Солнечная батарея

Обычный кристаллический кремниевый солнечный элемент (по состоянию на 2005 год). На силиконовой пластине напечатаны электрические контакты из шин (большие полоски серебристого цвета) и пальцев (меньшие) .

Символ фотоэлектрического элемента.

Солнечные батареи , или фотоэлектрический элемент , представляет собой электрическое устройство , которое преобразует энергию света непосредственно в электроэнергию с помощью фотоэлектрического эффекта , который представляет собой физическое и химическое явление. ^[1] Это форма фотоэлемента, определяемого как устройство, электрические характеристики которого, такие как ток , напряжение или сопротивление , изменяются под воздействием света. Индивидуальные солнечные элементы часто являются электрическими строительными блоками фотоэлектрических модулей , известных в просторечии как солнечные панели. Обычный однопереходный кремнийсолнечный элемент может производить максимальное напряжение холостого хода приблизительно от 0,5 до 0,6 вольт. ^[2]

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

Для работы фотоэлемента требуются три основных атрибута:

• Поглощение света, либо генерации электронно - дырочных пар или экситонов .
• Разделение носителей заряда противоположных типов.
• Отдельное извлечение этих носителей во внешнюю цепь.

Напротив, солнечный тепловой коллектор поставляет тепло , поглощая солнечный свет , с целью прямого нагрева или косвенного производства электроэнергии из тепла. «Фотоэлектролитическая ячейка» ( фотоэлектрохимическая ячейка ), с другой стороны, относится либо к типу фотоэлектрической ячейки (например, разработанной Эдмондом Беккерелем и современными сенсибилизированными красителями солнечных элементов ), либо к устройству, которое расщепляет воду непосредственно на водород и кислород, использующий только солнечное освещение.

Приложения [ править ]

Сборки солнечных элементов используются для изготовления солнечных модулей , вырабатывающих электроэнергию из солнечного света , в отличие от «солнечного теплового модуля» или «солнечной панели для горячей воды». Солнечная батарея генерирует солнечную энергию, используя солнечную энергию .

Ячейки, модули, панели и системы [ править ]

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

Однако проблемы в параллельных ячейках, такие как эффекты тени, могут отключать более слабую (менее освещенную) параллельную цепочку (ряд последовательно соединенных ячеек), вызывая значительную потерю мощности и возможное повреждение из-за обратного смещения, прикладываемого к затененным ячейкам их освещенными партнерами. . ^{[ необходима цитата ]}

Хотя модули могут быть соединены между собой для создания массива с желаемым пиковым напряжением постоянного тока и допустимой нагрузкой по току, что может быть выполнено с использованием или без использования независимых MPPT ( трекеров максимальной мощности ) или, в зависимости от каждого модуля, с электроникой мощности уровня модуля или без (MLPE) блоки, такие как микроинверторы или оптимизаторы DC-DC . Шунтирующие диоды могут уменьшить потери мощности затенения в массивах с последовательно / параллельно соединенными ячейками.

История [ править ]

Фотоэлектрический эффект был экспериментально продемонстрирован первым французским физик Эдмон Беккерель . 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 журнале Nature от 20 февраля 1873 года . В 1883 году Чарльз Фриттс построил первый твердотельный фотоэлектрический элемент, покрыв полупроводниковый селен тонким слоем золота, чтобы сформировать переходы; КПД устройства составлял всего около 1%. Другие вехи включают:

• 1888 г. - русский физик Александр Столетов построил первую ячейку на основе внешнего фотоэлектрического эффекта, открытого Генрихом Герцем в 1887 г. ^[5]
• 1905 г. - Альберт Эйнштейн предложил новую квантовую теорию света и объяснил фотоэлектрический эффект в знаменательной статье, за которую он получил Нобелевскую премию по физике в 1921 г. ^[6]
• 1941 - Вадим Лашкарёв обнаружил р - н -junctions в Cu - O и Ag 2 S протоклетках. ^[7]
• 1946 - Рассел Ол запатентовал современный полупроводниковый солнечный элемент ^[8] , работая над рядом достижений, которые привели к созданию транзистора .
• 1948 - « Введение в мир полупроводников» заявляет, что Курт Леховец, возможно, был первым, кто объяснил фотогальванический эффект в рецензируемом журнале Physical Review . ^{[9] [10]}
• 1954 - Первый практический фотоэлектрический элемент был публично продемонстрирован в Bell Laboratories . ^[11] Изобретателями были Кальвин Саутер Фуллер , Дэрил Чапин и Джеральд Пирсон . ^[12]
• 1957 - Египетский инженер Мохамед М. Atalla развивает процесс кремния пассивации поверхности с помощью термического окисления в Bell Laboratories. ^{[13] [14]} С тех пор процесс пассивации поверхности имеет решающее значение для эффективности солнечных элементов . ^[15]
• 1958 - Солнечные элементы получили известность после их включения на спутник Vanguard I.

Космические приложения [ править ]

Солнечные элементы впервые были широко использованы, когда они были предложены и запущены на спутнике Vanguard в 1958 году в качестве альтернативного источника энергии для источника питания от первичной батареи . 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, вращающихся вокруг Земли, и ряда зондов в солнечной системе, поскольку они обеспечивали наилучшее соотношение мощности к массе . 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. Рынок космической энергии стимулировал разработку более эффективных солнечных элементов до тех пор, пока программа Национального научного фонда «Исследования, применяемые для национальных нужд» не начала стимулировать разработку солнечных элементов для наземных применений.

В начале 1990 - х лет технология , используемая для космических солнечных батарей расходилась от кремниевой технологии , используемой для наземных панелей, с приложением космического аппарата переходит к арсениду галлия основанной III-V полупроводниковых материалов, которые затем эволюционировали в современный III-V многопереходного фотоэлектрический элемент , используемом на космическом корабле.

