Войти
| |||
Тонкопленочный солнечный элемент, второе поколение фотоэлектрических элементов (PV) солнечные элементы :
|
A тонкопленочные солнечные панели элемент представляет собой солнечный элемент второго поколения, который изготавливается путем нанесения одного или нескольких тонких слоев или тонкой пленки (TF) из фотоэлектрического материала на подложка, например стекло, пластик или металл. Тонкопленочные солнечные элементы коммерчески используются в нескольких технологиях, включая теллурид кадмия (CdTe), диселенид меди, индия и галлия (CIGS) и аморфный тонкопленочный кремний (a-Si, TF-Si).
Толщина пленки варьируется от нескольких нанометров (нм ) до десятков микрометров (мкм ), что намного тоньше, чем у конкурирующей технологии тонкопленочных материалов, традиционной, первичной поколение кристаллический кремний солнечный элемент (c-Si), в котором используются пластины толщиной до 200 мкм. Это позволяет тонкопленочным ячейкам быть гибкими и иметь меньший вес. Он используется в интегрированных фотоэлектрических элементах зданий и в качестве полу- прозрачного фотоэлектрического остекления, которое может ламинироваться на окна. В других коммерческих приложениях используются жесткие тонкопленочные солнечные панели (чередующиеся между двумя стеклянными панелями) в некоторых из крупнейших в мире фотоэлектрических электростанций.
Тонкопленочная технология всегда использовалась была дешевле, но менее эффективна, чем обычная технология c-Si. Однако с годами он значительно улучшился. Эффективность лабораторных элементов для CdTe и CIGS сейчас превышает 21 процент, превосходя мультикристаллический кремний, доминирующий материал, который в настоящее время используется в большинстве солнечных фотоэлектрических систем. Ускоренные испытания на срок службы Тонкопленочных модулей в лабораторных условиях измеряется несколько более быстрая деградация по сравнению с обычными фотоэлектрическими модулями, в то время как обычно ожидается срок службы 20 лет или более. Несмотря на эти улучшения, рыночная доля тонкопленочных материалов никогда не превышала 20 процентов за последние два десятилетия и в последние годы снижалась до примерно 9 процентов мировых фотоэлектрических установок в 2013 году.
Другие тонкопленочные технологии, которые все еще находятся на ранней стадии текущих исследований или имеют ограниченную коммерческую доступность, часто классифицируются как новые или фотоэлектрические элементы третьего поколения и включают органические и сенсибилизированный красителем, а также квантовая точка, сульфид меди, цинка и олова, нанокристалл, микроморф и перовскитные солнечные элементы.
Доля рынка тонкопленочных технологий с точки зрения годового производства с 1990 года Тонкопленочные элементы хорошо известны с конца 1970-х годов, когда на рынке появились солнечные калькуляторы, работающие на небольшой полоске аморфного кремния.
Теперь он доступен в очень больших модулях, используемых в сложных интегрированных в здание установках и системах зарядки транспортных средств.
Хотя ожидалось, что тонкопленочная технология принесет значительные успехи в На рынке и для того, чтобы превзойти доминирующую технологию кристаллического кремния (c-Si) в долгосрочной перспективе, рыночная доля сокращается уже несколько лет. В то время как в 2010 году, когда не хватало обычных фотоэлектрических модулей, тонкопленочные составляли 15 процентов всего рынка, в 2014 году он снизился до 8 процентов и, как ожидается, стабилизируется на уровне 7 процентов с 2015 года, при этом ожидается появление аморфного кремния. потерять половину своей доли на рынке к концу десятилетия.
Поперечное сечение ячейки TF Тонкопленочные технологии уменьшают количество активного материала в ячейке. Наиболее активный материал сэндвич 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 ). У большинства пленочных панелей эффективность преобразования на 2-3 процентных пункта ниже, чем у кристаллического кремния. теллурид кадмия (CdTe), селенид меди, индия, галлия (CIGS) и аморфный кремний (a-Si) - это три тонкопленочные технологии, которые часто используются для наружного применения.
Теллурид кадмия (CdTe) является преобладающей технологией тонких пленок. На его долю приходится около 5 процентов мирового производства фотоэлектрических систем, что составляет более половины рынка тонких пленок. Лабораторная эффективность ячейки также значительно выросла в последние годы и находится на одном уровне с тонкой пленкой CIGS и близка к эффективности мультикристаллического кремния по состоянию на 2013 год. Кроме того, CdTe имеет самое низкое время окупаемости энергии из все фотоэлектрические технологии массового производства и могут длиться всего восемь месяцев в благоприятных местах. Известным производителем является американская компания First Solar, базирующаяся в Темпе, штат Аризона,, которая производит панели из CdTe с КПД около 14 процентов по заявленной стоимости 0,59 доллара за ватт.
Хотя токсичность кадмия может быть не такой большой проблемой, а экологические проблемы полностью решены с переработкой модулей CdTe по окончании их срока службы, все еще остаются неясности и общественность Мнение скептически относится к этой технологии. Использование редких материалов также может стать ограничивающим фактором для промышленного масштабирования технологии тонких пленок CdTe. Редкость теллура, теллурид которого является анионной формой, сопоставима с редкостью платины в земной коре и значительно увеличивает стоимость модуля.
Возможные комбинации Group- (XI, XIII, XVI ) элементов периодической таблицы, которые дают соединение, демонстрирующее фотоэлектрический эффект : Cu, Ag, Au – Al, Ga, In – S, Se, Te.В солнечном элементе из селенида меди, индия и галлия или элементе CIGS используется поглотитель, изготовленный из медь, индий, галлий, селенид (CIGS), в то время как варианты полупроводникового материала, не содержащие галлия, обозначаются сокращенно CIS. Это одна из трех основных технологий производства тонких пленок, две другие - теллурид кадмия и аморфный кремний, с лабораторной эффективностью более 20 процентов и долей в 2 процента от общего количества. Рынок фотоэлектрических систем в 2013 году. Известным производителем цилиндрических CIGS-панелей была обанкротившаяся компания Solyndra из Фремонта, Калифорния. Традиционные методы производства включают вакуумные процессы, включая совместное испарение и распыление. В 2008 году IBM и Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd. (TOK) объявили, что они разработали новый безвакуумный производственный процесс на основе решений для ячеек CIGS и нацелены на повышение эффективности 15% и
Гиперспектральное изображение было использовано для характеристики этих клеток. Исследователи из IRDEP (Институт исследований и разработок в области фотоэлектрической энергии) в сотрудничестве с Photon etc. ¸ смогли определить расщепление квазиуровня Ферми с помощью карты фотолюминесценции, в то время как данные электролюминесценции были использованы для получения внешней квантовой эффективности (EQE). Кроме того, с помощью эксперимента по картографии с индуцированным световым лучом током (LBIC) EQE микрокристаллического солнечного элемента CIGS может быть определен в любой точке поля зрения.
По состоянию на апрель 2019 года текущий показатель эффективности преобразования для лабораторная ячейка CIGS составляет 22,9%.
Преобладают три основных конструкции модулей на основе кремния:
United Solar Ovonic Линия для производства фотоэлектрических солнечных батарей с рулонами с годовой мощностью 30 МВт Аморфный кремний (a-Si) - это некристаллическая аллотропная форма кремния, наиболее развитая на сегодняшний день технология тонких пленок. Тонкопленочный кремний является альтернативой обычному пластине (или массивному) кристаллическому кремнию. Хотя тонкопленочные элементы на основе халькогенидов и CdTe и CIS были разработаны в лаборатории с большим успехом, промышленность по-прежнему проявляет интерес к тонкопленочным элементам на основе кремния. Устройства на основе кремния имеют меньше проблем, чем их аналоги из CdTe и CIS, такие как проблемы токсичности и влажности с элементами CdTe и низкая производительность производства CIS из-за сложности материала. Кроме того, из-за политического сопротивления использованию неэкологичных материалов в производстве солнечной энергии, использование стандартного кремния не вызывает никаких сомнений.
Аэрокосмический продукт с гибкими тонкопленочными солнечными фотоэлектрическими элементами от United Solar Ovonic Этот тип тонкопленочных элементов в основном изготавливается с помощью технологии, называемой химическим осаждением из паровой фазы с плазменным усилением. В нем используется газовая смесь силана (SiH 4) и водорода для нанесения очень тонкого слоя кремния толщиной всего 1 микрометр (мкм) на подложку, такую как стекло, пластик или металл, который уже был покрыт слоем прозрачного проводящего оксида . Другие методы, используемые для осаждения аморфного кремния на подложку, включают методы распыления и горячей проволоки химического осаждения из паровой фазы.
a-Si привлекателен в качестве материала солнечных элементов, поскольку он обильный, нетоксичный материал. Он требует низкой температуры обработки и обеспечивает масштабируемое производство на гибкой недорогой подложке с небольшим количеством кремниевого материала. Благодаря ширине запрещенной зоны 1,7 эВ аморфный кремний также поглощает очень широкий диапазон светового спектра, который включает инфракрасный и даже некоторый ультрафиолетовый, и работает очень хорошо. при слабом освещении. Это позволяет ячейке генерировать энергию рано утром или поздно днем, а также в пасмурные и дождливые дни, в отличие от элементов кристаллического кремния, которые значительно менее эффективны при экспонировании при диффузном и непрямой дневной свет.
Однако эффективность элемента a-Si претерпевает значительное падение примерно на 10-30 процентов в течение первых шести месяцев эксплуатации. Это называется эффектом Стаблера-Вронски (SWE) - типичная потеря электрической мощности из-за изменений фотопроводимости и темновой проводимости, вызванных продолжительным воздействием солнечного света. Хотя эта деградация полностью обратима при отжиге при 150 ° C или выше, обычные солнечные элементы c-Si не проявляют этого эффекта в первую очередь.
Его основная электронная структура - это переход p-i-n. Аморфная структура a-Si подразумевает высокий собственный беспорядок и оборванные связи, что делает его плохим проводником для носителей заряда. Эти оборванные связи действуют как центры рекомбинации, которые серьезно сокращают время жизни носителей заряда. Обычно используется структура p-i-n, в отличие от структуры n-i-p. Это связано с тем, что подвижность электронов в a-Si: H примерно на 1-2 порядка больше, чем у дырок, и, таким образом, скорость сбора электронов, движущихся от контакта n- к p-типу, лучше, чем у дырок, движущихся из контакта. Контакт p- к n-типу. Следовательно, слой p-типа следует размещать наверху, где интенсивность света выше, так чтобы большинство носителей заряда, пересекающих переход, были электронами.
Слой аморфного кремния может быть объединен со слоями других аллотропных форм кремния для получения многопереходного солнечного элемента. Когда объединены только два слоя (два p-n перехода), это называется тандемной ячейкой. При наложении этих слоев друг на друга поглощается более широкий диапазон световых спектров, повышая общую эффективность ячейки.
В микроморфном кремнии слой микрокристаллического кремния (μc-Si) объединен с аморфным кремнием, образуя тандемный элемент. Верхний слой a-Si поглощает видимый свет, оставляя инфракрасную часть нижнему слою μc-Si. Концепция микроморфных ячеек со стопкой была впервые разработана и запатентована в Институте микротехнологии (IMT) Университета Невшателя в Швейцарии и лицензирована для TEL Solar. Новый фотоэлектрический модуль с мировым рекордом, основанный на концепции микроморфа с эффективностью модуля 12,24%, был независимо сертифицирован в июле 2014 года.
Поскольку все слои сделаны из кремния, они могут быть изготовлены с использованием PECVD. Ширина запрещенной зоны для a-Si составляет 1,7 эВ, а для c-Si - 1,1 эВ. Слой c-Si может поглощать красный и инфракрасный свет. Наилучшего КПД можно достичь при переходе между a-Si и c-Si. Поскольку нанокристаллический кремний (nc-Si) имеет примерно такую же ширину запрещенной зоны, как c-Si, nc-Si может заменить c-Si.
Аморфный кремний также может быть объединен с протокристаллическим кремнием (pc-Si) в тандемную ячейку. Протокристаллический кремний с низкой объемной долей нанокристаллического кремния оптимален для высокого напряжения холостого хода. Эти типы кремния содержат оборванные и скрученные связи, что приводит к глубоким дефектам (энергетическим уровням в запрещенной зоне), а также к деформации валентной и зон проводимости (хвосты зон).
Новой попыткой объединить преимущества объемного кремния с преимуществами тонкопленочных устройств является тонкопленочный поликристаллический кремний на стекле. Эти модули производятся путем нанесения антиотражающего покрытия и легированного кремния на текстурированные стеклянные подложки с использованием плазменного химического осаждения из паровой фазы (PECVD). Текстура стекла увеличивает эффективность элемента примерно на 3% за счет уменьшения количества падающего света, отражающегося от солнечного элемента и улавливающего свет внутри солнечного элемента. Пленка кремния кристаллизируется на этапе отжига при температурах 400–600 Цельсия, в результате чего получается поликристаллический кремний.
Эти новые устройства демонстрируют эффективность преобразования энергии 8% и высокую производительность>90%. Кристаллический кремний на стекле (CSG), в котором размер поликристаллического кремния составляет 1-2 микрометра, отличается своей стабильностью и долговечностью; Использование тонкопленочных технологий также способствует экономии затрат по сравнению с объемными фотоэлектрическими элементами. Эти модули не требуют наличия прозрачного проводящего оксидного слоя. Это упрощает производственный процесс вдвое; не только этот шаг можно пропустить, но отсутствие этого слоя значительно упрощает процесс построения схемы контактов. Оба эти упрощения дополнительно снижают стоимость производства. Несмотря на многочисленные преимущества перед альтернативной конструкцией, оценка стоимости производства на единицу площади показывает, что эти устройства сопоставимы по стоимости с однопереходными аморфными тонкопленочными элементами.
Полупроводник Материал арсенид галлия (GaAs) также используется для монокристаллических тонкопленочных солнечных элементов. Хотя элементы из GaAs очень дороги, они удерживают мировой рекорд по самой высокой эффективности однопереходных солнечных элементов - 28,8%. GaAs чаще используется в многопереходных солнечных элементах для солнечных панелей на космических аппаратах, поскольку большее соотношение мощности к весу снижает затраты на запуск в солнечной энергии космического базирования (InGaP / (In) GaAs /Ge ячейки). Они также используются в фотогальванике с концентраторами, новой технологии, которая лучше всего подходит для мест, которые получают много солнечного света, с использованием линз для фокусировки солнечного света на гораздо меньших, а значит, менее дорогих солнечных элементах концентратора GaAs.
Экспериментальный солнечный элемент на основе кремния, разработанный в Sandia National Laboratories Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL) классифицирует ряд тонкопленочных как новые фотоэлектрические технологии - 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 вложено много исследований, поскольку они обещают достичь цели производства недорогих и высокоэффективных солнечные батареи.
Новые фотоэлектрические элементы, часто называемые фотоэлектрическими элементами третьего поколения, включают:
Особенно большое внимание в исследованиях привлекли достижения в исследованиях перовскитных элементов. общественности, так как эффективность их исследований в последнее время превысила 20 процентов. Они также предлагают широкий спектр недорогих приложений. Кроме того, в другой новой технологии, фотоэлектрические концентраторы (CPV), используются высокоэффективные многопереходные солнечные элементы в сочетании с оптическими линзами и системой слежения.
КПД солнечных элементов различных технологий элементов (включая как монокристаллические, так и тонкопленочные) по данным NREL Достижимая эффективность тонкопленочных солнечных элементов чрезвычайно зависит от выбранного полупроводника и технологии выращивания. Постепенное повышение эффективности началось с изобретения первого современного кремниевого солнечного элемента в 1954 году. К 2010 году эти постоянные улучшения привели к появлению модулей, способных преобразовывать от 12 до 18 процентов солнечного излучения в электричество. Повышение эффективности продолжало ускоряться с 2010 года, как показано на прилагаемой диаграмме.
Элементы, изготовленные из новых материалов, как правило, менее эффективны, чем объемный кремний, но менее дороги в производстве. Их квантовая эффективность также ниже из-за уменьшения количества собранных носителей заряда на падающий фотон.
Характеристики и потенциал тонкопленочных материалов высоки, достигая эффективности ячейки 12–20%; прототип КПД модуля 7–13%; и производство модулей в пределах 9%. Прототип тонкопленочного элемента с наилучшей эффективностью дает 20,4% (First Solar), что сравнимо с эффективностью лучшего прототипа обычного солнечного элемента в 25,6% от Panasonic.
NREL, когда однажды прогнозировалось, что затраты упадут ниже 100 долларов / м, а позже может упасть ниже 50 долл. / м.
Новый рекорд эффективности тонкопленочных солнечных элементов в 22,3% был достигнут солнечной границей крупнейшей в мире солнечной энергетикой стран СНГ. провайдер. В совместных исследованиях с Организацией по развитию новой энергетики и промышленных технологий (NEDO) Японии компания Solar Frontier достигла эффективности преобразования 22,3% на элементе 0,5 см с использованием своей технологии CIS. Это на 0,6 процентных пункта больше, чем предыдущий отраслевой рекорд для тонкопленочных материалов, составлявший 21,7%.
Для увеличения количества света, попадающего в ячейку, и уменьшения количество, которое выходит без всасывания. Наиболее очевидный метод - минимизировать покрытие верхнего контакта поверхности ячейки, уменьшая площадь, которая блокирует попадание света в ячейку.
Слабо поглощаемый длинноволновый свет может быть направлен в кремний под углом и несколько раз пересекает пленку для увеличения поглощения.
Было разработано несколько методов увеличения поглощения за счет уменьшения количества падающих фотонов отражается от поверхности клетки. Дополнительное антибликовое покрытие может вызвать деструктивную интерференцию внутри ячейки за счет модуляции показателя преломления поверхностного покрытия. Деструктивная интерференция устраняет отраженную волну, заставляя весь падающий свет попадать в ячейку.
Текстурирование поверхности - еще один вариант увеличения абсорбции, но увеличивает затраты. Нанося текстуру на поверхность активного материала, отраженный свет может преломляться и снова падать на поверхность, тем самым снижая коэффициент отражения. Например, текстурирование черного кремния путем реактивного ионного травления (RIE) является эффективным и экономичным подходом к увеличению поглощения тонкопленочных кремниевых солнечных элементов. Текстурированный обратный отражатель может предотвратить выход света через заднюю часть ячейки.
В дополнение к текстурированию поверхности большое внимание привлекла схема плазмонного улавливания света, способствующая увеличению фототока в тонкопленочных солнечных элементах. Этот метод использует коллективные колебания возбужденных свободных электронов в наночастицах благородных металлов, на которые влияют форма частиц, размер и диэлектрические свойства окружающей среды.
Помимо минимизации потерь на отражение, сам материал солнечного элемента может быть оптимизирован, чтобы иметь более высокий шанс поглощения фотона, который достигает его. Методы термической обработки могут значительно улучшить кристаллическое качество кремниевых ячеек и тем самым повысить эффективность. Также может быть выполнено наслоение тонкопленочных элементов для создания многопереходных солнечных элементов. Ширина запрещенной зоны каждого слоя может быть спроектирована так, чтобы наилучшим образом поглощать различный диапазон длин волн, так что вместе они могут поглощать больший спектр света.
Дальнейшее развитие геометрических соображений может использовать размерность наноматериала. Большие параллельные массивы нанопроволок обеспечивают большую длину поглощения по длине проволоки, сохраняя при этом короткие длины диффузии неосновных носителей заряда в радиальном направлении. Добавление наночастиц между нанопроводами обеспечивает проводимость. Естественная геометрия этих массивов образует текстурированную поверхность, которая улавливает больше света.
Мировой рынок фотоэлектрических систем по технологиям в 2013 году.
multi-Si (54,9%) mono-Si (36,0%) CdTe (5,1%) a-Si (2,0%) CIGS (2,0%)С достижениями в традиционном технология кристаллического кремния (c-Si) в последние годы и падение стоимости исходного сырья поликремния, которое последовало после периода серьезного глобального дефицита, усилило давление на производителей коммерческих тонкопленочных технологий, включая аморфный тонкопленочный кремний (a-Si), теллурид кадмия (CdTe) и диселенид галлия, индия (CIGS), что привело к банкротству нескольких компаний. По состоянию на 2013 год производители тонких пленок продолжают сталкиваться с ценовой конкуренцией со стороны китайских переработчиков кремния и производителей обычных солнечных панелей c-Si. Некоторые компании вместе с их патентами были проданы китайским фирмам по цене ниже себестоимости.
В 2013 году на тонкопленочные технологии приходилось около 9 процентов мирового развертывания, в то время как 91 процент принадлежал кристаллический кремний (моно-Si и мульти-Si ). На долю CdTe приходится 5 процентов всего рынка, CdTe занимает более половины рынка тонких пленок, оставляя по 2 процента каждой CIGS и аморфному кремнию.
Тонкопленочные фотоэлементы были включены в список лучших изобретений 2008 года журнала Time Magazine.
Портал возобновляемых источников энергии 
Энергетический портал 
