Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Тонкопленочные гибкие солнечные фотоэлектрические установки 2.JPG
Cigsep.jpg NREL Array.jpg
Тонкопленочные гибкие солнечные панели Ken Fields 1.JPG Фотоэлектрическая матрица Lakota MS 2.jpg
Тонкопленочные солнечные элементы, второе поколение фотоэлектрических (PV) солнечных элементов :

Тонкопленочные солнечные элементы являются вторым поколением солнечных батареями , который производится путем осаждения одного или более тонкими слоями или тонкой пленкой (TF) из фотоэлектрического материала на подложке, такие как стекло, пластик или металл. Тонкопленочные солнечные элементы коммерчески используются в нескольких технологиях, включая теллурид кадмия (CdTe), диселенид меди, индия, 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 тонких пленок, обычного кристаллического кремниевого солнечного элемента первого поколения (c-Si), в котором используются пластины толщиной до 200 мкм толщиной. Это позволяет тонкопленочным ячейкам быть гибкими и иметь меньший вес. Он используется в строительстве комплексного фотоэлектрических и в полуавтоматическом прозрачном , фотоэлектрическом остеклении материала , который может быть ламинированным на окна. В других коммерческих приложениях используются жесткие тонкопленочные солнечные панели (чередующиеся между двумя стеклянными панелями) на некоторых из крупнейших в мире фотоэлектрических электростанций..

Тонкопленочная технология всегда была дешевле, но менее эффективна, чем обычная технология c-Si. Однако с годами он значительно улучшился [ временные рамки? ] . Эффективность лабораторных ячеек для CdTe и CIGS сейчас составляет [ когда? ] свыше 21 процента, превосходя по характеристикам мультикристаллический кремний , основной материал, который в настоящее время используется в большинстве солнечных фотоэлектрических систем . [1] : 23,24 Ускоренные испытания на срок службы тонкопленочных модулей в лабораторных условиях показали, что деградация несколько быстрее по сравнению с обычными фотоэлектрическими модулями, в то время как обычно ожидается срок службы 20 лет или более. [2]Несмотря на эти улучшения, рыночная доля тонких пленок никогда не превышала 20 процентов за последние два десятилетия [ временные рамки? ] и снижается в последние годы [ временные рамки? ] до примерно 9 процентов мировых фотоэлектрических установок в 2013 году. [1] : 18,19

Другие тонкопленочные технологии, которые еще используются [ когда? ] на ранней стадии текущих исследований или с ограниченной коммерческой доступностью часто классифицируются как фотоэлектрические элементы нового поколения или третьего поколения и включают органические и сенсибилизированные красителем , а также квантовые точки , сульфид меди, цинка и олова , нанокристаллы , микроморфы и перовскиты для солнечных батарей. клетки .

История [ править ]

Доля рынка тонкопленочных технологий в годовом производстве с 1990 г.

Тонкопленочные элементы хорошо известны с конца 1970-х годов, когда на рынке появились солнечные калькуляторы, работающие на небольшой полоске аморфного кремния.

Сейчас [ сроки? ] доступны в очень больших модулях, используемых в сложных интегрированных в зданиях установках и системах зарядки транспортных средств .

Хотя тонкопленочная технология была ожидаемой [ когда? ], чтобы добиться значительных успехов на рынке и превзойти доминирующую традиционную технологию кристаллического кремния (c-Si) в долгосрочной перспективе [3], рыночная доля сокращается уже несколько лет [ временные рамки? ] . В то время как в 2010 году, когда не хватало обычных фотоэлектрических модулей, тонкопленочные составляли 15 процентов от общего 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 рыночной доли к концу десятилетия. [4] [ требуется обновление ]

Материалы [ править ]

Поперечное сечение клетки 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 ). [5] Большинство пленочных панелей имеют на 2-3 процентных пункта меньшую эффективность преобразования, чем кристаллический кремний. [6] Теллурид кадмия (CdTe), селенид меди, индия, галлия (CIGS) и аморфный кремний (a-Si) - это три тонкопленочные технологии, которые часто используются для наружных работ.

Теллурид кадмия [ править ]

Основная статья: Фотовольтаика из теллурида кадмия

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. [1] : 24–25 Кроме того, CdTe имеет самое низкое время окупаемости энергии. всех серийно выпускаемых фотоэлектрических технологий и может длиться всего восемь месяцев в благоприятных местах. [1] : 31 Известный производитель - американская компания First Solar, базирующаяся в Темпе, штат Аризона., которая производит панели CdTe с эффективностью около 14 процентов при заявленной стоимости 0,59 доллара за ватт. [7]

Хотя токсичность кадмия может быть не такой большой проблемой, а экологические проблемы полностью решены с переработкой модулей CdTe в конце срока их службы, [8] все еще остаются неясности [9], и общественное мнение скептически относится к этому. технологии. [10] [11] Использование редких материалов может также стать ограничивающим фактором для промышленного масштабирования технологии тонких пленок CdTe. Редкость теллура, анионной формой которого является теллурид, сопоставима с редкостью платины в земной коре и значительно увеличивает стоимость модуля. [12]

Селенид меди, индия, галлия [ править ]

Основная статья: Медь-индий-галлий-селенидный солнечный элемент
Возможные комбинации элементов группы ( XI , XIII , XVI ) в периодической таблице, которые дают соединение, демонстрирующее фотоэлектрический эффект : Cu , Ag , Au - Al , Ga , In - S , Se , Te .