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 новые технологии, реализованные на спутниках, представляют собой многопереходные фотоэлектрические элементы, которые состоят из различных PN-переходов с различной шириной запрещенной зоны для использования более широкого спектра солнечной энергии. Кроме того, большие спутники требуют использования больших солнечных батарей для производства электроэнергии. Эти солнечные батареи необходимо разбить, чтобы они соответствовали 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.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.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.^[16]

Снижение цен [ править ]

Улучшения были постепенными 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 1971 года примерно до 100 долларов за ватт. ^[17]

В конце 1969 года Эллиот Берман присоединился к рабочей группе Exxon, которая искала проекты на 30 лет вперед, и в апреле 1973 года он основал Solar Power Corporation (SPC), в то время находившуюся в полной собственности Exxon. ^{[18] [19] [20]} Группа пришла к выводу, что к 2000 году электроэнергия станет 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. ^[18]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, акриловый пластик спереди и силиконовый клей между ними, «залит» ячейки. ^[21] Солнечные элементы могут быть изготовлены из отбросов с рынка электроники. К 1973 году они анонсировали продукт, и SPC убедила Tideland Signal использовать свои панели для питания навигационных буев , первоначально для береговой охраны США. ^[19]

Исследования и промышленное производство [ править ]

Исследования солнечной энергии для наземных приложений 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 ^[22] и финансировала исследования по развитию солнечной энергии. для наземных систем электроснабжения. Конференция 1973 года, Cherry Hill Conference, сформулировала технологические цели, необходимые для достижения этой цели, и обрисовала в общих чертах амбициозный проект по их достижению, положив начало программе прикладных исследований, которая будет продолжаться в течение нескольких десятилетий. ^[23] Программа была в конечном итоге передана Управлению энергетических исследований и разработок (ERDA), ^[24] которое позже было объединено вМинистерство энергетики США .

После нефтяного кризиса 1973 года нефтяные компании использовали свою более высокую прибыль для создания (или покупки) компаний по производству солнечной энергии и на протяжении десятилетий были крупнейшими производителями. Exxon, ARCO, Shell, Amoco (позже приобретенная BP) и Mobil в 1970-х и 1980-х годах имели крупные подразделения по производству солнечной энергии. В нем также приняли участие технологические компании, в том числе General Electric, Motorola, IBM, Tyco и RCA. ^[25]

Снижение затрат и экспоненциальный рост [ править ]

С поправкой на инфляцию, в середине 1970-х годов он стоил 96 долларов за ватт для солнечного модуля. Согласно данным Bloomberg New Energy Finance, благодаря усовершенствованию технологических процессов и очень значительному увеличению производства этот показатель снизился на 99% до 68 центов на ватт в 2016 году. ^[26] Закон Суонсона - это наблюдение, аналогичное закону Мура, согласно которому цены на солнечные элементы падают на 20% при каждом удвоении производственных мощностей. Об этом говорилось в статье в британской еженедельной газете The Economist в конце 2012 года ^[27].

Дальнейшие усовершенствования снизили стоимость производства до менее 1 доллара за ватт при оптовых затратах ниже 2 долларов. Баланс системных затрат тогда был выше, чем у панелей. Большие коммерческие массивы могут быть построены к 2010 году по цене ниже 3,40 доллара за ватт при полном вводе в эксплуатацию. ^{[28] [29]}

По мере того как полупроводниковая промышленность переходила на все более крупные були , старое оборудование становилось недорогим. Размеры ячеек росли по мере того, как оборудование становилось доступным на избыточном рынке; В оригинальных панелях ARCO 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 во всех новых панелях используются ячейки 156 мм. Широкое распространение телевизоров с плоским экраном в конце 1990-х и начале 2000-х годов привело к широкой доступности больших высококачественных стеклянных листов для покрытия панелей.

В течение 1990-х годов все более популярными стали поликремниевые («поли») клетки. Эти клетки обладают меньшей эффективностью, чем их монокремниевые («монокремниевые») аналоги, но их выращивают в больших чанах, что снижает стоимость. К середине 2000-х годов полиамид был доминирующим на рынке недорогих панелей, но в последнее время моно вернулся к широкому распространению.

Производители пластинчатых элементов отреагировали на высокие цены на кремний в 2004–2008 годах быстрым сокращением потребления кремния. В 2008 году, по словам Джефа Поортманса, директора департамента органики и солнечной энергии IMEC , в токовых элементах используется 8–9 граммов (0,28–0,32 унции) кремния на ватт выработки электроэнергии, а толщина пластин составляет около 200  микрон . 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 ^[29] за ватт по сравнению с 2010 годом. В 2012 году цены продолжали падать, достигнув к 4 кварталу 2012 года 0,62 доллара за ватт. ^[30]

Наиболее быстро солнечные фотоэлектрические системы развиваются в Азии, при этом на Китай и Японию в настоящее время приходится половина мирового развертывания . ^[31] Глобальная установленная фотоэлектрическая мощность достигла не менее 301 гигаватт в 2016 году и выросла до 1,3% мировой мощности к 2016 году. ^[32]

Фактически, энергия, потребляемая кремниевыми солнечными элементами за один доллар, с 2004 года превосходила ее нефтяной аналог. ^[33] Ожидалось, что электроэнергия от фотоэлектрических панелей будет конкурентоспособна с оптовыми затратами на электроэнергию по всей Европе, а время окупаемости энергии составит количество модулей кристаллического кремния может быть сокращено до менее 0,5 года к 2020 году. ^[34]

Субсидии и паритет сетки [ править ]

Зеленые тарифы на солнечную энергию различаются в зависимости от страны и внутри страны. Такие тарифы стимулируют развитие проектов солнечной энергетики. Широко распространенный сетевой паритет , точка, в которой фотоэлектрическая электроэнергия равна или дешевле, чем электроэнергия в сети без субсидий, вероятно, потребует достижений по всем трем направлениям. Сторонники солнечной энергии надеются сначала достичь паритета энергосистемы в районах с обильным солнцем и высокими затратами на электроэнергию, например, в Калифорнии и Японии . ^[35] В 2007 году BP заявила о паритете энергосистемы Гавайев и других островов, которые иначе используют дизельное топливо для производства электроэнергии. Джордж Бушустановить 2015 год в качестве даты паритета энергосистемы США. ^{[36] [37]} Фотоэлектрическая ассоциация сообщила в 2012 году, что Австралия достигла сетевого паритета (без учета льготных тарифов). ^[38]

