Солнечный элемент

редактировать
Фотодиод, используемый для получения энергии из света в больших масштабах

Обычный кристаллический кремний солнечный элемент ( по состоянию на 2005 год). Электрические контакты из сборных шин (большие полоски серебристого цвета) и пальцев (меньшие) напечатаны на кремниевой пластине. Символ фотоэлектрического элемента.

A солнечный элемент, или фотоэлектрический элемент, представляет собой электрическое устройство, которое преобразует энергию света непосредственно в электричество с помощью фотоэлектрических эффект, который является явлением физическим и химическим. Это форма фотоэлемента, определяемая как устройство, электрические характеристики которого, такие как ток, напряжение или сопротивление, меняются под воздействием света. Отдельные устройства солнечных элементов часто являются электрическими строительными блоками фотоэлектрических модулей, в просторечии известных как солнечные панели. Обычный однопереходный кремниевый солнечный элемент может производить максимальное напряжение холостого хода приблизительно от 0,5 до 0,6 В.

Солнечные элементы описываются как фотоэлектрические, независимо от того, является ли источник солнечным светом или искусственным светом. Помимо выработки энергии, они могут использоваться в качестве фотодетекторов (например, инфракрасных детекторов ), обнаружения света или другого электромагнитного излучения в видимом диапазоне, или измерение силы света.

Для работы фотоэлемента требуется три основных атрибута:

Напротив, солнечный тепловой коллектор поставляет тепло посредством поглощения солнечного света с целью прямого нагрева или косвенного производства электроэнергии из тепла. «Фотоэлектролитическая ячейка» (фотоэлектрохимическая ячейка ), с другой стороны, относится к типу фотоэлектрических элементов (например, разработанных Эдмондом Беккерелем и современных сенсибилизированных красителями солнечные элементы ), или устройству, которое расщепляет воду непосредственно на водород и кислород, используя только солнечное освещение.

Содержание

  • 1 Приложения
    • 1.1 Ячейки, модули, панели и системы
  • 2 История
    • 2.1 Космические приложения
    • 2.2 Снижение цен
    • 2.3 Исследования и промышленное производство
  • 3 Снижение затраты и экспоненциальный рост
    • 3.1 Субсидии и паритет сети
  • 4 Теория
  • 5 Эффективность
  • 6 Материалы
    • 6.1 Кристаллический кремний
      • 6.1.1 Монокристаллический кремний
      • 6.1.2 Развитие эпитаксиального кремния
      • 6.1.3 Поликристаллический кремний
      • 6.1.4 Ленточный кремний
      • 6.1.5 Моноподобный мульти-кремний (MLM)
    • 6.2 Тонкая пленка
      • 6.2.1 Теллурид кадмия
      • 6.2. 2 Селенид меди, индия и галлия
      • 6.2.3 Тонкая пленка кремния
      • 6.2.4 Тонкая пленка арсенида галлия
    • 6.3 Многопереходные элементы
      • 6.3.1 Солнечные элементы с двойным переходом GaInP / Si
  • 7 Исследования в солнечные элементы
    • 7.1 Перовскитные солнечные элементы
    • 7.2 Двусторонние солнечные элементы
    • 7.3 Промежуточная полоса
    • 7.4 Жидкие чернила
    • 7.5 Повышающее и понижающее преобразование
    • 7.6 Светопоглощающие красители
    • 7.7 Квантовые точки
    • 7,8 Органические / полимерные солнечные элементы
    • 7.9 Адаптивные ячейки
    • 7.10 Текстурирование поверхности
    • 7.11 Инкапсуляция
  • 8 Производство
  • 9 Производители и сертификация
    • 9.1 Китай
    • 9.2 Малайзия
    • 9.3 США
  • 10 Утилизация
    • 10.1 Утилизация
  • 11 См. Также
  • 12 Ссылки
  • 13 Библиография
  • 14 Внешние ссылки

Приложения

От солнечного элемента до фотоэлектрической системы. Схема возможных компонентов фотоэлектрической системы

Сборки солнечных элементов используются для изготовления солнечных модулей, вырабатывающих электроэнергию из солнечного света, в отличие от «солнечного тепловой модуль »или« солнечная панель для горячего водоснабжения ». Солнечная батарея генерирует солнечную энергию, используя солнечную энергию.

Ячейки, модули, панели и системы

Несколько солнечных элементов в интегрированной группе, все ориентированные в одной плоскости, составляют солнечная фотоэлектрическая панель или модуль. Фотоэлектрические модули часто имеют лист стекла на стороне, обращенной к солнцу, позволяя свету проходить и защищая полупроводниковые пластины . Солнечные элементы обычно соединяются последовательно серией, создавая аддитивные напряжение и ток. Параллельное соединение ячеек дает более высокий ток.

Однако проблемы в параллельных ячейках, такие как эффекты тени, могут отключать более слабую (менее освещенную) параллельную цепочку (несколько последовательно соединенных ячеек), вызывая существенные потери мощности и возможные повреждения из-за обратного смещения, приложенного к затененные ячейки их освещенными партнерами.

Хотя модули могут быть соединены между собой для создания массива с желаемым пиковым напряжением постоянного тока и допустимым током нагрузки, что может быть выполнено с использованием или без использования независимых MPPT (точка максимальной мощности трекеры ) или, в зависимости от каждого модуля, с модулями силовой электроники (MLPE) или без них, такими как микроинверторы или оптимизаторы DC-DC. Шунтирующие диоды могут уменьшить потери мощности затенения в массивах с последовательно / параллельно соединенными ячейками.

Типичные цены на фотоэлектрические системы в некоторых странах в 2013 г. ($ / Вт)
USD / ВтАвстралия Китай Франция Германия Италия Япония Великобритания США
Жилой1,81,54,12,42,84,22,84,9
Коммерческий1,71,42,71,81,93,62,44,5
Универсальная шкала2,01,42,21,41,52,91,93,3
Источник: IEA - Технологическая дорожная карта: отчет о солнечной фотоэлектрической энергии, издание 2014 г.. Примечание: DOE - «Тенденции ценообразования фотоэлектрических систем» сообщает о более низких ценах для США

История

фотоэлектрическая Эффект был экспериментально продемонстрирован первым французским физиком Эдмоном Беккерелем. В 1839 году, в возрасте 19 лет, он построил первый в мире фотоэлектрический элемент в лаборатории своего отца. Уиллоуби Смит впервые описал «влияние света на селен во время прохождения электрического тока» в номере Nature от 20 февраля 1873 года. В 1883 году Чарльз Фриттс построил первый твердотельный фотоэлектрический элемент, покрыв полупроводник селен тонким слоем золота формировать стыки; КПД устройства составлял всего около 1%. Другие вехи включают:

Космические приложения

NASA С самого начала использовал солнечные элементы на своем космическом корабле. Например, Explorer 6, запущенный в 1959 году, имел четыре массива, которые один раз раскладывались на орбите. Они обеспечивали электроэнергией в космосе в течение нескольких месяцев.

Солнечные элементы впервые были использованы в известном применении, когда они были предложены и запущены на спутнике Vanguard в 1958 году в качестве альтернативного источника питания первичной батареи источника питания.. Добавляя клетки снаружи тела, время миссии можно было продлить без каких-либо серьезных изменений в космическом корабле или его системах питания. В 1959 году Соединенные Штаты запустили Explorer 6 с большими солнечными батареями в форме крыльев, которые стали обычным явлением на спутниках. Эти массивы состояли из 9600 солнечных элементов Хоффмана.

К 1960-м годам солнечные элементы были (и остаются) основным источником энергии для большинства спутников на околоземной орбите и ряда зондов в солнечной системе, поскольку они предлагали лучшие удельная мощность. Однако этот успех был возможен, потому что в космическом приложении затраты на энергосистему могли быть высокими, потому что у космических пользователей было немного других вариантов питания и они были готовы платить за самые лучшие из возможных ячеек. Космический рынок энергии стимулировал разработку более эффективных солнечных элементов до тех пор, пока программа Национального научного фонда «Исследования, применяемые для национальных нужд» не стала стимулировать разработку солнечных элементов для наземных применений.

