Наука і технології в центрі уваги: Альтернативні матеріали для сонячних елементів. Сонячна батарея – це

Наука і технології в центрі уваги: Альтернативні матеріали для сонячних батарей

У цьому огляді розглядається технологія сонячних елементів, що розвивається. Більшість сонячних елементів, що генерують електроенергію, виготовляються з кристалічного кремнію в процесі, який є складним, дорогим і енергоємним. Альтернативні матеріали можуть працювати краще, їх легше і дешевше виготовляти. Деякі з них поглинають світло в 10-100 разів ефективніше за допомогою тонких плівок. Крім того, ці елементи можна швидко і легко виготовити, що знижує вартість.

Деякі альтернативні матеріали перебувають на ранніх стадіях досліджень і розробок, але інші вже використовуються. Наприклад, сонячні елементи з телуриду кадмію виробляються на комерційній основі і коштують приблизно стільки ж, скільки і кристалічні кремнієві елементи.

наука, технолог, центр, уваги, альтернативні, сонячних

Чому це важливо

Виробництво електроенергії з сонячної енергії в США може зрости в шість разів до 2050 року. Альтернативи широко використовуваним кристалічним кремнієвим елементам можуть зменшити використання матеріалів, капітальні витрати на виробництво та викиди парникових газів протягом життєвого циклу. Багато з цих нових матеріалів, однак, знаходяться на стадії розробки, і для кращого розуміння їх потенціалу необхідні додаткові дослідження.

Технологія

Що це таке? Більшість сонячних елементів (компонентів, які генерують електроенергію з сонячного світла) в даний час виробляються з кристалічного кремнію в процесі, який є складним, дорогим та енергоємним. Альтернативні матеріали, такі як телурид кадмію, амоний кремній, перовскіти та органічні (вуглецевмісні) сполуки, нанесені тонкими шарами плівки, можуть працювати краще, їх легше і дешевше виготовляти.

Як це працює? Коли сонячне світло потрапляє на сонячну батарею, частина енергії поглинається і генерує електроенергію або для негайного використання, або для зберігання в акумуляторах (див. рис. 1). Чим легше даний сонячний елемент поглинає світло і перетворює його в електрику, тим вища його ефективність. Електричний струм, що генерується сонячним світлом, протікає по дротах, які з’єднують передній і задній контакти сонячної батареї.

наука, технолог, центр, уваги, альтернативні, сонячних

Малюнок 1. Спрощене зображення того, як сонячна батарея генерує електричний струм.

Деякі альтернативні матеріали поглинають світло в 10-100 разів сильніше, ніж кристалічний кремній, що дозволяє їм виробляти електроенергію, використовуючи менше матеріалу. У свою чергу, сонячні елементи, виготовлені з цих матеріалів, як правило, тонші і важать менше. Крім того, ці тонкоплівкові сонячні елементи можна виготовляти швидко, що знижує вартість.

Наскільки це зріло? Зрілість цих альтернативних матеріалів широко варіюється, деякі з них в даний час використовуються для виробництва сонячних елементів, а інші знаходяться на ранніх стадіях досліджень і розробок. Наприклад, елементи на основі телуриду кадмію та диселініду міді та індію-галію разом складають приблизно 10 відсотків сучасних сонячних елементів, і вони вже конкурують за ціною з кристалічними кремнієвими елементами.

Нові сонячні елементи, що розробляються, використовують різноманітні матеріали. Серед них амоний кремній, який є некристалічним і може бути нанесений у вигляді тонкої плівки. Перовскіти. це новий клас матеріалів зі швидко зростаючою ефективністю. Органічні матеріали пропонують ще один варіант для тонких плівок. Вони складаються з вуглецевмісних сполук, або довгих ланцюжків, або молекул, пристосованих для поглинання певних довжин хвиль світла. Дослідники також вивчають використання квантових точок. мікроскопічних частинок таких сполук, як телурид кадмію, селенід кадмію, фосфід індію або селенід цинку, які здатні виробляти електроенергію зі світла.

Хоча ці різноманітні матеріали відрізняються за своїм хімічним складом, всі вони підпадають під категорію, відому як тонкі плівки, через надзвичайно тонкий шар. порівнянний за товщиною з еритроцитом. в якому вони наносяться (див. рис. 2). Крім того, що ці матеріали легко виробляти і вони відносно недорогі, їх можна наносити на різноманітні підкладки, в тому числі на гнучкі пластмаси в деяких випадках.

наука, технолог, центр, уваги, альтернативні, сонячних

Малюнок 2. Існуючі та потенційні альтернативні матеріали для сонячних елементів наносяться надзвичайно тонкими шарами, причому нові матеріали є найтоншими.

На додаток до поглинання світла, сонячні елементи повинні перетворювати його в електрику. Згідно з дослідженням Массачусетського технологічного інституту (MIT), комерційні тонкоплівкові сонячні елементи в даний час мають середню ефективність перетворення в діапазоні від 12 до 15 відсотків у порівнянні з 15-21 відсотком для кристалічного кремнію, хоча і є перспективними. Крім того, вони вимагають відповідних герметизуючих матеріалів для захисту від навколишнього кисню і вологи. Як наслідок, багато альтернативних матеріалів для сонячних елементів в даний час знаходяться на стадії розробки або обмежуються спеціалізованим застосуванням.

Виклики

Політичний контекст і питання

Оскільки альтернативні матеріали для сонячних елементів продовжують розвиватися і вдосконалюватися, перед політиками постають деякі ключові питання, які вони могли б розглянути:

  • Які кроки можуть сприяти подальшому розвитку та використанню альтернативних джерел енергії, таких як матеріали для сонячних елементів?
  • Який аналіз стимулів і бар’єрів може визначити, чи потрібне державне стимулювання інвестицій приватного сектора в матеріали для сонячних батарей, і які компроміси можуть бути досягнуті при такому стимулюванні??
  • Які дії можуть допомогти забезпечити достатнє розуміння впливу різних матеріалів сонячних елементів на здоров’я людини і навколишнє середовище протягом усього життєвого циклу?

За додатковою інформацією звертайтеся до Карен Говард за номером 202-512-6888 або HowardK@gao.gov.

Сонячний елемент. наука, що стоїть за сонячною енергією

Сонячний елемент, який також називають фотоелектричним (ФЕ) елементом, є основним будівельним блоком сонячної енергетичної системи. Він виготовляється з напівпровідникових матеріалів, які перетворюють сонячне світло в електрику. Але як це працює? І яку роль відіграє бор у сонячних елементах?