Цена на солнечные панели неуклонно падала в течение 40 лет, прервавшись в 2004 году, когда высокие субсидии в Германии резко повысили спрос и значительно повысили цену на очищенный кремний (который используется в компьютерных микросхемах, а также в солнечных панелях). Спад 2008 года и начало китайского производства вызвали цену 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. ^[39] В декабре 2012 года цена китайских солнечных панелей упала до 0,60 доллара США / Вт (кристаллические модули). ^[40](Аббревиатура Wp означает пиковую мощность в ваттах или максимальную мощность при оптимальных условиях. ^[41] )

По состоянию на конец 2016 года было сообщено, что спотовые цены на собранные солнечные панели (не элементы) упали до рекордно низкого уровня в 0,36 доллара США за Вт. 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 как минимум безубыточным. Многие производители ожидали, что к концу 2017 года затраты упадут примерно до $ 0,30. ^[42] Также сообщалось, что новые солнечные установки были дешевле, чем угольные тепловые электростанции в некоторых регионах мира, и это ожидалось. случай в большей части мира в течение десятилетия. ^[43]

Теория [ править ]

Солнечный элемент работает в несколько этапов:

• Фотоны в солнечном свете попадают на солнечную панель и поглощаются полупроводниковыми материалами , такими как легированный кремний .
• Электроны будут возбуждаться от их тока молекулярного / атомной орбитали . Будучи возбужденным, электрон может либо рассеять энергию в виде тепла и вернуться на свою орбиталь, либо пройти через ячейку, пока не достигнет электрода. Ток течет через материал, чтобы нейтрализовать потенциал, и это электричество улавливается. В химических связей материала имеют жизненно важное значение для этого процесса к работе, и , как правило кремния используется в двух слоев, один слой , легированный с бором , с другой фосфора . Эти слои имеют разные химические электрические заряды и, следовательно, как управляют, так и направляют ток электронов.^[1]
• Массив солнечных элементов преобразует солнечную энергию в полезное количество электричества постоянного тока (DC).
• Инвертор может преобразовать питание переменного тока (AC).

Наиболее широко известный солнечный элемент представляет собой p – n-переход большой площади, сделанный 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, позволяющую свету проникать в активный материал и собирать его. 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. ^[44]

Эффективность [ править ]

Эффективность солнечного элемента может быть разбита на эффективность отражения, термодинамическую эффективность, эффективность разделения носителей заряда и эффективность проводимости. Общая эффективность - это результат этих индивидуальных показателей.

Эффективность преобразования энергии солнечного элемента является параметром , который определяется фракция падающей мощности преобразуется в электрическую энергию. ^[45]

Солнечный элемент имеет кривую КПД, зависящую от напряжения, температурные коэффициенты и допустимые углы тени.

Из-за сложности прямого измерения этих параметров заменяются другие параметры: термодинамическая эффективность, квантовая эффективность , интегральная квантовая эффективность , отношение V OC и коэффициент заполнения. Потери на отражение являются частью квантовой эффективности при « внешней квантовой эффективности ». Потери рекомбинации составляют другую часть квантовой эффективности, отношения V _OC и коэффициента заполнения. Резистивные потери в основном классифицируются по коэффициенту 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 тока короткого замыкания . Это ключевой параметр при оценке производительности. В 2009 году типичные коммерческие солнечные элементы имели коэффициент заполнения> 0,70. Уровень B-клеток обычно составлял от 0,4 до 0,7. ^[46] 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 на основе кристаллического кремния с одинарным p − n-переходом сейчас приближаются к теоретическому пределу энергетической эффективности 33,16% ^[47], отмеченному как предел Шокли – Кайссера в 1961 году. В крайнем случае, с бесконечным числом слоев соответствующий предел составляет 86%. используя концентрированный солнечный свет. ^[48]

В 2014 году три компании побили рекорд в 25,6% по кремниевым солнечным элементам. 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. ^[49]

В 2015 году четырехпереходный солнечный элемент GaInP / GaAs // GaInAsP / GaInAs достиг нового лабораторного рекорда эффективности 46,1% (коэффициент концентрации солнечного света = 312) в рамках французско-немецкого сотрудничества между Институтом систем солнечной энергии им. Фраунгофера (Fraunhofer). ISE) , CEA-LETI и SOITEC. ^[50]

В сентябре 2015 года Fraunhofer ISE объявила о достижении эффективности выше 20% для эпитаксиальных пластинчатых ячеек. Работа по оптимизации производственной цепочки химического осаждения из паровой фазы при атмосферном давлении (APCVD) проводилась в сотрудничестве с NexWafe GmbH, компанией, выделившейся из Fraunhofer ISE для коммерциализации производства. ^{[51] [52]}

Для тонкопленочных солнечных элементов с тройным переходом мировой рекорд - 13,6%, установленный в июне 2015 года ^[53].

В 2016 году исследователи из Fraunhofer ISE объявили о трехконтурном солнечном элементе GaInP / GaAs / Si с двумя выводами, эффективность которого без концентрации составляет 30,2%. ^[54]

В 2017 году группа исследователей из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL), EPFL и CSEM ( Швейцария ) сообщила 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 уложено вместе с кремниевым солнечным элементом, чтобы достичь рекордной эффективности одного солнца в 35,9% для солнечных элементов с тройным переходом. ^[55]

Материалы [ править ]

Солнечные элементы обычно называют в честь полупроводникового материала, из которого они сделаны. Эти материалы должны обладать определенными характеристиками, чтобы поглощать солнечный свет . Некоторые ячейки предназначены для обработки солнечного света, который достигает поверхности Земли, в то время как другие оптимизированы для использования в космосе . Солнечные элементы могут быть изготовлены только из одного слоя светопоглощающего материала ( однопереходный ) или использовать несколько физических конфигураций ( многопереходные ), чтобы воспользоваться преимуществами различных механизмов поглощения и разделения заряда.