В начале 1990-х годов технология, используемая для космических солнечных элементов, отличалась от кремниевой технологии, используемой для наземных панелей, с применением в космических аппаратах полупроводниковых материалов III-V на основе арсенида галлия, которые затем превратился в современный многопереходный фотоэлектрический элемент III-V , используемый на космических кораблях.

В последние годы исследования переместились в сторону разработки и производства легких, гибких и высокоэффективных солнечных элементов. В технологии наземных солнечных элементов обычно используются фотоэлектрические элементы, которые ламинированы слоем стекла для прочности и защиты. Космические приложения для солнечных элементов требуют, чтобы элементы и массивы были одновременно высокоэффективными и чрезвычайно легкими. Некоторые более новые технологии, реализованные на спутниках, представляют собой многопереходные фотоэлектрические элементы, которые состоят из различных PN-переходов с различной шириной запрещенной зоны, чтобы использовать более широкий спектр солнечной энергии. Кроме того, большие спутники требуют использования больших солнечных батарей для производства электроэнергии. Эти солнечные батареи должны быть разбиты, чтобы соответствовать геометрическим ограничениям ракеты-носителя, на которой движется спутник, прежде чем они будут выведены на орбиту. Исторически солнечные элементы на спутниках состояли из нескольких небольших наземных панелей, сложенных вместе. Эти маленькие панели будут развернуты в большую панель после того, как спутник будет выведен на свою орбиту. Новые спутники стремятся использовать гибкие катящиеся солнечные батареи, которые очень легкие и могут быть упакованы в очень небольшой объем. Меньший размер и вес этих гибких массивов резко снижает общую стоимость запуска спутника из-за прямой зависимости между массой полезной нагрузки и стоимостью запуска ракеты-носителя.

Снижение цен

Улучшения были постепенно в течение 1960-х годов. Это также было причиной того, что затраты оставались высокими, поскольку пользователи космоса были готовы платить за самые лучшие из возможных ячеек, не оставляя причин вкладывать средства в более дешевые и менее эффективные решения. Цена во многом определялась полупроводниковой промышленностью ; их переход на интегральные схемы в 1960-х годах привел к появлению более крупных булей по более низким относительным ценам. По мере того, как их цена упала, упала и цена полученных ячеек. Эти эффекты снизили стоимость ячеек в 1971 году примерно до 100 долларов за ватт.

В конце 1969 года Эллиот Берман присоединился к оперативной группе Exxon, которая занималась проектами на 30 лет вперед, и в апреле 1973 года он основал Solar Power Corporation, в то время находившуюся в полной собственности Exxon. Группа пришла к выводу, что к 2000 году электроэнергия будет намного дороже, и сочла, что это повышение цены сделает альтернативные источники энергии более привлекательными. Он провел исследование рынка и пришел к выводу, что цена за ватт около 20 долларов за ватт создаст значительный спрос. Команда исключила этапы полировки пластин и покрытия их антибликовым слоем, полагаясь на шероховатую поверхность пластины. Команда также заменила дорогие материалы и ручную проводку, используемые в космических приложениях, на печатную плату сзади, акрил пластик спереди и силиконовый клей. между ними, "заливка" клеток. Солнечные элементы могут быть изготовлены из отбросов с рынка электроники. К 1973 году они анонсировали продукт, и SPC убедила Tideland Signal использовать его панели для питания навигационных буев, первоначально для береговой охраны США.

Исследования и промышленное производство

Исследования солнечной энергии для наземных применений стали заметными благодаря отделу перспективных исследований и разработок в области солнечной энергии Национального научного фонда США в рамках программы «Исследования, применяемые для национальных нужд», которая проводилась с 1969 по 1977 год и финансировала исследования развитие солнечной энергетики для наземных электроэнергетических систем. Конференция 1973 года, Cherry Hill Conference, сформулировала технологические цели, необходимые для достижения этой цели, и обрисовала в общих чертах амбициозный проект для их достижения, положив начало программе прикладных исследований, которая будет продолжаться в течение нескольких десятилетий. В конечном итоге программа была передана Управлению энергетических исследований и разработок (ERDA), которое позже было объединено с США. Министерство энергетики.

После нефтяного кризиса 1973 года нефтяные компании использовали свою более высокую прибыль, чтобы открыть (или купить) солнечные компании, и в течение десятилетий были крупнейшими производителями. Exxon, ARCO, Shell, Amoco (позже приобретенная BP) и Mobil в 1970-х и 1980-х годах имели крупные солнечные подразделения. Также участвовали технологические компании, в том числе General Electric, Motorola, IBM, Tyco и RCA.

Снижение затрат и экспоненциальный рост

История цены за ватт для обычных (c-Si ) солнечные элементы с 1977 г. закон Свансона - кривая обучения солнечной фотоэлектрической энергии Рост фотоэлектрических элементов - общая установленная мощность фотоэлектрических элементов во всем мире

С поправкой на инфляцию, она стоит 96 долларов за ватт для солнечного модуля в середине 1970-х. Согласно данным Bloomberg New Energy Finance, благодаря усовершенствованию процессов и очень значительному увеличению производства этот показатель снизился на 99%, до 68 центов на ватт в 2016 году. Закон Суонсона является наблюдением, аналогичным Закон Мура гласит, что цены на солнечные элементы падают на 20% при каждом удвоении производственных мощностей. Об этом было рассказано в статье в британской еженедельной газете The Economist в конце 2012 года.

Дальнейшие усовершенствования снизили стоимость производства до менее 1 доллара за ватт при оптовых затратах ниже 2 долларов. Баланс затрат системы был выше, чем у панелей. С 2010 года можно было построить большие коммерческие массивы по цене ниже 3,40 доллара за ватт при полном вводе в эксплуатацию.

По мере того, как полупроводниковая промышленность переходила на все более крупные були, старое оборудование становилось недорогим. Размеры ячеек росли по мере того, как оборудование появлялось на избыточном рынке; ARCO В оригинальных панелях Solar использовались элементы диаметром от 2 до 4 дюймов (от 50 до 100 мм). В панелях 1990-х и начале 2000-х годов обычно использовались пластины толщиной 125 мм; с 2008 года почти все новые панели используют ячейки 156 мм. Широкое распространение телевизоров с плоским экраном в конце 1990-х и начале 2000-х годов привело к широкому распространению больших высококачественных стеклянных листов для покрытия панелей.

В течение 1990-х годов поликремний («поли») клетки становились все более популярными. Эти клетки обладают меньшей эффективностью, чем их монокремниевые («монокремниевые») аналоги, но их выращивают в больших чанах, что снижает стоимость. К середине 2000-х годов на рынке недорогих панелей доминировал полиуретан, но совсем недавно моно вернулся к широкому распространению.

Производители полупроводниковых элементов отреагировали на высокие цены на кремний в 2004–2008 годах быстрым сокращением потребления кремния. В 2008 году, по словам Джефа Поортманса, директора департамента органической и солнечной энергетики IMEC, в нынешних элементах использовалось 8–9 граммов (0,28–0,32 унции) кремния на ватт генерируемой энергии, а толщина пластин окрестности 200 мкм. Панели из кристаллического кремния доминируют на мировых рынках и в основном производятся в Китае и на Тайване. К концу 2011 года из-за падения спроса в Европе цены на кристаллические солнечные модули упали примерно до 1,09 доллара за ватт по сравнению с 2010 годом. В 2012 году цены продолжали падать и к 4 кварталу 2012 года достигли 0,62 доллара за ватт. в Азии, при этом на Китай и Японию в настоящее время приходится половина всемирного развертывания. Глобальная установленная мощность фотоэлектрических модулей достигла не менее 301 гигаватт в 2016 году и выросла до 1,3% мировой электроэнергии к 2016 году.