В солнечных элементах с селенидом меди, индия и галлия или в элементе CIGS используется поглотитель из меди, индия, галлия, селенида (CIGS), в то время как варианты полупроводникового материала, не содержащие галлия, обозначаются сокращенно CIS. Это один из трех основных тонкопленочных технологий, два другие теллурид кадмия и аморфный кремний , с лабораторной эффективностью выше 20 процентов и долями в 2 процента от общего рынка PV в 2013 г. [13] видного производителя Цилиндрические CIGS-панели были обанкротившейся компанией Solyndra во Фремонте, Калифорния. Традиционные методы производства включают вакуумные процессы, включая совместное испарение и распыление. В 2008 году IBMи Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd. (TOK) объявили, что они разработали новый безвакуумный производственный процесс на основе растворов для ячеек CIGS и стремятся достичь эффективности 15% и выше. [14]

Для характеристики этих клеток использовалась гиперспектральная визуализация . Исследователи из IRDEP (Институт исследований и разработок в области фотоэлектрической энергии) в сотрудничестве с Photon и т. Д. Смогли определить расщепление квазиуровня Ферми с помощью карты фотолюминесценции, в то время как данные электролюминесценции использовались для получения внешней квантовой эффективности (EQE) . [15] [16] Кроме того, с помощью эксперимента по картографии с током, индуцированным световым лучом (LBIC), EQE микрокристаллического солнечного элемента CIGS может быть определен в любой точке поля зрения. [17]

По состоянию на апрель 2019 года текущий рекорд эффективности преобразования для лабораторной ячейки CIGS составляет 22,9%. [18]

Кремний [ править ]

Преобладают три основных конструкции модулей на основе кремния:

  • аморфные кремниевые элементы
  • аморфные / микрокристаллические тандемные ячейки (микроморф)
  • тонкопленочный поликристаллический кремний на стекле. [19]

Аморфный кремний [ править ]

Основная статья: Аморфный кремний
Линия по производству фотоэлектрических солнечных батарей United Solar Ovonic мощностью 30 МВт в год

Аморфный кремний (a-Si) - это некристаллическая аллотропная форма кремния, которая на сегодняшний день является наиболее развитой технологией тонких пленок. Тонкопленочный кремний является альтернативой обычному пластинчатому (или объемному ) кристаллическому кремнию . Хотя халькогенидЯчейки с тонкими пленками на основе CdTe и CIS были разработаны в лаборатории с большим успехом, промышленность по-прежнему вызывает 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 панелями от United Solar Ovonic

Этот тип тонкопленочной ячейки в основном изготавливается с помощью метода, называемого химическим осаждением из газовой 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, которая уже была покрыта слоем прозрачного проводящий оксид . Другие методы, используемые для осаждения аморфного кремния на подложку, включают распыление и химическое осаждение из газовой фазы горячей проволокой . [20]

a-Si привлекателен как материал для солнечных элементов, потому что это нетоксичный материал в большом количестве. 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 , включая инфракрасный и даже некоторый ультрафиолет, и очень хорошо работает при слабом освещении. Это позволяет ячейке генерировать энергию рано утром или поздно вечером, а также в пасмурные и дождливые дни, в отличие от кристаллических кремниевых элементов, которые значительно менее эффективны при воздействии рассеянного и непрямого дневного света . [цитата необходима ]

Однако эффективность элемента a-Si претерпевает значительное падение примерно на 10-30 процентов в течение первых шести месяцев работы. Это называется эффектом Стэблера-Вронски (SWE) - типичная потеря электрической мощности из-за изменений фотопроводимости и темновой проводимости, вызванных длительным воздействием солнечного света. Хотя эта деградация полностью обратима при отжиге при температуре 150 ° C или выше, обычные солнечные элементы c-Si не проявляют этого эффекта в первую очередь.

Его основная электронная структура - это штыревой переход. 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 штифтовая структура, а не зажимная структура. 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 вверху, где интенсивность света больше, так, чтобы большинство носителей заряда, пересекающих переход, были электронами. [21]

Тандемная ячейка с использованием a-Si / μc-Si [ править ]

Слой аморфного кремния можно комбинировать со слоями других аллотропных форм кремния, чтобы получить многопереходный солнечный элемент . Когда объединены только два слоя (два pn-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 тандемную ячейку. Верхний слой a-Si поглощает видимый свет, оставляя инфракрасную часть нижнему слою μc-Si. Концепция микроморфных ячеек в стопке была впервые разработана и запатентована в Институте микротехнологии (IMT) Университета Невшателя в Швейцарии [22] и лицензирована для TEL Solar . Новый мировой рекордный фотоэлектрический модуль, основанный на концепции микроморфов с эффективностью модуля 12,24%, был независимо сертифицирован в июле 2014 года. [23]

Поскольку все слои сделаны из кремния, они могут быть изготовлены с использованием PECVD. Ширина запрещенной зоны из-Si составляет 1,7 эВ , и что с-Si составляет 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. [24]

Тандемный элемент с использованием a-Si / pc-Si [ править ]

Аморфный кремний также может быть объединен с протокристаллическим кремнием (pc-Si) в тандемную ячейку. Протокристаллический кремний с небольшой объемной долей нанокристаллического кремния оптимален для высокого напряжения холостого хода . [25] Эти типы кремния имеют оборванные и скрученные связи, что приводит к глубоким дефектам (энергетическим уровням в запрещенной зоне), а также к деформации валентной зоны и зоны проводимости (хвосты зоны).

Поликристаллический кремний на стекле [ править ]

Новая попытка объединить преимущества объемного кремния с преимуществами тонкопленочных устройств - это 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.[19]

Арсенид галлия [ править ]

Арсенид галлия (GaAs) представляет собой полупроводник с прямой запрещенной зоной III-V и очень распространенный материал, используемый для монокристаллических тонкопленочных солнечных элементов. Солнечные элементы на основе GaAs по-прежнему являются одними из самых эффективных тонкопленочных солнечных элементов благодаря их исключительным термостойким свойствам и высокой эффективности. [26] По состоянию на 2019 год монокристаллические элементы на основе GaAs показали наивысшую эффективность солнечных элементов среди всех однопереходных солнечных элементов с эффективностью 29,1%. [27] Эта ячейка с рекордсменом достигла такой высокой эффективности за счет установки заднего зеркала на задней поверхности для увеличения поглощения фотонов, что позволило ячейке достичь впечатляющей плотности тока короткого замыкания и напряжения холостого хода.значение вблизи предела Шокли – Кейссера . [28] В результате солнечные элементы на основе GaAs почти достигли своей максимальной эффективности, хотя улучшения все еще можно сделать, используя стратегии захвата света. [29]

Тонкие пленки GaAs чаще всего изготавливаются путем эпитаксиального выращивания полупроводника на материале подложки. Метод эпитаксиального отрыва (ELO), впервые продемонстрированный в 1978 году, оказался наиболее перспективным и эффективным. В этом методе тонкопленочный слой отслаивается от подложки путем избирательного травления временного слоя, который помещается между эпитаксиальной пленкой и подложкой. [30] Пленка GaAs и подложка остаются минимально поврежденными в процессе разделения, что позволяет повторно использовать основную подложку. [31] При повторном использовании подложки затраты на изготовление могут быть снижены, но не полностью исключены, поскольку подложку можно повторно использовать только ограниченное количество раз. [29]Этот процесс по-прежнему является относительно дорогостоящим, и все еще проводятся исследования, чтобы найти более экономичные способы наращивания эпитаксиального слоя пленки на подложке.

Несмотря на высокие характеристики тонкопленочных элементов из GaAS, стоимость дорогостоящих материалов препятствует их широкому применению в промышленности солнечных элементов. GaAs чаще используется в многопереходных солнечных элементах для солнечных панелей на космических кораблях , поскольку большее соотношение мощности к весу снижает затраты на запуск в космической солнечной энергии ( элементы InGaP / (In) GaAs / Ge ). Они также используются в концентраторах фотоэлектрических элементов - 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.

Новые фотоэлектрические системы [ править ]

Основная статья: Фотоэлектрический элемент третьего поколения
Экспериментальный солнечный элемент на основе кремния, разработанный в Sandia National Laboratories.

Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL) классифицирует ряд тонкопленочных технологий в развивающемся фотоэлектрических большинство из них еще не были коммерчески применены 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 производства недорогих и высокоэффективных солнечные батареи.

Новые фотоэлектрические элементы , часто называемые фотоэлектрическими элементами третьего поколения , включают:

  • Солнечный элемент из сульфида меди, цинка и олова (CZTS) и производные CZTSe и CZTSSe
  • Сенсибилизированный красителем солнечный элемент , также известный как «элемент Гретцеля»
  • Органический солнечный элемент
  • Перовскитовый солнечный элемент
  • Солнечный элемент на квантовых точках

Особенно большое внимание общественности привлекли достижения в исследовании перовскитных ячеек, поскольку эффективность их исследований в последнее время выросла до более чем 20 процентов. Они также предлагают широкий спектр недорогих приложений. [32] [33] [34] Кроме того, еще одна развивающаяся технология, фотоэлектрические концентраторы (CPV), использует высокоэффективные многопереходные солнечные элементы в сочетании с оптическими линзами и системой слежения.

Эффективность [ править ]

Основная статья: Эффективность солнечной батареи
Эффективность солнечных элементов в различных технологиях элементов (включая как монокристаллические, так и тонкопленочные) по данным NREL

Достижимая эффективность тонкопленочных солнечных элементов в значительной степени 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. [35] Повышение эффективности продолжало ускоряться с 2010 года, как показано на прилагаемой диаграмме.

Элементы, изготовленные из новых материалов, менее эффективны, чем объемный кремний, но их производство дешевле. Их квантовая эффективность также ниже из-за уменьшения количества собранных носителей заряда на падающий фотон.