Солнечные элементы можно разделить на элементы первого, второго и третьего поколения. Ячейки первого поколения - также называемые обычными, традиционными ячейками или ячейками на основе пластины - изготовлены из кристаллического кремния , коммерчески преобладающей фотоэлектрической технологии, которая включает такие материалы, как поликремний и монокристаллический кремний . Ячейки второго поколения представляют собой тонкопленочные солнечные элементы , которые включают аморфный кремний , элементы CdTe и CIGS, и имеют коммерческое значение в фотоэлектрических электростанциях промышленного масштаба , в строительстве интегрированных фотоэлектрических элементов или в небольших автономных энергосистемах.. Третье поколение солнечных элементов включает в себя ряд тонкопленочных технологий часто описываются как возникающие фотоэлектрические-большинство из них еще не было коммерчески применено и все еще находятся в стадии исследования или разработки. 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 по производству недорогих и высокоэффективных. солнечные батареи.

Кристаллический кремний [ править ]

Безусловно, наиболее распространенным сыпучим материалом для солнечных элементов является кристаллический кремний (c-Si), также известный как «кремний солнечного качества». ^{[ необходима цитата ]} Объемный кремний разделяется на несколько категорий в зависимости от кристалличности и размера кристаллов в полученном слитке , ленте или пластине . Эти ячейки полностью основаны на концепции pn-перехода . Солнечные элементы из c-Si изготавливаются из пластин толщиной от 160 до 240 микрометров.

Монокристаллический кремний [ править ]

Солнечные элементы из монокристаллического кремния (моно-Si) 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. ^[56] Углы ячеек выглядят обрезанными, как восьмиугольник, потому что материал пластины вырезан из цилиндрических слитков, которые обычно выращиваются методом Чохральского . Солнечные панели, в которых используются элементы из моно-кремния, имеют характерный узор из маленьких белых ромбов.

Разработка эпитаксиального кремния [ править ]

Эпитаксиальные пластины кристаллического кремния могут быть выращены на «затравочной» пластине из монокристаллического кремния путем химического осаждения из паровой фазы (CVD), а затем отсоединены как самонесущие пластины некоторой стандартной толщины (например, 250 мкм), которыми можно манипулировать вручную, и непосредственно заменены пластинчатыми ячейками, вырезанными из слитков монокристаллического кремния. Солнечные элементы, изготовленные с помощью этой технологии «без прорезей », могут иметь эффективность, приближающуюся к эффективности ячеек, нарезанных пластиной, но при значительно более низкой стоимости, если CVD можно проводить при атмосферном давлении в высокопроизводительном поточном процессе. ^{[51] [52]} Поверхность эпитаксиальных пластин может быть текстурирована для улучшения поглощения света. ^{[57] [58]}

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 элемента 243,4 см . ^[59]${\displaystyle ^{2}}$

Поликристаллический кремний [ править ]

Ячейки из поликристаллического кремния или мультикристаллического кремния (мульти-Si) изготавливаются из литых квадратных слитков - больших блоков расплавленного кремния, тщательно охлаждаемых и затвердевающих. 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.

Лента силиконовая [ править ]

Ленточный кремний - это тип поликристаллического кремния - он образуется путем вытягивания плоских тонких пленок из расплавленного кремния и приводит к поликристаллической структуре. Эти клетки дешевле сделать , чем мульти-Si, в связи с большим сокращением кремния отходов, поскольку этот подход не требует распиливания из слитков . ^[60] Однако они также менее эффективны.

Моно-подобный-мульти-кремний (MLM) [ править ]

Эта форма была разработана в 2000-х годах и введена в продажу примерно в 2009 году. Также называемая монолитным, эта конструкция использует поликристаллические литейные камеры с небольшими «зародышами» мономатериала. 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 клеток по поли-подобным ценам. ^[61]

Тонкая пленка [ править ]

Тонкопленочные технологии уменьшают количество активного материала в ячейке. В большинстве случаев активный материал размещается в виде сэндвича между двумя стеклянными панелями. 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 ). ^{[62] [63]}

Теллурид кадмия [ править ]

Теллурид кадмия является пока единственным тонкопленочным материалом, который конкурирует с кристаллическим кремнием по соотношению цена / ватт. Однако кадмий очень токсичен, а запасы теллура ( анион : «теллурид») ограничены. Кадмия присутствует в клетках будет токсичным , если освобожден. Однако выброс невозможен при нормальной эксплуатации ячеек и маловероятен при пожарах на крышах жилых домов. ^[64] Квадратный метр CdTe содержит примерно такое же количество Cd, ​​как и никель-кадмиевая батарея с одним элементом C , в более стабильной и менее растворимой форме. ^[64]

Селенид меди, индия, галлия [ править ]

Селенид меди, индия, галлия (CIGS) представляет собой материал с прямой запрещенной зоной . Он имеет самый высокий КПД (~ 20%) среди всех коммерчески значимых тонкопленочных материалов (см. Солнечный элемент CIGS ). Традиционные методы производства включают вакуумные процессы, включая совместное испарение и распыление. Последние разработки IBM и Nanosolar направлены на снижение стоимости за счет использования невакуумных процессов. ^[65]

Кремниевая тонкая пленка [ править ]

Кремниевые тонкопленочные элементы в основном осаждаются путем химического осаждения из паровой фазы (обычно с плазменным усилением, PE-CVD) из газообразного силана и газообразного 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. ^[66]

Аморфный кремний на сегодняшний день является наиболее развитой тонкопленочной технологией. Солнечный элемент из аморфного кремния (a-Si) изготовлен 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 инфракрасная часть спектра с более высокой плотностью мощности . При производстве тонкопленочных солнечных элементов из a-Si используется стекло в качестве подложки и наносится очень тонкий слой кремния путем плазменного химического осаждения из паровой фазы (PECVD).