Объем энергии кремниевых солнечных элементов и нефти, потребляемой людьми, на доллар; Углеродоёмкость некоторых ключевых технологий производства электроэнергии.

Фактически, энергия, потребляемая кремниевыми солнечными элементами по цене в доллар, с 2004 года превосходила свой нефтяной аналог. Ожидалось, что электроэнергия от фотоэлектрической будет конкурентоспособна с оптовыми затратами на электроэнергию. по всей Европе, а срок окупаемости модулей на основе кристаллического кремния может быть сокращен до менее 0,5 года к 2020 году.

Субсидии и паритет энергосистемы

для солнечной энергии зеленые тарифы различаются в зависимости от страны и внутри страны. Такие тарифы стимулируют развитие проектов солнечной энергетики. Широко распространенный паритет сети, точка, в которой фотоэлектрическая электроэнергия равна или дешевле, чем электроэнергия сети без субсидий, вероятно, требует достижений по всем трем направлениям. Сторонники солнечной энергии надеются сначала достичь паритета энергосистемы в районах с обильным солнечным светом и высокими затратами на электроэнергию, например, в Калифорнии и Японии. В 2007 году BP заявила о паритете энергосистемы Гавайев и других островов, которые в других случаях используют дизельное топливо для производства электроэнергии. Джордж Буш установил 2015 год как дату установления паритета энергосистемы США. Фотоэлектрическая ассоциация сообщила в 2012 году, что Австралия достигла сетевого паритета (игнорируя льготные тарифы).

Цена на солнечные панели неуклонно падала в течение 40 лет, прервавшись в 2004 году, когда высокие субсидии в Германии резко увеличили спрос и значительно увеличила стоимость очищенного кремния (который используется в компьютерных микросхемах, а также в солнечных батареях). рецессия 2008 г. и начало производства в Китае заставили цены возобновить снижение. За четыре года после января 2008 года цены на солнечные модули в Германии упали с 3 евро до 1 евро за пиковый ватт. В то же время производственные мощности выросли более чем на 50% в год. Китай увеличил долю рынка с 8% в 2008 году до более 55% в последнем квартале 2010 года. В декабре 2012 года цена китайских солнечных панелей упала до 0,60 долл. США / Вт (кристаллические модули). (Аббревиатура Wp означает пиковую мощность в ваттах или максимальную мощность в оптимальных условиях.)

По состоянию на конец 2016 года сообщалось, что спотовые цены на собранные солнечные панели (не ячеек) упали до рекордно низкого уровня в 0,36 долл. США / Wp. Второй по величине поставщик, Canadian Solar Inc., сообщил о затратах в размере 0,37 доллара США на единицу мощности в третьем квартале 2016 года, что на 0,02 доллара США меньше, чем в предыдущем квартале, и, следовательно, вероятно, все еще оставалось по крайней мере окупаемым. Многие производители ожидали, что к концу 2017 года затраты упадут примерно до $ 0,30. Также сообщалось, что новые солнечные установки были дешевле, чем угольные тепловые электростанции в некоторых регионах мира, и ожидалось, что это будет иметь место в большая часть мира в течение десятилетия.

Теория

Схема сбора заряда солнечными элементами. Свет проходит через прозрачный проводящий электрод, создавая пары электронных дыр, которые собираются обоими электродами. Рабочий механизм солнечного элемента

Солнечный элемент работает в несколько этапов:

Наиболее широко известный солнечный элемент имеет конфигурацию большой площади p – n переход из кремния. Другими возможными типами солнечных элементов являются органические солнечные элементы, сенсибилизированные красителем солнечные элементы, солнечные элементы из перовскита, солнечные элементы с квантовыми точками и т. Д. Освещенная сторона солнечного элемента обычно имеет прозрачную проводящую пленку для проникновения света внутрь активный материал и собирать генерируемые носители заряда. Обычно для этой цели используются пленки с высоким коэффициентом пропускания и высокой электропроводностью, такие как оксид индия и олова, проводящие полимеры или проводящие сети из нанопроволок.

Эффективность

Шокли- Предел Кайссера теоретической максимальной эффективности солнечного элемента. Полупроводники с шириной запрещенной зоны от 1 до 1,5 эВ, или свет ближнего инфракрасного диапазона, имеют наибольший потенциал для образования эффективной ячейки с одним переходом. (Показанный здесь «предел» эффективности может быть превышен многопереходными солнечными элементами.)

Эффективность солнечного элемента может быть разбита на эффективность отражения, термодинамическую эффективность, эффективность разделения носителей заряда и эффективность проводимости. Общая эффективность является продуктом эти отдельные показатели.

КПД преобразования энергии солнечного элемента - это параметр, который определяется долей падающей мощности, преобразованной в электричество.

Солнечный элемент имеет кривая КПД, зависящая от напряжения, температурные коэффициенты и допустимые углы тени.

Из-за сложности прямого измерения этих параметров заменяются другие параметры: термодинамическая эффективность, квантовая эффективность, коэффициент интегральной квантовой эффективности, VOC и коэффициент заполнения. Потери отражения являются частью квантовой эффективности в соответствии с «внешней квантовой эффективностью ». Потери рекомбинации составляют другую часть квантовой эффективности, V OC крыса io и коэффициент заполнения. Резистивные потери в основном относятся к категории коэффициента заполнения, но также составляют незначительную долю квантовой эффективности, отношения V OC.

Коэффициент заполнения - это отношение фактической максимальной достижимой мощности к произведению напряжения холостого хода и короткого замыкания. текущий. Это ключевой параметр при оценке производительности. В 2009 году типичные коммерческие солнечные элементы имели коэффициент заполнения>0,70. Уровень В-клеток обычно составлял от 0,4 до 0,7. Ячейки с высоким коэффициентом заполнения имеют низкое эквивалентное последовательное сопротивление и высокое эквивалентное шунтирующее сопротивление, поэтому меньшая часть тока, производимого элементом, рассеивается во внутренних потерях.

Устройства из кристаллического кремния с одинарным p – n-переходом сейчас приближаются к теоретической предельной энергоэффективности 33,16%, отмеченной как предел Шокли – Кайссера в 1961 году. В крайнем случае, с бесконечным числом слоев, соответствующий предел составляет 86% при использовании концентрированного солнечного света.

В 2014 году три компании побили рекорд в 25,6% для кремниевых солнечных элементов. Panasonic был самым эффективным. Компания переместила передние контакты на заднюю часть панели, убрав затененные участки. Кроме того, они нанесли тонкие кремниевые пленки на переднюю и заднюю часть пластины (высококачественный кремний), чтобы устранить дефекты на поверхности пластины или рядом с ней.

В 2015 году 4-переходный GaInP / GaAs // GaInAsP / GaInAs солнечный cell достигла нового лабораторного рекорда эффективности 46,1% (коэффициент концентрации солнечного света = 312) в результате французско-немецкого сотрудничества между Институтом систем солнечной энергии им. Фраунгофера (Fraunhofer ISE), CEA-LETI и SOITEC.

В сентябре 2015 года Fraunhofer ISE объявила о достижении эффективности более 20% для эпитаксиальных пластин клеток. Работа по оптимизации производственной цепочки химического осаждения из паровой фазы (APCVD) при атмосферном давлении была выполнена в сотрудничестве с NexWafe GmbH, компанией, выделившейся из Fraunhofer ISE для коммерциализации производства.

Для тонкопленочных солнечных элементов с тройным переходом мировой рекорд - 13,6%, установленный в июне 2015 года.

В 2016 году исследователи из Fraunhofer ISE объявили о тройном переходе GaInP / GaAs / Si. соединительный солнечный элемент с двумя выводами, достигающий эффективности 30,2% без концентрации.

