+7 495 120-13-73 | 8 800 500-97-74

(для регионов бесплатно)

Содержание

Современные солнечные элементы и модули • Ваш Солнечный Дом

Автор: Каргиев В.М., к.т.н. ©

Технологии производства солнечных элементов и панелей постоянно развиваются и совершенствуются. Производители и исследователи постоянно ищут пути увеличить эффективность солнечных панелей, повысить количество вырабатываемой энергии с единицы площади, улучшить их работы при различных уровнях освещенности, температуры и повысить стойкость к воздействию факторов окружающей среды.

За последние 15 лет мы видели прогресс в развитии технологий кристаллических солнечных элементов. Кроме улучшения качества  изготовления солнечных элементов изменялась и технология их производства. Эффективность солнечных элементов существенно выросла благодаря улучшениям в технологии производства солнечных фотоэлектрических элементов.

На настоящий момент можно выделить следующие новейшие технологии солнечных элементов (поли- и монокристаллы), которые мы рассмотрим ниже или в отдельных статьях (см.

наличие ссылок на названии технологии):

Статья дополняет предыдущие материалы по теме (рекомендуется ознакомиться перед дальнейшим чтением):
  • Multi Busbar – солнечные элементы с множеством токосъемных шин
  • Split cells – разрезанные пополам и на 1/3 солнечные элементы

  • Shingled – “чешуйчатые” элементы

  • Bifacial – двусторонние панели и элементы (перейдите по ссылке для подробной информации)
  • HJT – Heterojunction cells – гетероструктурные элементы. В России такие делает завод Хевел

  • IBC – Interdigitated Back Contact cells – такие элементы делает компания SunPower и некоторые другие, в них токосъем осуществляется контактными “столбиками”, соединяющими лицевую и тыльную части солнечного элемента

  • TOPCon – Tunnel Oxide Passivated Contact

Как изменялась технология производства солнечных элементов?

1.
Размеры солнечных элементов

Развитие массового производства кремния для солнечных батарей привело к увеличению размера солнечных элементов. Если в конце  прошлого века наиболее популярными были солнечные элементы размером 100 и менее миллиметров, то в конце 90-х годов стандартом стали элементы размером 125*125 мм. Примерно в середине 2000-х начался переход на солнечные элементы размером 156х156 мм. Начиная с 2018 года все больше и больше производится элементов размером 158-158 и 166*166 мм. Это стало возможным благодаря повышению стабильности параметров выращиваемых кристаллов и внедрению в производство оборудования для выращивания кристаллов таких размеров.

Увеличение размера элементов позволяет снизить удельные затраты на производство единицы мощности солнечных панелей.
2.
Количество токосъемных шин солнечных ячеек

Это количество влияет на эффективность сбора свободных электронов, выбиваемых фотонами солнечного света, с поверхности солнечного элемента. Чем меньше расстояние между токосъемными шинами и чем они ýже, тем лучше эффективность сбора электронов. Это приводит к постоянному увеличению КПД солнечных элементов, который у элементов с 9 токосъемными шинами (busbars, далее bb) увеличился в 1,5-2 раза по сравнению элементами с 2bb (c примерно 11-12% до 22-24%).

Первые массово производимые солнечные элементы имели всего 2 токосъемные шины при размере 125*125 мм. До сих пор на рынке можно встретить солнечные модули из таких элементов, которые собираются из старых складских запасов. При покупке таких модулей будьте готовы к тому, что модули или произведены давно (лет 10-15 назад), или в них используются старые неэффективные солнечные элементы. Более того, недавно произведенные модули из элементов такого размера с 2 bb могут быть сделаны из отбракованных остатков, которые были проданы производителями как брак за бесценок мелким сборщикам.

В начале 2010-х годов стандартом стали солнечные элементы  размером 156-156 мм с 3-мя, а потом и с 4-мя токосъемными шинами. Примерно в 2015 году стандартом стали солнечные элементы с 5 шинами. Они являются наиболее распространенными и сейчас (на начало 2021 года)

Однако примерно с 2017 года все больше производителей стало предлагать солнечные элементы с 7, 9, 12, 15 и даже 18 токосъемными шинами. Меняется и сама конструкция шин – если раньше они были плоскими полосками, которые затеняли часть солнечного элемента, то в мультишинных элементах шины делают круглыми и более тонкими. Т.к. длина тонких токосъемных полосок стала меньше, то и сопротивление их снизилось. Поэтому в мультишинных солнечных элементах меньше сопротивление токосъемных контактов, что повысило КПД солнечных элементов.

Еще одно преимущество MBB солнечных элементов – бóльшая стойкость к микротрещинам. Если солнечный элемент, вследствие воздействия удара или давления (например, очень большой град или на модуль наступил человек) получает микротрещину, то элемент с мультишинами будет меньше терять мощность, потому что в нем есть множество обходных путей для протекания тока по элементу.

Применение солнечных модулей с солнечными элементами с 9 токосъемными шинами по сравнению со стандартными на сегодняшний день элементами с 5 шинами помогает: уменьшить общую стоимость солнечной энергосистемы, улучшить её окупаемость, уменьшить риск микротрещин, хотспотов и LID (light induced degradation) эффекта при увеличении общего КПД и выработки энергии солнечной батареей.

На настоящий момент наиболее экономически обоснованными являются солнечные элементы с 9 bb. Стоимость таких элементов в последний год существенно снизилась и превышает стоимость стандартных солнечных элементов с 5 bb всего на 10-12%. При этом разница в КПД может доходить до 15-20%.

3. Солнечные элементы без токосъемных шин на лицевой поверхности. Еще одним методом улучшения эффективности солнечных элементов стала разработка солнечных элементов вообще без токосъемных шин на лицевой поверхности. Такие элементы производит американская компания SunPower (см. про IBC ниже). Несколько лет назад такие элементы имели самый высокий КПД (примерно 22%), при этом также стоили дороже всего. Токосъем как “+”, так и “-” происходит за счет “столбиков”, которые выходят своими вершинами на лицевую поверхность. Подробнее см. на сайте Sunpower.

В последние годы Sunpower близок к банкротству, т.к. такая технология намного дороже, но преимущества в КПД уже практически не осталось. Единственно, где еще нельзя заменить элементы Sunpower – это псевдогибкие солнечные панели. Это связано с тем, что элементы Sunpower практически нечувствительны к микротрещинам и сохраняют свою работоспособность при небольших изгибах солнечных элементов.

Стремление убрать с площади лицевой поверхности солнечных панелей токопроводящие шины и увеличить заполняемость солнечной панели солнечными элементами привело к изобретению так называемых “чешуйчатых” (shingled) солнечных панелей

. На настоящий момент эти панели имеют наибольший КПД среди кристаллических солнечных панелей с шинными токосъемами. В нашем ассортименте есть такие модули мощностью 340-345 Вт в размере стандартных 60-элементных модулей. См. ниже для более подробной информации про “чешуйчатые” модули.

Разделенные (split) солнечные панели с половинными элементами

Особенности и преимущества солнечных батарей из резанных элементов

Раньше, если солнечную панель делали из нецелых элементов, это говорило о том, что эта панель сделана из отбракованных солнечных элементов со сколами и трещинами. Обычно такие панели делали мелкие производители, которые покупали отбраковку солнечных элементов, нарезали куски из неповрежденных частей и соединяли их в солнечные панели.  Такие бракованные элементы также имели и другие дефекты, приводящие к снижению срока службы и эффективности. Поэтому, если вам предлагали солнечную панель с количеством элементов больше, чем стандартное (36/60/72), да еще и дешевле обычной цены, то с большой долей вероятности вы могли получить модуль из отбракованных солнечных элементов Grade C или D.

Такими модулями “грешили” поставщики под одной популярной до недавнего времени российской торговой маркой. К счастью, сейчас такие модули практически  не встречаются на российском рынке. 

Ситуация кардинально изменилась в последние пару лет. Появилась технология производства, при которой солнечные элементы специально режут на 2 или даже на 3 части. При этом сам модуль тоже делится на 2 равные части, которые работают практически независимо друг от друга. Это сделано по

3 основным причинам:

  • уменьшаются токи, протекающие по солнечным элементам, что уменьшает резистивные потери
  • при затенении одной части такого модуля вторая половина работает без потери мощности (как известно, при частичном затенение стандартного модуля, его мощность падает практически до 0 – для компенсации этого эффекта и применяются шунтирующие диоды в клеммной коробке солнечных панелей).
  • улучшается заполняемость площади солнечной панели солнечными элементами, что также приводит к увеличению КПД солнечной панели.

Большинство крупных производителей в настоящее время перешли на изготовление солнечных панелей из разрезанных наполовину солнечных элементов (half-cut), которые пришли на замену стандартным квадратным солнечным элементам. Это позволило разделить солнечную панель на 2 независимо работающие половины. Мощность панели также разделена пополам. Это имеет несколько преимуществ, включая улучшенную производительность за счет снижения резистивных потерь в токосъемных полосках и шинах. Более  того, некоторые производители стали делать экстра-большие солнечные элементы размером 210*210 мм, которые разрезаются на 3 части. Такие солнечные элементы используются в солнечных модуля высокой мощности – до 600Вт.

Солнечная панель из половинных солнечных элементов
1. Размеры солнечного элемента больше в split солнечных модулях 

Бóльшие размеры солнечного элемента увеличивают площадь солнечных элементов в солнечной панели. Это позволяет делать солнечные панели большей мощности (до 600Вт) и увеличить КПД модуля до 22%.

2. Меньше расстояние между токосъемными шинами и более тонкие шины

Уменьшение расстояние между токосъемными шинами уменьшает интенсивность тока между ними и, следовательно, потери в солнечном элементе.  Площадь токосъемных шин в элементе в 9 шинами меньше на 22% по сравнению с элементов с 5 шинами. Увеличение полезной световоспринимающей площади солнечного элемента позволяет увеличить мощность и выработку энергии солнечным модулем.

Дополнительно, меньшее расстояние от краев солнечной панели до клеммной коробки, которая располагается в середине сплит-панели снижает потери в проводниках и повышает полезную мощность до 20Вт в сравнении с обычной панелью аналогичного размера.

Уникальная клеммная коробка сплит солнечной панели состоит из 3 частей для того, чтобы уменьшить эффект частичного затенения. В модуле есть 6 отдельных цепочек солнечных элементов (но только 3 шунтирующих диода), что обеспечивает меньшие потери мощности при частичном затенении модуля.

Клеммная коробка обычного и half-cut солнечного модуля

Так как каждый элемент – всего половина от стандартного элемента, то он производит в 2 раза меньший ток при том же напряжении. Это значит, что ширина токосъемных полосок может быть уменьшена в 2 раза, и это означает меньшее затенение полезной площади солнечного элемента и, как следствие, увеличенный КПД. Меньшие токи также приводят к меньшему нагреву солнечных элементов и панели в целом (а, как известно, при нагреве эффективность фотоэлектрических элементов падает). Также, меньшие температуры элементов снижают риск появления хотспотов (точек локального перегрева), которые не только снижают эффективность солнечного модуля, но и уменьшают срок его службы. Этот риск существует при частичном затенении модуля – как внешними предметами (ветки, облака), так и из-за пятен грязи на самих панелях. Резистивные потери в проводниках и шинах уменьшаются на 75%, мощность модуля возрастает на 4%.

3. Уменьшение эффектов затенения солнечных модулей
Эффект затенения для стандартного и half-cut солнечных модулей

На рисунке выше показано типичное соединение солнечных элементов в солнечном модуле. Элементы в стандартных модулях по 60 и 72 шт. обычно соединяются в 3 последовательные цепочки. При затенении нижней части солнечной панели (а обычно бывает именно такое затенение, особенно если панели в солнечной батарее располагаются рядами) из работы исключается весь солнечный модуль. У модуля с половинными элементами будет продолжать работать половина модуля. 

Солнечные модули с половинными элементами дороже в производстве, поэтому при их изготовлении обычно используются самые качественные элементы. В последнее время все больше модулей с половинными элементами делаются из элементов с 9 токосъемными шинами.

Половинные солнечные элементы позволяют снизить токи между солнечными элементами, что приводит к снижению потерь и увеличению КПД. Снижается риск микротрещин, увеличивается стойкость к хот-спотам (локальным перегревам) и снижается LID-деградация.

4.
Привлекательный внешний вид

Технологии солнечных элементов и модулей улучшаются, и чешуйчатые модули в настоящее время представляют из себя одну из наиболее продвинутых технологих изготовления солнечных модулей.

В нашем ассортименте представлены несколько моделей чешуйчатых солнечных панелей. Производители – Tongwei Solar и Seraphim. 

Модули с высокой плотностью заполнения

Еще одним способом повысить полезное использование площади модулей стало технология “уплотнения” солнечных элементов. Такие модули получили название High-Density. В стандартном модуле расстояние между элементами составляет до 2 мм. Современные производители добились уменьшения этого расстояния до 0,5мм. Это может показаться довольно простым улучшением, но оно позволило уменьшить расстояние между солнечными элементами за счет того, что контакты на верхней поверхности одного элемента напрямую соединяются с контактом на нижней поверхности соседнего элемента (см. рисунок). Это позволило несколько процентов повысить эффективность солнечной панели.  

Jinko Solar использует технологию, которая похожа на “чешуйчатую”. Её Tiling Ribbon (TR) технология позволила вообще исключить расстояние между модулями. Также, используется меньше серебра в припое для пайки, что снижает стоимость производства.

Двусторонние солнечные модули

Одними из первых модули с двусторонней чувствительностью разработал российский производитель в Краснодаре – завод “Солнечный Ветер”. Мы продавали двусторонние модули еще 15-20 лет назад. К сожалению, в 2012 году завод закрылся, и с тех пор в России двусторонние модули больше не выпускаются. Но последние несколько лет все больше производителей стало выпускать такие (Bifacial) модули. В основном они изготавливаются из элементов n-типа (“Солнечный ветер” был одним из первых в мире, кто освоил производство солнечных элементов n-типа). 

Двусторонние модули становятся все более популярными потому, что стоимость производства высокоэффективных и высококачественных солнечных элементов постоянно снижается. Для производства bifacial элементов нужны монокристаллы высшего качества. Двусторонние элементы могут преобразовывать солнечную энергию с обеих сторон. При правильной установке такие модули могут производить до 27% больше энергии по сравнению с обычными односторонними модулями. 

По конструкции такие модули могут отличаться по исполнению задней защитной части. Это может быть или прозрачная EVA пленка, или стекло (double glass). Модули с двойным стеклом имеют лучшую надежность и больший срок службы по сравнению со стандартными модулями с защитной пленкой. Модули могут быть с алюминиевой рамой и безрамными.