Протокристаллический кремний с низкой объемной долей нанокристаллического кремния оптимален для высокого напряжения холостого хода. ^[67] 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 [ править ]

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%. ^[68] GaAs чаще используется в многопереходных фотоэлементах для концентрированных фотоэлектрических элементов (CPV, HCPV) и для солнечных панелей на космических кораблях , поскольку промышленность предпочитает эффективность стоимости космической солнечной энергии.. 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 эв, что почти идеально для солнечных элементов. Во-вторых, поскольку галлий является побочным продуктом плавления других металлов, элементы из GaAs относительно нечувствительны к нагреву и могут сохранять высокую эффективность при достаточно высоких температурах. 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 ячейки [ править ]

Многопереходные элементы состоят из нескольких тонких пленок, каждая из которых представляет собой солнечную батарею, выращенную поверх другой, обычно с использованием металлоорганической парофазной эпитаксии . Каждый слой имеет разную ширину запрещенной зоны, что позволяет ему поглощать электромагнитное излучение в разных частях спектра. Изначально элементы с несколькими переходами были разработаны для специальных приложений, таких как спутники и исследование космоса , но в настоящее время они все чаще используются в наземных концентраторах фотоэлектрических элементов (CPV), новой технологии, в которой используются линзы и изогнутые зеркала для концентрации солнечного света на небольших, высокоэффективных многопереходных узлах. солнечные батареи. Концентрируя солнечный свет до тысячи раз,Фотовольтаика с высокой концентрацией (HCPV) потенциально может вытеснить традиционные солнечные фотоэлектрические системы в будущем. ^{[69] : 21,26}

Тандемные солнечные элементы на основе монолитных, последовательно соединенных, фосфида галлия, индия (GaInP), арсенида галлия (GaAs) и германия (Ge) p − n-переходов, увеличивают продажи, несмотря на давление цен. ^[70] В период с декабря 2006 г. по декабрь 2007 г. 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 существенно 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. ^{[ необходима цитата ]}

Ячейка с тройным переходом, например, может состоять из полупроводников: GaAs , Ge и GaInP.2. ^[71] Солнечные элементы из GaAs с тройным переходом использовались в качестве источника энергии для голландских четырехкратных 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). ^{[ необходима цитата ]} Многопереходные устройства на основе GaAs являются наиболее эффективными солнечными элементами на сегодняшний день. 15 октября 2012 года количество метаморфических ячеек с тройным стыком достигло рекордного уровня в 44%. ^[72]

Солнечные элементы с двойным переходом GaInP / Si [ править ]

В 2016 году был описан новый подход к производству гибридных фотоэлектрических пластин, сочетающий высокую эффективность многопереходных солнечных элементов III-V с экономией и богатым опытом, связанным с кремнием. Технических сложностей, связанных с выращиванием материала III-V на кремнии при требуемых высоких температурах, что является предметом изучения около 30 лет, можно избежать за счет эпитаксиального роста кремния на GaAs при низкой температуре путем плазменного химического осаждения из паровой фазы (PECVD). . ^[73]

Однопереходные кремниевые солнечные элементы широко изучаются в течение десятилетий и достигают практической эффективности ~ 26% в условиях 1 солнечного света. ^[74] Повышение этой эффективности может потребовать добавления к Si-ячейке большего количества ячеек с шириной запрещенной зоны, превышающей 1,1 эВ, что позволит преобразовывать коротковолновые фотоны для генерации дополнительного напряжения. Двухпереходный солнечный элемент с шириной запрещенной зоны 1,6–1,8 эВ в качестве верхнего элемента может снизить потери на термализацию, обеспечить высокую эффективность внешнего излучения и достичь теоретической эффективности более 45%. ^[75]Тандемную ячейку можно изготовить путем выращивания ячеек GaInP и Si. Их раздельное выращивание может преодолеть 4% несоответствие постоянной решетки Si и наиболее распространенных слоев III – V, которые препятствуют непосредственной интеграции в одну ячейку. Таким образом, две ячейки разделены прозрачным предметным стеклом, поэтому несоответствие решеток не вызывает напряжения в системе. Это создает ячейку 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%. ^[76] Эта эффективность превышает теоретический предел в 29,4% ^[77]и рекордное экспериментальное значение эффективности солнечного элемента на основе Si 1, а также выше, чем у устройства 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 электрического контакта и одним переходом, для которой не требуется подложка из GaAs. Это означает, что будет прямая интеграция GaInP и Si.

Исследования солнечных батарей [ править ]

Перовскитовые солнечные элементы [ править ]

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. ^[78] Перовскитные солнечные элементы также будут чрезвычайно дешевыми в масштабировании, что делает их очень привлекательным вариантом для коммерциализации. До сих пор большинство типов перовскитных солнечных элементов не достигли достаточной эксплуатационной стабильности для коммерциализации, хотя многие исследовательские группы изучают способы решения этой проблемы. ^[79]Показано, что энергетическая и экологическая устойчивость перовскитных солнечных элементов и тандемных перовскитов зависит от структур. ^{[80] [81]}

Двусторонние солнечные элементы [ править ]

Двусторонние солнечные элементы с прозрачной задней стороной могут поглощать свет как с передней, так и с задней стороны. Следовательно, они могут производить больше электроэнергии, чем обычные однофазные солнечные элементы. Первый патент на двусторонние солнечные элементы был подан японским исследователем Хироши Мори в 1966 году. ^[82] Позже говорят, что Россия была первой, кто развернул двусторонние солнечные элементы в своей космической программе в 1970-х годах. ^{[ Править ]} В 1976 году институт солнечной энергии в Техническом университете Мадрида , начал исследовательскую программу по разработке солнечных батарей двусторонними под руководством профессора Антонио Луке. На основе патентов США и Испании 1977 года Лука была предложена практическая двусторонняя ячейка с передней поверхностью в качестве анода и задней поверхностью в качестве катода; в ранее описанных предложениях и попытках обе стороны были анодными, и соединение между ячейками было сложным и дорогостоящим. ^{[83] [84] [85]} В 1980 году Андрес Куэвас, аспирант в команде Лука, экспериментально продемонстрировал увеличение выходной мощности двухсторонних солнечных элементов на 50% по сравнению с одинаково ориентированными и наклонными однофазными, когда был белый фон. при условии. ^[86] В 1981 году компания Isofoton была основана в Малагедля 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 электростанция мощностью 20 кВт в Сан-Агустин-де-Гуадаликс , построенная в 1986 году для Ибердрола , и автономная установка к 1988 году также мощностью 20 кВт в деревне Ното-Гуйе-Диама ( Сенегал ), финансируемая Испанские программы международной помощи и сотрудничества .