В 2017 году группа исследователей из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL), EPFL и CSEM (Швейцария ) сообщил о рекордной эффективности использования одного солнца в 32,8% для устройств солнечных элементов на основе GaInP / GaAs с двойным переходом. Кроме того, устройство с двойным переходом было механически объединено с кремниевым солнечным элементом, чтобы достичь рекордной эффективности одного солнца 35,9% для солнечных элементов с тройным переходом.

Отчетный график исследований эффективности преобразования энергии солнечных элементов (Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии )

Материалы

Мировая доля рынка с точки зрения годового производства с помощью фотоэлектрических технологий с 1990 года

Солнечные элементы обычно называют в честь полупроводникового материала, из которого они сделаны. материалы должны обладать определенными характеристиками, чтобы поглощать солнечный свет. Некоторые элементы предназначены для обработки солнечного света, достигающего поверхности Земли, а другие оптимизированы для использования в космосе. Солнечные элементы могут быть изготовлены только из одного слоя светопоглощающего материала (одинарный переход ) или использовать несколько физических конфигураций (многопереходные ), чтобы использовать преимущества различного поглощения и механизмы разделения заряда.

Солнечные элементы можно отнести к первым, секо клетки первого и третьего поколений. Элементы первого поколения - также называемые обычными, традиционными или пластинчатыми элементами - изготовлены из кристаллического кремния, коммерчески преобладающей фотоэлектрической технологии, которая включает такие материалы, как поликремний и монокристаллический кремний. Ячейки второго поколения - это тонкопленочные солнечные элементы, которые включают аморфный кремний, CdTe и элементы CIGS и имеют коммерческое значение в быту. фотоэлектрические электростанции, здания интегрированных фотоэлектрических станций или в небольших автономных энергосистемах. третье поколение солнечных элементов включает в себя ряд тонкопленочных технологий, часто описываемых как новые фотоэлектрические элементы - большинство из них еще не получили коммерческого применения и все еще находятся на стадии исследований или разработок. Многие используют органические материалы, часто металлоорганические соединения, а также неорганические вещества. Несмотря на то, что их эффективность была низкой, а стабильность абсорбирующего материала часто была слишком короткой для коммерческого применения, в эти технологии вкладывается много исследований, поскольку они обещают достичь цели производства недорогих и высокоэффективных солнечные батареи.

Кристаллический кремний

Безусловно, наиболее распространенным объемным материалом для солнечных элементов является кристаллический кремний (c-Si), также известный как «кремний солнечного качества». Объемный кремний разделяется на несколько категорий в соответствии с кристалличностью и размером кристаллов в полученном слитке, ленте или пластине. Эти ячейки полностью основаны на концепции соединения p-n. Солнечные элементы, изготовленные из c-Si, изготавливаются из пластин толщиной от 160 до 240 мкм.

Монокристаллический кремний

Крыша, крышка и большие части внешней оболочки Sion оснащены высокоэффективными ячейками из монокристаллического кремния

Монокристаллический кремний (моно- Si) солнечные элементы имеют монокристаллический состав, который позволяет электронам двигаться более свободно, чем в многокристальной конфигурации. Следовательно, монокристаллические солнечные панели обладают более высокой эффективностью, чем их поликристаллические аналоги. Углы ячеек выглядят обрезанными, как восьмиугольник, потому что материал пластины вырезан из цилиндрических слитков, которые обычно выращиваются с помощью процесса Чохральского. Солнечные панели, в которых используются элементы из моно-кремния, имеют характерный узор из маленьких белых ромбов.

Эпитаксиальное проявление кремния

Эпитаксиальные пластины кристаллического кремния можно выращивать на «затравочной» пластине монокристаллического кремния с помощью химического осаждения из паровой фазы (CVD), а затем отделять их самостоятельно - поддерживающие пластины некоторой стандартной толщины (например, 250 мкм), которыми можно манипулировать вручную, и непосредственно заменяющие пластины пластин, вырезанные из слитков монокристаллического кремния. Солнечные элементы, изготовленные с использованием этой технологии «без пропила », могут иметь эффективность, приближающуюся к эффективности ячеек, нарезанных пластиной, но при значительно более низкой стоимости, если CVD можно проводить при атмосферном давлении в условиях высокой температуры. пропускная способность встроенного процесса. Поверхность эпитаксиальных пластин может быть текстурирована для увеличения поглощения света.

В июне 2015 года сообщалось, что солнечные элементы с гетеропереходом, выращенные эпитаксиально на пластинах монокристаллического кремния n-типа, достигли эффективности 22,5% при общей площади ячейки 243,4 см 2 {\ displaystyle ^ {2}}^{2}.

Поликристаллический кремний

Ячейки поликристаллического кремния или мультикристаллического кремния (multi-Si) изготавливаются из литого квадрата слитки - большие блоки расплавленного кремния, тщательно охлажденные и затвердевшие. Они состоят из мелких кристаллов, придающих материалу типичный эффект металлических чешуек. Ячейки из поликремния являются наиболее распространенным типом, используемым в фотовольтаике, и они менее дороги, но также менее эффективны, чем ячейки из монокристаллического кремния.

Ленточный кремний

Ленточный кремний представляет собой тип поликристаллического кремния - он образуется путем вытягивания плоских тонких пленок из расплавленного кремния и приводит к поликристаллической структуре. Эти элементы дешевле производить, чем мульти-Si, из-за значительного сокращения отходов кремния, поскольку этот подход не требует распиливания из слитков. However, they are also less efficient.

Mono-like-multi silicon (MLM)

This form was developed in the 2000s and introduced comm ерциально примерно в 2009 году. Эта конструкция, также называемая монолитной, использует поликристаллические литейные камеры с небольшими «затравками» моно материала. В результате получается массивный моноподобный материал, который снаружи является поликристаллическим. Нарезанные для обработки, внутренние секции представляют собой высокоэффективные моноподобные ячейки (но квадратные, а не «обрезанные»), в то время как внешние края продаются как обычные поли. Этот метод производства приводит к получению моноподобных ячеек по поли-подобным ценам.

Тонкая пленка

Тонкопленочные технологии уменьшают количество активного материала в ячейке. В большинстве случаев активный материал размещается в виде сэндвича между двумя стеклами. Поскольку в кремниевых солнечных батареях используется только одна стеклянная панель, тонкопленочные панели примерно в два раза тяжелее кристаллических кремниевых панелей, хотя они оказывают меньшее воздействие на окружающую среду (определено на основе анализа жизненного цикла ).

теллурида кадмия

Теллурид кадмия является пока единственным тонкопленочным материалом, который может соперничать с кристаллическим кремнием по соотношению цена / ватт. Однако кадмий очень токсичен, а запасы теллура (анион : «теллурид») ограничены. кадмий, присутствующий в элементах, будет токсичным в случае выброса. Однако выброс невозможен при нормальной работе элементов и маловероятен при пожарах на крышах жилых домов. Квадратный метр CdTe содержит примерно такое же количество Cd как одиночный элемент C никель-кадмиевый аккумулятор, в более стабильной и менее растворимой форме.

Селенид меди, индия, галлия

Селенид меди, индия, галлия (CIGS) представляет собой материал с прямой запрещенной зоной. Он имеет наивысший КПД (~ 20%) среди всех коммерчески значимых тонкопленочные материалы (см. солнечный элемент CIGS ). Традиционные методы производства включают вакуумные процессы, включая совместное испарение и распыление. Последние разработки в IBM и Nanosolar направлены на снижение стоимости за счет использования невакуумных технологий.

Тонкопленочные кремниевые элементы

Кремниевые тонкопленочные элементы в основном осаждаются посредством химического осаждения из паровой фазы (обычно с плазменным усилением, PE-CVD) из газообразного силана и газа водорода. В зависимости от параметров осаждения это может дать аморфный кремний (a-Si или a-Si: H), протокристаллический кремний или нанокристаллический кремний (nc-Si или nc-Si: H), также называемый микрокристаллическим кремнием.

