов, является его безвредность. Силикон оказывает очень незначительное влияние на окружающую среду, поскольку силикон является безвредным материалом.

Существует бесчисленное множество заменителей силикона, которые проверяются вместе с изменениями в инженерных технологиях. Например, мышьяк галлия, теллурид кадмия, медь-индий: диселенид и смесь меди-индия/галлия-диселенида также рассматриваются в качестве компонентов замены силикона в солнечных элементах.

Тем не менее, большинство этих материалов имеют недостатки, которых нет у силикона, например, токсичность. 

5. Кристаллоподобный силикон — прочный материал.

Фотоэлектрические модули, в которых используются солнечные элементы из кристаллического кремния, имеют длительный срок службы на открытом воздухе, который составляет более двух десятилетий. Это полезно для обеспечения доступности фотоэлектрических систем, поскольку активы теперь начинают окупаться примерно через десять лет после первоначального подключения фотоэлектрической системы.

6. Экономическая эффективность

Существует уникальное требование для экономии денег в будущем. Несмотря на то, что были прогнозы, что силиконовые фотоэлектрические системы в наименьшей степени коснулись его стоимости, цены снизились из-за скорости обучения 20% с кривой обучения. (20%-ная экономия затрат на усиление всей установленной мощности), которая, скорее всего, будет сохраняться в будущем.

7. В свободном доступе

Силикон — один из наиболее часто используемых материалов в фотоэлектрических элементах. Соответственно, его много в природе в виде диоксида кремния в гравии и кварце, из которых он восстанавливается путем восстановления углерода. На самом деле силикон составляет почти 26% земной коры.

8. Достойная фотопроводимость

Фотопроводимость — это повышение электропроводности некоторых компонентов под воздействием света достаточной энергии. Его регулярно используют для определения возникновения бликов и расчета его силы в светочувствительных машинах, а также для понимания внутренних процессов в этих материалах.

Силикон обладает исключительной фотопроводимостью, что делает его распространенным выбором для изготовления фотоэлектрических элементов. Слой диоксида кремния поглощает энергию под воздействием света и превращает фотоны солнечного света в свободно движущиеся электроны, которые могут генерировать электричество.

9. Наименьшая запрещенная зона

У силикона фантастическая ширина запрещенной зоны 1.1 эВ, что относительно близко к превосходному значению 1.34 эВ для производства солнечной электроэнергии. Оптимальная ширина запрещенной зоны силикона делает его достойным выбором для силиконовых солнечных элементов, поскольку производство различных полупроводников со сравнимой шириной запрещенной зоны обычно обходится дороже.

10. Чрезвычайная устойчивость к коррозии.

Силикон обладает исключительной коррозионной стойкостью благодаря покрытию из диоксида кремния. Это делает его достойным выбором для силиконовых солнечных элементов, поскольку они должны быть износостойкими в условиях агрессивной окружающей среды, таких как экстремальные температуры, сильный солнечный свет и соленая вода, вызывающая рубцевание.

11. Легкий материал

Силикон также легкий, что означает, что его можно использовать в качестве основы для размещения силиконовых компонентов солнечных батарей. Нелегко найти еще один легкий материал, который мог бы заменить силикон благодаря его безопасным, прибыльным и устойчивым к коррозии органическим свойствам.

Итак, теперь вы знаете, насколько важно использовать силикон в солнечных элементах! Помимо того, что этот материал очень экономичен, он обеспечивает наилучшую отдачу энергии для питания наших домов, фабрик и многого другого!

Сопутствующее оборудование