Из-за снижения стоимости производства компании снова начали производить коммерческие двусторонние модули с 2010 года. К 2017 году в Северной Америке было по крайней мере восемь сертифицированных производителей фотоэлектрических модулей, предоставляющих двусторонние модули. В Международной дорожной карте технологий для фотоэлектрических систем (ITRPV) было предсказано, что доля на мировом рынке двусторонних технологий увеличится с менее чем 5% в 2016 году до 30% в 2027 году. ^[87]

Из-за значительного интереса к двусторонней технологии, недавнее исследование исследовало производительность и оптимизацию двусторонних солнечных модулей во всем мире. ^{[88] [89]} Результаты показывают, что во всем мире наземные двусторонние модули могут обеспечить только ~ 10% прирост годовой выработки электроэнергии по сравнению с моноличными аналогами при коэффициенте альбедо земли 25% (типично для бетона и растительности). грунтовки). Однако коэффициент усиления можно увеличить до ~ 30%, подняв модуль на 1 м над землей и увеличив коэффициент альбедо земли до 50%. Sun et al. также получил набор эмпирических уравнений, которые могут аналитически оптимизировать двусторонние солнечные модули. ^[88]Кроме того, есть свидетельства того, что двусторонние панели работают лучше, чем традиционные панели в заснеженной среде - поскольку двусторонние панели на двухосных трекерах производят на 14% больше электроэнергии в год, чем их монолицевые аналоги, и на 40% в пиковые зимние месяцы. ^[90]

Доступен онлайн-инструмент моделирования 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. ^[91]

Промежуточная полоса [ править ]

Фотовольтаика промежуточного диапазона в исследованиях солнечных элементов предоставляет методы для превышения предела Шокли – Кайссера по эффективности элемента. Он вводит уровень энергии промежуточной зоны (IB) между валентной зоной и зоной проводимости. Теоретически введение ИБ позволяет двум фотонам с энергией меньше ширины запрещенной зоны возбудить электрон из валентной зоны в зону проводимости . Это увеличивает наведенный фототок и, следовательно, эффективность. ^[92]

Луке и Марти впервые вывели теоретический предел для устройства IB с одним средним энергетическим уровнем, используя подробный баланс . Они предположили, что в IB не собирались носители и что устройство находилось в полной концентрации. Они обнаружили, 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 предельный КПД составляет 47%. ^[93]

Жидкие чернила [ править ]

В 2014 году исследователи из Калифорнийского института наносистем открыли использование кестерита и перовскита для повышения эффективности преобразования электроэнергии в солнечных элементах. ^[94]

Повышающее и понижающее преобразование [ править ]

Повышающее преобразование фотона - это процесс использования двух фотонов с низкой энергией ( например , инфракрасного) для создания одного фотона с более высокой энергией; преобразование с понижением частоты - это процесс использования одного фотона высокой энергии ( например , ультрафиолетового) для получения двух фотонов с более низкой энергией. Любой из этих методов может быть использован для производства солнечных элементов с более высокой эффективностью, позволяя более эффективно использовать солнечные фотоны. Однако трудность состоит в том, что эффективность преобразования существующих люминофоров, демонстрирующих повышающее или понижающее преобразование, невысока и обычно имеет узкую полосу пропускания.

Одним из методов преобразования с повышением частоты является включение материалов, легированных лантаноидами ( Er3+, Yb3+, Хо3+или комбинация), используя их люминесценцию для преобразования инфракрасного излучения в видимый свет. Процесс преобразования с повышением частоты происходит, когда два инфракрасных фотона поглощаются ионами редкоземельных элементов 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 элементом для поглощения инфракрасного света, проходящего через кремний. Полезные ионы обычно находятся в трехвалентном состоянии. Э⁺
ионы использовались чаще всего. Э³⁺
ионы поглощают солнечное излучение около 1,54 мкм. Два эр³⁺
ионы, которые поглотили это излучение, могут взаимодействовать друг с другом посредством процесса преобразования с повышением частоты. Возбужденный ион излучает свет над запрещенной зоной Si, который поглощается солнечным элементом и создает дополнительную электронно-дырочную пару, которая может генерировать ток. Однако повышение эффективности было небольшим. Кроме того, фториндатные стекла имеют низкую энергию фононов и были предложены в качестве подходящей матрицы, легированной Но.³⁺
ионы. ^[95]

Светопоглощающие красители [ править ]

Сенсибилизированные красителем солнечные элементы (DSSCs) изготовлены из недорогих материалов и не нуждаются в разработке технологического оборудования, поэтому они могут быть сделаны в DIY моды. В больших объемах они должны быть значительно дешевле, чем более старые конструкции с твердотельными элементами. Из DSSC могут быть изготовлены гибкие листы, и хотя его эффективность преобразования меньше, чем у лучших тонкопленочных элементов , его соотношение цена / качество может быть достаточно высоким, чтобы позволить им конкурировать с производством электроэнергии на ископаемом топливе .

Обычно металлоорганический краситель рутения (с Ru-центром) используется в качестве монослоя светопоглощающего материала, который адсорбируется на тонкой пленке диоксида титана . Сенсибилизированный красителем солнечный элемент зависит от этого мезопористого слоя наночастиц диоксида титана (TiO ₂ ), который значительно увеличивает площадь поверхности (200–300 м ² / г TiO 2).
₂, по сравнению с примерно 10 м ² / г плоского монокристалла), что позволяет использовать большее количество красителей на площадь солнечного элемента (что в конечном итоге увеличивает ток). Фотогенерированные электроны из светопоглощающего красителя переходят на TiO n-типа.
₂и отверстия поглощаются электролитом на другой стороне красителя. Цепь замыкается окислительно-восстановительной парой в электролите, который может быть жидким или твердым. Этот тип элемента позволяет более гибко использовать материалы и, как правило, производится с помощью трафаретной печати или ультразвуковых форсунок , 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 ультрафиолетового света, и корпус ячейки 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. ^[96] Первая коммерческая поставка солнечных модулей DSSC произошла в июле 2009 года от компании G24i Innovations. ^[97]

Квантовые точки [ править ]