Аморфный кремний - это наиболее хорошо разработанная технология тонких пленок на сегодняшний день. Солнечный элемент из аморфного кремния (a-Si) изготавливается из некристаллического или микрокристаллического кремния. Аморфный кремний имеет большую ширину запрещенной зоны (1,7 эВ), чем кристаллический кремний (c-Si) (1,1 эВ), что означает, что он поглощает видимую часть солнечного спектра сильнее, чем более высокая плотность мощности инфракрасная часть спектр. При производстве тонкопленочных солнечных элементов из a-Si используется стекло в качестве подложки и осаждение очень тонкого слоя кремния посредством химического осаждения из паровой фазы с плазмой (PECVD).

Протокристаллический кремний с низкой объемной долей нанокристаллического кремния оптимален для высокого напряжения холостого хода. Nc-Si имеет примерно такую ​​же ширину запрещенной зоны, как c-Si и nc-Si, и a-Si можно выгодно комбинировать в тонких слоях, создавая многослойную ячейку, называемую тандемной ячейкой. Верхняя ячейка в a-Si поглощает видимый свет и оставляет инфракрасную часть спектра для нижней ячейки в nc-Si.

Тонкая пленка арсенида галлия

Полупроводниковый материал арсенид галлия (GaAs) также используется для монокристаллических тонкопленочных солнечных элементов. Хотя элементы из GaAs очень дороги, они удерживают мировой рекорд по эффективности для однопереходных солнечных элементов - 28,8%. GaAs чаще используется в многопереходных фотоэлементах для концентрированных фотоэлектрических элементов (CPV, HCPV) и для солнечных панелей на космических аппаратах, поскольку промышленность предпочитает эффективность затрат для солнечная энергия космического базирования. Основываясь на предыдущей литературе и некотором теоретическом анализе, можно выделить несколько причин, по которым GaAs обладает такой высокой эффективностью преобразования мощности. Во-первых, ширина запрещенной зоны GaAs составляет 1,43 EV, что почти идеален для солнечных батарей. Во-вторых, поскольку высокоточным продуктом плавления других металлов, элементы из GaAs относительно нечувствительны к нагреванию. В-третьих, GaAs имеет широкий диапазон вариантов конструкции. Используя GaAs в качестве активного слоя в солнечном элементе, инженеры могут иметь несколько вариантов других слоев, которые могут лучше генерировать электроны и дырки в GaAs.

Многопереходные элементы

Dawn мощностью 10 кВт солнечные батареи из арсенида галлия с тройным переходом при полном расширении

Многопереходные элементы состоят из нескольких тонких пленок, каждая из которых по солнечный элемент, выращенный другим, обычно с использованием эпитаксии из паровой фазы металлоорганических соединений. Каждый слой имеет разную ширину запрещенной зоны, что позволяет ему поглощать электромагнитное излучение в разных частях компонента. Для специальных приложений были разработаны изначально многопереходные элементы, такие как спутники и исследование космоса, но сейчас они все чаще используются в наземных фотоэлектрических концентраторах (CPV), появляющихся технология, которая использует линзы и изогнутые зеркала для солнечного света на небольших, высокоэффективных многопереходных солнечных элементах. Концентрируя солнечный свет до тысячи раз, высококонцентрированная фотоэлектрическая энергия (HCPV) может в будущем превзойти от солнечных фотоэлектрических элементов.

Тандемные солнечные элементы на основе монолитного, соединенного соединенного фосфида галлия-индия (GaInP), Продажи арсенида галлия (GaAs) и германия (Ge) p-n увеличиваются, несмотря на давление цен. В период с декабря 2006 года по декабрь 2007 года стоимость металлического галлия 4N выросла примерно с 350 долларов за кг до 680 долларов за кг. Кроме того, в этом году цены на металлический германий выросли до 1000–1200 долларов за кг. Эти материалы включают галлий (4N, 6N и 7N Ga), мышьяк (4N, 6N и 7N) и германий, тигли из пиролитического нитрида бора (pBN) для выращивания кристаллов и оксид бора, эти продукты имеют решающее значение для всей отрасли производства подложек.

Ячейка с тройным переходом, например, может состоять из полупроводников: GaAs, Ge и GaInP. 2. Солнечные из GaAs с тройным переходом использовались в качестве источника энергии для четырехкратных голландских победителей конкурса World Solar Challenge Nuna в 2003, 2005 и 2007 годах, а также для голландских солнечных автомобилей Solutra (2005), Twente One (2007) и 21Revolution (2009). Многопереходные устройства на основе GaAs на сегодняшний день являются наиболее эффективными солнечными элементами. 15 октября 2012 года метаморфические элементы с тройным переходом достигли рекордного уровня в 44%.

Солнечные элементы с двойным переходом GaInP / Si

В 2016 году был описан новый подход к производству гибридных фотоэлектрических пластин. сочетание высокой эффективности многопереходных солнечных элементов III-V с экономией и богатым опытом, созданием с кремнием. Технические сложности, связанные с выращиванием материалов III-V на кремнии при требуемых высоких температурах, которые являются предметом изучения в течение 30 лет, устраняются за счет эпитаксиального роста кремния на GaAs при низкой температуре с помощью химического осаждения из газовой фазы фазы. (PECVD).

Si однопереходные солнечные элементы широко изучаются в течение десятилетий и достигают своей практической эффективности ~ 26% в условиях 1-го солнца. Повышение этой эффективности может потребовать добавления к Si-элементу большего количества ячеек с шириной запрещенной зоны более 1,1 эВ, что позволит преобразовывать коротковолновые фотоны для генерации дополнительного напряжения. Солнечный элемент с двойным переходом и шириной запрещенной зоны 1,6–1,8 эВ в верхнем верхнем элементе может снизить термализационные потери, высокую эффективность внешнего излучения и достичь теоретической эффективности более 45%. Тандемную ячейку можно изготовить путем выращивания ячеек GaInP и Si. Их раздельное выращивание может преодолеть 4% несоответствия постоянной решетки Si и наиболее распространенных слоев III - V, препятствующих непосредственной интеграции в одну ячейку. Таким образом, две ячейки напряжения разделены прозрачным предметным стеклом, поэтому несоответствие решеток не вызывает в системе. В результате создается ячейка с четырьмя электрическими контактами и двумя переходами, эффективность которых составляет 18,1%. При коэффициенте заполнения (FF) 76,2%, нижняя ячейка из Si достигает эффективности 11,7% (± 0,4) в тандемном устройстве, в результате чего совокупная эффективность тандемных элементов составляет 29,8%. Этот КПД теоретический предел в 29,4% и рекордное экспериментальное значение КПД солнечного элемента на основе Si 1, а также выше, чем у устройств на основе GaAs на основе 1 солнечного света с рекордной эффективностью. Однако использование подложки из GaAs дорого и непрактично. Поэтому исследователи пытаются создать ячейку с двумя точками электрическим контактом и одним переходом, для которой не требуется подложка из GaAs. Это означает, что будет прямая интеграция GaInP и Si.

Исследования в области солнечных элементов

Перовскитные солнечные элементы

Перовскитные солнечные элементы - это солнечные элементы, которые включают в себя материал со структурой перовскита в качестве активного слоя. Чаще всего это гибридный органо-неорганический материал на основе галогенида свинца, полученный после обработки в растворе. Эффективность увеличилась с менее 5% при первом использовании в 2009 году до 25,5% в 2020 году, что делает их очень быстро развивающейся технологией и горячей темой в области солнечных элементов. Прогнозируется, что делает их очень привлекательными для коммерциализации. До сих пор несколько типов перовскитных солнечных элементов не достигли достаточной эксплуатационной стабильности для коммерциализации. Показано, что энергетическая и экологическая устойчивость перовскитных солнечных элементов и тандемного перовсикита зависит от структуры.

Двусторонние солнечные элементы

Двухсторонние солнечные элементы в Ното (Сенегал), 1988 г. - Пол окрашен в белый цвет для усиления альбедо.

Благодаря прозрачной задней стороне двусторонние солнечные элементы могут поглощать свет как с передней, так и с задней стороны. Следовательно, они могут больше электроэнергии, чем обычные однофазные солнечные элементы. Первый патент на двусторонние солнечные элементы был подан японским исследователем Хироши Мори в 1966 году. Позже, что Россия была первой, кто говорит двусторонние солнечные элементы в своей космической программе в 1970-х годах. В 1976 году Институт солнечной энергии при Технический университет Мадрида начал исследовательскую программу по разработке двусторонних солнечных элементов под руководством проф. Антонио Луке. На основе патентов США и Испании 1977 года Лука была предложена практическая двусторонняя ячейка с передней поверхностью в качестве анода и задней поверхности в качестве катода; в ранее описанных предложениях и попытках обе стороны были анодными, и соединение между ячейками было сложным и дорогим. В 1980 году Андрес Куэвас, аспирант команды в Лука, экспериментально применил выходной мощности двусторонних солнечных элементов на 50% по сравнению с одинаково ориентированными и наклонными монофациальными, когда был обеспечен белый фон. В 1981 году в Малаге была компания основана Isofoton для производства разработанных двусторонних клеток, что стало первой индустриализацией этой технологии фотоэлементов. При начальной производственной мощности 300 кВт / год. двухсторонних солнечных элементов, первыми ориентирами производства Isofoton были электростанции мощностью 20 кВт в Сан-Агустин-де-Гуадаликс, построенная в 1986 г. для Ибердрола, и автономная установка к 1988 г. также мощностью 20 кВт в г. деревня Ното Гуйе Диама (Сенегал ) финансируется Испанской международной программой помощи и сотрудничества.

Из-за снижения стоимости производства снова начали использовать коммерческие двусторонние модули с 2010 года. В 2017 году в Северной Америке было по крайней мере восемь сертифицированных производителей фотоэлектрических модулей. Глобальная доля рынка двусторонних технологий увеличилась с менее 5% в 2016 году до 30% в 2027 году.

Из-за значительного интереса к двусторонней технологии, недавнее исследование посвящено изучению производительности и оптимизирующих солнечных модулей во всем мире. Результаты, что по всему миру наземные двусторонние модули обеспечивают только ~ 10% прироста годовой выработки электроэнергии по сравнению с моноличными аналогами для коэффициента альбедо земли 25% (типично для бетона и растительности. Грунта). Однако коэффициент усиления можно увеличить до ~ 30%, модуль увеличения на 1 м над землей и коэффициент увеличения альбедо земли до 50%. Sun et al. также получил набор эмпирических уравнений, которые могут аналитически оптимизировать двусторонние солнечные модули. Кроме того, есть свидетельства того, что двусторонние панели работают лучше, чем традиционные панели в заснеженных условиях - двусторонние панели на двухосевых трекерах производят на 14% больше электроэнергии в год, чем их монолицевые аналоги, и на 40% в пиковые зимние месяцы.

Инструмент онлайн-моделирования Доступ для моделирования работы двусторонних модулей в любом произвольном месте по всему миру. Он также может оптимизировать двусторонние модули в зависимости от угла наклона, азимутального угла и высоты над землей.

Промежуточный диапазон

Промежуточный диапазон фотоэлектрических элементов в исследованиях солнечных элементов методы для превышения Предел Шокли - Кейссера на эффективность диапазона. Он вводит уровень энергии промежуточной зоны (IB) между валентной зоной и зоной проводимости. Теоретически введение IB позволяет фотонам с энергией меньше, чем запрещенная зона, возбуждать электрон из валентной зоны в зоне проводимости. Это увеличивает наведенный фототок и, следовательно, эффективность.

Люк и Марти сначала вывели теоретический предел для устройства IB с одним уровнем энергии в средней зазоре, используя детальный баланс. Они предположили, что в IB не собирались и что устройство находилось в полной вместимости. Они представляют, что максимальная эффективность составляет 63,2% для ширины запрещенной зоны 1,95 эВ с IB 0,71 эВ либо из валентной зоны, либо из зоны проводимости. При одном солнечном освещении предельная эффективность составляет 47%.

Жидкие чернила

В 2014 году исследователи из Калифорнийского института наносистем распространение использование кестерита и перовскит улучшенный КПД преобразование электроэнергии для солнечных элементов.

Повышающее преобразование и нижнее преобразование

Повышающее преобразование фотона - это процесс использования двух низкоэнергетических (например, инфракрасных) фотонов, чтобы произвести один фотон большей энергии; преобразование с понижением частоты - это процесс использования одного фотона высокой энергии (например, ультрафиолетового) для получения двух фотонов с меньшей энергией. Любой из этих методов можно использовать для производства солнечных элементов с более высокой эффективностью, позволяя более эффективно использовать солнечные фотоны. Однако эффективность преобразования люминофоров, демонстрирующих повышающее или понижающее преобразование, невысока и обычно является узкополосной.

Одним из методов преобразования с повышением частоты является включение материалов, легированных лантаноидами (Er., Yb., Ho. или их комбинаций), с использованием их люминесценции для преобразования инфракрасного излучения до видимого света. Процесс преобразования с повышением частоты происходит, когда два инфракрасных фотона поглощаются редкоземельными ионами для генерации (высокоэнергетического) поглощаемого фотона. Например, процесс преобразования с повышением частоты передачи энергии (ETU) состоит в последовательных процессах передачи между возбужденными ионами в ближней инфракрасной области. Материал преобразователя с повышением частоты может быть размещен под солнечным соединением для инфракрасного света, проходящего через кремний. Полезные ионы чаще всего находятся в трехвалентном состоянии. Ионы Er. используются наиболее часто. Ионы Er. поглощают солнечное излучение около 1,54 мкм. Два иона Er., которые поглотили это излучение, могут взаимодействовать друг с другом посредством процесса преобразования с повышением частоты. Возбужденный излучает свет через запрещенную ионную зону, которая может генерировать ток. Однако повышение эффективности было небольшим. Кроме того, фториндатные стекла имеют низкую фононную энергию и были предложены в качестве подходящей матрицы, легированной ионами Ho..

Светопоглощающие красители

Сенсибилизированные красители солнечные элементы (DSSC) изготавливаются из недорогих материалов и не требуют сложного производственного оборудования, поэтому их можно потребовать DIY. В целом он должен быть значительно дешевле, чем старые конструкции твердотельных элементов. DSSC могут быть сконструированы в гибкие листы, и хотя его эффективность преобразования меньше, чем у лучших тонкопленочных ячеек, его соотношение цена / качество может быть достаточно высоким, чтобы Чтобы конкурировать с их выработкой электроэнергии на ископаемом топливе.

Обычно рутений металлоорганический краситель (Ru-центрированный) используется в качестве монослоя из светопоглощающего материала, который адсорбируется на тонкой пленке диоксида титана. Сенсибилизированный красителем солнечный элемент зависит от этого мезопористого слоя наночастиц диоксида титана (TiO 2) для значительного увеличения площади поверхности (200–300 м / г TiO. 2по сравнению с примерно 10 м / г плоского монокристалла), что позволяет использовать большее количество красителей на площадь солнечного элемента (что, в конечном итоге, увеличивает ток). Фотогенерированные электроны из светопоглощающего красителя передаются на TiO. 2n-типа, а дырки поглощаются электролитом на другой стороне красителя. Цепь замыкается окислительно-восстановительной парой в электролите, которая может быть жидкой или твердой. Этот тип элемента позволяет более гибко использовать материалы и обычно изготавливается с помощью трафаретной печати или ультразвуковых сопел, что потенциально снижает затраты на обработку, чем те, которые используются для объемных солнечных элементов. Однако красители в этих ячейках также страдают от разложения под воздействием тепла и УФ света, и корпус элемента трудно герметизировать из-за растворителей, используемых при сборке. По этой причине исследователи разработали твердотельные сенсибилизированные красителем солнечные элементы, в которых используется твердый электролит, чтобы избежать утечки. Первая коммерческая поставка солнечных модулей DSSC произошла в июле 2009 года от компании G24i Innovations.