наука, технолог, центр, уваги, альтернативні, сонячних

Фотоелектричні технології

Фотовольтаїка походить від фотоелектричного ефекту, який перетворює світло (фотони) в електрику (напругу). У 1954 році вчені Bell Laboratories вперше використали цей ефект і побудували робочий кремнієвий сонячний елемент, який виробляв електричний струм під дією сонячного світла. Сонячні елементи потім використовувалися для живлення космічних супутників і невеликих приладів, таких як калькулятори і годинники. Сонячна електроенергія є дуже конкурентоспроможною за вартістю в багатьох регіонах, і фотоелектричні елементи розгортаються в масових масштабах для забезпечення енергосистеми.

Ефективність фотоелектричного елемента. це просто кількість електричної енергії, виробленої елементом, до енергії, виробленої світлом, що падає на нього, що вказує на ефективність елемента в перетворенні енергії з однієї форми в іншу. Кількість енергії, що генерується цими фотоелектричними елементами, залежить від характеристик доступного світла (інтенсивності та довжини хвиль) і численних характеристик елемента.

Ширина забороненої зони фотоелектричних напівпровідників є важливою властивістю, що визначає довжину світлової хвилі, яку матеріал може поглинати і перетворювати в електричну енергію. Якщо ширина забороненої зони напівпровідника відповідає довжині світлової хвилі, що потрапляє на фотоелемент, він може ефективно використовувати всю доступну потужність.

Типи сонячних елементів

Кремнієвий сонячний елемент

Кремній є найбільш часто використовуваним напівпровідниковим матеріалом в сонячних елементах. на частку яких припадає приблизно 95 відсотків панелей, проданих на сьогоднішній день. Це другий за поширеністю елемент на планеті (після кисню) і найпоширеніший напівпровідник у комп’ютерних мікросхемах.

Кристалічні кремнієві елементи побудовані з атомів кремнію, з’єднаних між собою, утворюючи кристалічну решітку. Ця решітка створює організовану структуру, яка підвищує ефективність перетворення світла в електрику.

Кремнієві сонячні елементи в даний час пропонують високу ефективність, низьку вартість і тривалий термін служби. Очікується, що пристрої прослужать 25 років і більше, виробляючи понад 80% початкової потужності.

Тонкоплівковий сонячний елемент

Тонкоплівкові сонячні елементи виробляються з дуже тонкого шару напівпровідникового матеріалу, такого як телурид кадмію або диселенід міді індію галію. Товщина шарів таких елементів становить лише кілька мікрометрів або кілька мільйонних часток метра.

Ці елементи є гнучкими і легкими, тому ідеально підходять для портативних застосувань, наприклад, в солдатському рюкзаку або в інших продуктах, які генерують електроенергію від сонця, таких як вікна. Крім того, деякі типи тонкоплівкових сонячних елементів отримують вигоду від передової виробничої діяльності, яка вимагає низьких енерговитрат і яку легше розширювати.

Органічний сонячний елемент

Органічні сонячні елементи виготовляються з багатих на вуглець (органічних) сполук для покращення певної функції фотоелемента, наприклад, ширини забороненої зони, прозорості або кольору. Фотоелементи OPV лише вдвічі менш ефективні, ніж кремнієві сонячні елементи, і мають коротший термін служби, але їх дешевше виробляти у великих кількостях. Їх також можна наносити на гнучкі пластики або інші допоміжні матеріали, що дозволяє використовувати OPV для багатьох застосувань.

Концентрований сонячний елемент

Концентрована фотоелектрика (CPV). це сонячна технологія, яка використовує лінзи або дзеркала для спрямування великої кількості сонячного світла на невеликі високоефективні сонячні елементи. Отже, вони потребують менше фотоелектричного матеріалу для захоплення тієї ж кількості сонячного світла. Однак системи CPV дорожчі у виробництві та встановленні, і вони вимагають спеціальних пристроїв для відстеження руху сонця протягом дня. Як наслідок, індустрія CPV зіткнулася з труднощами в демонстрації переваги за вартістю над звичайними сонячними панелями.

Як працюють сонячні елементи

Сонячний елемент зазвичай складається з двох шарів кремнію, одного p-типу і одного n-типу. У шарі n-типу спостерігається надлишок електронів, а в шарі p-типу. надлишок позитивно заряджених дірок.

На стику між двома шарами електрони з боку n-типу перетікають в дірки на стороні p-типу. Це створює зону збіднення навколо переходу, де електрони заповнюють дірки.

Коли всі дірки в зоні виснаження заповнені електронами, сторона p-типу зони виснаження тепер має негативно заряджені іони, а сторона n-типу. позитивно заряджені іони. Виникнення цих протилежно заряджених іонів створює внутрішнє електричне поле, яке перешкоджає електронам з шару n-типу заповнювати дірки в шарі p-типу.

Коли сонячне світло падає на сонячний елемент, електрони вилітають, в результаті чого утворюються “дірки”. порожнечі, залишені електронами, що вилітають. Якщо це відбувається в електричному полі, електрони будуть рухатися до шару n-типу, а дірки. до шару p-типу. Після з’єднання шарів n-типу і p-типу металевим дротом, електрони перетікають з шару n-типу в шар p-типу, проходячи зону виснаження, а потім проходять через зовнішній дріт назад в шар n-типу, генеруючи потік електрики.

Кремній p-типу створюється атомами, які мають на один електрон менше на вищому енергетичному рівні, ніж кремній, наприклад, бор або галій. Оскільки бор має на один електрон менше, необхідний для утворення зв’язків з оточуючими атомами кремнію, утворюється дірка. Для порівняння, кремній n-типу створюється шляхом об’єднання атомів з одним додатковим електроном на більш високому енергетичному рівні, ніж кремній, наприклад, фосфор.

Бор в сонячних елементах

Бор використовується в сонячних елементах як антивідбиваюче покриття. Покриття антивідблиску зменшують втрати від падаючого сонячного світла, яке не проходить або змішується в процесі виробництва. Це забезпечує кращу електропровідність і підвищену ефективність.