Солнечные элементы с квантовыми точками (КДСК) основаны на элементе Грацеля или сенсибилизированной красителем архитектуре солнечных элементов , но используют полупроводниковые наночастицы с малой шириной запрещенной зоны , изготовленные с размерами кристаллитов, достаточно малыми для формирования квантовых точек (таких как CdS , CdSe , Sb 2S3, PbS и др.) Вместо органических или металлоорганических красителей в качестве поглотителей света. Из-за токсичности, связанной с соединениями на основе Cd и Pb, также разрабатывается ряд «зеленых» сенсибилизирующих КТ материалов (таких как CuInS _2, CuInSe ₂ и CuInSeS). ^[98] Квантование размеров квантовых точек позволяет регулировать ширину запрещенной зоны, просто изменяя размер частиц. Они также имеют высокие коэффициенты экстинкции и показали возможность генерации множественных экситонов . ^[99]

В QDSC мезопористый слой наночастиц диоксида титана образует основу клетки, как и в DSSC. Этот TiO
₂Затем слой можно сделать фотоактивным путем покрытия полупроводниковыми квантовыми точками с использованием химического осаждения в ванне , электрофоретического осаждения или последовательной адсорбции и реакции ионного слоя. В этом случае электрическая цепь замыкается за счет использования жидкой или твердой окислительно-восстановительной пары . Эффективность КДСК увеличилась ^[100] до более чем 5%, как показано как для ячеек с жидкостным переходом ^{[101], так} и для твердотельных элементов ^[102], с зарегистрированной пиковой эффективностью 11,91%. ^[103] Стремясь снизить производственные затраты, исследовательская группа Prashant Kamat ^[104] продемонстрировала солнечную краску, изготовленную с использованием TiO.
₂и CdSe, который можно наносить одноэтапным методом на любую проводящую поверхность с эффективностью более 1%. ^[105] Однако поглощение квантовых точек (КТ) в КДСК является слабым при комнатной температуре. ^[106] В плазмонных наночастицах могут быть использованы для решения слабого поглощения квантовых точек (например, nanostars). ^[107] Другим решением является добавление внешнего источника инфракрасной накачки для возбуждения внутризонных и межзонных переходов квантовых точек. ^[106]

Органические / полимерные солнечные элементы [ править ]

Органические солнечные элементы и полимерные солнечные элементы состоят 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 фуллерена, такие как 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. Тем не менее, Konarka Power Plastic достигла эффективности 8,3% ^[108], а органические тандемные элементы в 2012 году достигли 11,1%. ^{[ необходима цитата ]}

Активная область органического устройства состоит из двух материалов, одного донора электронов и одного акцептора электронов. Когда фотон преобразуется в пару электронов-дырок, обычно в донорном материале, заряды имеют тенденцию оставаться связанными в форме экситона , разделяясь, когда экситон диффундирует к границе раздела донор-акцептор, в отличие от большинства других типов солнечных элементов. Малая длина диффузии экситонов в большинстве полимерных систем ограничивает эффективность таких устройств. Наноструктурированные интерфейсы, иногда в виде объемных гетеропереходов, могут улучшить производительность. ^[109]

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%, достигнутой за счет избирательного поглощения ультрафиолетовой и ближней инфракрасной частей спектра низкомолекулярными соединениями. . ^{[110] [111]} Исследователи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе недавно разработали аналогичный полимерный солнечный элемент, следуя тому же подходу, который является прозрачным на 70% и имеет эффективность преобразования энергии 4%. ^{[112] [113] [114]} Эти легкие, гибкие элементы могут производиться крупными партиями по низкой цене и могут использоваться для создания окон для выработки электроэнергии.

В 2013 году исследователи объявили о полимерных ячейках 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. ^{[115] [116]}

Адаптивные ячейки [ править ]

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. ^[117]

В 2014 году была разработана система, сочетающая адаптивную поверхность со стеклянной подложкой, которая перенаправляет поглощенный свет на поглотитель света на краях листа. Система также включает в себя набор фиксированных линз / зеркал для концентрации света на адаптивной поверхности. В течение дня концентрированный свет движется по поверхности клетки. Эта поверхность переключается с отражающей на адаптивную, когда свет наиболее концентрирован, и обратно на отражающую после того, как свет движется. ^[117]

Текстурирование поверхности [ править ]

В последние годы исследователи пытались снизить цену на солнечные элементы, увеличивая при этом эффективность. Тонкопленочные солнечные элементы - это экономичные солнечные элементы 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 может быть выполнено несколькими способами. Травление подложки из монокристаллического кремния позволяет получить произвольно распределенные квадратные пирамиды на поверхности с использованием анизотропных травителей. ^[118]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. ^{[119] [120]}Лучи света, падающие 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 повышенного поглощения света. Этот эффект текстуры, а также взаимодействие с другими интерфейсами в фотоэлектрическом модуле представляет собой сложную задачу оптического моделирования. Особенно эффективным методом моделирования и оптимизации является формализм OPTOS . ^[121] В 2012 году исследователи из Массачусетского технологического института сообщили, что пленки c-Si, текстурированные с помощью наноразмерных перевернутых пирамид, могут достигать поглощения света, сравнимого с 30-кратной толщиной плоского c-Si. ^[122] В сочетании сантибликовое покрытие , технология текстурирования поверхности может эффективно улавливать световые лучи внутри тонкопленочного кремниевого солнечного элемента. Следовательно, требуемая толщина солнечных элементов уменьшается с увеличением поглощения световых лучей.

Инкапсуляция [ править ]

Солнечные элементы обычно инкапсулируются в прозрачную полимерную смолу для защиты чувствительных участков солнечных элементов от контакта с влагой, грязью, льдом и другими условиями, ожидаемыми либо во время работы, либо при использовании на открытом воздухе. Герметики 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, ^[123] дифракционные элементы, ^[124] массивы призм, ^[125] воздушные призмы, ^[126]V-образные канавки, ^[127] диффузные элементы, а также многонаправленные волноводные решетки. ^[128] Призменные решетки показывают общее увеличение преобразования солнечной энергии на 5%. ^[126] Решетки вертикально выровненных широкополосных волноводов обеспечивают увеличение на 10% при нормальном падении, а также увеличение сбора при широкоугольном излучении до 4% ^[129] с оптимизированными структурами, обеспечивающими увеличение тока короткого замыкания до 20%. ^[130] Активные покрытия, преобразующие инфракрасный свет в видимый свет, показали увеличение на 30%. ^[131]Покрытия из наночастиц, вызывающие плазмонное рассеяние света, увеличивают эффективность широкоугольного преобразования до 3%. Оптические структуры также были созданы из герметизирующих материалов, чтобы эффективно «маскировать» металлические передние контакты. ^{[132] [133]}

Производство [ править ]

Солнечные элементы используют те же технологии обработки и производства, что и другие полупроводниковые устройства. 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 от 180 до 350 микрометров. Пластины обычно слегка легированы p-типом . На лицевой стороне пластины осуществляется поверхностная диффузия легирующих примесей n-типа . Это формирует p – n-переход на несколько сотен нанометров ниже поверхности.

Затем обычно наносятся антибликовые покрытия для увеличения количества света, попадающего в солнечный элемент. Нитрид кремния постепенно заменил диоксид титана в качестве предпочтительного материала из-за его превосходных свойств пассивирования поверхности. Он предотвращает рекомбинацию носителей на поверхности клетки. Слой толщиной в несколько сотен нанометров наносится методом химического осаждения из паровой плазмы . Некоторые солнечные элементы имеют текстурированные передние поверхности, которые, подобно антибликовым покрытиям, увеличивают количество света, попадающего на пластину. Такие поверхности сначала были нанесены на монокристаллический кремний, а несколько позже - на мультикристаллический кремний.

Полноразмерный металлический контакт выполнен на задней поверхности, а металлический контакт в виде сетки, состоящий из мелких «пальцев» и более крупных «шин», нанесен трафаретной печатью на лицевую поверхность с использованием серебряной пасты. Это эволюция так называемого «мокрого» процесса наложения электродов, впервые описанного в патенте США, поданном в 1981 г. компанией Bayer AG . ^[134] Задний контакт формируется путем трафаретной печати металлической пастой, обычно алюминиевой. Обычно этот контакт покрывает всю заднюю часть, хотя в некоторых конструкциях используется сетка. Затем паста обжигается при нескольких сотнях градусов по Цельсию 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». Солнечные панели имеют лист закаленного стекла спереди и полимерную оболочку сзади.

Производители и сертификация [ править ]

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 производятся в больших объемах в Японии, Германии, Китае, Тайване, Малайзии и Соединенных Штатах, тогда как Европа, Китай, США и Япония доминируют (94% или более по состоянию на 2013 год) в установленных системах. ^[136] 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 исследовательским центром Европейской комиссии . С 2009 по 2013 год производство клеток увеличилось в четыре раза. ^{[136] [137] [138]}

Китай [ править ]

С 2013 года Китай является ведущим в мире установщиком солнечных фотоэлектрических систем. ^[136] По состоянию на сентябрь 2018 года шестьдесят процентов солнечных фотоэлектрических модулей в мире были произведены в Китае. ^[139] По состоянию на май 2018 года крупнейшая в мире фотоэлектрическая станция находится в пустыне Тенггер в Китае. ^[140] В 2018 г. Китай добавил больше установленных фотоэлектрических мощностей (в ГВт), чем следующие 9 стран вместе взятых. ^[141]

Малайзия [ править ]

В 2014 году Малайзия была третьим по величине производителем фотоэлектрического оборудования в мире после Китая и Европейского Союза . ^[142]

Соединенные Штаты [ править ]

Производство солнечной энергии в США за последние 6 лет увеличилось вдвое. ^[143] Это было вызвано сначала падением цен на качественный кремний, ^{[144] [145] [146],} а затем просто глобальным падением стоимости фотоэлектрических модулей. ^{[140] [147]} В 2018 году в США было добавлено 10,8 ГВт установленной солнечной фотоэлектрической энергии, что на 21% больше. ^[141]

Удаление [ править ]

Солнечные элементы со временем разрушаются 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. ^[148] Обычно солнечным панелям дается срок службы 25–30 лет, прежде чем они будут выведены из эксплуатации. ^[149]

По оценкам Международного агентства по возобновляемым источникам энергии, количество отходов солнечных панелей, образовавшихся в 2016 году, составило 43 500–250 000 метрических тонн. По оценкам, это число существенно увеличится к 2030 году, достигнув к 2050 году расчетного объема отходов в 60–78 миллионов метрических тонн ^[150].

Переработка [ править ]

Солнечные панели перерабатываются разными способами. Процесс рециркуляции включает 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: Солнечный модуль First Solar CdTe) содержат токсичные материалы, такие как свинец и кадмий, которые при повреждении могут попасть в почву и загрязнить окружающую среду. Первый завод по переработке солнечных панелей открылся в Руссе, Франция, в 2018 году. Он был настроен на переработку 1300 тонн отходов солнечных панелей в год и может увеличить его мощность до 4000 тонн. ^{[151] [152]}

См. Также [ править ]

 Портал возобновляемой энергии

Ссылки [ править ]

Библиография [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы, связанные с солнечными элементами .

Викискладе есть медиафайлы, связанные с солнечными элементами .

• Калькуляторы и ресурсы для фотоэлектрических маяков для ученых и инженеров в области фотоэлектрических систем
• CDROM фотогальваники онлайн
• Технологии производства солнечных батарей
• Возобновляемая энергия: солнечная энергия в Curlie
• Лаборатория солнечной энергии в Саутгемптонском университете
• Фотоэлектрическая информация НАСА
• Грин, Массачусетс; Emery, K .; Hishikawa, Y .; Варта, В. (2010). «Таблицы эффективности солнечных элементов (версия 36)» . Прогресс в фотогальванике: исследования и приложения . 18 (5): 346. DOI : 10.1002 / pip.1021 .
• «Электрическая энергия солнца, производимая световыми элементами», « Популярная механика» , июль 1931 года, статья о различных исследованиях солнечных элементов 1930-х годов.
• Вонг, LH; Закутаев А .; Майор, JD; Хао, X .; Уолш, А .; Тодоров, Т.К .; Сауседо, Э. (2019). «Новые таблицы эффективности неорганических солнечных элементов (Версия 1)». Журнал физики: Энергия . Рукопись принята. DOI : 10.1088 / 2515-7655 / ab2338 [1]