Квантовые точки

Солнечные элементы на квантовых точках (КДСК) основаны на элементе Грацеля или красителе- сенсибилизированная архитектура солнечного элемента, но с использованием малой запрещенной зоны полупроводниковых наночастиц, изготовленных с размерами кристаллитов, достаточно малыми для образования квантовых точек (например, CdS, CdSe, Sb. 2S. 3, PbS и т.д.) вместо органических или металлоорганических красителей в качестве поглотителей света. Из-за токсичности, связанной с соединениями на основе Cd и Pb, в разработке также находится ряд «зеленых» материалов, сенсибилизирующих КТ (таких как CuInS 2, CuInSe 2 и CuInSeS). Квантование размеров квантовых точек позволяет регулировать ширину запрещенной зоны путем простого изменения размера частиц. Они также имеют высокие коэффициенты экстинкции и показали возможность генерации множественных экситонов.

. В КДСК, мезопористый слой наночастиц диоксида титана. образует основу клетки, как в DSSC. Этот слой TiO. 2затем можно сделать фотоактивным путем покрытия полупроводниковыми квантовыми точками с использованием осаждения в химической ванне, электрофоретического осаждения или последовательной адсорбции и реакции ионного слоя. Затем электрическая цепь замыкается за счет использования жидкой или твердой окислительно-восстановительной пары. Эффективность QDSC увеличилась до более чем 5%, как показано для ячеек с жидкостным переходом и твердотельных элементов, с зарегистрированной пиковой эффективностью 11,91%. Стремясь снизить производственные затраты, исследовательская группа Prashant Kamat продемонстрировала солнечную краску, изготовленную из TiO. 2и CdSe, которую можно наносить одноэтапным методом на любую проводящую поверхность с эффективностью более 1%.. Однако поглощение квантовых точек (КТ) в КДСК слабое при комнатной температуре. плазмонные наночастицы можно использовать для решения проблемы слабого поглощения квантовых точек (например, нанозвезд). Другим решением является добавление внешнего источника инфракрасной накачки для возбуждения внутризонных и межзонных переходов квантовых точек.

Органические / полимерные солнечные элементы

Органические солнечные элементы и полимерные солнечные элементы из тонких пленок (обычно 100 нм) органических полупроводников, включая полимеры, такие как полифениленвинилен и низкомолекулярные соединения, такие как фталоцианин меди (синий или зеленый органический пигмент) и углеродные фуллерены и производные фуллеренов, такие как PCBM.

. Их можно обрабатывать из жидкого раствора, что дает возможность простого процесса печати с рулона на рулон, потенциально ведущего к недорогому крупномасштабному производству. Кроме того, эти элементы могут быть полезны для некоторых приложений, где важны механическая гибкость и возможность одноразового использования. Однако текущая эффективность ячеек очень низка, а практических устройств практически не существует.

Эффективность преобразования энергии, достигнутая на сегодняшний день с использованием проводящих полимеров, очень низка по сравнению с неорганическими материалами. Однако Konarka Power Plastic достигла эффективности 8,3%, а органические тандемные элементы в 2012 году достигли 11,1%.

Активная область органического устройства состоит из двух материалов: одного донора электронов и одного электронного акцептор. Когда фотон преобразуется в пару электронов-дырок, обычно в донорном материале, заряды имеют тенденцию оставаться связанными в виде экситона, разделяясь, когда экситон диффундирует к границе раздела донор-акцептор, в отличие от большинства другие типы солнечных элементов. Малая длина диффузии экситонов в большинстве полимерных систем ограничивает эффективность таких устройств. Наноструктурированные интерфейсы, иногда в виде объемных гетеропереходов, могут улучшить производительность.

В 2011 году исследователи из Массачусетского технологического института и штата Мичиган разработали солнечные элементы с энергоэффективностью около 2% и прозрачностью для человеческого глаза более 65 %, что достигается за счет избирательного поглощения ультрафиолетовой и ближней инфракрасной частей спектра низкомолекулярными соединениями. Исследователи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе недавно разработали аналогичный полимерный солнечный элемент, следуя тому же подходу, который на 70% прозрачен и имеет эффективность преобразования энергии 4%. Эти легкие, гибкие элементы можно производить массово по низкой цене и использовать для создания окон для выработки электроэнергии.

В 2013 году исследователи анонсировали полимерные ячейки с эффективностью около 3%. Они использовали блок-сополимеры, самособирающиеся органические материалы, которые образуют отдельные слои. Исследование было сосредоточено на P3HT-b-PFTBT, который разделяется на полосы шириной около 16 нанометров.

Адаптивные клетки

Адаптивные клетки меняют свои характеристики поглощения / отражения в зависимости от условий окружающей среды. Адаптивный материал реагирует на интенсивность и угол падающего света. В той части ячейки, где свет наиболее интенсивен, поверхность ячейки изменяется с отражающей на адаптивную, позволяя свету проникать в ячейку. Другие части ячейки остаются отражающими, увеличивая задержку поглощенного света внутри ячейки.

В 2014 году была разработана система, сочетающая адаптивную поверхность со стеклянной подложкой, которая перенаправляет поглощенный свет на поглотитель света на края листа. Система также включает в себя набор фиксированных линз / зеркал для концентрации света на адаптивной поверхности. В течение дня концентрированный свет перемещается по поверхности клетки. Эта поверхность переключается с отражающей на адаптивную, когда свет наиболее концентрирован, и обратно на отражающую после того, как свет движется.

Текстурирование поверхности

Самолеты Solar Impulse - это одноместные монопланы швейцарской конструкции, полностью приводимые в действие от фотоэлектрических элементов

В последние годы исследователи пытались снизить цену на солнечные элементы, одновременно увеличивая эффективность. Тонкопленочный солнечный элемент - это экономичный солнечный элемент второго поколения со значительно меньшей толщиной за счет эффективности поглощения света. Были предприняты попытки максимизировать эффективность поглощения света при уменьшенной толщине. Текстурирование поверхности - это один из методов, используемых для уменьшения оптических потерь и увеличения поглощения света. В настоящее время большое внимание привлекают методы текстурирования поверхности кремниевых фотоэлектрических элементов. Текстурирование поверхности можно было выполнить несколькими способами. Травление подложки из монокристаллического кремния позволяет получить произвольно распределенные квадратные пирамиды на поверхности с использованием анизотропных травителей. Недавние исследования показывают, что пластины c-Si можно протравить, чтобы сформировать наноразмерные перевернутые пирамиды. Солнечные элементы из многокристаллического кремния из-за более низкого кристаллографического качества менее эффективны, чем солнечные элементы на основе монокристалла, но солнечные элементы на основе mc-Si все еще широко используются из-за меньших производственных трудностей. Сообщается, что поверхность мультикристаллических солнечных элементов может быть текстурирована, чтобы обеспечить эффективность преобразования солнечной энергии, сравнимую с эффективностью монокристаллических кремниевых элементов, с помощью методов изотропного травления или фотолитографии. Лучи падающего света на текстурированную поверхность не отражаются обратно в воздух, в отличие от лучей на плоскую поверхность. Скорее, некоторые световые лучи снова отражаются на другую поверхность из-за геометрии поверхности. Этот процесс значительно повышает эффективность преобразования света в электричество за счет увеличения поглощения света. Этот эффект текстуры, а также взаимодействие с другими интерфейсами в модуле PV представляет собой сложную задачу оптического моделирования. Особенно эффективным методом моделирования и оптимизации является формализм OPTOS. В 2012 году исследователи из Массачусетского технологического института сообщили, что пленки c-Si, текстурированные с помощью наноразмерных перевернутых пирамид, могут достичь поглощения света, сравнимого с 30-кратной толщиной плоского c-Si. В сочетании с антибликовым покрытием технология текстурирования поверхности может эффективно улавливать световые лучи внутри тонкопленочного кремниевого солнечного элемента. Следовательно, необходимая толщина солнечных элементов уменьшается с увеличением поглощения световых лучей.

Инкапсуляция

Солнечные элементы обычно инкапсулируются в прозрачную полимерную смолу для защиты чувствительных участков солнечных элементов от контакта с влагой, грязью, льдом и другими условиями, ожидаемыми во время работы или при используется на открытом воздухе. Инкапсулянты обычно изготавливают из поливинилацетата или стекла. Большинство герметиков однородны по структуре и составу, что увеличивает светосбор за счет улавливания света от полного внутреннего отражения света внутри смолы. Были проведены исследования по структурированию герметика для обеспечения дальнейшего улавливания света. Такие герметики включают шероховатые стеклянные поверхности, дифракционные элементы, решетчатые призмы, воздушные призмы, v-образные канавки, диффузные элементы, а также многонаправленные решетки волноводов. Призменные массивы показывают общее увеличение преобразования солнечной энергии на 5%. Массивы вертикально ориентированных широкополосных волноводов обеспечивают увеличение на 10% при нормальном падении, а также увеличение сбора при широкоугольном излучении до 4%, а оптимизированные структуры обеспечивают увеличение тока короткого замыкания до 20%. Активные покрытия, преобразующие инфракрасный свет в видимый свет, показали рост на 30%. Покрытия из наночастиц, вызывающие плазмонное рассеяние света, увеличивают эффективность широкоугольного преобразования до 3%. Оптические структуры также были созданы из герметизирующих материалов, чтобы эффективно «скрыть» металлические передние контакты.

Производство

Ранние калькуляторы на солнечной энергии

Солнечные элементы используют одни и те же процессы обработки и производства. методы, как и другие полупроводниковые приборы. Однако строгие требования к чистоте и контролю качества производства полупроводников более мягкие для солнечных элементов, что снижает затраты.

Пластины поликристаллического кремния изготавливаются путем распиловки отлитых блоков кремния на пластины размером 180–350 мкм. Пластины обычно слегка легированы p-типом. Поверхностная диффузия легирующих примесей n-типа осуществляется на лицевой стороне пластины. Это формирует p – n-переход на несколько сотен нанометров ниже поверхности.

Затем обычно наносят антибликовое покрытие для увеличения количества света, попадающего в солнечный элемент. Нитрид кремния постепенно заменил диоксид титана в качестве предпочтительного материала из-за его превосходных свойств пассивации поверхности. Он предотвращает рекомбинацию носителей на поверхности клетки. Слой толщиной в несколько сотен нанометров наносится с использованием химического осаждения из газовой фазы с плазменным усилением. Некоторые солнечные элементы имеют текстурированные передние поверхности, которые, как и антиотражающие покрытия, увеличивают количество света, попадающего на пластину. Такие поверхности сначала были нанесены на монокристаллический кремний, а несколько позже - на мультикристаллический кремний.

Металлический контакт по всей площади создается на задней поверхности, а металлический контакт в виде сетки, состоящий из мелких «пальцев» и более крупных «шин», наносится трафаретной печатью на лицевую поверхность с использованием серебряная паста. Это эволюция так называемого «мокрого» процесса наложения электродов, впервые описанного в патенте США, поданном в 1981 г. компанией Bayer AG. Задний контакт формируется путем трафаретной печати металлической пастой, обычно алюминиевой. Обычно этот контакт покрывает всю заднюю часть, хотя в некоторых конструкциях используется сетка. Затем пасту обжигают при нескольких сотнях градусов Цельсия для образования металлических электродов в омическом контакте с кремнием. Некоторые компании используют дополнительную стадию гальваники для повышения эффективности. После создания металлических контактов солнечные элементы соединяются между собой плоскими проводами или металлическими лентами и собираются в модули или «солнечные панели». Панели солнечных батарей имеют лист закаленного стекла спереди и полимерную оболочку сзади.

Производители и сертификация

Производство солнечных элементов по регионам

Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии тестирует и подтверждает солнечные технологии. Три надежных группы сертифицируют солнечное оборудование: UL и IEEE (оба стандарта США) и IEC.

Солнечные элементы массово производятся в Японии, Германии, Китае, Тайване, Малайзия и США, тогда как Европа, Китай, США и Япония доминировали (94% или более по состоянию на 2013 год) по установленным системам. Другие страны приобретают значительные мощности по производству солнечных батарей.

Мировое производство фотоэлементов / модулей увеличилось на 10% в 2012 году, несмотря на снижение инвестиций в солнечную энергию на 9%, согласно ежегодному «Отчету о статусе фотоэлектрических модулей», выпущенному Совместным комитетом Европейской комиссии. Исследовательский центр. Между 2009 и 2013 годами производство элементов выросло в четыре раза.

Китай

С 2013 года Китай является ведущим в мире установщиком солнечных фотоэлектрических элементов (ФЭ). По состоянию на сентябрь 2018 года шестьдесят процентов солнечных фотоэлектрических модулей в мире производились в Китае. По состоянию на май 2018 года крупнейшая в мире фотоэлектрическая станция находится в пустыне Тенггер в Китае. В 2018 году Китай увеличил установленную мощность фотоэлектрических установок (в ГВт), чем следующие 9 стран вместе взятых.

Малайзия

В 2014 году Малайзия была третьим по величине производителем фотоэлектрической энергии в мире оборудования, позади Китая и Европейского Союза.

США

Производство солнечной энергии в США за последние 6 лет увеличилось вдвое. Это было вызвано, в первую очередь, падением цен на качественный кремний, а затем просто глобальным падением стоимости фотоэлектрических модулей. В 2018 году в США было добавлено 10,8 ГВт установленной солнечной фотоэлектрической энергии, увеличившись на 21%.

Утилизация

Солнечные элементы со временем деградируют и теряют свою эффективность. Солнечные элементы в экстремальных климатических условиях, таких как пустыня или полярный климат, более подвержены деградации из-за воздействия резкого ультрафиолетового света и снеговых нагрузок соответственно. Обычно солнечным панелям дается срок службы 25–30 лет, прежде чем они будут выведены из эксплуатации.

По оценке Международного агентства по возобновляемым источникам энергии, количество отходов солнечных панелей, образовавшихся в 2016 году, составило 43 500–250 000 метрических тонн. По оценкам, к 2030 году это число существенно увеличится, и в 2050 году объем отходов достигнет 60–78 миллионов метрических тонн.

Утилизация

Солнечные панели утилизируются различными методами. Процесс рециркуляции включает в себя трехэтапный процесс: рециркуляцию модулей, рециркуляцию элементов и обращение с отходами для разрушения модулей Si и восстановления различных материалов. Восстановленные металлы и Si могут быть повторно использованы в солнечной промышленности и приносят доход в размере 11–12,10 долл. США за модуль при сегодняшних ценах на Ag и Si для солнечной энергии.

Некоторые солнечные модули (например: First Solar CdTe солнечный модуль) содержат токсичные материалы, такие как свинец и кадмий, которые при разрушении могут попасть в почву и загрязнить окружающую среду. Первый завод по переработке солнечных панелей открылся в Руссе, Франция, в 2018 году. Он должен был перерабатывать 1300 тонн отходов солнечных панелей в год и может увеличить его мощность до 4000 тонн.

См. Также

Wind-turbine-icon.svg Возобновляемая энергия портал

Ссылки

Библиография

Внешние ссылки

На Викискладе есть материалы, связанные с Солнечными элементами.
Wikimedia Commons имеет СМИ, относящиеся к солнечным элементам.
Последняя правка сделана 2021-06-08 08:44:34
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте