Блог

Основи сонячних фотоелектричних елементів

Коли світло падає на фотоелектричний (ФЕ) елемент, який також називають сонячною батареєю, воно може відбиватися, поглинатися або проходити крізь нього. Фотоелектричний елемент складається з напівпровідникового матеріалу; “напів” означає, що він може проводити електрику краще, ніж ізолятор, але не так добре, як хороший провідник, як метал. Існує кілька різних напівпровідникових матеріалів, що використовуються у фотоелементах.

Коли напівпровідник потрапляє під вплив світла, він поглинає енергію світла і передає її негативно зарядженим частинкам матеріалу, які називаються електронами. Ця додаткова енергія дозволяє електронам протікати через матеріал у вигляді електричного струму. Цей струм витягується через провідні металеві контакти. сітчасті лінії на сонячних елементах. і потім може бути використаний для живлення вашого будинку та решти електромережі.

Ефективність фотоелектричного елемента. це просто кількість електричної енергії, що виходить з елемента, порівняно з енергією світла, що падає на нього, що вказує на те, наскільки ефективно елемент перетворює енергію з однієї форми в іншу. Кількість електроенергії, виробленої фотоелектричними елементами, залежить від характеристик (таких як інтенсивність і довжина хвиль) доступного світла і численних експлуатаційних характеристик елемента.

Важливою властивістю фотоелектричних напівпровідників є ширина забороненої зони, яка вказує, які довжини хвиль світла матеріал може поглинати і перетворювати в електричну енергію. Якщо ширина забороненої зони напівпровідника відповідає довжині хвилі світла, що потрапляє на фотоелемент, то він може ефективно використовувати всю доступну енергію.

Дізнайтеся більше про найпоширеніші напівпровідникові матеріали для фотоелектричних елементів нижче.

Кремній

Кремній, безумовно, є найпоширенішим напівпровідниковим матеріалом, що використовується в сонячних елементах, на його частку припадає приблизно 95% проданих сьогодні модулів. Це також другий за поширеністю матеріал на Землі (після кисню) і найпоширеніший напівпровідник, що використовується в комп’ютерних чіпах. Кристалічні кремнієві елементи виготовляються з атомів кремнію, з’єднаних один з одним, утворюючи кристалічну решітку. Ця решітка забезпечує організовану структуру, яка робить перетворення світла в електрику більш ефективним.

Сонячні елементи, виготовлені з кремнію, в даний час забезпечують поєднання високої ефективності, низької вартості та тривалого терміну служби. Очікується, що модулі прослужать 25 років або більше, все ще виробляючи понад 80% своєї початкової потужності після закінчення цього часу.

Тонкоплівкова фотовольтаїка

Тонкоплівковий сонячний елемент виготовляється шляхом нанесення одного або декількох тонких шарів фотоелектричного матеріалу на несучий матеріал, такий як скло, пластик або метал. Сьогодні на ринку є два основних типи тонкоплівкових фотоелектричних напівпровідників: телурид кадмію (CdTe) і диселенід міді, індію та галію (CIGS). Обидва матеріали можна наносити безпосередньо на передню або задню поверхню модуля.

CdTe є другим за поширеністю фотоелектричним матеріалом після кремнію, а елементи CdTe можуть бути виготовлені за допомогою недорогих виробничих процесів. Хоча це робить їх економічно вигідною альтернативою, їх ефективність все ще не настільки висока, як у кремнію. CIGS-елементи мають оптимальні властивості для фотоелектричних матеріалів і високу ефективність в лабораторних умовах, але складність поєднання чотирьох елементів робить перехід від лабораторних досліджень до виробництва більш складним. І CdTe, і CIGS потребують більшого захисту, ніж кремній, щоб забезпечити тривалу роботу на відкритому повітрі.

Перовскітна фотовольтаїка

Перовскітні сонячні елементи є різновидом тонкоплівкових елементів і названі так завдяки своїй характерній кристалічній структурі. Перовскітні комірки побудовані з шарів матеріалів, які надруковані, покриті або осаджені у вакуумі на основний шар підтримки, відомий як підкладка. Вони, як правило, легко збираються і можуть досягати ефективності, подібної до кристалічного кремнію. У лабораторних умовах ефективність перовскітних сонячних елементів зросла швидше, ніж у будь-якого іншого фотоелектричного матеріалу, з 3% у 2009 році до понад 25% у 2020 році. Щоб бути комерційно життєздатними, перовскітні фотоелементи повинні стати достатньо стабільними, щоб витримати 20 років на відкритому повітрі, тому дослідники працюють над тим, щоб зробити їх більш довговічними і розробити великомасштабні, недорогі технології виробництва.

Органічна фотоелектрика

Органічні фотоелектричні елементи (OPV) складаються з багатих на вуглець (органічних) сполук і можуть бути пристосовані для покращення певної функції фотоелемента, наприклад, ширини забороненої зони, прозорості або кольору. В даний час фотоелементи OPV лише наполовину ефективніші за кристалічні кремнієві елементи і мають менший термін служби, але їх виробництво у великих обсягах може бути дешевшим. Вони також можуть бути нанесені на різноманітні допоміжні матеріали, такі як гнучкий пластик, що робить OPV придатними для широкого спектру застосувань.ФОТОЕЛЕКТРИЧНІ

Квантові точки

Квантові точкові сонячні елементи проводять електрику через крихітні частинки різних напівпровідникових матеріалів шириною всього кілька нанометрів, які називаються квантовими точками. Квантові точки забезпечують новий спосіб обробки напівпровідникових матеріалів, але між ними важко створити електричний зв’язок, тому вони наразі не дуже ефективні. Однак їх легко перетворити на сонячні батареї. Вони можуть бути нанесені на підкладку за допомогою методу спін-коута, розпилення або рулонних принтерів, подібних до тих, що використовуються для друку газет.

Квантові точки бувають різних розмірів, а їхню ширину забороненої зони можна налаштовувати, що дозволяє їм збирати світло, яке важко вловити, і працювати в парі з іншими напівпровідниками, такими як перовскіти, для оптимізації продуктивності багатоперехідних сонячних елементів (докладніше про них нижче).

Багатоперехідна фотовольтаїка

Інша стратегія підвищення ефективності фотоелементів полягає в нашаруванні декількох напівпровідників для створення багатоперехідних сонячних елементів. Ці елементи, по суті, є стеками різних напівпровідникових матеріалів, на відміну від одноперехідних елементів, які мають лише один напівпровідник. Кожен шар має різну ширину забороненої зони, тому кожен з них поглинає свою частину сонячного спектру, використовуючи більше сонячного світла, ніж одноперехідні елементи. Багатоперехідні сонячні елементи можуть досягати рекордних рівнів ефективності, оскільки світло, яке не поглинається першим напівпровідниковим шаром, вловлюється шаром під ним.

Хоча всі сонячні елементи з більш ніж однією забороненою зоною є багатоперехідними сонячними елементами, сонячний елемент з рівно двома забороненими зонами називається тандемним сонячним елементом. Багатоперехідні сонячні елементи, які поєднують напівпровідники з III і V стовпців періодичної таблиці, називаються багатоперехідними III-V сонячними елементами.

Багатоперехідні сонячні елементи продемонстрували ефективність вище 45%, але вони дорогі і складні у виробництві, тому їх зарезервовано для освоєння космосу. Військові використовують сонячні елементи III-V в безпілотниках, а дослідники вивчають інші сфери їх застосування, де висока ефективність є ключовим фактором.

Концентраційна фотоелектрика

Концентраційні фотоелектричні перетворювачі, також відомі як CPV, фокусують сонячне світло на сонячному елементі за допомогою дзеркала або лінзи. Фокусуючи сонячне світло на невеликій площі, потрібно менше фотоелектричного матеріалу. Фотоелектричні матеріали стають більш ефективними, коли світло стає більш концентрованим, тому найвища загальна ефективність досягається за допомогою фотоелементів і модулів CPV. Однак потрібні більш дорогі матеріали, технології виробництва і можливість відстежувати рух сонця, тому демонстрація необхідної економічної переваги в порівнянні з сучасними великосерійними кремнієвими модулями стала складним завданням.

Дізнайтеся більше про дослідження в галузі фотоелектрики у відділі технологій сонячної енергії, перегляньте ці інформаційні ресурси про сонячну енергію та дізнайтеся більше про те, як працює сонячна енергія.

Сонячна суперсила: сонячні елементи наближаються до 50% ефективності

Для сонячних елементів ефективність дійсно має значення. Цей важливий показник визначає, скільки енергії можна зібрати з дахів і сонячних електростанцій, причому комерційні сонячні панелі, виготовлені з кремнію, зазвичай досягають ефективності 20%. Для супутників, тим часом, ефективність визначає розмір і вагу сонячних панелей, необхідних для живлення космічного апарату, що безпосередньо впливає на вартість виробництва і запуску.

Щоб зробити дійсно ефективний пристрій, є спокуса вибрати матеріал, який поглинає все сонячне випромінювання. від високоенергетичних променів в ультрафіолеті, через видимий діапазон, і до дійсно довгих хвиль в інфрачервоному діапазоні. Цей підхід може привести вас до створення комірки з такого матеріалу, як телурид ртуті, який перетворює майже всі вхідні фотони Сонця в електрони, що генерують струм. Але за це доводиться платити величезну ціну: кожен фотон, поглинений цим матеріалом, виробляє лише крихітну кількість енергії, а це означає, що потужність, яку генерує пристрій, буде мізерною.

Потрапляння в золоту середину

Кращою тактикою є вибір напівпровідника з профілем поглинання, який оптимізує компроміс між енергією, що генерується кожним захопленим фотоном, і часткою сонячного світла, що поглинається елементом. Матеріалом, що знаходиться в цій золотій середині, є арсенід галію (GaAs). Також використовуваний в смартфонах для посилення радіочастотних сигналів і створення лазерного світла для розпізнавання осіб, GaAs вже давно є одним з основних матеріалів для створення високоефективних сонячних елементів. Однак ці елементи не є досконалими. навіть після мінімізації дефектів матеріалу, які погіршують продуктивність, найкращі сонячні елементи, виготовлені з GaAs, все ще намагаються досягти ефективності понад 25%.

Подальший виграш досягається шляхом накладання різних напівпровідників один на одного і ретельного підбору комбінації, яка ефективно збирає енергію Сонця. Цей добре протоптаний шлях призвів до того, що ефективність сонячних елементів зростала протягом декількох десятиліть, разом з кількістю шарів, що поглинають світло. Обидва показники досягли нового максимуму минулого року, коли команда з Національної лабораторії відновлюваної енергетики (NREL) в Голдені, штат Колорадо, представила пристрій з рекордною ефективністю 47.1%. спокусливо близько до рубежу в 50% (Енергія природи 5 326). До цього часу першість належала структурам з чотирма поглинаючими шарами, але американські дослідники виявили, що шість є “природною золотою серединою”, за словами керівника команди Джона Гейша (John Geisz).

Просунутися так далеко було нелегко, адже створювати шаруваті структури з різних матеріалів далеко не тривіально. Високоефективні сонячні елементи формуються шляхом епітаксії. процесу, в якому матеріал вирощується на кристалічній підкладці, по одному атомному шару за раз. Такий епітаксійний ріст може створити високоякісні кристалічні структури, необхідні для ефективного сонячного елемента, але тільки якщо атомні відстані кожного матеріалу в стеку дуже схожі. Ця умова, відома як відповідність кристалічної решітки, обмежує палітру придатних матеріалів: кремній не може бути використаний, наприклад, тому, що він не має сімейства сплавів з подібною атомною відстанню.

Пристрої з декількома матеріалами. так звані багатоперехідні комірки. традиційно базуються на GaAs, рекордсмені за кількістю матеріалу для одноперехідних пристроїв. Поширеною архітектурою є комірка з потрійним переходом, що складається з трьох складних напівпровідників: низькоенергетичної підкомірки з арсеніду індію-галію (InGaAs), середньоенергетичної підкомірки з GaAs і високоенергетичної підкомірки з фосфіду індію-галію (InGaP). У цих багатоперехідних комірках струм протікає перпендикулярно через всі поглинаючі шари, які з’єднані послідовно. При такій електричній конфігурації товщина кожного елемента повинна бути підібрана таким чином, щоб всі вони генерували однаковий струм. інакше будь-який надлишковий потік електронів буде витрачатися даремно, знижуючи загальну ефективність.

Порушення правил

Ключем до успіху пристрою NREL є три піделементи InGaAs, які чудово поглинають світло в інфрачервоному діапазоні, який містить значну частку сонячного випромінювання. Досягнення сильного поглинання на таких довгих хвилях вимагає композицій InGaAs зі значно відмінною від підкладки атомною відстанню. Крім того, їх пристрій був розроблений з проміжними прозорими шарами з InGaP або AlGaInAs, щоб тримати недосконалості матеріалу під контролем. Градація складу цих буферних шарів дозволяє постійно збільшувати константу кристалічної ґратки, забезпечуючи тим самим міцну основу для локального росту підрешітки, яка не містить дефектів, викликаних деформацією.

Команда NREL, яка вперше застосувала цей підхід, виступає за так званий “перевернутий варіант” структури. При такій архітектурі спочатку вирощується комірка з найвищою енергією, а потім зі зменшуваною енергією, так що комірки, підібрані до підкладки, передують зростанню градуйованих шарів. Такий підхід покращує якість пристрою, в той час як процес виготовлення також призводить до видалення підкладки. крок, який може скоротити витрати, дозволяючи повторно використовувати підкладку.

Ще один метод, який може ще більше підвищити ефективність сонячних елементів. це фокусування сонячного світла на елементах за допомогою дзеркал або лінз. Інтенсивність світла на сонячному елементі зазвичай вимірюється в “сонцях”, де одне сонце приблизно еквівалентне 1 кВт/м2. Концентроване сонячне світло збільшує співвідношення струму, що виробляється при освітленні пристрою, в порівнянні з тим, коли він знаходиться в темряві, тим самим підвищуючи вихідну напругу і збільшуючи ефективність. Виграш є значним: пристрій NREL досягає максимальної ефективності всього 39.2% при оптимізації ефективності без будь-якої концентрації, що значно менше, ніж 47.1% рекорд.

Коли Гейш і його колеги оцінили, як продуктивність їх комірки з шістьма переходами змінюється в залежності від концентрації, вони виявили, що пік ефективності припадає на 143 сонця. Тим не менш, пристрій все ще виробляє дуже вражаючі 44.9% ефективності при 1116 сонячних променях, що дозволяє генерувати велику кількість енергії з дуже маленького пристрою. Для порівняння, елемент-рекордсмен, що працює при 500 сонячних променях, може забезпечити таку ж потужність, як і комерційна сонячна панель, лише з однієї тисячної частини площі чіпа. Однак при таких високих концентраціях необхідно вжити заходів, щоб запобігти перегріванню комірки і зниженню продуктивності.

Трохи більше десяти років тому такий підхід до отримання енергії з високоефективних фотоелементів породив індустрію концентрованої фотоелектрики (CPV), в якій кілька фірм-початківців виробляли системи, що відстежували положення Сонця, щоб максимізувати енергію, яку можна було зібрати, фокусуючи сонячне світло на фотоелементах з потрійним з’єднанням. На жаль, ця молода галузь зіткнулася з непередбачуваним подвійним ударом: світовою фінансовою кризою та наводненням ринку неймовірно дешевими кремнієвими панелями, виробленими китайськими постачальниками. В результаті було розгорнуто так мало систем CPV, що навіть в сонячний день, коли всі вони працюють на піку, їх загальна потужність становить менше однієї десятої потужності типової британської атомної електростанції.

Позаземні зустрічі

Набагато більший комерційний успіх виробники багатоперехідних комірок отримали від живлення супутників, що останнім часом стало можливим завдяки розгортанню супутникового широкосмугового зв’язку такими компаніями, як OneWeb і Starlink. Ключова перевага полягає в тому, що високоефективні елементи можуть знизити витрати на виробництво і запуск кожного супутника. Крім зменшення кількості елементів, необхідних для живлення космічного апарату, вища ефективність зменшує розмір і вагу сонячних панелей, які формують “крила” супутника. Хоча за останні кілька десятиліть вартість запуску різко знизилася, супутникові оператори все ще можуть розраховувати на майже 3000 доларів за кілограм, щоб вивести свій космічний апарат на орбіту. а тисячі супутників повинні бути розгорнуті протягом наступних кількох років.

Для сонячного елемента в космосі вирішальним показником є значення в кінці його життя. після того, як пристрій піддався бомбардуванню радіацією

Однак для сонячного елемента в космосі вирішальним показником є не початкова ефективність, а значення в кінці терміну служби після того, як пристрій пройшов бомбардування випромінюванням. Складні напівпровідники витримують це бомбардування набагато краще, ніж кремнієві. Ранні дослідження показали, що різниця в ефективності складних напівпровідників зростає з віком з 25% до 40-60%, що забезпечило домінування елементів з потрійним переходом для космічних застосувань. Незважаючи на це, ефективність найкращих комерційних елементів для супутників залишається обмеженою і становить близько 30-33%. Частково це пов’язано з тим, що сонячний спектр за межами нашої атмосфери має сильніший внесок в ультрафіолеті, де набагато важче зробити ефективну комірку, а частково з тим, що немає концентруючої оптики, яка б фокусувала сонячне світло на комірці.

Щоб знизити вати на кілограм сонячної енергії в космосі, американська команда, що працює над проектом, відомим як MOSAIC (мікро-масштабні оптимізовані масиви сонячних елементів з інтегрованою концентрацією), наводить переконливі аргументи на користь CPV в космосі. Команда зазначає, що орієнтувати сонячні панелі на супутнику, щоб максимізувати вироблення електроенергії, за допомогою лінз перед елементами, що захищають їх від випромінювання, має бути відносно легко. Концентрація повинна бути обмежена до рівня не більше 100 сонць, оскільки елементи в космосі не можуть охолоджуватися конвекцією, а лише розсіюванням тепла через випромінювання і теплопровідність.

Щоб CPV мала шанс на успіх у космосі, великі і важкі сонячні модулі, які використовувалися в ранніх наземних системах, повинні бути замінені на значно зменшені аналоги. Технологія, вперше застосована партнером проекту Semprius, нині вже неіснуючим виробником систем CPV, перевершує в цьому відношенні. Фірма розробила процес, який використовує гумову печатку для паралельного друку величезних масивів крихітних комірок, кожна з яких згодом закривається маленькою лінзою.

Найкращі результати були досягнуті при розміщенні двоперехідного елемента на основі GaAs поверх потрійного переходу на основі InP, розділеного дуже тонким діелектричним полімером. Струм не може проходити через цю полімерну плівку, тому використовуються окремі електричні з’єднання для вилучення струму з кожної комірки незалежно. Хоча це подвоює кількість електричних з’єднань, це усуває необхідність узгодження струму між двома пристроями. Зняття цього обмеження дає більшу свободу для дизайну, що потенційно може дозволити цьому підходу кинути виклик ефективності рекордного пристрою NREL при високих концентраціях. Працюючи при освітленні в 92 сонця, яке імітує космічне, новітній пристрій команди, який ще належить повністю оптимізувати, має ефективність 35.5%.

Наближається до 50%

Дослідники NREL знають, що потрібно зробити, щоб подолати 50% бар’єр. Мета, яку вони переслідують. зменшити опір у своєму пристрої в 10 разів до значення, подібного до того, яке спостерігається у їхніх трьох- і чотириперехідних побратимів. Вони також добре усвідомлюють необхідність знизити вартість виробництва таких складних багатоперехідних елементів.

Досягти 50% ефективності також прагне команда під керівництвом Мірчі Гіни з Технологічного університету Тампере у Фінляндії. Гіна та його колеги працюють над створенням решітчастих конструкцій з вісьмома переходами, в тому числі чотирма з екзотичної матеріальної системи, відомої як розбавлені нітриди. поєднання традиційної суміші індію, галію, миш’яку та антимоніду, а також кількох відсотків азоту.

Розбавлені нітриди, як відомо, важко вирощувати. Ще в 1990-х роках німецький виробник електроніки Infineon розробив лазери на основі цього матеріалу, але вони так і не мали комерційного успіху. Нещодавно дочірня компанія Стенфордського університету Solar Junction продемонструвала потенціал цього матеріалу в сонячних елементах. Хоча стартап зазнав невдачі, коли CPV зазнав краху, пристрої, вироблені компанією, побили рекорд сонячної ефективності в 2011 році і знову підняли його в 2012 році завдяки дизайну з потрійним з’єднанням. Ґіна та її колеги мають всі шанси розвинути свою технологію далі. Вони досягли прогресу у виробництві всіх чотирьох розбавлених нітридних піделементів, необхідних для створення пристроїв-рекордсменів, і тепер їхні зусилля зосереджені на оптимізації високоенергетичного переходу. Робота команди була відкладена через пандемію COVID-19, але Гіна вважає, що підхід може подолати 50% бар’єр, можливо, піднявши планку до 54%.

Однак залишається питання імпульсу. Відсутність комерційного інтересу до наземних CPV цілком може спонукати Guina змінити напрямок і зосередитися на гонитві за рекордом для космічних комірок без концентрації. Більшість сучасних досліджень багатоперехідних сонячних елементів не зосереджені на виробництві електроенергії тут, на Землі, тому, хоча цей 50%-й рубіж спокусливо близький, він може бути подоланий ще не скоро.

Річард Стівенсон є редактором Складний напівпровідник журнал, e-mail richardstevenson@zoho.com

Ефективність сонячних панелей у 2023 році

Ефективність сонячних панелей вимірює, наскільки добре сонячні панелі здатні перетворювати сонячне світло в корисну електроенергію.

Завдяки технологічному прогресу ефективність сонячних панелей з часом неухильно підвищується. В результаті такого підвищення поточної ефективності сонячних панелей ви можете отримати таку ж кількість енергії з меншою кількістю панелей на даху, або більшу кількість енергії з тією ж кількістю сонячних панелей.

У цій статті ми пояснимо, що означає ефективність сонячних панелей, як середня ефективність сонячних панелей впливає на виробництво електроенергії, яку роль відіграють високоефективні сонячні панелі у перетворенні чистої енергії та багато іншого.

Що визначає ефективність сонячної панелі?

Здатність вашої сонячної панелі виробляти енергію шляхом перетворення отриманого сонячного світла в корисну електроенергію залежить від п’яти важливих факторів: матеріалів, проводки, відбиття, віку та температури.

Вплив матеріалів на ефективність сонячних панелей

Виробники сонячних панелей використовують різні речовини для створення різних типів сонячних панелей:

• Полікристалічний кремній
• Монокристалічний кремній
• Телурид кадмію
• Багатоперехідні сонячні елементи

Кожен матеріал сонячної панелі допомагає визначити, скільки сонячного світла буде перетворено в електрику. Більшість виробників сьогодні використовують технологію монокристалічних кремнієвих сонячних елементів для своїх панелей через їх чудову ефективність. Монокристалічні фотоелектричні (ФЕ) елементи є більш ефективними, ніж інші типи панелей, оскільки вони виготовлені з монокристала кремнію, а це означає, що електрони можуть легше рухатися через елемент.

На додаток до існуючих матеріалів для сонячних панелей, таких як кремній, сонячні компанії досліджують інші матеріали, які можуть забезпечити ще більш ефективну технологію панелей, включаючи як органічні, так і більш придатні для вторинної переробки варіанти. (Нижче ми більш детально розглянемо ці питання.)

Вплив електропроводки на ефективність сонячних панелей

Сонячні панелі можуть бути з’єднані послідовно або паралельно, і різні конфігурації з’єднання впливають на те, як буде функціонувати ваша система сонячних панелей і скільки енергії вона зможе виробляти. У кожного варіанту є свої переваги і недоліки, тому це одне з рішень, яке компанія, що займається сонячними панелями, прийме при проектуванні ідеальної сонячної електросистеми для вашого будинку.

Електропроводка також допомагає визначити правильний інвертор для ваших сонячних батарей, будь то стрінговий інвертор, оптимізатор потужності, мікроінвертор, гібридний інвертор або щось інше. Тип інвертора, який використовується. особливо з точки зору того, як енергія збирається з панелей і надсилається до вашого будинку, акумуляторної батареї та електромережі. може вплинути на загальну ефективність вашої системи сонячних панелей.

Усередині самих панелей проводка і “шини” (метал, що з’єднує сонячні елементи в сонячній панелі, яка фактично вловлює і передає електроенергію) впливають на ефективність, причому більш ефективні панелі використовують різні конфігурації і різні технології для поліпшення цього процесу.

Вплив віддзеркалення на ефективність сонячних панелей

Кількість світла, відбитого від поверхні сонячного елемента, впливає на ефективність сонячної панелі. Ефективність сонячних панелей залежить від кількості світла, яке вони можуть поглинути і перетворити в електрику.

Якщо світло відбивається від поверхні панелі, воно не може перетворитися на електрику, що знижує ефективність панелі. Сонячні панелі з текстурованою поверхнею та покриттям антивідблиску можуть допомогти мінімізувати кількість світла, що відбивається.

Вплив віку на ефективність сонячних панелей

Середній термін служби сонячних панелей становить близько 25-30 років. Протягом цього періоду ваша сонячна система повинна генерувати всю електроенергію, необхідну для живлення вашого будинку, якщо тільки панелі не будуть заблоковані занадто великою кількістю тіні, бруду або іншого сміття.

Однак протягом 25-30 років ефективність ваших панелей буде повільно знижуватися, поки вони не досягнуть точки, коли сонячні панелі не будуть виробляти достатньо електроенергії для всіх потреб вашого будинку. Ця швидкість деградації враховується в початковому дизайні сонячної енергетичної системи, але вона все одно впливає на ефективність вашої сонячної панелі.

Вплив температури на ефективність сонячної панелі

Клімат вашої місцевості впливає на ефективність сонячних панелей, оскільки енергетичні рівні електронів визначаються рівнем їхнього збудження. Всупереч тому, що ви можете подумати, сонячні панелі більш ефективні при низьких температурах. Оскільки електрони на тонкому шарі кремнію більш спокійні і менш збуджені, вони можуть з більшою легкістю і в більшій кількості рухатися по лініях електропередач, генеруючи сонячну енергію.

Коли гаряче, електрони більш збуджені і рухаються в різних напрямках. Це ускладнює їх ефективне переміщення по лініях електропередач, що призводить до зниження рівня виробництва сонячної енергії в спекотний день.

Іншими словами, в холодний сонячний день ви відчуєте вищу напругу та підвищену ефективність генерації порівняно зі спекотним сонячним днем.

Як розрахувати ефективність сонячної панелі

Найпростіший спосіб розрахувати ефективність ваших сонячних панелей. за допомогою цієї формули:

Ефективність (%) = (Pmax ÷ Площа) ÷ (1000) x 100%

• Pmax = максимальна потужність сонячної панелі (у Ватах)
• Площа = довжина х ширина сонячної панелі (в м2)
• 1000 = опромінення за стандартних умов тестування (STC)

Давайте трохи розберемо її для більш глибокого розуміння.

Визначте максимальну потужність вашої панелі

Ви можете знайти цю інформацію, позначену як Pmax або максимальна потужність, у специфікації сонячних панелей.

Визначте фізичні розміри вашої панелі

Стандартні розміри панелей складають 65 дюймів на 39 дюймів, але ви також можете знайти і перевірити цю інформацію для ваших власних панелей. зокрема, довжину і ширину. на аркуші зі специфікаціями.

Розрахуйте площу одиниці потужності вашої панелі

Щоб отримати площу одиниці потужності вашого модуля, розділіть його Pmax на його площу.

Фактор в STC

Стандартні умови тестування (STC) представляють ідеальне середовище, яке використовується виробниками сонячних панелей при тестуванні середньої продуктивності сонячних панелей. Ці умови включають температуру комірки 25 °C і щільність повітря 1.5, а сонячне випромінювання. 1000 Вт/м2. Це значення 1000 Вт/м2 використовується у рівнянні ефективності.

Розрахунок ефективності сонячної панелі

Використовуючи деякі вибіркові цифри, ми можемо пройтись по математиці. Якщо припустити, що ваші сонячні панелі мають площу 2 м2, виробляють 400 Вт і отримують 1000 Вт/м2 сонячного світла, то ефективність ваших сонячних панелей становить 20%.

Ефективність (%) = (400 ÷ 2) ÷ (1000) x 100%

Ефективність сонячних панелей у 2023 році

Середня ефективність сонячних панелей у 2023 році коливатиметься від 15% до 20%. Найефективніші сонячні панелі, доступні для громадського використання, досягають 22% ефективності.

Хоча більшість сонячних панелей, доступних сьогодні в США, мають ефективність нижче 20%, ми можемо очікувати, що ефективність сонячних енергетичних систем буде продовжувати поліпшуватися, оскільки сонячна промисловість переслідує передову фотоелектричну технологію.

Історія ефективності сонячних панелей

Перший великий прорив у сонячній енергетиці був зроблений Александром-Едмоном Беккерелем у 1839 році. Він відкрив фотоелектричний ефект, що лежить в основі сучасного сонячного елемента. З тих пір інновації та вдосконалення сонячної енергетики залишаються в центрі уваги наукової спільноти та сонячної промисловості, оскільки вони прагнуть підвищити ефективність сонячних панелей і збільшити виробництво енергії з плином часу.

Нижче наведено короткий огляд основних досягнень в області ефективності сонячної енергії за останні три десятиліття, завдяки новим технологіям сонячних панелей.

• 1992: Університет Південної Флориди виробляє сонячну батарею з коефіцієнтом корисної дії 15.89% ефективності тонкоплівкових фотоелементів
• 2012: Solar Frontier досягає 17.8% ефективності
• 2015: Перша сонячна тонкоплівкова технологія CdTe досягає 18.6% ефективність
• 2015: SolarCity досягає 22.04% ККД
• 2015: Прототип 72-елементної панелі Panasonic досягає 22.5% ефективності
• 2015: SunPower досягає 22.8% ефективності з панеллю X22
• 2016: Швейцарський центр електроніки та мікротехнологій і Національна лабораторія відновлюваної енергетики досягли 29.8% ефективності
• 2016: Дослідники Університету Південного Уельсу досягають 34.5% ефективність
• 2017: Університет Джорджа Вашингтона та Військово-морські дослідження досягли 44.Ефективність сонячного елемента на рівні 5
• 2018: Дослідження перовскіту виявило теоретичну верхню межу ефективності в 66%

Щоб було зрозуміло, більшість з цих високих показників ефективності найефективніших сонячних панелей досягнуті в лабораторних умовах і поки що неможливі в комерційних масштабах через високі виробничі витрати.

Національна лабораторія відновлюваної енергетики відстежує зростання ефективності досліджуваних елементів для різних технологій сонячних панелей, і це свідчить про постійне вдосконалення з плином часу:

Ефективність сонячних панелей з часом пройшла довгий шлях, завдяки невпинним зусиллям виробників сонячних панелей та вчених. Постійне підвищення ефективності сонячних панелей має велике значення для навколишнього середовища, оскільки зменшує нашу залежність від електроенергії, виробленої з викопних видів палива, і дозволяє відправляти ще більше енергії в мережу. Чиста енергія, яку вони виробляють, допомагає зменшити нашу залежність від викопного палива, а також допомагає нам боротися з викидами парникових газів.

Чому сучасні сонячні панелі ефективні?

Є дві основні причини, чому сучасні сонячні панелі є більш ефективними: досягнення в дослідженнях та матеріали, що використовуються.

Дослідження сонячної енергії

Прагнення підвищити ефективність сонячної енергії стимулює розробку нових технологій сонячних панелей, оскільки ці значні прориви в удосконаленні сонячних енергетичних систем продовжуються в дослідницьких центрах по всьому світу.

Провідні дослідницькі установи, такі як Національна лабораторія відновлюваної енергетики та Швейцарський центр електроніки та мікротехнологій, використовують свої ресурси, технології та досвід для проведення експериментальних досліджень, які допомагають розробляти високопродуктивні сонячні панелі майбутнього.

Удосконалення матеріалів

Кремній є найкращим напівпровідниковим матеріалом для виробництва сонячної енергії, і виробники використовують кремній протягом десятиліть, оскільки сонячні елементи, виготовлені з нього, є недорогими, високоефективними та довговічними.

Дослідники сонячних панелей продовжують знаходити нові способи підвищення ефективності кремнію, включаючи створення надтонких кристалічних шарів, вдосконалення виробничих процесів, які видаляють силіконовий пил з сонячних елементів, і методи вирощування наступного покоління. Ці сучасні технології призвели до значного підвищення ефективності використання сонячної енергії, про яке ми говорили раніше в цій статті.

Окрім силікону, постійні експерименти з більш ефективними матеріалами, такими як перовскіт, і включення різних сонячних технологій в процес проектування створили потенціал для створення ще більш високоефективних панелей в майбутньому.

Порівняння вартості та цінності для оцінки ефективних сонячних панелей

Середня поточна ефективність сонячних панелей коливається від 15% до 20%, але якщо ви хочете встановити більш ефективні панелі, ви повинні бути готові заплатити більше.

При проектуванні сонячної енергетичної системи, перш ніж робити інвестиції, враховуйте співвідношення витрат і вигод між вищою ціною більш ефективних панелей і кількістю додаткової енергії, яку вони створюють. Економічно вигідніше встановити кілька панелей з меншою ефективністю, ніж замінити всі панелі на більш ефективні, щоб виробляти таку ж кількість енергії.

Оскільки більшість клієнтів купують панелі з ефективністю від 15% до 20%, більшість виробників все ще виробляють більшість своїх панелей в цьому нормальному діапазоні ефективності. Однак деякі обставини можуть вимагати встановлення високоефективних сонячних панелей, наприклад, обмежений простір на даху або складна конструкція даху.

Простір на даху

Простір на вашому даху може вплинути на кількість панелей, які можна встановити. Якщо на даху недостатньо місця для встановлення низькоефективних панелей, необхідних для вироблення достатньої кількості електроенергії для ваших потреб, інсталятори можуть використовувати більш ефективні панелі за додаткову плату.

Планування даху

Конструкція вашого даху також визначає кількість сонячних панелей, необхідних для вашого будинку, і те, як вони можуть бути розміщені. Наприклад, якщо ділянка даху з більшою площею не нахилена під кутом, щоб отримувати багато сонячного світла, буде розглянута ділянка з меншою площею. Це може призвести до створення індивідуального макета для ваших сонячних панелей, що може збільшити ваш бюджет.

Якщо у вас складна конструкція даху, Palmetto може працювати з вами, щоб визначити дизайн системи сонячних панелей, яка буде генерувати необхідну вам електроенергію.

Майбутнє ефективності сонячних панелей

Різні дослідницькі центри працюють над підвищенням ефективності сонячних панелей, експериментуючи з новими матеріалами, такими як органічна фотоелектрика, концентраційна фотоелектрика та квантові точки. Виробники також впроваджують нові захоплюючі технології, які рухають галузь вперед:

• Інтегровані в будівлі фотоелектричні панелі
• Перовскітні сонячні елементи
• Плавучі сонячні електростанції (фотовольтаїка)
• Сонячні скіни
• Сонячна тканина

Плавучі сонячні електростанції розгортаються по всьому світу, і дослідження показують, що в комунальних масштабах вони можуть виробляти більше електроенергії в порівнянні з наземними або даховими установками, завдяки охолоджуючому ефекту води, який підвищує їх ефективність. Застосування інтегрованих в будівлі фотоелектричних модулів та сонячних панелей також демонструє, що майбутнє ефективності сонячної енергетики виглядає блискучим.

Як підвищити ефективність сонячних панелей

Сонячні панелі призначені для ефективної роботи без участі власника будинку. Однак ви можете допомогти забезпечити максимальну ефективність ваших панелей, виконавши дві прості дії:

• Тримайте сонячні панелі в тіні
• Регулярно чистіть панелі (Дізнайтеся більше про очищення сонячних панелей)

Ви також можете допомогти виявити можливі проблеми з ефективністю вашої системи сонячних панелей, відстежуючи її продуктивність за допомогою мобільного додатку, наприклад, Palmetto App, і зареєструвавшись на планове технічне обслуговування, наприклад, Palmetto Protect. Якщо продуктивність ваших панелей погіршилася, Palmetto може проконсультувати вас щодо кроків, які ви можете зробити, щоб генерувати електроенергію, необхідну для вашого будинку.

Основні висновки

Підвищення середньої ефективності сонячних панелей залишається ключовим фактором розвитку індустрії сонячних панелей. Підвищення ефективності. це хороша новина для всіх, хто бере участь у Новій комунальній революції, оскільки це означає, що ми можемо живити наші будинки і підприємства, використовуючи більше сонячних променів і менше викопного палива.

Оскільки ефективність сонячних панелей залежить від матеріалів, проводки, відбивної здатності, віку та температури, дослідники шукають всі можливі шляхи для покращення цих факторів, щоб ефективніше генерувати більше електроенергії.

У Palmetto ми використовуємо одні з найефективніших сонячних панелей на ринку, щоб максимізувати ваше виробництво сонячної енергії. Ми знаємо, що для вас важливо заощаджувати гроші на рахунках за комунальні послуги та допомагати рятувати планету, а це означає, що ми допоможемо вам створити найкращу систему сонячних панелей для вашого будинку.

Зацікавлені в додаванні ефективних сонячних панелей на свій дах? Дізнайтеся, скільки ви можете заощадити, скориставшись нашим інструментом оцінки заощаджень вже сьогодні!

Ефективність сонячних панелей: Що це насправді означає?

При ознайомленні з технічними характеристиками сонячних панелей їх ефективність може справити негативне перше враження. Станом на 2021 рік ефективність монокристалічних сонячних панелей знаходиться в діапазоні 20-23%, тоді як полікристалічних. нижче 20%. Однак ефективність перетворення не є критичним фактором при використанні сонячного світла. безкоштовний і практично безмежний ресурс.

Заощаджуйте на рахунках за електроенергію та скорочуйте викиди від будівлі за допомогою сонячної енергії.

З іншого боку, коли для виробництва електроенергії використовується викопне паливо, ефективність стає набагато важливішою. Вугільні електростанції, як правило, мають ефективність 30-40%, тоді як газові електростанції з комбінованим циклом. близько 50-60%.

• Ці системи генерації мають вищу ефективність, ніж сонячні панелі, але погляд лише на цей показник може ввести в оману.
• Сонячні панелі менш ефективні з точки зору перетворення енергії, але їх вхідні дані є безкоштовними і вони працюють з нульовими викидами.

Ефективність сонячних панелей є проблемою лише в умовах обмеженого простору, оскільки ви можете не досягти запланованої потужності в кіловатах. Сонячні панелі, що використовуються на комерційних та промислових дахах, мають типові розміри близько 80″ x 40″, а найефективніші моделі перевищують 400 Вт. Якщо ви хочете встановити 400 кВт, вам потрібно 1000. це становить понад 22 000 кв.м.футах. тільки для сонячних панелей, плюс відстань між ними, необхідна для обслуговування.

Від чого залежить ефективність сонячних панелей?

Провідні виробники сонячної енергетики постійно інвестують мільйони в дослідження і розробки з метою вдосконалення своїх фотоелектричних елементів. Однак з часом це окупилося:

• У 1990 році сонячні панелі могли перетворювати лише близько 10% сонячного світла в електрику.
• Станом на 2021 рік найефективніші сонячні панелі на ринку наближаються до 23% ефективності.
• Іншими словами, зараз сонячні панелі можуть виробляти 2.У 3 рази більше енергії з заданого простору, порівняно з тим, як вони працювали 30 років тому.

Ефективність сонячних елементів визначається фотоелектричним матеріалом, а також тим, як модуль підключений і спроектований в цілому. Монокристалічні елементи більш ефективні, оскільки вони виготовлені з монокристалів кремнію високої чистоти. З іншого боку, полікристалічні елементи складаються з декількох кристалів, і це впливає на їх ефективність.

Це не означає, що полікристалічні сонячні панелі мають нижчу якість. Вони мають нижчу ефективність перетворення через властивості матеріалу, але існують якісні сонячні модулі обох типів.

Що таке сонячні елементи PERC?

Багато з найбільш ефективних панелей, які зараз доступні, використовують технологію PERC, яка збільшує продуктивність до 12%. PERC розшифровується як Passivated Emitter and Rear Contact (пасивний емітер і тильний контакт), і ці елементи мають багато конструктивних особливостей, які підвищують їх ефективність.

• Елементи PERC мають під собою світловідбиваючий шар, що відбиває світло. сонячне світло, що проходить крізь них, відбивається назад у фотоелектричний матеріал, генеруючи більше енергії.
• Вони також мають антивідблискуюче покриття і текстуру поверхні, які максимально збільшують кількість сонячного світла, що вловлюється і перетворюється в електрику.

PERC-елементи часто розрізають навпіл, щоб зменшити втрати електричного опору, що ще більше збільшує їхню вихідну потужність. Ви помітите, що багато сонячних панелей зараз використовують 120 або 144 напівелементи, замість традиційних 60- і 72-елементних конструкцій. Оскільки сонячні елементи зменшені вдвічі, їх загальна потреба в просторі майже не змінилася, а розміри панелей не зазнали значних змін.

Як високоефективні сонячні панелі економлять простір

Оскільки ефективність фотоелектричних елементів продовжує зростати, сонячні панелі будуть здатні генерувати більше ват на квадратний фут.

• Сонячна панель потужністю 400 Вт розміром 80″ x 40″ виробляє 18 Вт на квадратний метр.
• При збільшенні ефективності на 33%, можна було б генерувати 24 Вт на кв.м.

Як правило, наявність місця для сонячних панелей не є проблемою в таких будівлях, як торгові центри та розподільчі центри. Однак, багатоповерхові будівлі мають велику площу поверху відносно площі даху. і багато вільного простору вже зайнято обладнанням для опалення, вентиляції та кондиціонування. У цих випадках високоефективні сонячні панелі максимізують вихід кВт-год на квадратний фут покриття.

RD також знизила вартість сонячних панелей. 20 років тому ви могли очікувати, що заплатите більше 10 000 доларів за кВт потужності, але зараз домашні сонячні системи коштують менше 3 000 доларів за кВт у багатьох частинах США. Ще нижчі показники можливі в комунальному секторі, де сонячні батареї встановлюються за ціною менше 1000 доларів за кВт.

Що таке ефективність сонячних панелей і як вона впливає на продуктивність вашої системи?

Сонячні панелі. дивовижне технологічне досягнення. У них немає рухомих частин, вони дуже безпечні в експлуатації і, за умови правильного встановлення, можуть забезпечувати чисту електроенергію протягом десятиліть.

Для більшості споживачів особливо заплутаним аспектом сонячних панелей є термін “ефективність” і те, що він насправді означає для успіху їхніх інвестицій в сонячну енергетику.

Простіше кажучи, ефективність. це співвідношення, яке вимірює, яка частина сонячного світла, що надходить, перетворюється в електричну енергію вашими сонячними панелями. Наприклад, якщо на панелі падає 100 Вт сонячного світла, а виходить 15 Вт електроенергії, то ефективність становить 15%. Більшість сонячних панелей на ринку мають ефективність в межах 10-15%.

Чому ми втрачаємо ефективність при упаковці сонячних елементів?

Складові елементи сонячної батареї

Структурним елементом будь-якої сонячної панелі є сонячна батарея. Сонячний елемент. це тип напівпровідника, який генерує електричну енергію при освітленні сонячним світлом, використовуючи фотоелектричний (PV) принцип. Коли ми збираємо разом цілу групу сонячних елементів, ми отримуємо фотоелектричний модуль, модний промисловий термін, який просто означає невелику сонячну панель. З’єднання декількох модулів дає нам більшу сонячну панель. Типова сонячна установка включає багато таких панелей, з’єднаних разом у вигляді фотоелектричного масиву.

Чому це все важливо для розуміння ефективності сонячних панелей? Ну, тому що на кожному кроці цього процесу упаковки та встановлення ми втрачаємо трохи ефективності. Наприклад, якщо ви купуєте сонячні панелі, які складаються з сонячних елементів з ефективністю 15%, сама панель буде мати трохи меншу ефективність (через відстань між сонячними елементами). Якщо ці сонячні панелі встановлені на даху у вигляді фотоелектричного масиву, отримана ефективність буде навіть меншою, ніж середня ефективність панелі через електричні втрати, затінення та інші фактори.

Яка найефективніша сонячна панель сьогодні?

З моменту винаходу фотоелектричного принципу в 19 столітті ефективність сонячних панелей різко зросла. У 1950-х роках дослідники з Bell Laboratories виготовили сонячні елементи з ефективністю 6%. У 1970-х і 1980-х роках дослідники, експериментуючи з різними типами матеріалів і технологіями виробництва, поступово підвищували рівень ефективності. Сьогодні найефективніші сонячні елементи мають близько 40% ефективності, і дослідники по всьому світу наполегливо працюють над тим, щоб підняти цей рівень ще вище. На жаль, більшість комерційно доступних сонячних панелей значно нижче цього рекордного рівня ефективності, але немає сумнівів, що майбутні сонячні енергетичні системи будуть побудовані з використанням більш високоефективних сонячних елементів.

Еволюція ефективності сонячних елементів станом на грудень 2015 року (джерело: NREL). Будь ласка, натисніть, щоб збільшити.

Що таке багатоперехідна технологія?

Сонячні елементи виготовляються з використанням різних напівпровідникових матеріалів. Кожен матеріал може збирати певну частину спектру сонячного випромінювання. Накладаючи елементи, виготовлені з різних матеріалів, ми можемо збільшити загальну кількість випромінювання, яке можна вловити. Оскільки сонячне світло проходить через кілька шарів елементів, кожен з яких оптимізований для поглинання певної довжини хвилі світла, загальна ефективність може бути значно збільшена. На сьогоднішній день найбільш ефективні традиційні кремнієві сонячні елементи мають ККД близько 25% (сині лінії на графіку вище), в той час як багатоперехідні елементи перевищили рівень 40% (фіолетові лінії). Це звучить чудово, але підвищена ефективність має свою ціну: багатоперехідні елементи набагато складніші і, як наслідок, дорожчі, ніж традиційні сонячні батареї.

Чому сонячні панелі з часом втрачають ефективність (деградують)?

Дослідження, проведене NREL, показало, що вихід сонячних панелей зменшується на 0.з 5% до 0.8% щороку. Це в основному пов’язано з впливом панелей на елементи, а в дуже посушливому кліматі інтенсивні ультрафіолетові промені підвищують рівень деградації. Тому протягом очікуваного терміну служби сонячної панелі (20-25 років), природно, що ефективність буде поступово знижуватися.

Чи варто купувати найефективніші сонячні панелі на ринку?

Підвищена ефективність означає більшу вихідну потужність з одиниці площі сонячних панелей. Таким чином, якщо у вас є дві марки сонячних панелей з однаковими розмірами, та, що має вищу ефективність, буде генерувати більше електроенергії. Крім того, дві марки можуть мати однакову номінальну потужність, але панель з вищою ефективністю буде меншою, що є важливим фактором для певних застосувань сонячної енергетики.

Хоча інвестувати в найефективніші сонячні панелі дуже заманливо, це не обов’язково може бути найкращим інвестиційним рішенням. Деякі з найбільш ефективних сонячних панелей відносяться до преміум-продуктів з вищою ціною. Якщо у вас обмежений простір на даху, або ви зацікавлені в спеціальному застосуванні, такому як сонячна енергія для вашого човна або вашої каюти, то панель з більш високою ефективністю дійсно може бути кращим вибором. З іншого боку, якщо у вас достатньо місця на даху, то надійність панелей і ціна повинні бути основними факторами, що визначають ваше рішення.

Якщо ви розглядаєте варіанти сонячних панелей, чому б не випробувати їх за допомогою WhatNextNow Solar GO? Наші безкоштовні інструменти допоможуть вам протестувати різні варіанти сонячної енергії у вашому місці і дадуть вам набагато краще уявлення про те, скільки електроенергії ви можете генерувати. І, будь ласка, пам’ятайте, що ви в цьому надовго. Надійна панель, придбана за вигідною ціною, може стати вашою найкращою сонячною інвестицією, навіть якщо це не найефективніша модель на ринку.