Как отличить по настоящему двусторонние модули от односторонних с прозрачной задней пленкой или двойным стеклом (такие тоже есть на рынке)? Настоящие двусторонние модули имеют токосъемную сетку с обеих сторон солнечного элемента.

Двусторонние солнечные модули на трекере

Традиционно двусторонние модули использовались только при установке на земле в таких условиях, когда отраженных от земли солнечный свет мог попадать на заднюю поверхность солнечной батареи. Например, при отражении от снега, от светлого песка и т.п. Даже при установке на светлых крышах достигалась добавка к выработке энергии (в среднем +10% по сравнению с односторонними модулями). 

Учитывая, что чувствительность задней стороны в таких модулях идет бонусом и ничего не стоит, применение двусторонних модулей может быть привлекательным даже при том, что задняя поверхность не освещается. Они часто используются при строительстве навесов и полупрозрачных крыш, потому что свет проникает через незаполненные солнечными элементами промежутки. 

Еще одним преимуществом двусторонних солнечных модулей является меньший температурный коэффициент из-за того, что такие модули меньше нагреваются на солнце. 

Как устанавливать двусторонние модули?

Способ установки bifacial модулей зависит от их конструкции. Рамные модули обычно легче устанавливать потому, что традиционные монтажные конструкции больше адаптированы именно к рамным модулям. Многие производители двусторонних модулей снабжают своими специальными креплениями, это облегчает установщикам их работу. Безрамные модули крепятся с помощью специальных креплений с резиновыми прокладками (они есть у нас в ассортименте), и нужно быть аккуратными при затяжке болтов, чтобы не расколоть стекло.

Количество энергии, которое генерируется тыльной стороной модуля, зависит от угла наклона солнечной батареи. Нужно обеспечивать попадание отраженного от поверхностей света на заднюю часть модуля. Несмотря на то, что в двусторонних фотоэлектрических модулях используются специальные тонкие клеммные коробки, которые практически не затеняют тыльную сторону элементов, сама монтажная конструкция может частично затенять тыльную часть солнечного модуля. В идеале нужно проектировать монтажную конструкцию с учетом используемых модулей с двусторонней чувствительностью, чтобы она минимально затеняла тыльную сторону солнечной батареи от отраженного света.

Вот некоторые производители, которые делают двусторонние модули:  LG, LONGi, Lumos Solar, Prism Solar, Silfab, Sunpreme, Trina Solar и Yingli Solar. С увеличением количества производителей двусторонние модули переходят из нишевого продукта в майнстрим. Думаю, мы увидим через несколько лет, что bifacial модули занимают существенную долю рынка солнечных модулей.

Видео от JA Solar, в котором рассказано о технологиях, применяемых в  современных солнечных модулях

В рекламируемом модуле применены технологии:

  1. PERC (пассивированный задний контакт)
  2. Half-cut cells (половинные солнечные элементы)
  3. Multi busbars (увеличенное количество токосъемных шин – 9 в данном случае)
  4. bifacial cells (двусторонная чувствительность элементов), даны цифры по увеличению выработки солнечными панелями за счет двусторонней чувствительности
  5. double glass panels (двойное защитное стекло) увеличивает срок службы и выработку солнечных панелей за счет уменьшения деградации с течением времени.

Неплохая статьи по теме на стороннем ресурсе:

Как делают солнечные элементы (17 фото + 2 видео)

 

Эта статья прочитана 19234 раз(а)!

Продолжить чтение

  • 10000

    2 основных параметра для оценки качества солнечных модулей Нам часто задают вопрос — почему у вас солнечные панели стоят столько, а у каких-то других продавцов — дешевле. Простой ответ похож на известную и набившую оскомину фразу. Согласно известной рекламе, «не…
  • 10000

    Тестирование параметров солнечных батарей Что такое STC и PTC? Как оценить и сравнить параметры солнечных батарей При выборе солнечных модулей очень важно понимать параметры, которыми описывается модуль — мощность, напряжения, токи в различных режимах. Но не менее важно знать, при…
  • 10000

    Руководство для покупателя по выбору солнечных панелей При перепечатке ссылка на этот сайт обязательна, См. Правила копирования. «Ваш Солнечный Дом» Общее правило при покупке солнечных батарей Последние несколько лет, очень много компаний, начиная от ландшафтных дизайнеров до установщиков окон, крыш,…
  • 10000

    Солнечные фотоэлектрические модули с двойным стеклом Модули с двойным остеклением (double glass) Солнечные модули с двойным стеклом  появились на рынке сравнительно недавно — 5-7 лет назад, но до недавнего времени они были дороже обычных модулей. В 2017 году они стали…
  • 66

    Как правильно выбирать солнечные элементы и модули Вы собрались купить солнечную батарею? В первую очередь, нужно обратить внимание на технические параметры солнечного модуля. Основные из них перечислены ниже. Также, нужно проверить качество изготовления и отсутствие визуальных дефектов на солнечных элементах,…
  • 62

    Тонкопленочные фотоэлектрические модули из аморфного кремния Тонкопленочные технологии часто рассматривают как будущее фотоэлектрической энергетики, несмотря на то, что в настоящее время более 90% всех производимых в мире солнечных модулей — кристаллические. Тем не менее, технологии тонкопленочных модулей развиваются очень быстро,…

Солнечные элементы. Принципы работы солнечных батарей. Материалы для солнечных элементов



Основные принципы работы солнечных батарей

Рис.1. Конструкция солнечного элемента

Простейшая конструкция солнечного элемента (СЭ) – прибора для преобразования энергии солнечного излучения – на основе монокристаллического кремния показана на рис.1. На малой глубине от поверхности кремниевой пластины p-типа сформирован p-n-переход с тонким металлическим контактом. На тыльную сторону пластины нанесен сплошной металлический контакт.

Когда СЭ освещается, поглощенные фотоны генерируют неравновесные электрон-дырочные пары. Электроны, генерируемые в p-слое вблизи p-n-перехода, подходят к p-n-переходу и существующим в нем электрическим полем выносятся в n-область.

Аналогично и избыточные дырки, созданные в n-слое, частично переносятся в p-слой (рис.2а). В результате n-слой приобретает дополнительный отрицательный заряд, а p-слой – положительный. Снижается первоначальная контактная разность потенциалов между p- и n-слоями полупроводника, и во внешней цепи появляется напряжение (рис.2б).

Отрицательному полюсу источника тока соответствует n-слой, а p-слой – положительному.

Рис.2. Зонная модель разомкнутого p-n-перехода:
а) — в начальный момент освещения;
б) — изменение зонной модели под действием
постоянного освещения и возникновение фотоЭДС

Величина установившейся фотоЭДС при освещении перехода излучением постоянной интенсивности описывается уравнением вольт-амперной характеристики (ВАХ) (рис.3):

U = (kT/q)ln((Iph-I)Is/+1)

где Is– ток насыщения, а Iph – фототок.

ВАХ поясняет эквивалентная схема фотоэлемента (рис.4), включающая источник тока

Iph=SqNoQ

где S – площадь фотоэлемента, а коэффициент собирания Q – безразмерный множитель (

Рис.3. Вольт-амперная характеристика солнечного элемента

Уравнение ВАХ справедливо и при освещении фотоэлемента светом произвольного спектрального состава, изменяется лишь значение фототока Iph. Максимальная мощность отбирается в том случае, когда фотоэлемент находится в режиме, отмеченном точкой а (см. рис. 3).

Рис.4. Эквивалентная схема солнечного элемента

Максимальная мощность, снимаемая с 1 см2, равна

P = Iph*U = x*Iкз*Uхх,

где x – коэффициент формы или коэффициент заполнения вольт-амперной характеристики, Iкз – ток короткого замыкания, Uхх – напряжение холостого хода.

Материалы для солнечных элементов

Для эффективной работы солнечных элементов необходимо соблюдение ряда условий:

  • оптический коэффициент поглощения (a) активного слоя полупроводника должен быть достаточно большим, чтобы обеспечить поглощение существенной части энергии солнечного света в пределах толщины слоя;
  • генерируемые при освещении электроны и дырки должны эффективно собираться на контактных электродах с обеих сторон активного слоя;
  • солнечный элемент должен обладать значительной высотой барьера в полупроводниковом переходе;
  • полное сопротивление, включенное последовательно с солнечным элементом (исключая сопротивление нагрузки), должно быть малым для того, чтобы уменьшить потери мощности (джоулево тепло) в процессе работы;
  • структура тонкой пленки должна быть однородной по всей активной области солнечного элемента, чтобы исключить закорачивание и влияние шунтирующих сопротивлений на характеристики элемента.

Производство структур на основе монокристаллического кремния, удовлетворяющих данным требованиям, – процесс технологически сложный и дорогостоящий. Поэтому внимание было обращено на такие материалы, как сплавы на основе аморфного кремния (a-Si:H), арсенид галлия и поликристаллические полупроводники.

Аморфный кремний выступил в качестве более дешевой альтернативы монокристаллическому. Первые СЭ на его основе были созданы в 1975 году. Оптическое поглощение аморфного кремния в 20 раз выше, чем кристаллического. Поэтому для существенного поглощения видимого света достаточно пленки а-Si:Н толщиной 0,5–1,0 мкм вместо дорогостоящих кремниевых 300-мкм подложек. Кроме того, благодаря существующим технологиям получения тонких пленок аморфного кремния большой площади не требуется операции резки, шлифовки и полировки, необходимых для СЭ на основе монокристаллического кремния. По сравнению с поликристаллическими кремниевыми элементами изделия на основе a-Si:Н производят при более низких температурах (300°С): можно использовать дешевые стеклянные подложки, что сократит расход кремния в 20 раз.

Пока максимальный КПД экспериментальных элементов на основе а-Si:Н – 12% – несколько ниже КПД кристаллических кремниевых СЭ (~15%). Однако не исключено, что с развитием технологии КПД элементов на основе а-Si:Н достигнет теоретического потолка – 16 %.

Наиболее простые конструкции СЭ из а-Si:Н были созданы на основе структуры металл – полупроводник (диод Шотки) (рис. 6). Несмотря на видимую простоту, их реализация достаточно проблематична – металлический электрод должен быть прозрачным и равномерным по толщине, а все состояния на границе металл/а-Si:Н – стабильными во времени. чаще всего солнечные элементы на основе а-Si:Н формируют на ленте из нержавеющей стали или на стеклянных подложках, покрытых проводящим слоем.

Рис.5. Конструкция фотоэлемента с барьером Шотки

При использовании стеклянных подложек на них наносят прозрачную для света проводящую оксидную пленку (ТСО) из SnO2, In2O3 или SnO2+In2O3 (ITO), что позволяет освещать элемент через стекло. Поскольку у нелегированного слоя электронная проводимость выражена слабо, барьер Шотки создается за счет осаждения металлических пленок с высокой работой выхода (Pt, Rh, Pd), которая обуславливает образование области положительного объемного заряда (обедненного слоя) в а-Si:Н.

При нанесении аморфного кремния на металлическую подложку образуется нежелательный потенциальный барьер а-Si:Н/металлическая подложка, высоту которого необходимо уменьшать. Для этого используют подложки из металлов с малой работой выхода (Mo, Ni, Nb). Перед нанесением аморфного кремния желательно осадить на металлической подложке тонкий слой (10–30 нм) а-Si:Н, легированный фосфором. Не рекомендуется использовать в качестве материалов электродов легко диффундирующие в аморфный кремний металлы (например, Au и Al), а также Cu и Ag, поскольку а-Si:Н обладает плохой адгезией к ним. Отметим, что Uxx солнечных элементов с барьером Шотки на основе а-Si:Н обычно не превышает 0,6 В.

Более высокой эффективностью обладают СЭ на основе аморфного кремния с p-i-n-структурой (рис.6). В этом “заслуга” широкой нелегированной i-области a-Si:H, поглощающей существенную долю света. Но возникает проблема – диффузионная длина дырок в a-Si:H очень мала (~100 нм), поэтому в солнечных элементах на основе a-Si:H носители заряда достигают электродов в основном только благодаря внутреннему электрическому полю, т.е. за счет дрейфа носителей заряда. В СЭ на основе кристаллических полупроводников носители заряда, имея большую диффузионную длину (100 – 200 мкм), достигают электродов и в отсутствие электрического поля. Поскольку в простом p-n-переходе в a-Si:H область сильного электрического поля очень узка и диффузионная длина носителей заряда мала, в большей части СЭ не происходит эффективного разделения носителей заряда, генерируемых при поглощении света.

Следовательно, для получения эффективных СЭ на основе p-i-n-сруктуры аморфного гидрогенизированного кремния необходимо добиться во всей i-области однородного мощного внутреннего электрического поля, достаточного для достижения длины дрейфа носителей, соизмеримого с размерами области поглощения (см. рис.6).

Рис.6. Энергетическая зонная диаграмма p-i-n-структуры (а)
и расчетное распределение электрического поля (б)

Данная задача решается, если при изготовлении p-i-n-структуры первым формировать p-слой (рис.7). Для его создания необходимо небольшое количество бора (

Рис.7. р-i-n-Структура на стеклянной (а) и стальной (б) подложке

В то же время, если первым осаждать n-слой, то наличие остаточного фосфора изменяет свойства i-слоя. Формирование p-слоя на поверхности прозрачного проводящего электрода обеспечивает с ним хороший электрический контакт. Однако толщина p-слоя должна быть мала (10 нм), чтобы основная часть света поглощалась в i-области.

Используется и другая p-i-n-структура СЭ на основе a-Si:H с подложкой из металлической фольги, в частности из нержавеющей стали. Свет попадает со стороны прозрачного электрода, контактирующего с n-областью. В результате возрастает плотность тока короткого замыкания благодаря отражающей способности металлической подложки и меньшему оптическому поглощению света легированными фосфором пленками a-Si:H (n-область) по сравнению с легированными бором р-слоями.

Рис.8. Солнечная батарея с поперечным переходом

Проблема с применением рассмотренных p-i-n-элементов в том, что их можно оптимизировать только в одном измерении. Значительно больше возможностей в этом плане предоставляет СЭ с поперечным переходом [4]: на изолирующей подложке перпендикулярно к поверхности формируется p-i-n-структура a-Si:H (рис.8). Такой СЭ не требует прозрачного проводящего оксида в качестве контакта и широкозонного p-слоя для создания прозрачного оконного слоя, его можно изготовить посредством стандартных технологий микроэлектроники.

Один из наиболее перспективных материалов для создания высокоэффективных солнечных батарей — арсенид галлия. Это объясняется таким его особенностями, как:

  • почти идеальная для однопереходных солнечных элементов ширина запрещенной зоны 1,43 эВ;
  • повышенная способность к поглощению солнечного излучения: требуется слой толщиной всего в несколько микрон;
  • высокая радиационная стойкость, что совместно с высокой эффективностью делает этот материал чрезвычайно привлекательным для использования в космических аппаратах;
  • относительная нечувствительность к нагреву батарей на основе GaAs;
  • характеристики сплавов GaAs с алюминием, мышьяком, фосфором или индием дополняют характеристики GaAs, что расширяет возможности при проектировании СЭ

Главное достоинство арсенида галлия и сплавов на его основе —широкий диапазон возможностей для дизайна СЭ. Фотоэлемент на основе GaAs может состоять из нескольких слоев различного состава. Это позволяет разработчику с большой точностью управлять генерацией носителей заряда, что в кремниевых СЭ ограничено допустимым уровнем легирования. Типичный СЭ на основе GaAs состоит из очень тонкого слоя AlGaAs в качестве окна.

Основной недостаток арсенида галлия – высокая стоимость. Для удешевления производства предлагается формировать СЭ на более дешевых подложках; выращивать слои GaAs на удаляемых подложках или подложках многократного использования.

Поликристаллические тонкие пленки также весьма перспективны для солнечной энергетики.

Чрезвычайно высока способность к поглощению солнечного излучения у диселенида меди и индия (CuInSe2) – 99 % света поглощается в первом микроне этого материала (ширина запрещенной зоны – 1,0 эВ) [2,5]. Наиболее распространенным материалом для изготовления окна солнечной батареи на основе CuInSe2 является CdS. Иногда для улучшения прозрачности окна в сульфид кадмия добавляют цинк. Немного галлия в слое CuInSe2 увеличивает ширину запрещенной зоны, что приводит к росту напряжения холостого хода и, следовательно, повышению эффективности устройства. Один из основных способов получения CuInSe2 — электрохимическое осаждение из растворов CuSO4, In2(SO4)3 и SeO2 в деионизованной воде при соотношении компонентов Cu:In:Se как 1:5:3 и pH 1,2–2,0.

Рис.9. Структура солнечного элемента на основе CdTe

Еще один перспективный материал для фотовольтаики — теллурид кадмия (CdTe). У него почти идеальная ширина запрещенной зоны (1,44 эВ) и очень высокая способность к поглощению излучения. Пленки CdTe достаточно дешевы в изготовлении. Кроме того, технологически несложно получать разнообразные сплавы CdTe c Zn, Hg и другими элементами для создания слоев с заданными свойствами.

Подобно CuInSe2, наилучшие элементы на основе CdTe включают гетеропереход с CdS в качестве оконного слоя. Оксид олова используется как позрачный контакт и просветляющее покрытие. Серьезная проблема на пути применения CdTe – высокое сопротивление слоя p-CdTe, что приводит к большим внутренним потерям. Но она решена в p-i-n-структуре с гетеропереходом CdTe/ZnTe (рис.9).

Наиболее ответственный этап формирования СЭ на основе CdS/CdTe – осаждение поглощающего слоя CdTe толщиной 1,5–6 мкм. Для этого используют различные способы: сублимацию/конденсацию, электрохимическое осаждение, трафаретную печать, химическое осаждение из газовой фазы и распыление. Пленки CdTe, полученные данными методами, обладают высокой подвижностью носителей заряда, а СЭ на их основе – высокими значениями КПД, от 10 до 16%.

CuGaSe2 также весьма интересен как тонкопленочный элемент солнечных батарей. Благодаря запрещенной зоне шириной 1,68 эВ он используется как верхний элемент тандемной солнечной батареи с нижним элементом из CuInSe2. Слои CuGaSe2 формируют путем последовательного осаждения термическим испарением тонких слоев Ga, Se и Cu на поверхность стеклянной подложки, покрытой слоем молибдена толщиной 1 мкм (рис.10). Далее из полученной структуры в установке быстрого термического отжига в течение пяти минут при температуре 550°С получают соединение CuGaSe2.

Рис.10. Получение пленок CuGaSe2

Одним из перспективных материалов для дешевых солнечных батарей благодаря приемлемой ширине запрещенной зоны (1,4–1,5 эВ) и большому коэффициенту поглощения 104 см-1 является Cu2ZnSnS4. Его главное достоинство в том, что входящие в него компоненты широко распространены в природе и нетоксичны. Однако пока достигнута эффективность преобразования всего в 2,3% при использовании гетероперехода Cu2ZnSnS4 и CdS/ZnO.

Среди СЭ особое место занимают батареи, использующие органические материалы. В частности, КПД СЭ на основе диоксида титана, покрытого органическим красителем, весьма высок – ~11 %. Немаловажно, что подложками в таких элементах могут выступать полимерные пленки.

Основа СЭ данного типа – широкозонный полупроводник, обычно TiO2, покрытый монослоем органического красителя, как правило – цис-(NCS)2бис(4,4’-дикарбокси-2,2’бипиридин)-рутением (II) (рис.11). Фотоэлектрод такого устройства представляет собой нанопористую пленку TiO2 толщиной 1 мкм, осажденную на ТСО на стекле. Отражающим электродом служит тонкий слой Pt, осажденный на TCO на стекле. Пространство между двумя электродами заполняют электролитом, обычно содержащим иодид/трииодид (I-/I3-).

Принцип работы элемента основан на фотовозбуждении красителя и быстрой инжекции электрона в зону проводимости TiO2. При этом молекула красителя окисляется, через элемент идет электрический ток и на платиновом электроде происходит восстановление трииодида до иодида. Затем иодид проходит через электролит к фотоэлектроду, где восстанавливает окисленный краситель.

Для солнечной батареи на эффекте Шотки используют фталоцианин – органический полупроводник p-типа. В нем наиболее привлекают высокая фотопроводимость в видимой области спектра и термическая стабильность. Основной недостаток – низкое время жизни носителей вследствие большого числа ловушек. Для повышения времени жизни фталоцианин легируют фуллеренами или 2-, 4-, 7-тринитрофлуореноном, создающими акцепторные уровни.

Рис.11. Солнечная батарея на основе органических материалов

Фуллерены (С60) также весьма перспективны для органических солнечных батарей на основе гетероструктур С60/p-Si в связи с их способностью к сильному поглощению в коротковолновой области солнечного спектра. Поликристаллический фуллерен С60 толщиной ~1 мкм осаждают на кремниевую подложку в глубоком вакууме. Далее на слой С60 наносят алюминиевые контакты. В качестве заднего контакта используется сплав GaxIny на позолоченной подложке.

Рис.12. Схема термофотоэлектрического солнечного элемента

Термофотовольтаическое производство электроэнергии, т.е. преобразование длинноволнового (теплового) излучения посредством фотовольтаических ячеек было открыто в 1960 году и вызывает все больший интерес, особенно в связи с современными достижениями в области создания узкозонных полупроводников.

В термофотовольтаической ячейке (рис.12) тепло преобразуется в электроэнергию посредством селективных эмиттеров из оксидов редкоземельных элементов – эрбия и иттербия. Эти вещества поглощают инфракрасное излучение и вновь излучают его в узком энергетическом диапазоне. Излучение может быть эффективно преобразовано с помощью фотовольтаической ячейки с соответствующей шириной запрещенной зоны. В качестве материала для фотоэлектрической ячейки более всего подходит InxGa1-xAs, поскольку он позволяет добиться необходимой ширины запрещенной зоны.

Проблемы нахождения и использования конструкций и материалов для солнечных элементов

Большинство современных СЭ обладают одним p-n-переходом. В таком элементе свободные носители заряда создаются только теми фотонами, энергия которых больше или равна ширине запрещенной зоны. Другими словами, фотоэлектрический отклик однопереходного элемента ограничен частью солнечного спектра, энергия которого выше ширины запрещенной зоны, а фотоны меньшей энергии не используются. Преодолеть это ограничение позвляют многослойные структуры из двух и более СЭ с различной шириной запрещенной зоны. Такие элементы называются многопереходными, каскадными или тандемными. Поскольку они работают со значительно большей частью солнечного спектра, эффективность фотоэлектрического преобразования у них выше.

В типичном многопереходном солнечном элементе (рис.13) одиночные фотоэлементы расположены друг за другом таким образом, что солнечный свет сначала попадает на элемент с наибольшей шириной запрещенной зоны, при этом поглощаются фотоны с наибольшей энергией. Пропущенные верхним слоем фотоны проникают в следующий элемент с меньшей шириной запрещенной зоны и т.д.

Рис.13. Принцип построения многопереходного солнечного элемента

Основное направление исследований в области каскадных элементов связано с использованием арсенида галлия в качестве одного или нескольких компонентов. Эффективность преобразования подобных СЭ достигает 35 %. Кроме того в каскадных элементах широко применяются аморфный кремний, сплавы на его основе (a-Si1-xCx:H, a-Si1-xGex:H), а также CuInSe2.

Рис.14. Каскадный элемент

На рис.14 изображена каскадная батарея, в которой верхним элементом служит структура на основе GaInP c n-AlInP в качестве окна, далее следует туннельный диод на GaAs для прохождения носителей между элементами и нижний элемент из GaAs.

Рис.15. Трехкаскадный солнечный элемент на основе сплавов a-SiGe:H

Весьма перспективны каскадные батареи, состоящие из трех элементов с различной шириной запрещенной зоны (рис.15). Верхний слой, поглощающий коротковолновую область солнечного спектра, сформирован из сплава на основе a-Si:H с шириной оптической щели 1,8 эВ. Для серединного элемента в качестве слоя i-типа использован сплав a-SiGe:H с содержанием германия ~10–15%. Ширина оптической щели данного слоя (1,6 эВ) идеальна для поглощения зеленой области солнечного спектра. Нижняя часть СЭ поглощает длинноволновую часть спектра, для этого используется i-слой a-SiGe:H с концентрацией германия 40–50%. Непоглощенный свет отражается от заднего контакта на основе Ag/ZnO. Все три элемента каскадной солнечной батареи связаны между собой сильнолегированными слоями, образующими туннельные переходы между соседними элементами.



Солнечные элементы — CIGS технология 

Солнечная энергетика наряду с другими видами возобновляемых источников энергии приобретает в мире все большую популярность. Солнечные электростанции и солнечные панели на крышах домов занимают заметное место в энергосистеме.

При производстве солнечных элементов применяются различные технологии. При этом основные преимущества той или иной технологии, в основном, определяются двумя параметрами: эффективностью  преобразования световой энергии в электрическую и себестоимостью производства. Лидером по эффективности среди тонкопленочных СЭ  является технология CIGS (на основе соединения Cu(In,Ga)Se2). Снижение себестоимости в технологии CIGS сдерживается несколькими технологическими проблемами, преодоление которых открывает широчайшие возможности в доминировании на  огромном рынке солнечной энергетики ($44 млрд. в 2011 г.).

Компания Изовак ведет самостоятельную разработку технологии CIGS начиная с 2006 года. В январе 2010 года измерительный центр ИТРИ (Тайвань) подтвердил высокие технические достижения разработчиков Изовака: мы произвели монолитно-интегрированный модуль солнечных элементов с пиковой эффективностью на уровне лучших достижений промышленности, но выполненный по низкобюджетной, высокопроизводительной технологии реактивного магнетронного распыления

Полученные результаты позволили нам сконцентрировать  усилия на дальнейшем снижении себестоимости повернув  разработки  в сторону гибких солнечных элементов. По сравнению с традиционными солнечными панелями на основе стекла, гибкие солнечные элементы обладают, помимо более низкой материалоемкости, также рядом других неоспоримых преимуществ, которые снижают затраты на их применение и расширяют потенциальные рынки: легкость, широкие возможности для дизайна, применение на поверхностях любой конфигурации (черепица, мягкая кровля, крыло самолета, крыша и капот автомобиля, мобильный телефон, лэптоп, туристическое снаряжение и т.д.).

Устройство солнечной батареи. Теория

Состав и устройство солнечной батареи, ее элементов определяют эффективность выработки энергии готовым изделием. В настоящее время, для генерации электрической энергии используются солнечные панели на основе кремния (с-Si, mc-Si & кремниевые тонкопленочные батареи), теллурида кадмия CdTe, соединения медь-индий (галлий)-селен Cu(InGa)Se2, а также концентраторные батареи на основе арсенида галлия (GaAs). Ниже будут даны краткие описания каждой из них.

Солнечные батареи основе кремния

Солнечные батареи (СБ) на основе кремния составляют на сегодняшний день порядка 85% всех выпускаемых солнечных панелей. Исторически это обусловлено тем, что при производстве СБ на основе кремния использовался обширный технологический задел и инфраструктура микроэлектронной промышленности, основной «рабочей лошадкой» которой также является кремний. В результате, многие ключевые технологии микроэлектронной промышленности такие как выращивания кремния, нанесения покрытий, легирования, удалось адаптировать для производства кремниевых батарей с минимальными изменениями и инвестициями. Кроме того, кремний – один из самых распространенных элементов земной коры и составляет по разным данным 27-29% по массе. Таким образом, нет никаких физических ограничений для производства значительной доли электроэнергии Земли с имеющимися запасами Si.

Различают два основных типа кремниевых СБ – на основе монокристаллического кремния (crystalline-Si, c-Si) и на основе мультикристаллического (multicrystalline-Si, mc-Si) или поликристаллического. В первом случае используется высококачественный (и, соответственно, более дорогой) кремний выращенный по методу Чохральского, который является стандартным методом для получения кремниевых пластин-заготовок для производства микропроцессоров и микросхем. Эффективность СБ изготовленных из монокристаллического кремния составляет обычно 19-22%. Не так давно, фирма Panasonic заявила о начале промышленного выпуска СБ с эффективностью 24,5% (что вплотную приближается к максимально возможному теоретически значению ~30%).

Во втором случае для производства СБ используется более дешевый кремний произведенный по методу направленной кристаллизации в тигле (block-cast), специально разработанного для производства СБ. Получаемые в результате кремниевые пластины состоят из множества мелких разнонаправленных кристаллитов (типичные размеры 1-10мм) разделенных границами зерен. Подобные неидеальности кристаллической структуры (дефекты) приводят к снижению эффективности – типичные значения эффективности СБ из mc-Si составляют 14-18%. Снижение эффективности данных СБ компенсируется их меньшей ценой, так что цена за один ватт произведенной электроэнергии оказывается примерно одинаковой для солнечных панелей как на основе c-Siтак и mc-Si.

Тонкопленочные солнечные панели

Возникает вопрос – зачем разрабатывать другие типы модулей, если солнечные панели на основе моно- и мультикристаллического кремния уже созданы и показывают неплохие результаты? Очевидный ответ — чтобы добиться еще большего снижения стоимости и улучшения технологичности и эффективности, по сравнению с обычными c-Si и mc-Siсолнечными батареями.

Дело в том, что обычные кремниевые фотоэлектрические модули наряду с преимуществами, перечисленными выше, обладают и рядом недостатков. Кемний из-за своих особых электрофизических свойств (непрямозонный полупроводник) обладает довольно низким коэффициентом поглощения, особенно в области инфракрасных длин волн. Таким образом, толщина кремниевой пластины для эффективного поглощения солнечного излучения должна составлять довольно внушительные 100-300 мкм. Более толстые пластины означают больший расход материала, что ведет к удорожанию СБ.

В то же время, прямозонные полупроводники на вроде GaAs, CdTe, Cu(InGa)Se2, и даже некоторые модифицированные формы Si, способны поглощать требуемое количество солнечной энергии при толщине всего в несколько микрон. Открывается заманчивая перспектива сэкономить на расходных материалах, а также на электроэнергии, которой требуется значительно меньше для изготовления более тонкого слоя полупроводника. Еще одной положительной чертой СБ на основе вышеназванных полупроводников – в отличие от СБ на основе c-Si и mc-Si– является их способность не снижать эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую даже в условиях рассеянного излучения (облачный день или в тени).

Исследования СБ на основе теллурида кадмия (CdTe) начались еще в 1970х годах ввиду их потенциального использования в качестве перспективных для космических аппаратов. А первое широкое применение «на земле» подобные СБ нашли в качестве элементов питания карманных микрокалькуляторов.

Данные элементы представляют собой гетероструктуру из тонких слоев p-CdTe / n-CdS (суммарная толщина 2-8 мкм) напыленных на стеклянную подложку (основу). Эффективность современных фотоэлектрических элементов данного типа равняется 15-17%. Основным (и фактически единственным) производителем СБ на основе теллурида кадмия является американская фирма FirstSolar, которая занимает 4-5% всего рынка.

К сожалению, есть проблемы с обоими элементами входящими в состав соединения CdTe. Кадмий – это экологически вредный тяжелый метал, который требует особых методов обращения и ставит сложный вопросутилизации старых изделий. В виду этого, законодательство многих стран ограничивает свободную продажу гражданам СБ этого типа (строятся только масштабных солнечных электростанций под гарантии утилизации от фирмы производителя). Второй элемент – теллур, довольно редко встречается в земной коре. Уже в настоящее время более половины всего добываемого теллура идет на изготовление солнечных панелей, а перспективы нарастить добычу – довольно призрачны.

Солнечные батареи на основе соединения медь-индий (галлий)-селен Cu(InGa)Se2 (иногда обозначаются как CIGS) являются новичками на рынке солнечной энергетики. Несмотря на то, что начало исследований элементов этого типа было положено еще в середине 70х, в настоящее время коммерческий выпуск в боле-менее солидных масштабах ведет всего лишь фирма SolarFrontierKKиз Японии. Отчасти это связано с технически сложным и дорогим процессом изготовления, хотя в некоторых (удачных!) случаях их эффективность может достигать 20%.

Несмотря на отсутствие экологически вредных элементов в составе этого соединения, значительному расширению производства данных солнечных модулей в будущем угрожает дефицит индия. Ведутся исследования с целью заменить дорогой In на более дешевые элементы и может быть скоро появятся новые изделия на основе соединения Cu2ZnSn(S,Se)4.

Фотоэлектрические модули на основе аморфного кремния a-Si:H. Тонкопленочные солнечные батареи могут быть построены также и на основе хорошо известного кремния, если удастся каким-либо образом улучшить его способности к поглощению солнечного света. Применяются две основные методики:

— увеличить путь прохождения фотонов посредством многократного внутреннего переотражения;

— использовать аморфный кремний (a-Si), обладающий гораздо большим коэффициентом поглощения чем обычный кристаллический кремний (с-Si).

По первому пути пошла австралийская фирма CSGSolarLtd, разработавшая СБ с эффективностью 10-13% при толщине слоя кремния всего 1,5 мкм. По второму – швейцарская OerlikonSolar (которую сейчас перекупили японцы), создавшая комбинированные солнечные панели на основе слоев аморфного и кристаллического кремния a-Si / с-Si эффективность которых также составляет 11-13%. Своеобразной особенностью СБ из аморфного кремния является снижение эффективности их работы при понижении температуры окружающего воздуха (у всех остальных — наоборот). Так, фирма производитель рекомендует устанавливать данные модули в странах с жарким климатом.

Концентраторные солнечные модули

Наиболее совершенные и самые дорогие на сегодняшний день солнечные модули обладают эффективностью фотоэлектрического преобразования до 44%. Они представляют собой многослойные структуры из разных полупроводников последовательно выращенных друг на друге слой за слоем. Наиболее успешной является структура состоящая из трех слоев:  Ge (нижний полупроводник и подложка), GaAsи GaInP. Благодаря тому, что в подобной комбинации каждый отдельный полупроводниковый слой поглощает наиболее эффективно свой определенный диапазон солнечного спектра (определяемый шириной запрещенной зоны полупроводника), достигается наиболее полное поглощение солнечного света во всем диапазоне длин волн, недостижимое для СБ состоящих из одного типа полупроводника. К сожалению, процесс изготовления подобных многослойных полупроводниковых слоев очень сложен технически и, как следствие, весьма дорог.  

Если солнечные батареи стоят очень дорого, фокусировка солнечного излучения на меньшей площади СБ может применяться как эффективный способ снижения финансовых затрат. Например, собрав при помощи линзы солнечный свет с 10 см2 и сфокусировав его на 1 см2 солнечной батареи, можно получить тоже количество электроэнергии, что и от элемента площадью 10 см2 без концентратора, но экономя при этом целых 90% площади! Но при этом, набор подобных ячеек (солнечная батарея + линза) должен быть смонтирован на подвижной механической системе, которая будет ориентировать оптику в направлении солнца в то время как оно движется по небу в течении дня, что увеличивает стоимость системы.

В настоящее время экономически оправдано использовать подобные дорогие концентраторные солнечные модули только в тех странах и регионах земного шара, где круглый год имеется в достатке прямое солнечное излучение (рассеянное излучение не может быть сфокусировано линзой). Так, французская фирма-производитель концентраторных СБ SOITEC устанавливает свои СБ в Калифорнии, ЮАР, на юге Франции (Прованс), в Испании.  

Органические солнечные батареи и модули фотосенсибилизованные красителем

Но есть и новый тип тонкопленочных солнечных батарей, такой как сенсибилизированные красителем солнечные элементы, которые работают на совершенно ином принципе, чем все модули рассмотренные выше, на принципе больше напоминающем фотосинтез у растений. Но их пока нет в коммерческой продаже.

 

Трушин М.В. Ph.D

 

 

 

 

СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ — это… Что такое СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ?

СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ — источники тока на основе полупроводниковых фотоэлементов (из Si, GaAs и др.), непосредственно преобразующие энергию солнечной радиации в электрическую. Кпд солнечных элементов до 22% (при освещении в земных условиях). Батареи солнечных элементов (солнечные батареи) применяются на космических летательных аппаратах, в устройствах автоматики, переносных радиостанциях и радиоприемниках и др. Напряжение солнечных батарей до десятков В, мощность — до десятков кВт.

Большой Энциклопедический словарь. 2000.

  • СОЛНЕЧНЫЕ ЧАСЫ
  • СОЛНЕЧНЫЙ БЕРЕГ

Смотреть что такое «СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ» в других словарях:

  • солнечные элементы — источники тока на основе полупроводных фотоэлементов (из Si, GaAs и др.), непосредственно преобразующие энергию солнечной радиации в электрическую. Кпд солнечных элементов до 22% (при освещении в земных условиях). Батареи солнечных элементов… …   Энциклопедический словарь

  • СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ — источники тока на основе полупроводн. фотоэлементов (из Si, GaAs и др.), непосредственно преобразующие энергию солнечной радиации в электрическую. Кпд С. э. до 22% (при освещении в земных условиях). Батареи С.э. (солнечные батареи) применяются на …   Естествознание. Энциклопедический словарь

  • Солнечные часы — У этого термина существуют и другие значения, см. Солнечные часы (значения). Настенные (вертикальные) солнечные часы в Соловецком монастыре. Время съёмки 13:40 по московскому време …   Википедия

  • Солнечные часы — Все элементы С.Ч. столбик, колышек или треугольник сочетаются так, что по расположению тени можно узнавать время дня. Существуют различные виды С.Ч., в зависимости от конфигурации и положения указателя и циферблата. До изобретения механических… …   Библейская энциклопедия Брокгауза

  • Нанокристаллические солнечные батареи — или квантовые ячейки  это солнечные батареи, основанные на кремниевой подложке, с покрытием из нанокристаллов. Содержание 1 История 1.1 Эпитаксиальная технология …   Википедия

  • Оппортьюнити — Mars Exploration Rover B …   Википедия

  • Спирит (марсоход) — У этого термина существуют и другие значения, см. Спирит. Спирит Mars Exploration Rover A …   Википедия

  • ГЕЛИОЭНЕРГЕТИКА — (Г.) получение электрической или тепловой энергии за счет солнечной энергии, одно из самых перспективных направлений нетрадиционной энергетики. По наиболее оптимистичным прогнозам, к 2020 г. Г. будет давать от 5 до 25% мирового производства… …   Экологический словарь

  • Солнечная батарея — Дерево из солнечных панелей в Глайсдорфе Солнечная батарея бытовой термин, используемый в разговорной речи или ненаучной прессе. Обычно под термином «солнечная батарея» или «солнечная …   Википедия

  • солнечная батарея — см. Солнечные элементы. * * * СОЛНЕЧНАЯ БАТАРЕЯ СОЛНЕЧНАЯ БАТАРЕЯ, см. в ст. Солнечные элементы (см. СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ) …   Энциклопедический словарь


Основы солнечных фотоэлектрических элементов

| Министерство энергетики

Кремний

Кремний, безусловно, является наиболее распространенным полупроводниковым материалом, используемым в солнечных элементах, составляя примерно 95% модулей, продаваемых сегодня. Это также второй по распространенности материал на Земле (после кислорода) и наиболее распространенный полупроводник, используемый в компьютерных микросхемах. Кристаллические кремниевые ячейки состоят из атомов кремния, соединенных друг с другом, чтобы сформировать кристаллическую решетку. Эта решетка обеспечивает организованную структуру, которая делает преобразование света в электричество более эффективным.

Солнечные элементы, изготовленные из кремния, в настоящее время обеспечивают сочетание высокой эффективности, низкой стоимости и длительного срока службы. Ожидается, что модули прослужат 25 или более лет, и по истечении этого срока все еще будут вырабатывать более 80% своей первоначальной мощности.

Тонкопленочная фотогальваника

Тонкопленочный солнечный элемент изготавливается путем нанесения одного или нескольких тонких слоев фотоэлектрического материала на поддерживающий материал, такой как стекло, пластик или металл. Сегодня на рынке представлены два основных типа тонкопленочных фотоэлектрических полупроводников: теллурид кадмия (CdTe) и диселенид меди, индия, галлия (CIGS).Оба материала можно наносить непосредственно на переднюю или заднюю поверхность модуля.

CdTe является вторым по распространенности фотоэлектрическим материалом после кремния, и элементы CdTe могут быть изготовлены с использованием недорогих производственных процессов. Хотя это делает их экономичной альтернативой, их эффективность по-прежнему не так высока, как у кремния. Ячейки CIGS обладают оптимальными свойствами для фотоэлектрического материала и высокой эффективностью в лаборатории, но сложность, связанная с объединением четырех элементов, делает переход от лаборатории к производству более сложным.И CdTe, и CIGS требуют большей защиты, чем кремний, чтобы обеспечить длительную работу на открытом воздухе.

Перовскитная фотогальваника

Перовскитные солнечные элементы представляют собой тип тонкопленочных элементов, названных в честь их характерной кристаллической структуры. Ячейки из перовскита состоят из слоев материалов, которые напечатаны, покрыты или нанесены вакуумным осаждением на нижележащий опорный слой, известный как подложка. Как правило, их легко собрать, и они могут достигать эффективности, аналогичной эффективности кристаллического кремния.В лаборатории эффективность перовскитных фотоэлементов повышалась быстрее, чем у любого другого фотоэлектрического материала, с 3% в 2009 году до более 25% в 2020 году. Чтобы быть коммерчески жизнеспособными, перовскитные фотоэлементы должны стать достаточно стабильными, чтобы выдержать 20 лет на открытом воздухе, поэтому исследователи работают над тем, чтобы сделать их более долговечными и разрабатывают крупномасштабные и недорогие технологии производства.

Organic Photovoltaics

Органические фотоэлектрические элементы, или OPV, состоят из богатых углеродом (органических) соединений и могут быть адаптированы для улучшения определенных функций фотоэлектрических элементов, таких как ширина запрещенной зоны, прозрачность или цвет.Элементы OPV в настоящее время примерно вдвое менее эффективны, чем элементы из кристаллического кремния, и имеют более короткий срок службы, но могут быть дешевле в производстве в больших объемах. Их также можно наносить на различные вспомогательные материалы, такие как гибкий пластик, благодаря чему OPV может использоваться в самых разных целях.PV

Как работают солнечные элементы?

Почему мы тратим время на бурение в поисках нефти и копать уголь, когда в небе над нами стоит гигантская электростанция, посылающая чистая, непрерывная энергия бесплатно? Солнце, бурлящий шар ядерная энергетика, на борту достаточно топлива чтобы управлять нашей Солнечной системой еще на пять миллиардов лет, а солнечные панели может превратить эту энергию в бесконечную, удобную подача электроэнергии.

Солнечная энергия может показаться странной или футуристической, но это уже довольно банальность. На запястье могут быть кварцевые часы на солнечной энергии или карманный калькулятор на солнечных батареях. У многих людей есть фонари на солнечных батареях в их саду. Космические корабли и спутники обычно на них тоже есть солнечные батареи. Американское космическое агентство NASA даже разработало солнечную батарею. самолет! Как глобальное потепление продолжает угрожать нашей окружающей среде, мало сомнений в том, что солнечная энергия станет еще более важной формой возобновляемой энергии в будущем.Но как именно это работает?

Фото: самолет NASA Pathfinder, работающий на солнечной энергии. Верхняя поверхность крыла покрыта легкими солнечными батареями, питающими винты самолета. Изображение любезно предоставлено НАСА Центр летных исследований Армстронга.

Сколько энергии мы можем получить от Солнца?

Фото: Количество энергии, которое мы можем уловить от солнечного света, минимально на восходе и закате, а также максимум в полдень, когда Солнце находится прямо над головой.

Солнечная энергия потрясающая. В среднем каждый квадратный метр Земли поверхность получает 164 Вт солнечной энергии (цифру мы объясним более подробно чуть позже). Другими словами, вы могли поставить действительно мощную (150 ватт) настольную лампу на каждый квадратный метр Поверхность Земли и озарить всю планету энергией Солнца! Или поставить это по-другому, если бы мы покрыли только один процент пустыни Сахара солнечными панелей, мы могли бы производить достаточно электроэнергии чтобы привести в действие весь мир.Это хорошая вещь в солнечной энергии: их ужасно много — гораздо больше, чем мы могли бы когда-либо использовать.

Но есть и обратная сторона. Энергия, которую излучает Солнце, прибывает Земля как смесь света и тепла. Оба они невероятно важно — свет заставляет растения расти, давая нам пищу, а тепло согревает нас достаточно, чтобы выжить, но мы не можем использовать ни то, ни другое Солнечный свет или тепло для работы телевизора или автомобиля. Мы должны найти способ преобразования солнечной энергии в другие формы энергии, которые мы можно использовать более легко, например, электричество.И это именно то, что солнечная клетки делают.

Что такое солнечные батареи?

Солнечный элемент — электронное устройство, улавливающее солнечный свет и превращает его прямо в электричество. Он размером с ладонь взрослого человека, восьмиугольной формы и голубовато-черного цвета. Солнечные элементы часто объединяются в более крупные блоки, называемые солнечными модулями и . соединены в еще более крупные блоки, известные как солнечные панели (черные или плиты синего цвета, которые вы видите в домах людей, обычно с несколькими сотни отдельных солнечных элементов на крышу) или измельченные на куски (чтобы обеспечивают питание небольших гаджетов, таких как карманные калькуляторы и цифровые часы).

Фото: Крыша этого дома покрыта 16 солнечными панелями, каждая из которых состоит из сетки 10 × 6 = 60 маленьких солнечных элементов. В хороший день он, вероятно, вырабатывает около 4 киловатт электроэнергии.

Так же, как элементы в батарее, ячейки в солнечные панели предназначены для выработки электроэнергии; но где батарея клетки производят электричество из химикатов, клетки солнечной панели производят мощность, вместо этого улавливая солнечный свет. Их иногда называют фотоэлектрическими (ФЭ). клетки, потому что они используют солнечный свет («фотография» происходит от греческого слова «свет») для производства электричества ( слово «гальванический» — это отсылка к итальянскому первопроходцу в области электроэнергетики. Алессандро Вольта, 1745–1827).

Мы можем думать о свете как о крошечных частицах, называемых фотонов , поэтому луч солнечного света похож на ярко-желтый огонь Мы стреляем из триллионов в триллионы фотонов на нашем пути. Прилепите солнечный элемент на своем пути, и он улавливает эти энергичные фотоны и превращает их в поток электронов — электрический ток. Каждая ячейка вырабатывает несколько вольт электричества, поэтому работа солнечной панели состоит в объединении энергии, производимой многими клетками, для получения полезного количества электрического тока и Напряжение.Практически все современные солнечные элементы сделаны из ломтиков. кремния (один из самых распространенных химических элементов на Земле, обнаружен в песке), хотя, как мы вскоре увидим, множество других материалов также можно использовать (или вместо него). Когда солнечный свет попадает на солнечную батарею, энергия он выносит электроны из кремния. Их можно заставить Обтекайте электрическую цепь и приводите в действие все, что работает на электричество. Это довольно упрощенное объяснение! Теперь давайте возьмем присмотреться …

Как изготавливаются солнечные элементы?

На фото: одиночный фотоэлемент.Изображение Рика Митчелла, любезно предоставлено Министерством энергетики США / Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (DOE / NREL).

Кремний — это материал, из которого сделаны транзисторы. (крошечные переключатели) в микрочипах сделаны — и солнечные элементы работают аналогичным образом. Кремний — это тип материала, который называется полупроводником. Некоторые материалы, особенно металлы, пропускают через них электричество. очень легко; их называют кондукторами. Другие материалы, такие как пластик и дерево, на самом деле не пусть электричество течет через них в все; их называют изоляторами.Полупроводники, такие как кремний, ни проводники, ни изоляторы: они обычно не проводят электричество, но при определенных обстоятельствах мы можем заставить их это сделать.

Солнечный элемент — это сэндвич из двух разных слоев кремния, прошли специальную обработку или добавили допинг, поэтому они позволит электричеству течь через них определенным образом. Нижний слой легированный, поэтому в нем немного меньше электронов. Он называется кремнием p-типа или положительного типа (потому что электроны заряжены отрицательно, и в этом слое их слишком мало).Верхний слой легируется противоположным образом, чтобы получить слишком много электронов. Это называется кремнием n-типа или отрицательного типа. (Ты можно узнать больше о полупроводниках и легировании в наших статьях о транзисторах и интегральные схемы.)

Когда мы помещаем слой кремния n-типа на слой p-типа кремния, барьер создается на стыке двух материалов ( чрезвычайно важная граница, где встречаются два вида кремния). Нет электроны могут пересечь барьер, поэтому, даже если мы подключим этот кремний бутерброд к фонарику, ток не протечет: лампочка не загорится вверх.Но если мы посветим на бутерброд, что-нибудь примечательное. бывает. Мы можем думать о свете как о потоке энергетического «света». частицы », называемые фотонами. Когда фотоны входят В нашем сэндвиче они отдают свою энергию атомам кремния. Поступающая энергия выбивает электроны из нижнего слоя p-типа, поэтому Oни перепрыгнуть через барьер на слой n-типа выше и обтекать схема. В чем больше света светит, тем больше электронов подпрыгивает и тем больше ток потоки.

Это то, что мы подразумеваем под фотоэлектрическими элементами — напряжение, создающее свет. ученые называют это фотоэлектрическим эффектом.

А теперь подробнее …

Это базовое введение в солнечные элементы — и если это все, что вам нужно, вы можете здесь остановиться. В оставшейся части этой статьи более подробно рассказывается о различных типах солнечных элементов, о том, как люди применяют солнечную энергию на практике, и почему солнечной энергии требуется так много времени, чтобы поймать.

Насколько эффективны солнечные батареи?

Диаграмма: Сравнение эффективности солнечных элементов: самый первый солнечный элемент соскоблился с КПД всего лишь 6 процентов; самый эффективный из всех произведенных на сегодняшний день отработал 46 процентов в лабораторных условиях.Большинство клеток относятся к типам первого поколения, которые могут управлять примерно 15 процентами в теории и, вероятно, 8 процентами на практике.

Основное правило физики, называемое законом сохранения энергии, гласит: что мы не можем волшебным образом создать энергию или превратить ее в тонкую воздух; все, что мы можем сделать, это преобразовать его из одной формы в другую. Это означает солнечный элемент не может производить больше электроэнергии, чем он воспринимает каждую секунду как свет. На практике, как мы вскоре увидим, большинство клеток преобразует около 10–20 процентов энергии, которую они получать в электричество.Типичный кремниевый однопереходный солнечный ячейка имеет теоретическую максимальную эффективность около 30 процентов, известную как Предел Шокли-Кайссера . Это по сути потому, что солнечный свет содержит широкую смесь фотонов с разными длинами волн и энергии, и любой однопереходный солнечный элемент будет оптимизирован для улавливают фотоны только в определенной полосе частот, тратя все остальное. Некоторым фотонам, падающим на солнечный элемент, не хватает энергия, чтобы выбить электроны, поэтому они эффективно тратятся, в то время как у некоторых слишком много энергии, и избыток также тратится зря.Очень лучшие, современные лабораторные ячейки могут справиться с 46% эффективность в абсолютно идеальных условиях за счет использования нескольких узлов ловить фотоны разной энергии.

Реальные бытовые солнечные панели могут достичь эффективности около 15 процентов, если процентный пункт здесь или там, и это вряд ли станет намного лучше. Однопереходные солнечные элементы первого поколения не подходят 30-процентная эффективность предела Шокли-Кайссера, не говоря уже о лабораторный рекорд 46 процентов.Всевозможные надоедливые факторы реального мира съедают номинальный КПД, включая конструкцию панелей, их расположение и под углом, находятся ли они когда-либо в тени, насколько чистыми вы их держите, как они становятся горячими (повышение температуры снижает их эффективность), и вентилируются ли они (позволяя воздуху циркулировать под ними) чтобы держать их в прохладе.

Типы фотоэлектрических фотоэлементов

Большинство солнечных элементов, которые вы увидите сегодня на крышах людей, являются по сути просто кремниевые бутерброды, специально обработанные («легированные») чтобы сделать из них более качественные электрические проводники.Ученые называют эти классические солнечные элементы как первое поколение, в значительной степени для дифференциации их от двух разных, более современных технологий, известных как вторичные и третье поколение. Так в чем разница?

Первое поколение

Фото: красочная коллекция солнечных элементов первого поколения. Фотография любезно предоставлена ​​Исследовательским центром Гленна НАСА. (НАСА-GRC).

Около 90 процентов солнечных элементов в мире изготавливаются из пластин. кристаллического кремния (сокращенно c-Si), вырезанного из крупных слитков, которые выращиваются в сверхчистых лабораториях в процессе, который может на выполнение потребуется до месяца.Слитки имеют форму монокристаллы ( монокристаллический или моно-Si) или содержат несколько кристаллов ( поликристаллический , мульти-Si или поли c-Si). Солнечные элементы первого поколения работают так же, как мы. показано в рамке вверху: они используют простой простой переход между слоями кремния n-типа и p-типа, которые вырезаны из отдельные слитки. Таким образом, слиток n-типа будет получен путем нагревания кусков кремния с небольшими количествами фосфора, сурьмы или мышьяка, как легирующая добавка, в то время как слиток p-типа будет использовать бор в качестве легирующей примеси.Затем срезы кремния n-типа и p-типа сливаются, чтобы соединение. Добавлены еще несколько наворотов (например, антибликовое покрытие, которое улучшает поглощение света и придает фотоэлектрические элементы их характерного синего цвета, защитное стекло на передней и пластиковой основе, и металлические соединения, чтобы ячейка могла быть включенным в цепь), но простой p-n переход — это суть большинство солнечных батарей. Это в значительной степени то, как все фотоэлектрические кремниевые солнечные клетки работают с 1954 года, когда ученые Bell Labs пионер технологии: сияющий солнечный свет на кремнии, извлеченном из песок, они вырабатывали электричество.

Второе поколение

На фото: тонкопленочная солнечная «панель» второго поколения. Энергогенерирующая пленка сделана из аморфного кремния, прикреплена к тонкой, гибкой и относительно недорогой пластиковой основе («подложке»). Фото Уоррена Гретца любезно предоставлено NREL. (идентификатор изображения # 6321083).

Классические солнечные элементы представляют собой относительно тонкие пластины — обычно фракция миллиметра (около 200 мкм, 200 мкм или около того). Но это абсолютные слябов по сравнению со вторым поколением. элементы, широко известные как тонкопленочные солнечные элементы (TPSC) или тонкопленочные фотоэлектрические элементы (TFPV), которые примерно в 100 раз больше снова тоньше (глубиной несколько микрометров или миллионных долей метра).Хотя большинство из них по-прежнему сделаны из кремния (другая форма, известная как аморфный кремний, a-Si, в котором атомы расположены беспорядочно вместо точно упорядоченных в регулярной кристаллической структуре), некоторые из них изготовлены из других материалов, в частности теллурида кадмия (Cd-Te) и диселенид меди, индия, галлия (CIGS). Потому что они чрезвычайно тонкие, легкие и гибкие солнечные элементы второго поколения могут быть ламинированный на окна, световые люки, черепицу и все виды «подложки» (материалы основы), включая металлы, стекло и полимеры (пластмассы).То, что клетки второго поколения приобретают в гибкости, они приносят в жертву. эффективность: классические солнечные элементы первого поколения по-прежнему превосходят их. Таким образом, хотя первоклассная ячейка первого поколения может достичь КПД 15–20 процентов, аморфный кремний изо всех сил пытается превзойти 7 процентов, лучшие тонкопленочные элементы Cd-Te выдерживают только около 11 процентов, а клетки CIGS работают не лучше, чем 7–12 процентов. Это один причина, по которой, несмотря на свои практические преимущества, второе поколение элементы пока что оказали относительно небольшое влияние на рынок солнечной энергии.

Третье поколение

Фото: пластиковые солнечные элементы третьего поколения, созданные исследователями Национальной лаборатории возобновляемой энергии. Фото Джека Демпси любезно предоставлено NREL. (идентификатор изображения # 6322357).

Новейшие технологии сочетают в себе лучшие черты первого и клетки второго поколения. Как и клетки первого поколения, они обещают относительно высокий КПД (30 процентов и более). Нравиться клетки второго поколения, они с большей вероятностью будут сделаны из материалы, отличные от «простого» кремния, такие как аморфный кремний, органические полимеры (изготовление органических фотоэлектрических элементов, OPV), кристаллы перовскита, и иметь несколько переходов (сделанных из нескольких слоев разных полупроводниковых материалы).В идеале это сделало бы их дешевле, эффективнее, и более практичны, чем клетки первого или второго поколения. В настоящее время мировой рекорд эффективности для солнечной энергии третьего поколения. составляет 28 процентов, достигнуто с помощью тандемного солнечного элемента перовскит-кремний в декабре 2018 года.

Сколько энергии мы можем получить с помощью солнечных батарей?

«Общая солнечная энергия, которая достигает Земли поверхность может удовлетворить существующие глобальные потребности в энергии в 10 000 раз ».

Европейская ассоциация фотоэлектрической промышленности / Гринпис, 2011 г. .

Теоретически огромная сумма. Забудем пока о солнечных батареях и просто рассмотрите чистый солнечный свет. До 1000 Вт чистой солнечной энергии попадает на каждый квадратный метр Земли, указывая прямо на Солнце (это теоретическая мощность прямого полуденного солнечного света на безоблачный день — солнечные лучи падают перпендикулярно земной поверхность и дает максимальное освещение или инсоляцию , так как это технически известный). На практике после корректировки наклона планеты и времени суток, лучшее, что мы можем получить, это возможно, 100–250 Вт на квадратный метр в типичных северных широтах. (даже в безоблачный день).Это составляет около 2–6 кВт / ч в день. (в зависимости от того, находитесь ли вы в северном регионе, например, в Канаде или Шотландия или что-нибудь более услужливое, например Аризона или Мексика). Умножение производства на целый год дает нам что-то от 700 до 2500 кВтч на квадратный метр (700–2500 единиц электричество). В более жарких регионах явно гораздо больше солнечной энергии. потенциал: например, Ближний Восток получает около 50–100 на процент больше полезной солнечной энергии каждый год, чем в Европе.

К сожалению, типичные солнечные элементы составляют всего около 15 процентов эффективен, поэтому мы можем уловить только часть этого теоретического энергия.Вот почему солнечные панели должны быть такими большими: количество мощность, которую вы можете сделать, очевидно, напрямую зависит от того, сколько площади вы может позволить себе накрыть клетками. Один солнечный элемент (примерно размером компакт-диска) может генерировать около 3–4,5 Вт; типичный солнечный модуль состоит из массива примерно из 40 ячеек (5 рядов по 8 ячеек) мог составлять около 100–300 Вт; несколько солнечных панелей, каждая состоящий примерно из 3–4 модулей, поэтому может генерировать абсолютную максимум несколько киловатт (вероятно, достаточно, чтобы удовлетворить домашнюю пиковая мощность).

А как насчет солнечных ферм?

На фото: огромный проект солнечной генерации Аламоса площадью 91 гектар (225 акров) в Колорадо вырабатывает до 30 мегаватт солнечной энергии с помощью трех хитрых уловок. Во-первых, существует огромное количество фотоэлектрических панелей (их 500, каждая из которых способна выработки 60кВт). Каждая панель установлена ​​на отдельном вращающемся узле, поэтому она может отслеживать Солнце по небу. И на каждой из них установлено несколько линз Френеля, которые концентрируют солнечные лучи на своих солнечных элементах.Фото Денниса Шредера любезно предоставлено NREL. (идентификатор изображения # 10895528).

Но предположим, что мы действительно хотим произвести больших единиц солнечной энергии. власть. Чтобы произвести столько электроэнергии, сколько здоровенная ветряная турбина (с пиковая выходная мощность может быть два или три мегаватта), вам нужно около 500–1000 солнечных крыш. И чтобы посоревноваться с большим угольным или атомным электростанция (номинальная мощность в гигаваттах, что означает тысячи мегаватт или миллиарды ватт), вам снова понадобится в 1000 раз больше — эквивалент около 2000 ветряных турбин или, возможно, миллион солнечных крыш.(Эти сравнения предполагают, что наша солнечная и ветровая энергия производят максимальную мощность.) Даже если солнечные батареи являются чистыми и эффективными источниками энергии, одна вещь, на которую они не могут претендовать в настоящий момент, — это эффективность использование земли. Даже те огромные солнечные фермы, которые сейчас появляются повсюду место производит только скромное количество энергии (обычно около 20 мегаватт, или около 1 процента от как большая, 2 гигаваттная угольная или атомная электростанция). Возобновляемые источники энергии в Великобритании Компания Ecotricity подсчитала, что требуется около 22000 панелей, уложенных на Участок площадью 12 га (30 акров) для создания 4.2 мегаватта мощности, примерно столько же, сколько два больших ветра турбин и достаточно для питания 1200 домов.

Власть народу

Фото: ветряная микротурбина и солнечная панель работают вместе, чтобы питать батарею, благодаря которой этот предупреждающий знак о строительстве шоссе светится днем ​​и ночью. Солнечная панель установлена ​​лицом к небу на плоской желтой «крышке», которую вы видите прямо над дисплеем.

Некоторые люди обеспокоены тем, что солнечные фермы сожрут землю, которую мы потребность в реальных сельскохозяйственных и пищевых производствах.Беспокоясь о отвод земли упускает важный момент, если мы говорим о размещении солнечной энергии. панели на отечественных кровлях . Экологи утверждают, что Настоящая цель солнечной энергетики не в том, чтобы создавать большие централизованные солнечные электростанции (так что мощные энергокомпании могут продолжать продавать электричество бессильным людям с высокой прибылью), но вытеснить грязные, неэффективные, централизованные электростанции, позволяющие людям создают силу в том самом месте, где они ее используют. Что устраняет неэффективность производства электроэнергии на ископаемом топливе, загрязнение воздуха и выбросы углекислого газа, которые они производят, а также устраняет неэффективность передачи энергии с точки зрения производство до точки использования с помощью воздушных или подземных источников энергии линий.Даже если вам придется покрыть всю крышу солнечными батареями (или ламинируйте тонкопленочные солнечные элементы на все окна), если бы вы могли удовлетворить все ваши потребности в электроэнергии (или даже большую часть их), это не имело бы значения: ваша крыша в любом случае — просто потраченное впустую пространство. Согласно отчету Европейской фотоэлектрической промышленности за 2011 год [PDF] Ассоциации и Гринпис, нет необходимости покрывать ценные сельхозугодья с солнечными батареями: около 40 процентов всех крыш и 15 процент фасадов зданий в странах ЕС подходят для фотоэлектрических панели, которые составят примерно 40 процентов от общего спрос на электроэнергию к 2020 году.

Важно не забывать, что солнечная энергия переключает мощность поколения на точка мощности потребление — и это имеет большой практический преимущества. Наручные часы и калькуляторы на солнечных батареях теоретически не нуждаются в батареях (на практике у них есть резервные батареи) и многие из нас будут наслаждаться смартфонами на солнечных батареях, которые никогда не были нужны зарядка. Дорожные и железнодорожные знаки теперь иногда работают на солнечной энергии; мигающие знаки аварийного обслуживания часто оснащены солнечными батареями поэтому их можно развернуть даже в самых удаленных местах.В развивающиеся страны, богатые солнечным светом, но бедные электричеством инфраструктура, солнечные батареи питают водяные насосы, телефонные будки, и холодильники в больницах и поликлиниках.

Почему солнечная энергия еще не прижилась?

Ответ на этот вопрос — смесь экономических, политических и технологические факторы. С экономической точки зрения в большинстве в странах электричество, произведенное с помощью солнечных батарей, по-прежнему дороже, чем электричество, произведенное путем сжигания грязи, загрязняющие ископаемые виды топлива.В мире есть огромные инвестиции в ископаемое топливной инфраструктуры и, хотя могущественные нефтяные компании баловались в ответвлениях солнечной энергии они, кажется, гораздо больше заинтересованы в продление срока службы существующих запасов нефти и газа с такие технологии, как гидроразрыв (гидроразрыв). В политическом плане нефтяные, газовые и угольные компании чрезвычайно сильные и влиятельные и противостоят окружающей среде правила, которые поддерживают возобновляемые технологии, такие как солнечная и ветровая власть. Технологически, как мы уже видели, солнечные элементы — это постоянные «незавершенные работы» и большая часть солнечной энергии в мире инвестиции по-прежнему основаны на технологиях первого поколения.Кто знает, возможно, пройдет еще несколько десятилетий, прежде чем недавние научные успехи делают экономическое обоснование использования солнечной энергии действительно убедительным?

Одна проблема с аргументами такого рода состоит в том, что они весят только основные экономические и технологические факторы и не учитывают скрытые экологические затраты на разливы нефти, загрязнение воздуха, разрушение земель в результате добычи угля или климат изменения — и особенно будущие затраты, которые трудно или невозможно предсказать.Вполне возможно, что растущее осознание из этих проблем ускорит переход от ископаемого топлива, даже если не будет дальнейших технологических достижений; другими словами, может наступить время, когда мы больше не сможем откладывать всеобщее внедрение возобновляемых источников энергии. В конечном итоге все эти факторы взаимосвязаны. При убедительном политическом лидерстве мир мог взяться за солнечную революцию завтра: политика может заставить технологические усовершенствования, которые меняют экономику солнечной энергетики.

И одной только экономики могло хватить. Темп технологий, инноваций в производство и экономия на масштабе продолжают снижать стоимость солнечных батарей и панелей. Только с 2008 по 2009 год по словам аналитика BBC по окружающей среде Роджер Харрабин, цены упали примерно на 30 процентов, а Растущее доминирование Китая в производстве солнечной энергии с тех пор продолжает их сбивать. В период с 2010 по 2016 год стоимость крупномасштабных фотоэлектрических систем упала. примерно на 10–15 процентов в год, по данным Управление энергетической информации США; В целом цена перехода на солнечную энергию за последнее десятилетие упала примерно на 90 процентов, что еще больше укрепило позиции Китая на рынке.Шесть из десяти ведущих мировых производителей солнечной энергии теперь китайцы; в 2016 году около двух третей новых солнечных мощностей в США приходилось на Китай, Малайзию и Южную Корею.

Фото: Солнечные элементы — не единственный способ получить энергию из солнечного света или даже обязательно наилучшим образом. Мы также можем использовать солнечную тепловую энергию (поглощение тепла от солнечного света для нагрева воды в вашем доме), пассивную солнечную энергию (проектирование здания для поглощения солнечного света) и солнечные коллекторы (показаны здесь). В этой версии 16 зеркал собирать солнечный свет и концентрировать его на двигателе Стирлинга (серый прямоугольник справа), который является чрезвычайно эффективным производителем энергии.Фото Уоррена Гретца любезно предоставлено NREL (идентификатор изображения # 6323238).

Быстро догнать?

Ожидается, что переломный момент для солнечной энергии наступит тогда, когда это возможно. достичь чего-то, что называется паритетом сетки , что означает, что вырабатываемое вами электричество на солнечной энергии становится столь же дешевым, как мощность, которую вы покупаете из сети. Многие европейские страны ожидают достичь этого рубежа к 2020 году. Solar, безусловно, опубликовала очень впечатляющие темпы роста в последние годы, но важно помните, что он по-прежнему представляет только часть всего мира энергия.В Великобритании, например, солнечная промышленность могла похвастаться «важное достижение» в 2014 году, когда оно почти удвоило общее установленная мощность солнечных панелей примерно от 2,8 ГВт до 5 ГВт. Но что по-прежнему представляет собой лишь пару крупных электростанций и, на максимум выход , всего 8 процентов от общего количества в Великобритании потребность в электроэнергии примерно 60 ГВт (с учетом таких вещей, как облачность снизит его до какой-то доли 8 процентов).

По данным Управления энергетической информации США, в Соединенных Штатах, где была изобретена фотоэлектрическая технология, по состоянию на 2018 год, солнечный представляет только 1.6 процентов от общего производства электроэнергии в стране. Это примерно на 23 процента больше, чем в 2017 году (когда солнечная энергия составляла 1,3 процента), на 80 процентов больше, чем в 2016 году (когда этот показатель составлял 0,9 процента). и примерно в четыре раза больше, чем в 2014 году (когда солнечная энергия составляла всего 0,4 процента). Тем не менее, это примерно в 20 раз меньше угля. и в 40 раз меньше, чем все ископаемые виды топлива. Другими словами, даже 10-кратное увеличение солнечной энергии в США будет увидеть, что он производит не более половины электроэнергии, чем уголь сегодня (10 × 1,6 = 16 процентов по сравнению с 27.4% по углю в 2018 г.). Это Следует отметить, что два основных ежегодных энергетических обзора в мире, Статистический обзор мировой энергетики и международной В ключевой мировой энергетической статистике энергетического агентства почти не упоминается солнечная энергия. мощность вообще, кроме как в примечании.

Диаграмма

: Солнечная энергия с каждым годом производит больше нашей электроэнергии, но все еще далеко столько же, сколько угля. На этой диаграмме сравнивается процент электроэнергии, вырабатываемой в США за счет солнечной энергии. мощность (зеленая линия) и уголь (красная линия).В одних странах положение лучше, в других — хуже. Составлено Expainthatstuff.com с использованием исторических и текущих данных из Управление энергетической информации США.

Это изменится в ближайшее время? Просто могло бы. Согласно Доклад исследователей из Оксфордского университета 2016 г., стоимость солнечной энергии сейчас падает так быстро, что она должна обеспечить 20 процентов мировых потребностей в энергии к 2027 году, что станет серьезным изменением по сравнению с тем, где мы находимся сегодня, и гораздо более высокие темпы роста, чем кто-либо прогнозировал ранее.Может ли такой рост продолжаться? Может ли солнечная энергия действительно повлиять на изменение климата, пока не стало слишком поздно? Смотрите это пространство!

Краткая история солнечных элементов

  • 1839: французский физик Александр-Эдмон Беккерель (отец пионера радиоактивности Анри Беккереля) обнаруживает, что некоторые металлы являются фотоэлектрическими: они производят электричество при воздействии света.
  • 1873: английский инженер Уиллоуби Смит обнаруживает, что селен является особенно эффективным фотопроводником (позже он был использован Честером Карлсоном в его изобретении копировального аппарата).
  • 1905: физик немецкого происхождения Альберт Эйнштейн разбирается в физике фотоэлектрического эффекта, открытие, которое в конечном итоге принесло ему Нобелевскую премию.
  • 1916: американский физик Роберт Милликен экспериментально доказывает теорию Эйнштейна.
  • 1940: Рассел Ол из Bell Labs случайно обнаруживает, что полупроводник с легированным переходом вырабатывает электрический ток при воздействии света.
  • 1954: Исследователи Bell Labs Дэрил Чапин , Кэлвин Фуллер и Джеральд Пирсон создают первый практический фотоэлектрический кремниевый солнечный элемент, эффективность которого составляет около 6 процентов (более поздняя версия — 11 процентов).Они объявляют о своем изобретении, первоначально называвшемся «солнечной батареей», 25 апреля.
  • 1958: Космические спутники Vanguard, Explorer и Sputnik начинают использовать солнечные батареи.
  • 1962: 3600 солнечных батарей Bell используются для питания Telstar, новаторского телекоммуникационного спутника.
  • 1997: Федеральное правительство США объявляет о своей инициативе «Миллион солнечных крыш» — построить к 2010 году миллион крыш, работающих на солнечной энергии.
  • 2002: НАСА запускает свой солнечный самолет Pathfinder Plus.
  • 2009: Ученые обнаруживают, что кристаллы перовскита обладают огромным потенциалом в качестве фотоэлектрических материалов третьего поколения.
  • 2014: совместная работа немецких и французских ученых установила новый рекорд КПД в 46 процентов для солнечного элемента с четырьмя переходами.
  • 2020: Согласно прогнозам, солнечные элементы будут соответствовать сетевому паритету (вырабатываемая вами солнечная энергия будет такой же дешевой, как и энергия, которую вы покупаете в сети).
  • 2020: Перовскитно-кремниевые элементы обещают значительное повышение эффективности использования солнечной энергии.