Характеристики и потенциал тонкопленочных материалов высоки, эффективность ячеек достигает 12–20%; КПД модуля прототипа 7–13%; и производственные модули в пределах 9%. [36] Прототип тонкопленочного элемента с наилучшей эффективностью дает 20,4% (First Solar), что сравнимо с КПД лучшего прототипа обычного солнечного элемента в 25,6% от Panasonic . [37] [38]

NREL один раз [ когда? ] предсказал, что при объемном производстве затраты упадут ниже 100 долларов США / м 2 , а затем могут упасть ниже 50 долларов США / м 2 . [39]

Новый рекорд по тонкопленочной солнечной эффективности ячейки 22,3% было достигнуто за счет солнечной границы крупнейших цис- в мире поставщик солнечной энергии. В совместных исследованиях с Японской организацией по развитию новой энергетики и промышленных технологий (NEDO) компания Solar Frontier достигла эффективности преобразования 22,3% на элементе 0,5 см 2 с использованием своей технологии CIS. Это на 0,6 процентных пункта больше, чем предыдущий рекорд отрасли для тонких пленок в 21,7%. [40]

Поглощение [ править ]

Было использовано несколько методов для увеличения количества света, попадающего в ячейку, и уменьшения количества, которое уходит без поглощения. 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. [41] [42]

Было разработано несколько методов увеличения поглощения за счет уменьшения количества падающих фотонов, отражающихся от поверхности клетки. Дополнительное антибликовое покрытие может вызвать деструктивную интерференцию внутри элемента, изменяя показатель 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. [43] Текстурированный обратный отражатель может предотвратить утечку света через заднюю часть камеры.

Помимо текстурирования поверхности большое внимание привлекла схема плазмонного улавливания света, которая способствовала увеличению фототока в тонкопленочных солнечных элементах. [44] [45] 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. [46] Также может быть выполнено наслоение тонкопленочных элементов для создания многопереходных солнечных элементов . Ширина запрещенной зоны каждого слоя может быть спроектирована таким образом, чтобы наилучшим образом поглощать различный диапазон длин волн, чтобы вместе они могли поглощать больший спектр света. [47]

Дальнейшее продвижение к геометрическим соображениям 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. [48] Добавление наночастиц между нанопроводами обеспечивает проводимость. Естественная геометрия этих массивов образует текстурированную поверхность, которая улавливает больше света.

Производство, стоимость и рынок [ править ]

Мировой рынок фотоэлектрических систем по технологиям в 2013 году. [49] : 18,19

  мульти-Si (54,9%)
  моно-Si (36,0%)
  CdTe (5,1%)
  a-Si (2,0%)
  CIGS (2,0%)

С развитием традиционной технологии кристаллического кремния (c-Si) в последние годы и падением стоимости поликремниевого сырья, которое последовало после периода серьезного глобального дефицита, давление на производителей коммерческих тонкопленочных технологий, в том числе аморфных тонких пленок, увеличилось. -пленочный кремний (a-Si), теллурид кадмия (CdTe) и диселенид галлия, индия (CIGS), что привело к банкротству нескольких компаний. [50] По состоянию на 2013 год производители тонких пленок продолжают сталкиваться с ценовой конкуренцией со стороны китайских переработчиков кремния и производителей обычных солнечных панелей на основе c-Si. Некоторые компании вместе со своими патентами были проданы китайским фирмам по цене ниже себестоимости. [51]

Доля рынка [ править ]

В 2013 году на тонкопленочные технологии приходилось около 9 процентов мирового внедрения, а 91 процент приходился на кристаллический кремний ( моно-Si и мульти-Si ). CdTe занимает более половины рынка тонких пленок, занимая 5 процентов всего рынка, оставляя по 2 процента каждой CIGS и аморфному кремнию. [1] : 18–19

Технология CIGS [ править ]

Несколько известных производителей не выдержали давления, вызванного достижениями в области традиционной технологии c-Si последних лет. Компания Solyndra прекратила свою коммерческую деятельность и подала заявление о банкротстве в соответствии с главой 11 в 2011 году, а Nanosolar , также производитель CIGS, закрыл свои двери в 2013 году. Хотя обе компании производили солнечные элементы CIGS, было указано, что причиной банкротства не было. к технологии, а скорее из-за самих компаний, использующих несовершенную архитектуру, такую ​​как, например, цилиндрические подложки Solyndra. [52] В 2014 году корейская LG Electronics прекратила исследования по реструктуризации своего солнечного бизнеса CIGS и Samsung SDI.решили прекратить производство CIGS, в то время как китайский производитель фотоэлектрических систем Hanergy, как ожидается, увеличит производственные мощности своих модулей CIGS 650 мм × 1650 мм с КПД 15,5%. [53] [54] Одним из крупнейших производителей фотоэлектрических систем CI (G) S является японская компания Solar Frontier с производственными мощностями в гигаваттном масштабе. [55] (См. Также Список компаний CIGS ) .

Технология CdTe [ править ]

Компания First Solar , ведущий производитель CdTe, строит несколько из крупнейших в мире солнечных электростанций , таких как Солнечный свет пустыни Солнечная ферма и Топаз Солнечная Ферма , как в калифорнийской пустыне мощностью в 550 МВт каждый, а также 102-мегаваттная солнечная электростанция Nyngan в Австралии, крупнейшая фотоэлектрическая электростанция в Южном полушарии, введена в эксплуатацию в 2015 году. [56]
В 2011 году GE объявила о планах потратить 600 миллионов долларов на новую установку солнечных элементов CdTe и выйти на этот рынок [57], а в 2013 году First Solar купила портфель интеллектуальной собственности GE на тонкопленочные пленки CdTe и сформировала деловое партнерство. [58] В 2012 году компания Abound Solar , производитель модулей из теллурида кадмия , обанкротилась. [59]

технология a-Si [ править ]

В 2012 году компания ECD solar , которая когда-то была одним из ведущих мировых производителей аморфного кремния (a-Si), объявила о банкротстве в Мичигане, США. Швейцарская OC Oerlikon отказалась от своего подразделения по производству солнечных батарей , производившего тандемные элементы a-Si / μc-Si, компании Tokyo Electron Limited . [60] [61]
Другие компании, которые покинули рынок тонких пленок из аморфного кремния, включают DuPont , BP , Flexcell, Inventux, Pramac, Schuco, Sencera, EPV Solar, [62] NovaSolar (ранее OptiSolar) [63] и Suntech Power, которые прекратили производство модулей a-Si. в 2010 году сосредоточиться на обычных кремниевых солнечных батареях. В 2013 году Suntech объявила о банкротстве в Китае. [64] [65] В августе 2013 года цена на спотовом рынке тонких пленок a-Si и a-Si / µ-Si упала до 0,36 евро и 0,46 евро соответственно [66] (около 0,50 доллара и 0,60 доллара) за ватт. [67]

Награды [ править ]

Тонкопленочные фотоэлектрические элементы были включены в рейтинг «Лучшие изобретения 2008 года по версии журнала Time» [68].

См. Также [ править ]

  • Список фотоэлектрических компаний
  • Плазмонный солнечный элемент

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d e «Отчет по фотоэлектрической энергии» (PDF) . Фраунгофера ISE. 28 июля 2014 г. Архивировано 31 августа 2014 г. из оригинального (PDF) . Проверено 31 августа 2014 года .
  2. ^ «Реальная продолжительность жизни солнечных панелей» . EnergyInformative . 7 мая 2014 года.
  3. ^ GBI Research (2011). «Анализ рынка тонкопленочных фотоэлектрических фотоэлементов до 2020 года. CIGS, медь, индий, галлий, диселенид, который станет основной технологией к 2020 году» . gbiresearch.com . Проверено 29 января 2011 года .
  4. ^ «IHS: Глобальная мощность фотоэлектрических панелей достигнет почти 500 ГВт в 2019 году» . SolarServer. 19 марта 2015 года.
  5. ^ Пирс, Дж .; Лау, А. (2002). «Анализ чистой энергии для устойчивого производства энергии из солнечных элементов на основе кремния» (PDF) . Солнечная энергия . п. 181. DOI : 10,1115 / SED2002-1051 . ISBN  978-0-7918-1689-9.
  6. ^ Даташиты лидеров рынка: First Solar для тонкой пленки, Suntech и SunPower для кристаллического кремния
  7. ^ CleanTechnica.com First Solar сообщает о крупнейшем квартальном снижении стоимости модуля CdTe на ватт с 2007 г. , 7 ноября 2013 г.
  8. ^ Fthenakis, Василис М. (2004). «Анализ воздействия кадмия на жизненный цикл при производстве фотоэлектрических панелей CdTe» (PDF) . Обзоры возобновляемых и устойчивых источников энергии . 8 (4): 303–334. DOI : 10.1016 / j.rser.2003.12.001 . Архивировано 23 сентября 2014 года (PDF) .
  9. ↑ Вернер, Юрген Х. (2 ноября 2011 г.). «ТОКСИЧНЫЕ ВЕЩЕСТВА В ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИХ МОДУЛЯХ» (PDF) . postfreemarket.net . Институт фотовольтаики, Штутгартский университет, Германия - 21-я Международная научно-техническая конференция по фотовольтаике, 2011 г. Фукуока, Япония. п. 2. Архивировано (PDF) из оригинала 23 сентября 2014 года . Проверено 23 сентября 2014 года .
  10. ^ Herman Trabish, В Лоудаун о безопасности CdTe тонкой пленки First Solar в, greentechmedia.com 19 марта 2012
  11. ↑ Роберт Маллинс, Кадмий: Темная сторона тонкой пленки?, 25 сентября 2008 г.
  12. ^ Анализ ограничений предложения, Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии
  13. ^ Fraunhofer ISE, отчет Фотоэлементы, июль 2014, стр. 19, http://www.ise.fraunhofer.de/en/downloads-englisch/pdf-files-englisch/photovoltaics-report-slides.pdf
  14. ^ IBM PressRelease IBM и Токио Ohka Kogyo Turn Up Вт на солнечной энергии производства , 16 июня 2008 года
  15. ^ Деламар; и другие. (2013). Фрейндлих, Александр; Guillemoles, Жан-Франсуа (ред.). «Оценка боковых флуктуаций транспортных свойств микрометрового масштаба в солнечных элементах CIGS». Proc. ШПИОН . Физика, моделирование и фотонная инженерия фотоэлектрических устройств II. 100 : 862009. Bibcode : 2013SPIE.8620E..09D . DOI : 10.1117 / 12.2004323 .
  16. ^ А. Деламар; и другие. (2014). «Количественное картирование люминесценции тонкопленочных солнечных элементов Cu (In, Ga) Se 2 ». Прогресс в фотоэлектрической технике . 23 (10): 1305–1312. DOI : 10.1002 / pip.2555 .
  17. ^ Л. Ломбез; и другие. (Декабрь 2014 г.). «Микрометрическое исследование внешней квантовой эффективности в микрокристаллических солнечных элементах CuInGa (S, Se) 2». Тонкие твердые пленки . 565 : 32–36. Bibcode : 2014TSF ... 565 ... 32L . DOI : 10.1016 / j.tsf.2014.06.041 .
  18. ^ NREL [1]
  19. ^ a b Грин, Массачусетс (2003), «Кристаллические и тонкопленочные кремниевые солнечные элементы: современное состояние и потенциал будущего», Solar Energy , 74 (3): 181–192, Bibcode : 2003SoEn ... 74 .. 181g , DOI : 10.1016 / S0038-092X (03) 00187-7.
  20. ^ Фотогальваника . Engineering.Com (9 июля 2007 г.). Проверено 19 января, 2011.
  21. ^ "Amorphes Silizium für Solarzellen" (PDF) (на немецком языке).
  22. ^ Арвинд Шах и др. (2003): микрокристаллический кремний и тандемные микроморфные солнечные элементы. В: Материалы солнечной энергии и солнечные элементы , 78 , стр. 469-491.
  23. ^ «Достигнута новая рекордная эффективность фотоэлектрических модулей» . Веб-сайт TEL Solar . TEL Solar . Проверено 14 июля 2014 года .
  24. ^ Дж. М. Пирс; Н. Подраза; Р. У. Коллинз; М.М. Аль-Джассим; К. М. Джонс; Дж. Дэн и Ч. Р. Вронски (2007). «Оптимизация напряжения холостого хода в солнечных элементах из аморфного кремния со смешанными фазами (аморфные + нанокристаллические) p-типа контактов с низким содержанием нанокристаллов» (PDF) . Журнал прикладной физики . 101 (11): 114301–114301–7. Bibcode : 2007JAP ... 101k4301P . DOI : 10.1063 / 1.2714507 .
  25. ^ Пирс, JM; Подраза, Н .; Коллинз, RW; Аль-Джассим, ММ; Джонс, км; Deng, J .; Вронски, CR (2007). «Оптимизация напряжения холостого хода в солнечных элементах из аморфного кремния со смешанными фазами (аморфный + нанокристаллический) p-типом контактов с низким содержанием нанокристаллов» (PDF) . Журнал прикладной физики . 101 (11): 114301. Bibcode : 2007JAP ... 101k4301P . DOI : 10.1063 / 1.2714507 .
  26. ^ "Солнечные элементы GaAs" . sinovoltaics.com . Проверено 18 ноября 2020 года .
  27. ^ Грин, Мартин А.; Хисикава, Ёсихиро; Dunlop, Ewan D .; Леви, Дин Х .; Холь-Эбингер, Йохен; Йошита, Масахиро; Хо ‐ Бейли, Анита Вайоминг (2019). «Таблицы эффективности солнечных элементов (Версия 53)» . Прогресс в фотогальванике: исследования и приложения . 27 (1): 3–12. DOI : 10.1002 / pip.3102 . ISSN 1099-159X . 
  28. ^ Nayak, Pabitra K .; Махеш, Сухас; Снайт, Генри Дж .; Каен, Дэвид (2019). «Фотогальванические фотоэлементы: анализ современного состояния» . Материалы обзора природы . 4 (4): 269–285. DOI : 10.1038 / s41578-019-0097-0 . ISSN 2058-8437 . 
  29. ^ а б Массио, Инес; Каттони, Андреа; Коллин, Стефан (2 ноября 2020 г.). «Прогресс и перспективы ультратонких солнечных элементов» . Энергия Природы : 1–14. DOI : 10.1038 / s41560-020-00714-4 . ISSN 2058-7546 . 
  30. ^ Konagai, Makoto; Сугимото, Мицунори; Такахаши, Киёси (1 декабря 1978 г.). «Высокоэффективные тонкопленочные солнечные элементы из GaAs, созданные по технологии отслаивания пленки» . Журнал роста кристаллов . 45 : 277–280. DOI : 10.1016 / 0022-0248 (78) 90449-9 . ISSN 0022-0248 . 
  31. ^ Чэн, Чэн-Вэй; Шиу, Куэн-Тинг; Оболочка; Хан, Шу-Джен; Ши, Литен; Садана, Девендра К. (12 марта 2013 г.). «Процесс эпитаксиального отрыва для повторного использования подложки из арсенида галлия и гибкой электроники» . Nature Communications . 4 (1): 1577. DOI : 10.1038 / ncomms2583 . ISSN 2041-1723 . 
  32. ^ «Новый стабильный и экономичный тип перовскитных солнечных элементов» . PHYS.org . 17 июля 2014 . Проверено 4 августа 2015 года .
  33. ^ "Распыление направляет перовскитовые солнечные элементы к коммерциализации" . ChemistryWorld . 29 июля 2014 . Проверено 4 августа 2015 года .
  34. ^ "Перовскитные солнечные элементы" . Оссила . Проверено 4 августа 2015 года .
  35. ^ Стив Heckeroth (февраль-март 2010). «Перспектива тонкопленочной солнечной энергии» . Новости Матери-Земли . Проверено 23 марта 2010 года .
  36. ^ Тонкопленочные материалы промышленного масштаба: три новых завода в Германии общей мощностью почти 50 МВт
  37. ↑ Еще один рекорд эффективности солнечных батарей для First Solar
  38. ^ Солнечная батарея Panasonic HIT устанавливает мировой рекорд эффективности
  39. ^ "NREL: фотоэлектрические исследования - проект партнерства с тонкой пленкой фотоэлектрических" . Nrel.gov. 28 июня 2012 . Проверено 26 июня 2014 года .
  40. ^ «Мировой рекорд эффективности тонкопленочных солнечных элементов в 22,3%, достигнутый солнечной границей - Кампания Renew India - солнечные фотоэлектрические, Indian Solar News, Indian Wind News, Indian Wind Market» . www.renewindians.com . Проверено 14 декабря 2015 года .
  41. ^ Widenborg Пер I .; Аберли, Армин Г. (2007). "Тонкопленочные солнечные элементы из поликристаллического кремния на суперстратах из текстурированного стекла AIT" (PDF) . Достижения в оптоэлектронике . 2007 : 1–7. DOI : 10.1155 / 2007/24584 .
  42. ^ [2]
  43. ^ Сюй, Чжида; Яо, юань; Брюкнер, Эрик; Ли, Ланьфанг; Цзян, Цзин; Нуццо, Ральф Дж .; Лю, Логан (2014). «Черные кремниевые солнечные тонкопленочные микроэлементы, объединяющие верхние наноконусные структуры для широкополосного и всенаправленного захвата света». Нанотехнологии . 25 (30): 305301. arXiv : 1406.1729 . Bibcode : 2014Nanot..25D5301X . DOI : 10.1088 / 0957-4484 / 25/30/305301 . PMID 25006119 . 
  44. ^ Ву, Цзян; Ю, Пэн; Суша, Андрей С .; Sablon, Kimberly A .; Чен, Хайюань; Чжоу, Чжихуа; Ли, Хандонг; Джи, Хайнинг; Ню, Сяобинь (1 апреля 2015 г.). «Повышение эффективности широкополосной связи в солнечных элементах с квантовыми точками в сочетании с плазмонными нанозвездами с несколькими лучами». Нано Энергия . 13 : 827–835. DOI : 10.1016 / j.nanoen.2015.02.012 .
  45. ^ Ю, Пэн; Яо, Исэнь; Ву, Цзян; Ню, Сяобинь; Рогач, Андрей Л .; Ван, Чжимин (9 августа 2017 г.). "Влияние плазмонных наночастиц металлического ядра-диэлектрической оболочки на усиление широкополосного поглощения света в тонкопленочных солнечных элементах" . Научные отчеты . 7 (1): 7696. Bibcode : 2017NatSR ... 7.7696Y . DOI : 10.1038 / s41598-017-08077-9 . ISSN 2045-2322 . PMC 5550503 . PMID 28794487 .   
  46. ^ Терри, Мейсон L .; Штрауб, Аксель; Inn, Дэниел; Сун, Дэнъюань; Аберле, Армин Г. (2005). «Значительное повышение напряжения холостого хода за счет быстрого термического отжига твердофазно-кристаллизованных тонкопленочных кремниевых солнечных элементов на стекле». Письма по прикладной физике . 86 (17): 172108. Bibcode : 2005ApPhL..86q2108T . DOI : 10.1063 / 1.1921352 .
  47. ↑ Ян, Баоцзе; Юэ, Гочжэнь; Сивек, Лаура; Ян, Джеффри; Гуха, Субхенду; Цзян, Чун-Шэн (2011). «Инновационный слой nc-SiOx: H с двойной функцией, ведущий к созданию многопереходных тонкопленочных кремниевых солнечных элементов с КПД> 16%». Письма по прикладной физике . 99 (11): 11351. Bibcode : 2011ApPhL..99k3512Y . DOI : 10.1063 / 1.3638068 .
  48. ^ Ю, Пэн; Ву, Цзян; Лю, Шентинг; Сюн, Цзе; Джагадиш, Ченнупати; Ван, Чжиминг М. (1 декабря 2016 г.). «Разработка и изготовление кремниевых нанопроволок для создания эффективных солнечных элементов» (PDF) . Нано сегодня . 11 (6): 704–737. DOI : 10.1016 / j.nantod.2016.10.001 .
  49. ^ «Отчет по фотоэлектрической энергии» (PDF) . Фраунгофера ISE. 28 июля 2014 г. Архивировано 31 августа 2014 г. из оригинального (PDF) . Проверено 31 августа 2014 года .
  50. ^ RenewableEnergyWorld.com Как тонкая пленка на солнечной энергии лучше кристаллического кремния , 3 января 2011 г.
  51. ^ Дайан Кардуэлл; Кейт Брэдшер (9 января 2013 г.). «Китайская фирма покупает запуск солнечной энергии в США» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 10 января 2013 года .
  52. ^ Andorka, Frank (8 января 2014). "Упрощенные солнечные элементы CIGS" . solarpowerworldonline.com/ . Мир солнечной энергии. Архивировано 16 августа 2014 года . Проверено 16 августа 2014 года .
  53. ^ «Южнокорейские предприятия прекращают или сокращают производство тонких пленок» . OfWeek.com/. 17 июля 2014 г.
  54. ^ «Годовой отчет 2014» . МЭА-ПВПС. 21 мая 2015 г. С. 49, 78. Компания Samsung SDI решила прекратить производство тонкопленочных фотоэлектрических модулей CIGS. Hanergy: Таблица 3 на странице 49
  55. ^ solar-frontier.com - PressRelease Solar Frontier для строительства электростанции солнечных модулей мощностью 150 МВт в СНГ в Тохоку, Япония , 19 декабря 2013 г.
  56. ^ "Самая большая солнечная ферма Австралии открывается в Нингане, западный Новый Южный Уэльс" . ABC.net.au . 18 апреля 2015 года.
  57. ^ Перальта, Эйдер. (7 апреля 2011 г.) GE представляет планы по строительству крупнейшего завода по производству солнечных панелей в США: двусторонний . ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР. Проверено 05 мая 2011.
  58. ^ PVTECH.org First Solar покупает у GE тонкопленочную ИС CdTe и формирует деловое партнерство , 6 августа 2013 г.
  59. ↑ Raabe, Стив; Джаффе, Марк (4 ноября 2012 г.). "Bankrupt Abound Solar of Colo. Живет как политический футбол" . Денвер Пост .
  60. ^ «Конец наступает для ECD Solar» . GreentechMedia . 14 февраля 2012 г.
  61. ^ «Oerlikon отказывается от своего солнечного бизнеса и судьбы фотоэлектрических панелей из аморфного кремния» . GrrentechMedia . 2 марта 2012 г.
  62. ^ "Покойся с миром: Список умерших солнечных компаний" . GreenTechMedia . 6 апреля 2013 . Проверено в июле 2015 года . Проверить значения даты в: |access-date=( помощь )
  63. ^ "NovaSolar, ранее OptiSolar, оставив дымящийся кратер во Фремонте" . GreenTechMedia . 24 февраля 2012 . Проверено в июле 2015 года . Проверить значения даты в: |access-date=( помощь )
  64. ^ «Китайская дочерняя компания Suntech Power объявляет о банкротстве» . Нью-Йорк Таймс . 20 марта 2013 г.
  65. ^ «Suntech ищет новые деньги после банкротства в Китае, говорит ликвидатор» . Блумберг. 29 апреля 2014 г.
  66. ^ «PVX спотовые рыночные цены на солнечные фотоэлектрические модули» . SolarServer. 20 июня, 2014. Архивировано из оригинального 20 сентября 2014 года . Проверено в июле 2015 года . Проверить значения даты в: |access-date=( помощь )
  67. ^ (Среднерыночные курсы: 31.08.2013 21:20 UTC 1 евро = 1,32235 долларов США)
  68. ^ "25. Тонкопленочные солнечные панели" . Время. 29 октября 2008 г. Лучшие изобретения TIME 2008 года . Проверено 25 мая 2010 года .

Источники [ править ]

  • Грама, С. "Обзор тонкопленочной солнечной фотоэлектрической промышленности и технологий". Массачусетский технологический институт, 2008 г.
  • Грин, Мартин А. «Консолидация тонкопленочных фотоэлектрических технологий: грядущее десятилетие возможностей». Прогресс в фотовольтаике: исследования и приложения 14, № 5 (2006): 383–392.
  • Грин, Массачусетс, «Последние разработки в области фотоэлектрической энергии». Солнечная энергия 76, вып. 1-3 (2004): 3–8.
  • Бокарн, Гай. «Кремниевые тонкопленочные солнечные элементы». Достижения в оптоэлектронике 2007 (август 2007 г.): 12.
  • Уллал, Х.С. и Б. фон Родерн. «Тонкопленочные фотоэлектрические технологии CIGS и CdTe: коммерциализация, критические проблемы и приложения; Препринт »(2007).
  • Hegedus, S. «Тонкопленочные солнечные модули: низкая стоимость, высокая производительность и универсальная альтернатива кремниевым пластинам». Прогресс в фотоэлектрической технике: исследования и приложения 14, вып. 5 (2006): 393–411.
  • Поортманс Дж. И В. Архипов. Тонкопленочные солнечные элементы: изготовление, характеристика и применение. Wiley, 2006.
  • Вронски, CR, Б. Фон Родерн, и А. Колодзей. «Тонкопленочные солнечные элементы на основе Si: H». Вакуум 82, нет. 10 (3 июня 2008 г.): 1145–1150.
  • Чопра, К.Л., П.Д. Полсон и В. Датта. «Тонкопленочные солнечные элементы: обзор». Прогресс в фотогальванике: исследования и приложения 12, вып. 2-3 (2004): 69–92.
  • Хамакава Ю. Тонкопленочные солнечные элементы: фотоэлектрические элементы нового поколения и их применение. Спрингер, 2004.
  • Грин, Мартин. «Тонкопленочные солнечные элементы: обзор материалов, технологий и коммерческого статуса». Журнал материаловедения: материалы в электронике 18 (1 октября 2007 г.): 15–19.

Внешние ссылки [ править ]

  • Солнечные панели , Link Solar
  • Flexcellence , STReP, финансируемый Шестой рамочной программой (FP6) ЕС. Полное название: Технология Roll-to-Roll для производства высокоэффективных недорогих тонкопленочных кремниевых фотоэлектрических модулей.