В останні роки також досліджувався потенціал бору для використання в накопичувачах енергії. Сонячна енергія. це відновлюваний ресурс, який можна використовувати для виробництва електроенергії. Однак, існуючі методи передачі сонячної енергії з районів з високою продуктивністю в індустріально розвинені райони призводять до значних втрат енергії. Бор потенційно може бути використаний для зменшення або усунення цих втрат.

Бор. легкий елемент з високою спорідненістю до електронів. Це робить її ідеальною для використання в електричних накопичувачах, таких як батареї. При такому використанні бор може підвищити ефективність сонячних енергетичних систем, зменшуючи або усуваючи потребу в лініях електропередач та іншій інфраструктурі, що призводить до втрат енергії. Крім того, бор нетоксичний і широко розповсюджений у земній корі, що робить його безпечним і стійким варіантом для зберігання енергії.

Сонячний елемент. технологія, що лежить в основі сонячних панелей

наука, технолог, центр, уваги, альтернативні, сонячних

Прогнозується, що сонячна енергія стане найвагомішим внеском у світові енергетичні ресурси та вирішальним кроком у плані нульових викидів. Прогнози показують, що сонячна енергія стане найважливішим джерелом енергії для світового виробництва електроенергії у 2030 році. У цій статті ми розглянемо, як виготовляються фотоелектричні сонячні елементи. Розглянемо технологію, що лежить в основі сонячної панелі, яка дозволяє виробляти електроенергію.

Сонячні батареї. фізичне явище у виробництві електроенергії

Фотоелектричні елементи є унікальними генераторами енергії. Найбільша відмінність сонячних панелей від акумуляторів або паливних елементів полягає в тому, що вони не потребують жодних хімічних реакцій або палива для виробництва чи зберігання електричної енергії. лише сонячне світло. Інша суттєва відмінність полягає в тому, що, на відміну від електричних генераторів, сонячні елементи не мають жодних рухомих частин.

Сонячний елемент, який також називають фотоелектричним елементом. це електронний пристрій, який перетворює світло в електричну енергію за допомогою фотоелектричного ефекту. Це фізичне явище, але ми можемо розділити його на три основні етапи, щоб зрозуміти, як сонячне світло перетворюється на корисну електроенергію за допомогою сонячних елементів у сонячних панелях.

Три основні процеси в сонячному фотоелектричному (ФЕ) елементі:

наука, технолог, центр, уваги, альтернативні, сонячних

  • Поглинання світла генерує носії (вибиті вільні електрони)
  • Носії течуть, створюючи енергію
  • Енергія вловлюється і передається на дроти

Кожен фотоелектричний ланцюг складається з двох кремнієвих напівпровідників: один позитивно заряджений (p-типу), інший негативно заряджений (n-типу). Найменша одиниця світла. фотон. завжди поглинається напівпровідником n-типу. Він генерує рух електронів з більш високою енергією від сонячного елемента в зовнішній ланцюг. Потім електрони розсіюють свою енергію в зовнішньому ланцюзі і повертаються до сонячного елемента.

Кремнієвий сонячний елемент можна назвати діодом з p-n переходом, хоча його конструкція суттєво відрізняється від звичайних діодів з p-n переходом. Вони є різновидом фотоелектричного фотоелемента, який визначається як пристрій з електричними характеристиками. такими як струм, напруга або опір. Здібності та ефективність сонячних елементів змінюються при контакті зі світлом.

Сонячні елементи. це основна частина сонячних панелей

Окремі сонячні елементи можуть бути об’єднані в модулі, які зазвичай називають панелями сонячних елементів або просто сонячними панелями. Домовласники встановлюють їх на дахах будинків, щоб замінити, доповнити або підвищити ефективність традиційного електропостачання. Стандартний одноперехідний фотоелектричний елемент може генерувати максимальну напругу в розімкнутому стані близько 0.5 до 0.6 вольт. Може здатися, що це не така вже й велика потужність. але ці сонячні елементи надзвичайно крихітні та ефективні. Коли тисячі кремнієвих сонячних елементів об’єднуються в звичайну сонячну панель, можна генерувати значні обсяги відновлюваної енергії.

Сонячні панелі також можуть бути об’єднані у великі групи. масиви. Масиви значно більші, ніж звичайні сонячні панелі, що використовуються в сімейних домогосподарствах. Ці конструкції, що складаються з сотень тисяч окремих фотоелектричних елементів, відіграють роль центральної електростанції, перетворюючи сонячне світло в електричну енергію, яка використовується для промислових, комерційних або житлових цілей.

ЯК ВИГОТОВЛЯЮТЬСЯ СОНЯЧНІ БАТАРЕЇ?

Фотоелектричний ефект вимагає матеріалу, в якому поглинання світла піднімає електрон до більш високого енергетичного стану. Величезна кількість різних матеріалів і процесів може задовольнити вимоги для перетворення фотоелектричної енергії. Проте, майже всі фотоелектричні перетворювачі енергії використовують напівпровідникові матеріали в структурі p-n переходу.

МОДЕЛІ СОНЯЧНИХ МОДУЛІВ НА ОСНОВІ КРЕМНІЄВИХ ФОТОЕЛЕМЕНТІВ:

  • Монокристалічні сонячні панелі (Mono. SI)
  • Полікристалічні сонячні панелі (p-Si)
  • Тонкоплівкові сонячні панелі; амоний кремній (A-SI)
  • Концентрований фотоелектричний елемент (CVP)

наука, технолог, центр, уваги, альтернативні, сонячних

Більшість сонячних елементів виготовляються з кремнію, який є чудовим напівпровідником. З урахуванням різних вимог і фінансових можливостей, матеріали варіюються від амоних (некристалічних) через полікристалічні до кристалічних (монокристалічних) форм кремнію.

Монокристалічні сонячні панелі. це сонячна продукція преміум-класу. Основними перевагами цих панелей є вища ефективність, довговічність та висока естетична цінність. Для виготовлення сонячних елементів монокристалічний кремній формують у вигляді смуг і розрізають на пластини. Оскільки комірка складається з монокристала, електрони мають більше простору для руху. Як результат, монокристалічні панелі мають дуже високу ефективність (~20%), але вони найдорожчі в покупці.

Полікристалічні сонячні панелі є одним з найдешевших варіантів для ентузіастів сонячної енергетики. Помірна вартість є їх великою перевагою, але вони мають значно нижчу ефективність (~15%) і трохи меншу довговічність, ніж монокристалічні варіанти. Полікристалічні сонячні батареї також виготовляються з багатьох фрагментів кремнію, сплавлених разом, щоб сформувати пластини. Через багатокристалічну конструкцію кожного кремнієвого сонячного елемента, електрони мають менше свободи для руху, що призводить до нижчої ефективності.

Тонкоплівкові, амоні панелі є найдешевшими і найпростішими у виробництві, але з найнижчою ефективністю (~7-10%) і довговічністю. Товщина плівки коливається від декількох нанометрів до десятків мікрометрів, що робить їх значно тоншими, ніж конкуруючі технології на основі кристалічних кремнієвих сонячних елементів першого покоління (Mono-SI, p-Si, c-Si). Це дозволяє тонкоплівковому фотоелектричному елементу бути надзвичайно гнучким і легким. Завдяки цьому їх часто використовують як інтегровані в будівлі фотоелектричні пристрої, наприклад, напівпрозорий матеріал, ламінований на вікнах.

Концентрований фотоелемент. це вдосконалений пристрій, який використовує лінзи або вигнуті дзеркала для концентрації сонячного світла на поверхні високоефективного багатоперехідного (МДж) сонячного елемента. Це найефективніша технологія (~40%) і найбільш витратна на першому етапі проекту. Цей пристрій потребує спеціальної системи охолодження через високу температуру, що виділяється при фокусуванні світла на верхньому шарі сонячного елемента.

Від сонячної батареї до електрики

Сонячні елементи виробляють постійний струм (DC), який не може бути використаний в жодній електричній мережі, що живиться змінним струмом (AC). Він повинен пройти ще один процес перетворення в інверторі. Це пристрій, призначений для перетворення постійного струму в змінний. Найпопулярніші інвертори енергії є повністю електронними, але існують також типи з механічними ефектами (роторні апарати) та електронними схемами.

Сонячні інвертори використовуються для мережевих та автономних систем. Вони відповідають особливим потребам сонячної енергії, маючи спеціальні функції, такі як відстеження точок максимальної потужності та захист від острівців. Сонячні мікроінвертори ще більше відрізняються від традиційних інверторів, оскільки до кожної сонячної панелі підключається окремий мікроінвертор. Це може підвищити загальну продуктивність системи. Вихід з декількох мікроінверторів згодом об’єднується. В інших схемах звичайний інвертор може поєднуватися з акумуляторною батареєю, керованою системою управління сонячним зарядом. Таке поєднання елементів часто називають сонячним генератором.

Потім змінний струм надходить до розподільчого щитка в будинку, де електроенергія розподіляється на кінцеві пристрої. Якщо в ланцюзі недостатньо приймачів, електроенергія потрапляє в загальну електромережу, проходячи через лічильник. Лічильники в будинках з фотоелектричними системами є двонаправленими, в звичайних будинках. однонаправленими (вони реєструють лише споживання електроенергії).

наука, технолог, центр, уваги, альтернативні, сонячних

Що таке принцип роботи сонячної панелі?

Основна мета сонячних енергетичних систем. забезпечення чистої, поновлюваної енергії від сонця. Впровадження сонячних панелей у вашому домогосподарстві допомагає боротися з викидами парникових газів і зменшує нашу загальну залежність від викопного палива.

Кремнієві сонячні елементи часто використовуються для виробництва електроенергії в багатьох віддалених місцях по всьому світу, де традиційні джерела електроенергії або недоступні, або занадто дорогі для використання.

Завдяки відсутності рухомих частин, відсутності потреби в паливі та низьким потребам в обслуговуванні, фотоелектричні елементи забезпечують енергією більшість космічних установок, таких як супутники або астростанції (Сонце недоступне для космічних зондів, що проводяться на зовнішніх планетах Сонячної системи або в міжзоряному просторі).

Сонячні елементи також використовуються протягом багатьох років у споживчих товарах (електронних іграшках, портативних калькуляторах, портативних радіоприймачах тощо).) Сонячні елементи, що використовуються в таких пристроях, можуть використовувати штучне світло, а також сонячне світло.

Сонячні елементи: Посібник з теорії та вимірювань

Сонячний елемент. це пристрій, який перетворює світло в електрику за допомогою “фотоелектричного ефекту. Їх також часто називають “фотоелектричними елементами” на честь цього явища, а також для того, щоб відрізнити їх від сонячних теплових пристроїв. Фотоелектричний ефект. це процес, який відбувається в деяких напівпровідникових матеріалах, таких як кремній. На найпростішому рівні напівпровідник поглинає фотон, збуджуючи електрон, який потім може бути витягнутий в електричний ланцюг за допомогою вбудованих і прикладених електричних полів.

У зв’язку зі зростаючим прагненням до більш поновлюваних джерел енергії в останні роки, сонячна енергія набуває все більшої популярності. У 2012 році загальне світове використання енергії становило приблизно 559 ЕДж (ексаджоулів, x10 18 ). Тим часом, загальна річна сонячна енергія, яка падає на земну сушу, оцінюється в 1,575. 49 837 ЕДЖ. Очевидно, що Сонце забезпечує більш ніж достатньо енергії, щоб задовольнити глобальні енергетичні потреби. Тому, можливо, сонячна енергія має набагато більший потенціал для задоволення наших енергетичних потреб, ніж інші відновлювані джерела.

Загальна теорія

Основним компонентом сонячного елемента є напівпровідник, оскільки саме він перетворює світло в електрику. Напівпровідники можуть здійснювати це перетворення завдяки структурі своїх електронних енергетичних рівнів. Рівні енергії електронів, як правило, поділяються на дві зони: “валентну зону” і “зону провідності”. Валентна зона містить найвищі зайняті енергетичні рівні електронів, тоді як зона провідності містить найнижчі незайняті енергетичні рівні електронів. Різниця енергії між верхньою межею валентної зони і нижньою межею зони провідності відома як “заборонена зона” (Eg). У провіднику немає забороненої зони, оскільки валентна зона не заповнена повністю. що дозволяє електронам вільно рухатися через матеріал. Ізолятори мають дуже великі заборонені зони, для подолання яких потрібна велика кількість енергії. і, таким чином, гальмує рух електронів з валентної зони в зону провідності. І навпаки, ширина забороненої зони в напівпровідниках відносно мала, що дозволяє деяким електронам переходити в зону провідності, вливаючи невелику кількість енергії.

Ця мала ширина забороненої зони дозволяє деяким напівпровідникам генерувати електроенергію, використовуючи світло. Якщо фотон, що падає на напівпровідник, має енергію (Eγ), більшу за ширину забороненої зони, він буде поглинутий. що дозволяє електрону переходити з валентної зони в зону провідності. Цей процес відомий як “збудження. Коли електрон знаходиться в зоні провідності, у валентній зоні залишається незайнятий стан. Він відомий як “дірка” і поводиться як частинка, аналогічна електрону в зоні провідності (хоча і з позитивним зарядом). Завдяки протилежним зарядам збуджені електрон і дірка кулонівським зв’язком перебувають у стані, відомому як “екситон”. Цей екситон повинен бути розщеплений (також відомий як “дисоціація”), перш ніж носії заряду можуть бути зібрані і використані. Енергія, необхідна для цього, залежить від діелектричної проникності (εr) матеріалу. Це описує рівень екранування між зарядами в напівпровідниковому матеріалі і впливає на енергію зв’язку екситона.

У матеріалах з високим εr екситони мають низьку енергію зв’язку. що дозволяє дисоціації відбуватися термічно при температурі навколишнього середовища. Екситони в матеріалах з низьким εr мають високу енергію зв’язку, що запобігає термічній дисоціації. таким чином вимагаючи іншого методу дисоціації. Поширений метод полягає в тому, щоб доставити екситон до межі поділу між матеріалами з енергетичними рівнями, які мають зсув, більший за енергію зв’язку екситона. Це дозволяє електрону (або дірці) перейти в інший матеріал і дисоціювати екситон.

Після дисоціації вільні заряди дифундують до електродів елемента (де вони збираються). в цьому допомагають вбудовані та прикладені електричні поля. Вбудоване електричне поле пристрою виникає з відносних енергетичних рівнів матеріалів, що складають комірку. Однак походження вбудованого поля залежить від типу використовуваного напівпровідника. Для неорганічних напівпровідників, таких як кремній, до напівпровідника часто додають інші матеріали (процес, відомий як легування), щоб створити області з високою (n-типу) і низькою (p-типу) електронною густиною. Коли ці області контактують, заряди накопичуються по обидва боки межі розділу, створюючи електричне поле, спрямоване від області n-типу до області p-типу. У пристроях, що використовують органічні напівпровідники, вбудоване поле виникає через різницю між робочими функціями електродів пристрою.

Розмір забороненої зони також дуже важливий, оскільки він впливає на енергію, яку може зібрати сонячний елемент. Якщо Eγ Eg, то фотон буде поглинений, а будь-яка енергія, що перевищує Eg, буде використана для просування електрона на енергетичний рівень вище мінімуму зони провідності. Після цього електрон релаксує до мінімуму зони провідності, що призводить до втрати надлишкової енергії. Однак, якщо Eγ Eg, то фотон не буде поглинений, що знову призводить до втрати енергії. (Зауважте, довжина хвилі фотона зменшується зі збільшенням його енергії).

Розглядаючи сонячний спектр, можна побачити, що занадто велике Eg призведе до того, що значна кількість фотонів не буде поглинута. З іншого боку, занадто низький Eg означає, що велика кількість фотонів буде поглинена, але значна кількість енергії буде втрачена через релаксацію електронів до мінімуму зони провідності. Завдяки цьому компромісу можна розрахувати теоретичну максимальну ефективність стандартного фотоелектричного пристрою, а також оцінити оптимальну ширину забороненої зони для фотоелектричного матеріалу. Шоклі і Квайссер визначили теоретичний максимум ефективності приблизно 33% в 1961 році, що відповідає ширині забороненої зони 1.34 еВ (~930 нм).

наука, технолог, центр, уваги, альтернативні, сонячних

Характеристика

Сонячний спектр

Характеристика сонячного елемента визначає, наскільки добре він працює при сонячному освітленні. Спектр сонячного випромінювання приблизно відповідає спектру чорного тіла з температурою 5780 К. Це випромінювання досягає піку у видимому діапазоні і має довгий інфрачервоний хвіст. Однак цей спектр не використовується для характеристики, оскільки світло повинно пройти через атмосферу Землі (яка поглинає значну частину сонячного випромінювання), щоб досягти поверхні. Замість цього, промисловим стандартом є AM1.5G (повітряна маса 1.5 глобальний), середній глобальний сонячний спектр після проходження через 1.5 атмосфер. Це має щільність потужності 100 мВт.см.2 і еквівалентна середньому сонячному випромінюванню в середніх широтах (наприклад, в Європі або США). Для забезпечення надійності і контролю під час тестування сонячних елементів можна використовувати сонячний симулятор, який генерує постійне випромінювання.

наука, технолог, центр, уваги, альтернативні, сонячних

Криві IV сонячного елемента

Ключовою характеристикою сонячного елемента є його здатність перетворювати світло в електрику. Цей показник відомий як ефективність перетворення енергії (PCE) і є відношенням потужності падаючого світла до вихідної електричної потужності. Для визначення PCE та інших корисних метрик проводяться вимірювання струму-напруги (IV). Ряд напруг подається на сонячний елемент, коли він знаходиться під освітленням. Вихідний струм вимірюється на кожному кроці напруги, що призводить до характерної “IV кривої”, яку можна побачити в багатьох дослідницьких роботах. Приклад цього можна побачити на малюнку нижче, разом з деякими важливими властивостями, які можна визначити з вимірювання IV. Слід зазначити, що зазвичай для характеристики сонячних елементів замість струму використовується густина струму (Дж), оскільки площа елемента впливає на величину вихідного струму (чим більший елемент, тим більший струм).

Система випробувань сонячних елементів I-V

  • Швидко і точно
  • Метричне відстеження терміну служби
  • Компактність

Властивості, виділені на малюнку:

  • JMP. Щільність струму при максимальній потужності
  • VMP. Напруга при максимальній потужності
  • PMax. Максимальна вихідна потужність (також відома як точка максимальної потужності)
  • Jsc. Густина струму короткого замикання
  • Voc. Напруга холостого ходу

PCE можна розрахувати за допомогою наступного рівняння:

Тут Pout (Pin). вихідна (вхідна) потужність елемента, FF. коефіцієнт заповнення, а Jsc і Voc. щільність струму короткого замикання і напруга відкритого замикання відповідно.

Густина струму короткого замикання. це густина фотогенерованого струму елемента при відсутності прикладеного зсуву. В цьому випадку для руху носіїв заряду до електродів використовується тільки вбудоване електричне поле всередині комірки. На цю метрику впливають

  • Поглинальна характеристика фотоактивного шару
  • Ефективність генерації, транспортування та вилучення заряду

Напруга холостого ходу. це напруга, при якій прикладене електричне поле скасовує вбудоване електричне поле. Це усуває всю рушійну силу для носіїв заряду, що призводить до нульової генерації фотоструму. На цей показник впливає:

  • Енергетичні рівні фотоактивних матеріалів
  • Робочі функції електродних матеріалів
  • Швидкість рекомбінації носіїв заряду

Коефіцієнт заповнення. це відношення фактичної потужності комірки до тієї, якою вона була б за відсутності послідовного опору і нескінченного шунтуючого опору. В ідеалі він повинен бути якомога ближчим до 1 і може бути розрахований за допомогою наступного рівняння:

Тут JMP і VMP. густина струму і напруга елемента при максимальній потужності відповідно.

Наближені значення послідовного та шунтового опорів можна розрахувати за величиною, оберненою до градієнта кривої СП комірки при Voc та Jsc відповідно.

Сонячний елемент. це діод, і тому електрична поведінка ідеального пристрою може бути змодельована за допомогою рівняння діода Шоклі:

Тут Jph. густина фотогенерованого струму, JD. густина діодного струму, J0. густина струму темнового насичення (густина струму, що протікає через діод при зворотному зміщенні в темряві), V. напруга, а T. температура. Останні 2 символи, e і kB, є елементарним зарядом (1.6 x 10.19 C) і постійної Больцмана (1.38 x 10.23 m 2.кг.s.2.K.1 ) відповідно. Однак в реальності жоден пристрій не є ідеальним, тому рівняння необхідно модифікувати, щоб врахувати потенційні втрати, які можуть виникнути:

Тут n. коефіцієнт ідеальності діода, а всі інші символи мають свої попередні значення. Використовуючи це рівняння, сонячний елемент можна змоделювати за допомогою еквівалентної електричної схеми, яка показана нижче:

Послідовний опір (Rs) враховує опори, які виникають через енергетичні бар’єри на інтеейсах та об’ємні опори всередині шарів. В ідеалі, це зведено до мінімуму, щоб запобігти втратам ефективності через підвищену рекомбінацію носіїв заряду. Цього можна досягти, забезпечивши хороше вирівнювання енергетичних рівнів матеріалів, що використовуються в сонячному елементі.

Шунтуючий опір (Rш) відповідає за існування шляхів змінного струму через фотоелектричний елемент. На відміну від послідовного опору, цей опір в ідеалі повинен бути якомога більшим, щоб запобігти витоку струму через ці альтернативні шляхи.

Тестова система I-V для сонячних елементів

  • Швидко і точно
  • Метричне відстеження терміну служби
  • Компактний

Типи сонячних елементів

Існує кілька типів сонячних елементів, які зазвичай поділяються на три покоління. Перше покоління (відоме як звичайні прилади) базується на кристалічному кремнії, добре вивченому неорганічному напівпровіднику. Друге покоління. це тонкоплівкові пристрої, до яких відносяться матеріали, що дозволяють створювати ефективні пристрої з тонкими плівками (діапазон від нанометрів до десятків мікрометрів). Третє покоління. це фотоелектричні елементи, що розвиваються. технології, які все ще перебувають на стадії дослідження для досягнення комерціалізації.

Перше і друге покоління містять найбільш вивчені фотоелектричні матеріали: кремній, арсенід галію, телурид кадмію і селенід міді індію галію. Всі ці матеріали є неорганічними напівпровідниками і, як правило, працюють найпростішим чином: фотон поглинається. створюючи екситон, який термічно дисоціює (неорганічні напівпровідники зазвичай мають високу діелектричну проникність) і згодом транспортується до електродів за допомогою електричного поля.

Перше покоління

наука, технолог, центр, уваги, альтернативні, сонячних

Оскільки кремній є найбільш вивченим матеріалом, він може досягти одних з найвищих показників (з піковою ефективністю 26.1%) і був першим матеріалом, який вийшов на комерційний ринок. Тому більшість сонячних панелей використовують кремній як фотоактивний матеріал. Ширина забороненої зони кремнію дорівнює 1.1 еВ, що забезпечує широке поглинання сонячного випромінювання. Однак це нижче, ніж оптимальна ширина забороненої зони (1.34 еВ), що призводить до втрат енергії при поглинанні високоенергетичних фотонів. Крім того, ширина забороненої зони є непрямою. зменшує ефективність поглинання і, таким чином, вимагає відносно товстих шарів для ефективного збору сонячного світла. Як і всі неорганічні матеріали, кремній має високу діелектричну проникність 11.7. що дозволяє здійснювати термічне розділення носіїв заряду після генерації.

Арсенід галію

наука, технолог, центр, уваги, альтернативні, сонячних

Арсенід галію (GaAs) може похвалитися найвищою продуктивністю серед усіх фотоелектричних матеріалів, досягаючи 29.1%. Це пояснюється тим, що GaAs має пряму і більш сприятливу ширину забороненої зони 1.43 еВ. що призводить до покращення поглинання за рахунок більш тонких шарів та зменшення втрат енергії. Крім того, GaAs має кращі властивості перенесення електронів, ніж кремній. Однак, він дуже дорогий у виробництві, оскільки вимагає високої чистоти матеріалу, що, як правило, обмежує його застосування в космічній техніці (наприклад, супутниках і марсоходах).

Телурид кадмію

Телурид кадмію (CdTe). це високоефективна тонкоплівкова фотоелектрична технологія, яка досягла ефективності 22.1%. CdTe має подібну до GaAs ширину забороненої зони 1.44 еВ, що дає йому ті ж переваги, що і у GaAs. добре поглинання в тонких плівках і низькі втрати енергії фотонів. Цей матеріал також може похвалитися можливістю бути гнучким, дуже низькою вартістю, і з нього виробляються комерційні сонячні панелі, які дешевші за кремній зі значно коротшим терміном окупності енергії (хоча і з меншою ефективністю). Незважаючи на ці переваги, існують деякі проблеми. кадмій дуже токсичний, а телур дуже рідкісний, що робить довгострокову життєздатність цієї технології поки що невизначеною.

Селенід міді індію галію

Селенід міді індію галію (CIGS) досягнув характеристик, подібних до пристроїв CdTe, з піком 23.4%. Сполука має хімічну формулу CuInxGa(1-x)Se2, де x може приймати значення від 0 до 1. Така гнучкість хімічної структури дозволяє змінювати ширину забороненої зони матеріалу в межах 1.0 еВ (x = 1, чистий селенід міді індію) і 1.7 еВ (x = 0, чистий селенід галію міді). Однак, як і GaAs-елементи, CIGS є дорогими у виробництві і призводять до того, що сонячні панелі не можуть конкурувати з сучасними комерційними технологіями. Крім того, як і телур, індій дуже рідкісний, що обмежує довгостроковий потенціал цієї технології.

Третє покоління

Третє покоління фотоелектрики. також відомі як нові фотоелектричні технології. включає сенсибілізовані барвниками, органічні та перовскітні сонячні елементи.

Сенсибілізований барвником

Сенсибілізовані барвниками сонячні елементи (DSSC) використовують органічні барвники для поглинання світла. Ці барвники наносяться на оксидну підкладку (зазвичай оксид титану), яка занурюється в рідкий електроліт. Барвники поглинають світло, і збуджений електрон передається на оксидний каркас, а дірка. на електроліт. Носії заряду можуть бути зібрані на електродах. Ці елементи менш ефективні, ніж неорганічні пристрої, але мають потенціал бути набагато дешевшими, виробляються методом рулонного друку, напівгнучкі та напівпрозорі. Однак при використанні рідкого електроліту все ще існують проблеми з температурною стабільністю (оскільки він потенційно може замерзнути або розширитися), використанням дорогих матеріалів і летючих органічних сполук.

Органічний

Органічні сонячні елементи (ОСЕ) використовують органічні напівпровідникові полімери або малі молекули в якості фотоактивних матеріалів. На сьогоднішній день ефективність становить 18.2% було досягнуто за допомогою цієї технології. Ці елементи працюють подібно до неорганічних пристроїв. Однак органічні напівпровідники, як правило, мають низьку діелектричну проникність, що означає, що згенерований екситон не може бути термічно дисоційований. Натомість, екситон повинен транспортуватися до межі поділу з матеріалом, який має зміщення енергетичного рівня більше, ніж енергія зв’язку фотона. Тут електрон (або дірка) може перейти до іншого матеріалу і розщепити екситон, що дозволяє збирати носії заряду (як показано раніше в розділі загальної теорії). Оскільки екситони зазвичай можуть дифундувати лише приблизно на 10 нм, перш ніж електрон і дірка рекомбінують, це обмежує товщину, структуру і, в кінцевому рахунку, продуктивність. продуктивність органічного фотоелектричного елемента. Незважаючи на це, ці пристрої мають ряд значних переваг перед неорганічними пристроями, включаючи: низьку вартість матеріалів, легкість, міцність і регульовані характеристики поглинання, гнучкість і можливість виготовлення за допомогою рулонних технологій друку. В даний час органічні матеріали страждають від проблем стабільності, що виникають внаслідок фотохімічної деградації.

Перовськіт

Перовскітні сонячні елементи (PSC) використовують перовскітні матеріали (матеріали з кристалічною структурою ABX3) в якості світлопоглинаючого шару. Перовскіти були представлені в цій галузі відносно недавно, з першим використанням у фотоелектричному пристрої, про який повідомлялося в 2006 році (де це був барвник в DSSC, що досягав 2.2%). Однак 2012 рік вважається роком народження поля, завдяки публікації знакової роботи, в якій ефективність досягла 10.9% було досягнуто. З того часу пікова ефективність зросла до 25.5%, що робить ФЕС найшвидше вдосконалюваною сонячною технологією. Ці матеріали мають чудові властивості, в тому числі сильні характеристики поглинання, що налаштовуються, і амбіполярний транспорт заряду. Вони також можуть бути перероблені з розчину в умовах навколишнього середовища.

Все ще існують проблеми зі стабільністю та використанням токсичних матеріалів (таких як свинець), що перешкоджають комерціалізації технології, але ця галузь все ще відносно молода і дуже активна. Для більш детальної інформації про перовскіти дивіться наш довідник перовскітів.

У таблиці нижче показані найкращі показники ефективності дослідницьких комірок для різних фотоелектричних технологій (дані надані Національною лабораторією відновлюваної енергетики, Голден, штат Колорадо).

Тип сонячних елементів з найвищою ефективністю (Останнє оновлення 19/02/2021)
Монокристалічний кремній (моно-Si) 26.1%
Полікристалічний кремній (мульти-Si) 23.3%
Амоний кремній (a-Si) 14.0%
Монокристалічний арсенід галію (GaAs) 29.1%
Телурид кадмію (CdTe) 22.1%
Селенід міді індію галію (CIGS) 23.4%
Сенсибілізовані барвниками (DSSC) 13.0%
Органічні (OSC) 18.2%
Перовськіт (PSC) 25.5%

Що таке сонячна панель?

Сонячні панелі (також відомі як фотоелектричні панелі). це пристрій, який перетворює сонячне світло, що складається з частинок енергії, які називаються фотонами, в електрику, яка може бути використана для живлення електричних навантажень.

Сонячні панелі можуть використовуватися для широкого спектру застосувань, включаючи системи дистанційного живлення кают, телекомунікаційне обладнання, дистанційне зондування, і, звичайно, для виробництва електроенергії житловими та комерційними сонячними електричними системами.

На цій сторінці ми розповімо про історію, технологію та переваги сонячних панелей. Ми дізнаємося, як працюють сонячні панелі, як їх виготовляють, як вони виробляють електроенергію та де можна придбати сонячні панелі.

Коротка історія сонячних панелей

Розвиток сонячної енергетики налічує понад 100 років. У перші дні сонячна енергія використовувалася в основному для виробництва пари, яку потім можна було використовувати для приведення в дію машин. Але лише відкриття Едмоном Беккерелем фотоелектричного ефекту дозволило перетворити сонячне світло в електричну енергію. Відкриття Беккереля призвело до винаходу в 1893 році Чарльзом Фріттсом першого справжнього сонячного елемента, який був утворений шляхом покриття листів селену тонким шаром золота. І з цього скромного початку виникне пристрій, який ми знаємо сьогодні як сонячну батарею.

Рассел Ол, американський винахідник, який працював у Bell Laboratories, запатентував перший у світі кремнієвий сонячний елемент у 1941 році. Винахід Ола призвів до виробництва першої сонячної панелі в 1954 році тією ж компанією. Сонячні панелі знайшли своє перше широке застосування на космічних супутниках. Для більшості людей перша сонячна панель в їхньому житті, ймовірно, була вбудована в новий калькулятор. близько 1970-х років!

Сьогодні сонячні панелі та цілі системи сонячних панелей використовуються для живлення найрізноманітніших застосувань. Так, сонячні панелі у вигляді сонячних елементів досі використовуються в калькуляторах. Однак вони також використовуються для забезпечення сонячною енергією цілих будинків і комерційних будівель, таких як штаб-квартира Google в Каліфорнії.

Як працюють сонячні панелі?

наука, технолог, центр, уваги, альтернативні, сонячних

Сонячні панелі збирають чисту відновлювану енергію у вигляді сонячного світла і перетворюють її в електрику, яка потім може бути використана для живлення електричних навантажень. Сонячні панелі складаються з декількох окремих сонячних елементів, які в свою чергу складаються з шарів кремнію, фосфору (який забезпечує негативний заряд) і бору (який забезпечує позитивний заряд). Сонячні панелі поглинають фотони і таким чином ініціюють електричний струм. Енергія, що генерується фотонами, які потрапляють на поверхню сонячної панелі, дозволяє електронам вибиватися зі своїх атомних орбіт і вивільнятися в електричне поле, що генерується сонячними елементами, які потім втягують ці вільні електрони в спрямований струм. Весь цей процес відомий як фотоелектричний ефект. Середньостатистичний будинок має більш ніж достатню площу даху для розміщення необхідної кількості сонячних панелей, щоб виробляти достатньо сонячної електроенергії для забезпечення всіх його потреб Надлишок виробленої електроенергії надходить в загальну електромережу, окупаючись за рахунок використання електроенергії в нічний час.

У добре збалансованій конфігурації, підключеній до електромережі, сонячна батарея генерує енергію протягом дня, яка потім використовується в будинку вночі. Програми мережевого обліку дозволяють власникам сонячних генераторів отримувати оплату, якщо їхня система виробляє більше енергії, ніж потрібно для дому. В автономних сонячних системах необхідними компонентами є акумуляторна батарея, контролер заряду і, в більшості випадків, інвертор. Сонячна батарея надсилає електроенергію постійного струму (DC) через контролер заряду до акумуляторної батареї. Потім енергія надходить від акумуляторної батареї до інвертора, який перетворює постійний струм в змінний струм (AC), який може бути використаний для приладів, що не працюють на постійному струмі. За допомогою інвертора масив сонячних панелей може бути підібраний таким чином, щоб задовольнити найвибагливіші вимоги до електричного навантаження. Змінний струм може бути використаний для живлення навантажень в будинках або комерційних будівлях, рекреаційних транспортних засобів і човнів, віддалених кабін, котеджів або будинків, дистанційного керування дорожнім рухом, телекомунікаційного обладнання, моніторингу потоків нафти і газу, RTU, SCADA і багато іншого.

Переваги сонячних панелей

Використання сонячних панелей є дуже практичним способом виробництва електроенергії для багатьох застосувань. Очевидно, що це повинно бути поза мережею. Проживання поза мережею означає проживання в місці, яке не обслуговується основною електромережею. Віддалені будинки та дачі отримують значну вигоду від сонячних енергетичних систем. Більше не потрібно платити величезні кошти за встановлення електроопор та прокладання кабелю від найближчої точки доступу до електромережі. Сонячна електрична система потенційно дешевша і може забезпечувати енергією до трьох десятиліть за умови належного обслуговування.

Крім того, що сонячні панелі дозволяють жити поза мережею, мабуть, найбільшою перевагою використання сонячної енергії є те, що вона є одночасно чистим і поновлюваним джерелом енергії. З появою глобальної зміни клімату стало більш важливим зробити все можливе, щоб зменшити тиск на нашу атмосферу від викидів парникових газів. Сонячні панелі не мають рухомих частин і не потребують особливого обслуговування. Вони міцно побудовані і служать десятиліттями при правильному обслуговуванні.

Остання, але не менш важлива перевага сонячних панелей і сонячної енергії полягає в тому, що після того, як система окупила свої початкові витрати на встановлення, електроенергія, яку вона виробляє протягом решти терміну служби системи, який може становити 15-20 років, залежно від якості системи, є абсолютно безкоштовною! Для власників мережевих сонячних електростанцій вигоди починаються з моменту підключення системи до мережі, що потенційно дозволяє уникнути щомісячних рахунків за електроенергію або, що є найкращим, фактично приносить власнику системи додатковий дохід від електричної компанії. Як? Якщо ви використовуєте менше енергії, ніж виробляє ваша сонячна електросистема, надлишкову енергію можна продати, іноді з надбавкою, вашій енергопостачальній компанії!

Існує багато інших застосувань та переваг використання сонячних панелей для виробництва електроенергії. занадто багато, щоб перерахувати їх тут. Але переглядаючи наш веб-сайт, ви отримаєте хороші загальні знання про те, наскільки універсальною і зручною може бути сонячна енергія.

Скільки коштують сонячні панелі?

Ціна на сонячні панелі суттєво знизилася за останні пару років. Це чудово, тому що в поєднанні з 30 федеральним податковим кредитом на інвестиції в сонячну енергетику та іншими відповідними стимулами, ЗАРАЗ найкращий час для інвестування в сонячну енергетичну систему. І подумайте про це: сонячна енергетична система коштує приблизно стільки ж, скільки автомобіль середнього розміру!

Де можна купити сонячні панелі?

Ну, звичайно, прямо тут, на цьому веб-сайті!

Наші бренди сонячних панелей включають найвідоміших виробників у галузі сонячних панелей. Ці бренди включають такі назви, як BP Solar, General Electric та Sharp, серед інших. Ми пропонуємо тільки найякісніші сонячні панелі від виробників з перевіреною репутацією в області технологій сонячних панелей. Маючи більш ніж 30-річний досвід роботи на ринку сонячних панелей, ви можете бути впевнені, що в MrSolar.com, ми знаємо сонячні панелі!

Залишити відповідь