Основы солнечной фотоэлектрической технологии | NREL

Солнечные элементы, также называемые фотоэлектрическими элементами, преобразуют солнечный свет непосредственно в электричество.

Фотоэлектрические системы (часто сокращенно PV) получили свое название от процесса преобразования свет (фотоны) в электричество (напряжение), что называется фотоэлектрическим эффектом .Это явление было впервые использовано в 1954 году учеными Bell Laboratories, которые создал рабочий солнечный элемент из кремния, который генерировал электрический ток при воздействии солнечных лучей. Солнечные батареи вскоре стали использоваться для питания космических спутников. и более мелкие предметы, такие как калькуляторы и часы. Сегодня электричество от солнечных батарей стал конкурентоспособным по стоимости во многих регионах, и в настоящее время развертываются фотоэлектрические системы. в больших масштабах, чтобы помочь электроснабжению электросети.

Кремниевые солнечные элементы

Подавляющее большинство современных солнечных элементов изготовлено из кремния и предлагает как разумные цены, так и хорошую эффективность (скорость, с которой солнечные батареи ячейка преобразует солнечный свет в электричество). Эти ячейки обычно собираются в более крупные модули, которые можно устанавливать на крышах жилых или коммерческих зданий или развернуты на наземных стойках для создания огромных систем полезного действия.

Тонкопленочные солнечные элементы

Другая широко используемая фотоэлектрическая технология известна как тонкопленочные солнечные элементы, потому что они сделаны из очень тонких слоев полупроводникового материала, такого как кадмий. теллурид меди или диселенид галлия индия. Толщина этих слоев клеток составляет всего несколько микрометров, то есть несколько миллионных долей метра.

Тонкопленочные солнечные элементы могут быть гибкими и легкими, что делает их идеальными для портативных устройств. приложения — например, в солдатском рюкзаке — или для использования в других продуктах, таких как окна которые производят электричество от солнца.Некоторые типы тонкопленочных солнечных элементов также приносят пользу. от производственных технологий, которые требуют меньше энергии и легче масштабируются чем технологии производства кремниевых солнечных элементов.

III-V Солнечные элементы

Третий тип фотоэлектрических технологий назван в честь элементов, из которых они состоят. Солнечные элементы III-V в основном состоят из элементов III-е группы.g., галлий и индий — и группа V — например, мышьяк и сурьма — периодической таблицы. Эти солнечные элементы обычно намного дороже в производстве, чем другие технологии. Но они преобразуют солнечный свет в электричество с гораздо более высокой эффективностью. Из-за этого эти солнечные элементы часто используется на спутниках, беспилотных летательных аппаратах и ​​других приложениях, требующих высокое соотношение мощности к весу.

Солнечные элементы нового поколения

Исследователи солнечных элементов из NREL и других организаций также разрабатывают множество новых фотоэлектрических технологии, такие как солнечные элементы из органических материалов, квантовые точки и гибридные органо-неорганические материалы (также известные как перовскиты).Эти технологии следующего поколения могут предложить более низкие затраты, большая простота изготовления или другие преимущества. Дальнейшие исследования покажут, обещания могут быть реализованы.

Исследования надежности и интеграции сетей

Исследования в области фотоэлектрической энергии — это больше, чем просто создание высокоэффективных и недорогих солнечных элементов. Домовладельцы и предприятия должны быть уверены, что устанавливаемые ими солнечные панели будут не ухудшатся в производительности и продолжат надежно вырабатывать электроэнергию в течение многих лет.Коммунальные предприятия и государственные регулирующие органы хотят знать, как добавить солнечные фотоэлектрические системы в электрическую сеть, не нарушая баланс между спросом и предложением электроэнергии.

Материаловеды, экономические аналитики, инженеры-электрики и многие другие на NREL работает над решением этих проблем и обеспечением чистой солнечной фотоэлектрической энергии. и надежный источник энергии.


Дополнительные ресурсы

Для получения дополнительной информации о солнечной фотоэлектрической энергии посетите следующие ресурсы:

Основы солнечной фотоэлектрической технологии
U.S. Управление энергоэффективности и возобновляемых источников энергии Министерства энергетики

Energy Kids: Solar Photovoltaic
Управление энергетической информации США

Energy Saver: Использование солнечной энергии дома
Министерство энергетики США

Фотоэлектрические исследования в NREL

Solar Cell — обзор

1.2.6.3 Микробные солнечные элементы

MSC — это группа новых биотехнологических систем, которые объединяют микробное электричество или производство химических соединений и фотосинтетический процесс за счет синергетических отношений между EAB и фотосинтетическим организмом [61]. Многие исследователи сообщили о различных связанных системах с разными названиями. Несмотря на различия в конструкции системы, основной принцип остается неизменным. МСК включают четыре основных этапа, а именно: (1) фотосинтез органического вещества, (2) перенос органического вещества в анодный отсек, (3) EAB окисляет органическое вещество и (4) восстановление кислорода или другого акцептора электронов на катоде. .МСК можно разделить на три основные группы на основе фотосинтетического организма — фототропные МСК, МСК растений и МСК водорослей [62]. В 2009 году Малик и др. продемонстрировали, что фотоэлектрохимический солнечный элемент может использовать морские отложения и морскую воду для выработки электричества из солнечного света. Солнечный элемент демонстрирует циркадный ритм, соответствующий фотосинтетической природе. Процесс можно разделить на две части: микробный фотосинтез и MFC. Микробный фотосинтез производит глюкозу и кислород, которые потребляются MFC и производят углекислый газ и воду.Этот углекислый газ и вода в дальнейшем использовались системой микробного фотосинтеза [63].

Самым популярным MSC является посаженный MSC, в котором есть живое растение, доставляющее органические вещества своими корнями в EAB в MFC. Корень растения выделяет ризодепозиты (органические соединения, такие как сахара, органические кислоты, полимерные углеводы и другие, выделяемые корнями растений в почву) на аноде MFC. В корневых отложениях карбоновые кислоты, аминокислоты и углеводы легко разлагаются микробами.Следовательно, эти соединения в основном ответственны за донорство электронов. Басилио-Хименес и др. протестировали состав карбоновых кислот, аминокислот и углеводов в экссудатах корней риса и обнаружили, что глюкоза составляет приблизительно 90% (моль / моль от всей композиции). Помимо корневых отложений, почва является еще одним источником доноров электронов. Неорганические материалы в почве могут производить электроны в результате химических процессов и анаэробного разложения. Реакции, которые генерируют электроны, включают (1) микробное окисление серы до сульфата, (2) окисление аммиака до нитрата или нитрита аммиакокисляющими бактериями, (3) превращение карбоната в органический углерод и (4) химическое окисление микробов. производили восстановители, такие как соединения серы, железо (II) и гуминовые кислоты [64].

Первое теоретическое исследование MSC оценило чистую выработку электроэнергии в 67 мВт / м 2 , что было очень похоже на обычный MFC. Среди всех изученных MSC, Spartinaanglica показал самую высокую долговременную плотность мощности и ток. Средняя удельная мощность системы составила 50 мВт / м 2 при времени работы 33 дня. Наиболее распространенные бактерии в микробном сообществе анода в растении MSC относятся к роду Geobacteraceae или Desulfobulbus или были тесно связаны с Beijerinckiaceae, Natronocella, Rhodobater, или Rhizobiales sp.

Фототрофный MSC преобразует солнечную энергию в электричество путем выращивания фототрофной биопленки на аноде топливного элемента. Фототрофные МСК имеют самоорганизующуюся биопленку, которая содержит Cyanophyta и / или Chlorophyta. Топливный элемент может работать более 20 дней. Во всех исследованиях до настоящего времени использовалась смешанная культура, за исключением одного исследования, в котором использовалась чистая культура. Чистую культуру Synechocystis PCC-6803 использовали в MSC текущего поколения. Эти цианобактерии могут образовывать электропроводящие нанопроволоки в присутствии диоксида углерода и избытка света.Таким образом, организм может нести ответственность за перенос электронов от микробов к аноду. Теоретическое исследование оценило максимальную выходную мощность 61 мВт / м 2 , что соответствует тому же порядку, что и установка MSC. Максимальная экспериментальная плотность мощности для фототрофного MSC составила 7 мВт / м 2 , что составляет 11% от максимальной плотности мощности, оцененной для системы [65]. MSC водорослей состоит из фотобиореактора, который собирает солнечную энергию через водоросли, анаэробного варочного котла и MFC. Варочный котел предварительно обрабатывает фотосинтетические метаболиты и микробы перед их доставкой в ​​МФЦ.Для 15% фотосинтетической эффективности и 29% восстановления энергии MFC, общая плотность мощности 2806 мВт / м 2 теоретически оценена в условиях окружающей среды Западной Европы. Самый эффективный MSC смог достичь 0,5% (14 мВт / м 2 ) от теоретической оценки. Следовательно, система требует дальнейших исследований для повышения эффективности [66].

Микробные ячейки для улавливания углерода (MCC) представляют собой различные типы PMFC, в которых микроводоросли могут использоваться в катоде обычного двухкамерного MFC для связывания атмосферного CO 2 и обеспечения кислородом катода посредством биофотолиза.Wang et al. продемонстрировать МКЦ, где отходящий газ CO 2 из анодной камеры повторно растворяется в католите, где фотосинтезирующие водоросли ( Chlorella Vulgaris ) культивировались в присутствии света и CO 2 . Биомасса микроводорослей из катодной камеры может быть использована для последующей обработки различных продуктов с добавленной стоимостью, таких как экстракция липидов или производство этанола [67].

Фотогальваника и электричество — Управление энергетической информации США (EIA)

Фотоэлектрические элементы преобразуют солнечный свет в электричество

Фотоэлектрический элемент, обычно называемый солнечным элементом, — это немеханическое устройство, которое преобразует солнечный свет непосредственно в электричество.Некоторые фотоэлементы могут преобразовывать искусственный свет в электричество.

Фотоны переносят солнечную энергию

Солнечный свет состоит из фотонов или частиц солнечной энергии. Эти фотоны содержат разное количество энергии, соответствующее разным длинам волн солнечного спектра.

Фотоэлемент изготовлен из полупроводникового материала. Когда фотоны попадают на фотоэлектрическую ячейку, они могут отражаться от нее, проходить через нее или поглощаться полупроводниковым материалом.Только поглощенные фотоны дают энергию для выработки электричества. Когда полупроводниковый материал поглощает достаточно солнечного света (солнечной энергии), электроны вытесняются из атомов материала. Специальная обработка поверхности материала во время производства делает переднюю поверхность элемента более восприимчивой к смещенным или 90 269 свободным 90 270 электронам, так что электроны естественным образом мигрируют на поверхность элемента.

Поток электроэнергии

Движение электронов, каждый из которых несет отрицательный заряд, к передней поверхности элемента создает дисбаланс электрического заряда между передней и задней поверхностями элемента.Этот дисбаланс, в свою очередь, создает потенциал напряжения, подобный отрицательному и положительному полюсу батареи. Электрические проводники на ячейке поглощают электроны. Когда проводники соединены в электрической цепи с внешней нагрузкой, такой как батарея, в цепи течет электричество.

Эффективность фотоэлектрических систем зависит от типа фотоэлектрических технологий.

Эффективность, с которой фотоэлементы преобразуют солнечный свет в электричество, зависит от типа полупроводникового материала и технологии фотоэлементов.Эффективность имеющихся в продаже фотоэлектрических модулей в среднем составляла менее 10% в середине 1980-х годов, увеличилась примерно до 15% к 2015 году и сейчас приближается к 20% для современных модулей. Экспериментальные фотоэлементы и фотоэлементы для нишевых рынков, таких как космические спутники, достигли почти 50% эффективности.

Как работают фотоэлектрические системы

Фотоэлектрическая ячейка является основным строительным блоком фотоэлектрической системы. Размер отдельных ячеек может варьироваться от примерно 0,5 дюйма до примерно 4 дюймов в поперечнике.Однако одна ячейка вырабатывает только 1 или 2 Вт, что достаточно для небольших нужд, например, для питания калькуляторов или наручных часов.

Фотоэлементы

электрически соединены в корпусном, водонепроницаемом фотоэлектрическом модуле или панели. Фотоэлектрические модули различаются по размеру и количеству электроэнергии, которую они могут производить. Вырабатывающая мощность фотоэлектрического модуля увеличивается с увеличением количества ячеек в модуле или площади поверхности модуля. Фотоэлектрические модули могут быть соединены в группы, чтобы сформировать фотоэлектрический массив.Массив фотоэлектрических модулей может состоять из двух или сотен фотоэлектрических модулей. Количество фотоэлектрических модулей, подключенных к фотоэлектрической матрице, определяет общее количество электроэнергии, которое может генерировать массив.

Фотоэлектрические элементы вырабатывают электричество постоянного тока (DC). Это электричество постоянного тока можно использовать для зарядки батарей, которые, в свою очередь, приводят в действие устройства, использующие электричество постоянного тока. Почти вся электроэнергия поставляется в виде переменного тока (AC) в системах передачи и распределения электроэнергии. Устройства, называемые инверторами , используются на фотоэлектрических модулях или в массивах для преобразования электричества постоянного тока в электричество переменного тока.

фотоэлементов и модулей будут производить наибольшее количество электроэнергии, когда они обращены прямо к солнцу. Фотоэлектрические модули и массивы могут использовать системы слежения, которые перемещают модули так, чтобы они постоянно смотрели на солнце, но эти системы дороги. Большинство фотоэлектрических систем имеют модули в фиксированном положении, при этом модули обращены прямо на юг (в северном полушарии — прямо на север в южном полушарии) и под углом, который оптимизирует физические и экономические характеристики системы.

Солнечные фотоэлектрические элементы сгруппированы в панели (модули), и панели могут быть сгруппированы в массивы разных размеров для производства небольшого или большого количества электроэнергии, например, для питания водяных насосов для воды для скота, для электроснабжения домов или коммунальных услуг. -масштабное производство электроэнергии.

