Фотоэлектрические элементы третьего поколения - это солнечные элементы , которые потенциально способны преодолевать предел Шокли – Кайссера в 31–41% энергоэффективности для солнечных элементов с одной запрещенной зоной . Это включает ряд альтернатив ячейкам, сделанным из полупроводниковых pn переходов («первое поколение») и тонкопленочных элементов («второе поколение»). Обычные системы третьего поколения включают многослойные («тандемные») элементы из аморфного кремния или арсенида галлия., в то время как другие теоретические разработки включают преобразование частоты (т. е. изменение частот света, которые ячейка не может использовать, на световые частоты, которые ячейка может использовать - таким образом, производя больше энергии), эффекты горячей несущей и другие методы выброса нескольких несущих. [1] [2] [3] [4] [5]
К новым фотоэлектрическим элементам относятся:
- 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 фотоэлемент
- Солнечный элемент на квантовых точках
Достижения в исследованиях перовскитных ячеек, особенно, привлекли огромное внимание общественности, поскольку эффективность их исследований недавно взлетела выше 20 процентов. Они также предлагают широкий спектр недорогих приложений. [6] [7] [8] Кроме того, еще одна развивающаяся технология, фотоэлектрические концентраторы (CPV), использует высокоэффективные многопереходные солнечные элементы в сочетании с оптическими линзами и системой слежения.
Технологии
Солнечные элементы можно рассматривать как аналог радиоприемников в видимом свете . Ресивер состоит из трех основных частей; антенна, которая преобразует радиоволны (свет) в волновые движения электронов в материале антенны, электронный клапан, который улавливает электроны, когда они вылетают из конца антенны, и тюнер, который усиливает электроны выбранной частоты. Можно построить солнечный элемент, идентичный радиоприемнику, систему, известную как оптическая ректенна , но на сегодняшний день это не было практичным.
Большую часть рынка солнечной электроэнергии составляют устройства на основе кремния. В кремниевых элементах кремний действует как антенна (или электронодонор , технически), а также как электронный вентиль. Кремний широко доступен, относительно недорог и имеет ширину запрещенной зоны, которая идеально подходит для сбора солнечной энергии. С другой стороны, производство кремния в больших объемах является энергетически и экономически дорогостоящим, и были предприняты большие усилия для уменьшения необходимого количества. Кроме того, он механически хрупок, что обычно требует использования листа прочного стекла в качестве механической опоры и защиты от элементов. Одно только стекло составляет значительную часть стоимости типичного солнечного модуля.
Согласно пределу Шокли – Кайссера, большая часть теоретической эффективности ячейки связана с разницей в энергии между шириной запрещенной зоны и солнечным фотоном. Любой фотон с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны, может вызвать фотовозбуждение, но любая энергия, превышающая ширину запрещенной зоны, теряется. Рассмотрим солнечный спектр; только небольшая часть света, достигающего земли, является синей, но эти фотоны имеют в три раза больше энергии, чем красный свет. Ширина запрещенной зоны кремния составляет 1,1 эВ, что примерно равно ширине запрещенной зоны красного света, поэтому в этом случае энергия синего света теряется в кремниевой ячейке. Если ширина запрещенной зоны увеличена, скажем, на синий, эта энергия теперь улавливается, но только за счет отбрасывания фотонов с более низкой энергией.
Можно значительно улучшить однопереходную ячейку, наложив друг на друга тонкие слои материала с различной шириной запрещенной зоны - «тандемная ячейка» или «многопереходный» подход. Традиционные методы получения кремния не подходят для этого подхода. Вместо них использовались тонкие пленки из аморфного кремния, особенно продукты Uni-Solar , но другие проблемы не позволяли им соответствовать характеристикам традиционных элементов. Большинство структур с тандемными ячейками основано на полупроводниках с более высокими характеристиками, особенно на арсениде галлия (GaAs). Трехслойные ячейки GaAs достигли эффективности 41,6% для экспериментальных примеров. [9] В сентябре 2013 года четырехслойная ячейка достигла эффективности 44,7%. [10]
Численный анализ показывает, что «идеальный» однослойный солнечный элемент должен иметь ширину запрещенной зоны 1,13 эВ, почти точно такую же, как у кремния. Такой элемент может иметь максимальную теоретическую эффективность преобразования энергии 33,7% - солнечная энергия ниже красного (в инфракрасном диапазоне) теряется, а также теряется дополнительная энергия более высоких цветов. Для двухслойной ячейки один слой должен быть настроен на 1,64 эВ, а другой - на 0,94 эВ, с теоретической производительностью 44%. Трехслойная ячейка должна быть настроена на 1,83, 1,16 и 0,71 эВ с эффективностью 48%. Теоретическая ячейка с «бесконечным слоем» будет иметь теоретическую эффективность 68,2% для рассеянного света. [11]
В то время как новые солнечные технологии, которые были открыты, сосредоточены вокруг нанотехнологий, в настоящее время используется несколько различных методов обработки материалов.
Этикетки третьего поколения включает в себя несколько технологий, хотя она включает в себя не- полупроводниковых технологий ( в том числе полимеров и биомиметики ), квантовых точек , тандем / мульти-соединительных элементов , промежуточной полосы солнечного элемента , [12] [13] клетки горячих носителей , фотон апконверсии и технологии понижающего преобразования , а также солнечные тепловые технологии, такие как термофотоника , которая является одной из технологий, идентифицированных Green как технология третьего поколения. [14]
Он также включает: [15]
- Кремниевые наноструктуры
- Изменение падающего спектра ( фотоэлектрические концентраторы ) для достижения 300–500 солнечных лучей и эффективности от 32% (уже достигнутой в ячейках Sol3g [16] ) до + 50%.
- Использование избыточного тепловыделения (вызванного УФ-светом ) для повышения напряжения или сбора носителей.
- Использование инфракрасного спектра для производства электроэнергии в ночное время.
Смотрите также
- Ширина запрещенной зоны
- Наноантенна
- Органическая электроника
- Печатная электроника
Рекомендации
- ^ Шокли, В .; Queisser, HJ (1961). «Детализированный предел баланса эффективности солнечных элементов с pn переходом». Журнал прикладной физики . 32 (3): 510. Bibcode : 1961JAP .... 32..510S . DOI : 10.1063 / 1.1736034 .
- ^ Луке, Антонио; Лопес Араухо, Херардо (1990). Физические ограничения фотоэлектрического преобразования энергии . Бристоль: Адам Хильгер. ISBN 0-7503-0030-2.
- ^ Грин, Массачусетс (2001). «Фотоэлектрические системы третьего поколения: сверхвысокая эффективность преобразования при низкой стоимости». Прогресс в фотогальванике: исследования и приложения . 9 (2): 123–135. DOI : 10.1002 / pip.360 .
- ^ Martí, A .; Луке, А. (1 сентября 2003 г.). Фотоэлектрические системы нового поколения: высокая эффективность за счет использования всего спектра . CRC Press. ISBN 978-1-4200-3386-1.
- ^ Конибер, Г. (2007). «Фотовольтаика третьего поколения» . Материалы сегодня . 10 (11): 42–50. DOI : 10.1016 / S1369-7021 (07) 70278-X .
- ^ «Новый стабильный и экономичный тип перовскитовых солнечных элементов» . PHYS.org . 17 июля 2014 . Дата обращения 4 августа 2015 .
- ^ «Распыление направляет перовскитовые солнечные элементы к коммерциализации» . ChemistryWorld . 29 июля 2014 . Дата обращения 4 августа 2015 .
- ^ «Перовскитовые солнечные элементы» . Оссила . Дата обращения 4 августа 2015 .
- ^ Дэвид Biello, «Новая эффективность солнечной ячейки набор записей» , Scientific American , 27 августа 2009
- ^ «Солнечная батарея побила новый мировой рекорд с эффективностью 44,7%» . Проверено 26 сентября 2013 года .
- ^ Грин, Мартин (2006). Фотогальваника третьего поколения . Нью-Йорк: Спрингер. п. 66.
- ^ Луке, Антонио; Марти, Антонио (1997). «Повышение эффективности идеальных солнечных элементов с помощью фотонно-индуцированных переходов на промежуточных уровнях» . Письма с физическим обзором . 78 (26): 5014–5017. DOI : 10.1103 / PhysRevLett.78.5014 .
- ^ Вейминг Ван; Альберт С. Лин; Джейми Д. Филлипс (2009). «Промежуточный фотоэлектрический фотоэлемент на основе ZnTe: O». Прил. Phys. Lett . 95 (1): 011103. Bibcode : 2009ApPhL..95a1103W . DOI : 10.1063 / 1.3166863 .
- ^ Грин, Мартин (2003). Фотоэлектрические системы третьего поколения: передовое преобразование солнечной энергии . Springer Science + Business Media . ISBN 978-3-540-40137-7.
- ^ Школа фотоэлектрической инженерии UNSW. «Фотовольтаика третьего поколения» . Проверено 20 июня 2008 года .
- ^ Sol3g защищает солнечные элементы с тройным переходом из космоса Azur
Внешние ссылки
- Различные поколения солнечных элементов
- Исследования в Технологическом университете Вирджинии
- Солнечная перестрелка в долине Сан-Хоакин
- Кремний против CIGS: с солнечной энергией проблема существенна
- Пуск нацелен на тонкопленочные кремниевые солнечные элементы
- Солнечные элементы питания с напылением - настоящий прорыв
- Солнечные батареи: новый фантастический свет
- Honda начнет массовое производство тонкопленочных солнечных батарей нового поколения
- Глоссарий