Источник: Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (защищено авторским правом)

Применение фотоэлектрических систем

Самые маленькие калькуляторы мощности и наручные часы для фотоэлектрических систем.Более крупные системы могут обеспечивать электричеством перекачку воды, питание коммуникационного оборудования, электроснабжение отдельного дома или предприятия или формировать большие массивы, которые снабжают электричеством тысячи потребителей электроэнергии.

  • Фотоэлектрические системы могут поставлять электроэнергию в местах, где отсутствуют системы распределения электроэнергии (линии электропередач), а также они могут поставлять электроэнергию в электрическую сеть.
  • Фотоэлектрические массивы
  • могут быть установлены быстро и могут быть любого размера.
  • Воздействие фотоэлектрических систем, расположенных на зданиях, на окружающую среду минимально.

Источник: Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (защищено авторским правом)

Источник: Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (защищено авторским правом)

История фотовольтаики

Первый практический фотоэлектрический элемент был разработан в 1954 году исследователями Bell Telephone. Начиная с конца 1950-х годов, фотоэлементы использовались для питания U.С. Космические спутники. К концу 1970-х фотоэлектрические панели обеспечивали электроэнергией удаленные, или внесетевые, населенные пункты, в которых не было линий электропередач. С 2004 года большинство фотоэлектрических систем в Соединенных Штатах подключены к электросети, — они подключены к электросети — и установлены на / или рядом с домами и зданиями, а также на объектах электроснабжения коммунальных предприятий. Технологические достижения, снижение затрат на фотоэлектрические системы, а также различные финансовые стимулы и государственная политика помогли значительно расширить использование фотоэлектрических систем с середины 1990-х годов.Сотни тысяч подключенных к сети фотоэлектрических систем сейчас установлены в Соединенных Штатах.

Управление энергетической информации США (EIA) оценивает, что производство солнечной электроэнергии на фотоэлектрических электростанциях коммунального масштаба увеличилось с 76 миллионов киловатт-часов (кВтч) в 2008 году до примерно 88 миллиардов кВтч в 2020 году. По оценкам EIA, около 42 миллиардов кВтч было произведено небольшими предприятиями. -масштабируйте подключенные к сети фотоэлектрические системы в 2020 году по сравнению с 11 млрд кВтч в 2014 году. Электростанции коммунального масштаба имеют не менее 1000 киловатт (или один мегаватт (МВт) мощности по выработке электроэнергии, а малые системы вырабатывают менее одного мегаватта) емкость.Большинство небольших фотоэлектрических систем расположены на зданиях и иногда называются солнечными батареями на крыше.

Последнее обновление: 26 марта 2021 г.

Solar Cell — обзор

10.1 Введение

Фотоэлектрические (PV) элементы хорошо известны своим наружным применением в качестве солнечных элементов. Однако фотоэлементы также могут генерировать энергию, собирая свет внутри помещения. Их можно интегрировать с бытовой электроникой для питания электронных устройств с низким энергопотреблением.Одним из наиболее известных примеров являются карманные калькуляторы с фотоэлектрическим питанием, которые были коммерциализированы еще в конце 1970-х годов [1–3]. Фотоэлементы из аморфного кремния используются для питания жидкокристаллических дисплеев, поскольку они энергоэффективны и способны работать в диапазоне низкого напряжения 1,5–2 В. В последнее время наблюдается растущий интерес к использованию фотоэлементов, которые собирают свет в помещении для питания электронные устройства для Интернета вещей (IoT). Такие фотоэлектрические устройства привлекательны для использования в умных домах, умных офисах и умных зданиях [4–6].

Хотя кремниевые фотоэлементы доминируют на рынке сбора света внутри помещений для выработки электроэнергии (на самом деле, вероятно, это единственный тип фотоэлектрических устройств, коммерчески используемых для внутреннего применения) [7], исследования других типов фотоэлектрических материалов для внутреннего применения проводятся. растет. Эти альтернативные технологии включают неорганические PV III – V [8], сенсибилизированные красителем PV (DSPV) [9–12], органические PV (OPV) [13–16] и, в последнее время, перовскитные PV (PPV) [17–12]. 19].

Одним из направлений исследований является увеличение максимальной выработки электроэнергии на единицу площади ( P max ) при внутреннем световом освещении.Фотоэлементы III – V имеют более высокую эффективность преобразования энергии (PCE), чем кремниевые фотоэлементы при освещении одним солнцем (AM1,5G) (стандартное условие тестирования солнечных элементов). Как показано на рис. 10.1A, они также более эффективны при внутреннем освещении: P max кремниевых фотоэлектрических элементов при внутреннем освещении (1000 люкс) составляет около 46,5 мкВт / см 2 , в то время как фотоэлементы GaAs и GaInP имеют P . max достигает 80,5 мкВт / см 2 и 92,6 мкВт / см 2 соответственно [20]. Однако, как и в случае их применения с одним солнцем, фотоэлементы III – V также более дороги, чем кремниевые фотоэлементы для применения внутри помещений.

Рисунок 10.1. (A) P max фотоэлементов при освещении внутри помещения 100–1000 люкс (данные из [20] для Si, GaAs и GaInP; [16] для OPV; [12] для DSPV; Ссылка [19]; ​​и ссылка [21] для PPV), (B) Эволюция P max ячеек OPV и PPV при освещении 1000 люкс за последние годы (подробности данных перечислены в последующих разделах в таблицах 10.5. и 10,6 соответственно). Учтите, что источники света, используемые в разных работах, часто бывают разными. DSPV , фотоэлектрический сенсибилизированный красителем; OPV , фотоэлектрические органические; PPV , фотоэлектрический перовскит; PV , фотоэлектрический.

Другое направление исследований — дальнейшее снижение стоимости фотоэлементов для внутреннего применения. Как и в случае применения с одним солнцем, этой цели могут достичь обрабатываемые PV растворы, такие как DSPV, OPV и PPV, которые не требуют высоких температур и имеют менее строгие условия обработки. 2018 год был плодотворным для использования этих типов фотоэлектрических модулей в помещениях: P max при освещении 1000 люкс, достигающее 78,3 мкВт / см 2 , 101.1 мкВт / см 2 и 111,9 мкВт / см 2 для клеток OPV, DSPV и PPV соответственно! На рис. 10.1А показаны характеристики этих фотоэлементов при внутреннем освещении. Это показывает, что они не только потенциально дешевле, но также могут иметь значительно лучшие характеристики, чем кремниевые фотоэлементы в условиях помещений. На Рис. 10.1B (подробности показаны в последующих разделах Таблиц 10.5 и 10.6) показаны заявленные характеристики OPV и PPV внутри помещений при освещении 1000 люкс за последние годы.

Цель этой главы — представить развивающуюся область использования клеток OPV и PPV для сбора света внутри помещений для выработки электроэнергии.Оба типа устройств показали многообещающий потенциал в этом направлении. Помимо того, что их можно обрабатывать в растворе, их оптические (например, оптическая плотность) и электронные свойства (граничные орбитали / электронные полосы) можно регулировать химическими методами. Это позволяет легко адаптировать материалы к условиям в помещении и, следовательно, улучшить характеристики внутри помещения. Кроме того, гибкие и легкие устройства можно изготавливать на гибких пластиковых подложках. Интересно, что хотя элементы OPV и PPV менее стабильны, чем кремниевые фотоэлектрические элементы в условиях одного солнца, их срок службы при внутреннем освещении может быть намного дольше из-за значительно менее суровых условий (например.грамм. уровень освещенности, температура и влажность) в помещении по сравнению с окружающей средой на открытом воздухе. Более того, поскольку последовательное сопротивление гораздо менее критично для приложений с низким освещением, из-за гораздо более низкого тока, протекающего через устройства по сравнению с работой на открытом воздухе, слои в устройствах можно было бы сделать толще, что особенно полезно для увеличения масштабов производства Устройства ОПВ.

Эта глава структурирована следующим образом: Раздел 10.2 содержит основные принципы работы фотоэлементов для внутреннего применения, в частности, оптимальную ширину запрещенной зоны (vs.для наружного применения), в разделе 10.3 указаны методы определения характеристик, относящиеся к характеристикам внутри помещения, в частности, источники света, используемые для внутреннего освещения. В разделах 10.4 и 10.5 представлены характеристики ячеек OPV и PPV при внутреннем освещении соответственно. В разделе 10.6 дается краткое введение в фотоэлементы для внутреннего применения, в частности об их использовании в устройствах Интернета вещей, количество которых быстро растет и которые являются ключевыми элементами для умных домов, умных офисов и умных зданий.Наконец, в Разделе 10.7 представлены краткое изложение и обзор ячеек OPV и PPV для внутреннего применения.

Объединение двух типов солнечных элементов потребляет больше энергии от солнца | Наука

ORLANDO, FLORIDA— Перовскитам нужен многообещающий материал для солнечных элементов. Исследователи сочетают слой перовскита, который поглощает синие фотоны высокой энергии солнечного света, со стандартным кремнием, поглощающим свет с более низкой энергией. Теоретически такие тандемные элементы должны обеспечивать двойную дозу энергии, при этом электричество поступает от обоих слоев.Но строительство двух полных солнечных элементов, один над другим, увеличивает стоимость и другие проблемы. На прошлой неделе команда сообщила, что разработала потенциально более простой и дешевый способ создания тандема.

Перовскит, созданный командой, преобразует свет, а не генерирует ток, превращая синие фотоны в фотоны ближнего инфракрасного (ближнего ИК) диапазона, которые затем преобразует кремниевый элемент внизу в электричество. Исследователи говорят, что такая конструкция может повысить эффективность кремниевых солнечных элементов почти на 20%. Если это произойдет, это может стать ключом к реализации перспектив перовскитов, класса соединений, которые имеют общую кристаллическую структуру и сделаны из общих элементов, таких как свинец, бром и хлор.

«Это один из самых захватывающих результатов, которые я видел за долгое время», — говорит Майкл МакГихи, эксперт по перовскиту из Стэнфордского университета в Пало-Альто, Калифорния. «Повышение эффективности, о котором они заявляют, очень значительное». Производители кремниевых солнечных элементов, отрасль с оборотом 30 миллиардов долларов в год в 2016 году, добивается увеличения эффективности на каждую десятую процентного пункта.

Кремний доминирует в солнечной промышленности не потому, что это лучший преобразователь солнечной энергии, а потому, что он удобен в обслуживании и относительно дешев.Тем не менее, производители должны использовать дорогие чистые помещения для его очистки и подготовки. Перовскиты, напротив, легко превратить в тонкий, сильно поглощающий свет слой. Большинство перовскитов лучше всего поглощают синий свет, поэтому их необходимо сочетать с другими материалами, чтобы охватить весь солнечный спектр.

Солнечная промышленность спешит коммерциализировать перовскиты, размещая их поверх обычных кремниевых модулей, которые отбрасывают большую часть энергии фотонов синего света, выделяя ее в виде тепла, а не электрического тока.Но помимо затрат на добавление слоев устройств, производители должны также решать практические задачи, такие как проектирование тандемов, чтобы количество тока, выходящего из каждой ячейки, было одинаковым. В противном случае общий ток ограничивается более слабой из двух ячеек.

Идеальное соответствие

В новой конструкции тандемных солнечных элементов используется слой перовскита (розовый), который поглощает энергию синих и фиолетовых фотонов и повторно излучает ее в виде фотонов ближнего инфракрасного (ближнего ИК) диапазона. Наряду с другими цветами света эти фотоны поглощаются кремниевым (серым) солнечным элементом и преобразуются в электричество.V. Altounian / Science

Два года назад исследователи под руководством инженера-электрика Хунвэя Сун из Университета Цзилинь в Чанчуне, Китай, сообщили о способе решения этих проблем. Добавив небольшое количество редкоземельного металла иттербия в стандартный перовскит на основе цезия и свинца, они обнаружили, что могут построить тандем перовскита с другой, более простой архитектурой. Как и обычные перовскиты, версия, легированная иттербием, поглощает синие фотоны, возбуждая электроны в материале.Но эти электроны не превращаются в ток. Вместо этого они немедленно передают свою энергию атомам иттербия, которые практически полностью излучают ее в ближнем ИК-диапазоне. Большинство этих фотонов проникают в кремниевую ячейку внизу, которая поглощает почти всю их энергию и эффективно преобразует ее в электричество, теряя очень мало тепла. «Для преобразования солнечной энергии эта комбинация материалов — почти то, что вам нужно», — говорит Дэниел Гамлен, химик из Вашингтонского университета в Сиэтле.

Перовскиты, созданные командой Сонга, были наночастицами, которые трудно равномерно распределить на кремниевой ячейке. Проблема стоит остро, когда речь идет о наиболее эффективных промышленных элементах, в которых силикон покрыт защитным слоем стекла, которому преднамеренно придана шероховатость. Миниатюрные стеклянные горы помогают свету проникать в клетку, а не отражаться от ее верхней поверхности, но наночастицы перовскита не всегда образуют ровный слой на шероховатой поверхности.

На заседании Американского химического общества на прошлой неделе Гамелен сообщил, что он и его коллеги решили эту проблему.Они использовали обычную технику выращивания солнечных элементов, известную как вакуумное осаждение, для создания тонких гладких слоев перовскита, легированного иттербием, на кремниевых солнечных элементах размером примерно 14 сантиметров. Эта техника покрывает миниатюрный стеклянный горный массив ровной перовскитовой пленкой.

В результате тандема почти весь синий свет, поглощаемый перовскитом, преобразуется в фотоны ближнего ИК-диапазона, сообщил Гамлен. В результате, по его прогнозам, добавление в высококачественный кремниевый элемент перовскита иттербия должно позволить преобразовать 32.2% энергии, которую он поглощает в виде солнечного света, превращается в электричество, по сравнению с 27% — прирост на 19,2%. Команда Гамлена сейчас проводит эксперименты, чтобы подтвердить эти прогнозы. «Я немного скептически отношусь к цифрам, — говорит МакГихи. Но даже небольшая часть этого увеличения «будет иметь большое значение», — говорит он.

Майкл Гретцель, эксперт по фотогальванике из Швейцарского федерального технологического института в Лозанне, соглашается. Но он говорит, что практические проблемы, такие как выход излучаемых фотонов в ближнем ИК-диапазоне, могут ограничить выигрыш до менее 10%.

В прошлом месяце Гамлен и его коллеги запустили стартап BlueDot для коммерциализации технологии. У них много конкуренции. Стартапы по производству перовскита, такие как Oxford PV в Великобритании и Saule Technologies в Варшаве, уже проводят полевые испытания своих тандемов перовскит-кремний или готовятся к этому.

Разное

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *