Огляд сучасного стану сонячних елементів на основі арсеніду галію. Галієві сонячні панелі

Огляд сучасного стану сонячних елементів на основі арсеніду галію

Кафедра фізики, факультет електротехніки та зв’язку, Брненський технічний університет, Technická 2848/8, 61600 Брно, Чеська Республіка

Управління досліджень, розробок та управління інноваціями (DMCDI), Технічний університет Клуж-Напока, вул. Костянтина Дайковічу, №, м. Клуж-Напока, Румунія. 15, 400020 Клуж-Напока, Румунія

Анотація

Як і широко доступні кремнієві сонячні елементи, розробка сонячних елементів на основі GaAs триває вже багато років. Хоча елементи на основі арсеніду галію сьогодні досягають найвищої ефективності з усіх, вони не дуже поширені. Вони мають особливі характеристики, які роблять їх привабливими, особливо для певних областей. Завдяки їх довговічності в складних умовах, їх можна експлуатувати в місцях, де інші сонячні елементи вже зазнали значної деградації. Цей огляд підсумовує минуле, теперішнє та майбутнє використання фотоелектричних елементів GaAs. В огляді розглядаються досягнення в їх розробці, продуктивність, а також різні поточні реалізації та модифікації.

Вступ

Арсенід галію. це матеріал, який завдяки своїм привабливим властивостям широко використовується в основному в напівпровідникових технологіях, де він знайшов багато застосувань. На відміну від кремнію, він став дуже популярним у структурах транзисторів з високою рухливістю електронів (HEMT), оскільки не вимагає зміни імпульсу при переході між максимумом валентної зони і мінімумом зони провідності, а також не вимагає спільної взаємодії частинок. Однак рухливість дірок, на відміну від набагато вищої рухливості електронів, подібна до кремнію. час відгуку однаковий для пристроїв, що вимагають взаємодії між рухом дірок і електронів. Пряма заборонена зона GaAs становить 1.42 еВ також підходить для застосування в діодах і фотоелектричних (ФЕ) елементах. Його часто розширюють так званим легуванням, i.e., точне плавлення двох елементів разом, в даному випадку з алюмінієм, щоб отримати Al x Ga 1. x As. Перевагою широкої забороненої зони є також той факт, що матеріал залишається більш напівпровідниковим при більш високих температурах, як, наприклад, у кремнію, який має ширину забороненої зони 1.12 еВ. При більш високих температурах теплова генерація носіїв стає більш домінуючою над навмисно легованим рівнем носіїв [1,2]. Тому сонячні елементи на основі GaAs також стали стандартом для використання в складних температурних умовах. Виробництво пластин, як правило, складніше і дорожче. Через температурний градієнт, що діє як механічна напруга, створюється більше кристалічних дефектів: використовується стандартний діаметр пластин 6″ порівняно з 12″ для кремнію [3]. Монокристали GaAs дуже крихкі. В якості підкладки часто використовується германій, який підходить завдяки своїй високій механічній міцності та відстані між атомами решітки, дуже схожої на GaAs [4].

Фотоелементи на основі GaAs відносяться до сполук III-V груп, згідно з новою нотацією IUPAC, які вже називаються групами 13-15. Тим не менш, римські цифри все ще звичні, що означає, що це напівпровідникова сполука щонайменше двох хімічних елементів. У 2000 році значний внесок в GaAs був зроблений лауреатом Нобелівської премії російським фізиком Жоресом Алфьоровим в області гетероструктур [5].

Для сонячних елементів на основі GaAs продуктивність також може бути налаштована за допомогою шарів, де один сонячний елемент може містити до восьми тонких шарів, кожен з яких поглинає світло на певній довжині хвилі. Такі фотоелектричні елементи називаються багатоперехідними або каскадними сонячними елементами. Вони використовують тандемне виготовлення, тому їх також можна знайти під назвою тандемні комірки. Кожен шар містить різний склад і матеріал з певною шириною забороненої зони, який поглинає світло в певній спектральній області. Зазвичай верхній шар має велику ширину забороненої зони і поглинає більшу частину видимого спектру до нижнього шару з низькою шириною забороненої зони, який поглинає світло в інфрачервоній області [6]. Покриття широкого спектрального електромагнітного діапазону дозволяє досягти максимальної ефективності. Широко використовуються й інші шари, такі як GaAs, AlGaAs, InP, InGaP та GaInAs. Завдяки згаданій механічній міцності та орієнтованому росту кристалічної решітки Ge можна робити дуже тонкі шари, зменшуючи загальну вагу фотоелемента.

Багатоперехідні сонячні елементи, або тонкошарові сонячні елементи, відносяться до другого покоління сонячних елементів, які також вже успішно комерціалізуються. Таким чином, це не експериментальна технологія, а дуже зріла і освоєна технологія, яка вже використовується в багатьох сферах. Завдяки такій багатошаровій конструкції вони досягають більш високої ефективності, ніж звичайні одношарові сонячні елементи. У березні 2016 року Yamaguchi et al. розробили фотоелемент з потрійним переходом з ефективністю 37.9% ефективності під 1 Сонцем, і 44.4% ефективності разом з концентратором при 246-302 Сонцях [7]. У квітні 2020 року в журналі Nature Energy було опубліковано дослідження [8], де автори шестиперехідного фотоелемента досягли ефективності 39.2% і значення 47.1% при 143 Сонцях, з використанням концентратора, який також був сертифікований NREL. Вони також стверджують, що подальше зниження граничного послідовного опору повинно призвести до ефективності понад 50%.

Ще одним цікавим застосуванням елементів стала розробка першої голографічної дифракційної системи, що включає вісім сонячних піделементів, точніше, чотири різні фотоелементи з подвійним переходом, як показано на рисунку 1. Darbe et al. заявлена моделюванням 33.2% ефективності перетворення модуля, включаючи зовнішні втрати, і 63.0% з ідеальними елементами та оптикою [9].

Найбільш поширеною сферою використання сонячних елементів на основі GaAs є аерокосмічна промисловість [10,11]. Основною причиною є їх широке спектральне покриття, яке в космосі набагато більше, ніж на Землі. Вони також використовуються в авіації та військовій галузі завдяки своїй гнучкості та малій вазі, що може бути використано, зокрема, для безпілотних літальних апаратів (БПЛА); і останнє, але не менш важливе. для концентраторів, завдяки яким сонячні елементи можуть працювати при дуже високих температурах. Однак, з практичної точки зору, цей тип сонячних елементів є дорогим для широкого використання. може змінюватися в залежності від складності технології. кількості переходів. На високу ціну впливає не тільки вартість пластини, але і подальше виробництво. дороге обладнання. Li et al. стверджують, що порівняно з кремнієвими, характеристики GaAs-елементів до десяти разів вищі [12]. На противагу цьому, кремнієві елементи сьогодні дуже доступні за ціною. З 1977 року, коли вартість вата становила близько 76 доларів, зараз вона становить приблизно 36 центів [13].

Структура і склад сонячних елементів GaAs

Як згадувалося у вступі, вже давно розробляються не тільки одноперехідні сонячні елементи, але і створюються багатоперехідні структури для досягнення максимально можливої продуктивності. Склад цих структур залежить від конкретного використання. Так, зрозуміло, що, наприклад, на поверхню Марса через його атмосферу потраплятиме світло іншого спектрального діапазону, ніж на Землі. Тому атмосфера Землі фільтрує не тільки шкідливе для людини випромінювання, але й випромінювання, яке може використовувати сонячний елемент. Для багатошарових структур акцент робиться на високу досконалість кристалів, щоб уникнути рекомбінації генерованих неосновних носіїв на тріщинах та інших дефектах [14,15]. За замовчуванням виробництво відбувається шляхом вирощування на легованій підкладці. Конкретна підкладка вибирається в залежності від наступного шару, який буде рости на ній, щоб індукувати ідеальну решітку в межах епітаксії. Найбільш типові матеріали описані в таблиці 1.

Як показано в таблиці 1, температури при 300 К і навіть при 0 К є стандартними. При необхідності, ширину забороненої зони при будь-якій температурі можна визначити емпірично, підставивши у рівняння (1) Варшні [18,19]:

де T. бажана температура в Кельвінах, E g ( 0 ). енергетична щілина при 0 K даного напівпровідника, а α і β. специфічні константи матеріалу. Отже, якщо ми хочемо розрахувати енергетичну заборонену зону GaAs, наприклад, при 273.15 K. де E g ( 0 ) = 1.52 еВ, α = 0.5404 меВ / К і β = 203 К. результат буде таким:

Добре відомі методи епітаксійного вирощування кристалів включають металоорганічну епітаксію з парової фази (MOVPE) та молекулярно-променеву епітаксію (MBE). Обидва методи виникли в 1960 році і мають деякі відмінності [20].

MOVPE використовується для забезпечення більш швидких темпів росту об’ємних шарів і низького руйнування при високих температурах і низькому вакуумі. MOVPE не вимагає значного часу для випікання і може швидше відновлюватися після збоїв обладнання, ніж MBE.

MBE, на відміну від MOVPE, вважається методом отримання високоякісних і чистих матеріалів в умовах надвисокого вакууму (UHV). Вона простіша в обслуговуванні і здатна вирощувати термодинамічно заборонені матеріали [21].

Існує також кілька концепцій вирощування, які можна навіть комбінувати, як, наприклад, в перевернутому метамоічному (IMM) сонячному елементі в розділі 3.3. Ця структура наразі відносно часто використовується.

Метамоічні [24]. використовують локалізацію дефектів в буферному шарі, розташованому між шарами з різними константами кристалічної решітки.

Інвертований [25]. це перевернутий ріст структури, тому тут спочатку ростуть матеріали з більшою шириною забороненої зони. Потім конструкція обертається, а підкладка видаляється. Це призводить до кращої продуктивності сонячної батареї.

Після процесу вирощування сонячний елемент обробляється шляхом склеювання шарів, нанесення антивідблискового покриття (ARC) і контактної металізації [26]. Часто використовуються дуже тонкі контакти в діапазоні мікрометричних одиниць.

Застосування сонячних батарей

Як згадувалося у вступі, GaAs і багатоперехідні фотоелементи використовуються в основному в певних галузях промисловості, де вони повинні бути високоефективними, довговічними або легкими. Це новітні технології для спеціальних цілей.

3.1. Аерокосмічна та військова галузі

Експериментальні висотні БПЛА з тривалим терміном експлуатації. це літальні апарати, які покриті переважно гнучкими сонячними батареями через перебування в повітрі до декількох місяців. Таким чином, вони замінюють запуск супутників на орбіту, який зазвичай пов’язаний зі значними витратами. БПЛА можуть служити для картографування, спостереження, прикордонного патрулювання або пошуку і порятунку. У цивільному застосуванні їх використовують у літаючих вежах стільникового зв’язку та комунікаціях. Експерименти з БПЛА і сонячними елементами проводяться вже більше 20 років, і спостерігається постійний прогрес [27,28,29]. Останні досягнення були зроблені з 2017 року компанією Alta Devices, де їх гнучкі сонячні елементи перевищують ефективність 30%, повітряна щільність 170 г/м. і мають товщину 30 мкм. Їх сонячні елементи широко використовуються в аерокосмічних цілях [30]. Microlink Devices Inc. також постачає сонячні батареї для сектору БПЛА. Наприклад, для Airbus Zephyr сонячної висотної станції-платформи, що працює в стратосфері з ефективністю 29% AM0 [31,32]. Останній, але не менш важливий дирижабль Thales Stratobus, здатний літати на висоті 20 км, який раніше використовував прозору огинаючу секцію, що дозволяє відбивати сонячне світло в дзеркалах-концентраторах, які були спрямовані на сонячні батареї всередині БПЛА. Однак з 2018 року від цієї системи відмовилися і замінили її гнучкими багатоперехідними матрицями, встановленими на верхній поверхні [33].

Варто також згадати інші сфери, де гнучкі багатошарові панелі використовуються або використовувалися раніше. До них відносяться Aquila від (припинила своє існування) [35,36], Solara 50 від Google, раніше Titan Aerospace (припинила своє існування) [37], HAWK30 від AeroVironment Inc. [38], Caihong (Rainbow) T-4 Китайської академії аерокосмічної аеродинаміки [39], PHASA-35 компанії BAE Systems [40], Odysseus компанії Aurora Flight Sciences [41] тощо. Незважаючи на те, що гнучкі елементи на основі GaAs створюються для більшості БПЛА, ці проекти для забезпечення довгострокової стійкості літальних апаратів у повітрі є дуже вимогливими і розвиваються протягом тривалого часу. Більшість з них знаходяться на стадії експериментів. На додаток до Alta Devices, Sharp Corporation і SolAero Technologies Corp. інші значні виробники, що виготовляють багатошарові сонячні панелі [42].

3.2. Сонячні фотоелектричні концентратори

У поєднанні з фотоелементами GaAs широко використовуються сонячні концентратори, i.e., пристрої, що складаються з різних оптичних елементів, які концентрують світло, найчастіше сонячне, в одній центральній точці, якою є сонячний елемент. Концентраторна фотоелектрика (CPV) використовується для вираження інтенсивності концентрації в кількості Сонць або співвідношеннях. За замовчуванням, якщо інтенсивність світла на сонячному елементі перевищує 10 Сонць, вже необхідно використовувати пасивне охолодження фотоелемента. Ця система вважається фотоелектричною системою низької концентрації (LCPV), і тут все ще можна використовувати кремнієві сонячні елементи. Якщо інтенсивність світла перевищує 100 Сонць, сонячний елемент вже повинен активно охолоджуватися охолоджуючою рідиною, і в цьому випадку його можна вважати фотоелектричною системою високої концентрації (HCPV). Це майже відносне число і варіюється в літературі. GaAs і багатошарові структури вже використовуються виключно для концентраторів такої продуктивності.

Багато конструкцій концентраторів відповідають концепції лінз Френеля, рефлекторів, параболічних дзеркал або люмінесцентних концентраторів. Незважаючи на це, це завжди залежить від їх використання. Kasaeian et al. підсумували параболічні та френелівські фотоелектричні теплові системи за кілька років, де GaAs-елементи завжди демонстрували відмінні показники порівняно з іншими традиційними елементами [44].

Сонячні елементи, такі як інвертований потрійний перехід InGaP/GaAs/InGaAs, виготовлені для застосування в якості концентратора, також спеціально виготовляються для CPV, де Sasaki et al. досягли ефективності 45% [45]. Подібним чином концентратори можуть бути створені для певного типу елементів і використовуватися, наприклад, в космосі [46,47]. Один з таких прототипів був виготовлений Варманном та ін., які також використовували надлегкі багатошарові оптичні покриття для збільшення тепловипромінювальної здатності концентратора та покращення радіаційного переносу. Цей унікальний параболічний концентратор зміг досягти концентрації 15 Сонць для комірки шириною 1 мм [48].

Одними з найбільш застосовуваних і водночас найстаріших концентраторів є лінзи Френеля, які є одними з перших концентраторів, що почали використовуватися з 1979 року. Лінзи легкі і здатні досягати короткої фокусної відстані та великої апертури. Вони можуть бути використані в конструкції у формі кола, що фокусує світло в точку, як на рисунку 4 (яка вважається найбільш поширеною), або в циліндричній формі, що фокусує світло в лінію, в результаті чого досягається більш низьке відношення концентрації, ніж в раніше згаданій конструкції. Їх недоліком є те, що оптична ефективність обмежена низькими або високими температурами і, як наслідок, зміною показника заломлення або деформацією структури Френеля внаслідок теплового розширення [49].

Прикладом застосування оптики на основі лінз Френеля, виготовленої за технологією “кремній на склі” (SoG) і розробленої Fraunhofer ISE, є концентраційні модулі FLATCON ® [51]. У 2003 році перший модуль складався з лінз площею 16 см2 і одноперехідних сонячних елементів GaAs діаметром 2-4 мм. Пізніше Візенфарт та ін. проводили десятирічні вимірювання на відкритому повітрі, де використовували сонячні елементи з потрійним переходом. Довгострокова стабільність спостерігалася, коли ефективність за рік зменшувалася на (-0.25 ± 0.18)%rel [52].

Штайнер та ін. виміряли продуктивність 52 чотириперехідних сонячних елементів з використанням модулів FLATCON ® протягом одного місяця при стандартних умовах експлуатації концентратора (CSOC) і стандартних умовах випробувань концентратора (CSTC). Номінальна ефективність становила 35.0% при CSOC і 36.7% в CSTC, і були розраховані як середні значення [51].

Іншим дуже популярним типом концентратора, і в принципі дуже потужним, де не використовуються оптичні лінзи, є параболічний концентратор [53]. Зазвичай використовується з використанням двох вигнутих дзеркал (Рисунок 6). загалом нагадує параболічну антену. Перше велике дзеркало слугує колектором, а друге. фокусною точкою. Однак існують різні модифікації, де фокусна точка вже замінена сонячним елементом. Як і лінзи Френеля, вони мають високе відношення близько 500. Ці концентратори часто використовуються разом з тепловими колекторами (тому в літературі можна зустріти для параболічних концентраторів назву колектори) і таким чином утворюють гібридну систему. Наприклад, в такій гібридній системі Widyolar et al. продемонстрували навантаження на GaAs-комірку до 365 ∘ C з тепловою ефективністю близько 37% [54]. складні сучасні конструкції вже розраховують на гібридний трубчастий термоелектричний генератор, де була досліджена теплова модель гібридної системи з елементами GaAs [55].

Протилежним випадком дуже потужних параболічних концентраторів є люмінесцентні сонячні концентратори (LSC), які в основному складаються з однієї або декількох скляних або пластикових пластин. Світло, захоплене в цих пластинах, які служать хвилеводом, направляється до одного або декількох країв шляхом повного внутрішнього відбиття (світло відбивається від матеріалу), де розташований сонячний елемент Високої продуктивності тут не очікується, але кремнієві сонячні елементи через малу ширину забороненої зони вже не підходять для цих потреб, і для забезпечення прийнятної продуктивності використовуються багатошарові структури GaAs. Пластини містять флуоресцентний барвник або квантові точки, тому вони випромінюють поглинуте світло на довших довжинах хвиль. Коефіцієнт їхньої концентрації може досягати 10, і вони використовуються переважно як прозорі та напівпрозорі матеріали для покриття будівель, або як сонячні вікна. Один з таких експериментів був виконаний Slooff et al., де були досліджені сонячні елементи з мультикристалічного кремнію (mc-Si), GaAs та InGaP. Найвища ефективність 7.1% було досягнуто сонячними елементами GaAs, коли вони були прикріплені з чотирьох сторін [56].

3.3. Зонди, супутники та інші космічні об’єкти

Ймовірно, найбільш широке застосування сонячні елементи на основі GaAs отримали на космічних супутниках, зондах та інших об’єктах, в першу чергу через потенційний ризик гамма-випромінювання, де GaAs також демонструють вищу стійкість.

Перші зонди з сонячними елементами на основі GaAs були частиною радянської програми “Венера”, яка використовувалася для дослідження поверхні Венери [57]. Зонд Venera 2 був запущений 12 листопада 1965 року, а згодом, після Venera 3 16 листопада 1965 року, з космодрому Байконур. Вважається, що “Венера-3” був першим об’єктом, який потрапив на чужу планету, але “Леверінгтон” суперечить цьому твердженню через набагато більш ранню втрату сигналу [58]. Отже, невідомо, чи відбулося зіткнення з поверхнею.

Іншим популярним об’єктом, що використовує сонячні елементи GaAs, є телескоп “Хаббл”, де встановлені сонячні батареї GaAs розміром 7.1 × 2.6 м були встановлені у 2002 році під час обслуговування місії 3B. Сонячні панелі замінили попередні кремнієві [59].

Ще одне цікаве застосування. сонячні елементи з потрійним переходом від EMCORE Corporation для Orion Multipurpose Crew Vehicle (MPCV), який є сервісним модулем космічних кораблів NASA та частиною місії Artemis 1 для польоту навколо Місяця, запланованого на листопад 2021 року [60].

Багато інших зондів сонячної системи та інших космічних апаратів використовують цей тип сонячних батарей і активно працюють у космосі. Прикладами є венеріанський зонд Akatsuki (InGaP/GaAs/Ge) [61], роботизований спусковий апарат InSight (InGaP/InGaAs/Ge) для вивчення глибоких надр Марса або зонди для вивчення астероїдів Hayabusa2 і OSIRIS-REx [62]. Іншим актуальним прикладом є місія Mars 2020, яка стартувала наприкінці липня 2020 року. Вертоліт Ingenuity. оснащений перевернутими метамоічними багатоперехідними сонячними елементами, спеціально налаштованими під умови Марса компанією SolAero, який разом з марсоходом Perseverance входив до складу крейсерської ступені. Вся його основна частина, яка була скинута безпосередньо перед приземленням, також була покрита багатоперехідними GaAs сонячними елементами. SolAero, яка була згадана в аеронавтиці, є компанією, яка також бере активну участь у виробництві та космічному застосуванні [63].

Також можуть бути використані концентратори в космосі. Однак є деякі обмеження. Наприклад, для навколоземних застосувань слід використовувати нижчі концентрації (5 Сонць) через більш складне розсіювання тепла [10]. Однак концентратори в космосі стали дуже корисними для далеких від Сонця місій для збільшення низьких інтенсивностей світла [65]. Отже, важливо знати, які інтенсивності світла можуть впливати на клітину.

Інтенсивність світла, що впливає на сонячні елементи в космосі

На орбіті Землі інтенсивність світла становить E s = 1367 Вт/м2. що дорівнює сонячній постійній. Коефіцієнт зменшення потоку, таким чином, дорівнює 4.62 × 10 4 [66]. У разі необхідності обчислити сонячну сталу на Марсі, формула буде такою:

де константа L ⊙. це сонячна світність 3.828 × 10 26 Вт, а r. відстань Марса від Сонця, яка дорівнює 2.2794 × 10 11 m. Отже, сонячна стала на Марсі становила б 586 Вт/м2 [67,68].

Оскільки Земля перебуває в тепловій рівновазі з цим випромінюванням, що дорівнює сонячній постійній, вона дійсно повинна випромінювати таку ж кількість. Відкоригувавши цю рівність, ми можемо наближено визначити ефективну температуру Землі як:

де T ⊕. T ⊙ і R ⊕. R ⊙. ефективні температури та радіуси Сонця і Землі, σ. стала Стефана-Больцмана, а a 0. відстань Землі від Сонця [69].

Сонячне світло від Землі відбивається або поглинається супутником і генерує надлишкове тепло. Сумарне опромінення E ABS, поглинуте сонячним елементом на супутнику, можна розрахувати наступним чином:

де T AR. коефіцієнт пропускання антивідбиваючого покриття фотоелемента, η. ефективність елемента, A BULK. поглинання об’ємного елемента, α. альбедо Землі (дифузне відбиття сонячного випромінювання від Сонця) [50].

Стабільність і деградація структур

З наведеного вище тексту зрозуміло, що GaAs елементи використовуються в пристроях, де акцент робиться на значну продуктивність і стабільність. Для зондів припускається, що GaAs елементи більше не будуть обслуговуватися або змінюватися. Для систем HCPV очікується їх робота навіть в екстремальних умовах, оскільки вони піддаються сильному температурному навантаженню. Серед іншого, ці умови мають місце в космосі не тільки при високих, але й при низьких температурах.

Широке дослідження з використанням декількох методів на одноперехідній комірці GaAs було проведено Papež et al., в яких розглядалася деградація GaAs комірок за останні кілька років. Було досліджено деградацію після термічної обробки [70,71], після охолодження [6], після впливу гамма-випромінювання [50,72] та після впливу широкосмугового випромінювання [73]. Також спостерігали ненапружений зразок і досліджували дефекти та забруднення після виготовлення [74].

Під час термічного нагріву зразки витримували при 350 ∘ C протягом 240 хв. Вимірювання проводили навіть при короткочасному 30-хвилинному напруженні, коли була обрана температура до 420 ∘ C. В обох випадках зразки показали свою функціональність, але зниження продуктивності було помітним, що можна побачити з кількох параметрів у таблиці 2. При температурі 420 ∘ C. вже спостерігалася значна частота відмов, і це можна вважати короткочасним граничним значенням. Виникнення поверхневих дефектів і явна зміна моології були очевидні на рисунку 9. Однак, можна очікувати, що втрата продуктивності сонячного елемента викликана не тільки іншою структурою поверхні, але і внутрішніми деградаційними процесами [70,71,75].

Навпаки, після охолодження у вакуумі до. 120 ∘ C. Зміни на поверхні фотоелементів на основі GaAs також вимірювалися у вигляді коефіцієнта відбиття. Відбивна здатність вимірювалася поза вакуумною камерою, де спостерігалися мінімальні відмінності. Згадувалося, що на значне зниження потужності сонячного елемента може впливати від’ємний термічний коефіцієнт [6].

Papež et al., також у 2020 році детально вивчали деградацію клітин в залежності від опромінення гамма-променями з використанням випромінювача Кобальт-60 при дозі 500 к Гр. Вимірювання проводилися в рамках електричних, оптичних, хімічних та структурних характеристик, які доповнювали один одного. Після високої дози опромінення сонячний елемент працював без проблем, але ефективність знизилася (коефіцієнт заповнення зменшився з 0.72 до 0.48). Окрім змін у моології, було виявлено, що після опромінення елементи, які входять до складу ARC, глибоко дифундували вглиб матеріалу. Різниця у верхніх тонких шарах показана на рисунку 10. Це явище може призвести до втрати продуктивності комірки [50,72]. Багато авторів проводять інші масштабні дослідження щодо випромінювання електронів [12,77] або протонів [78,79].

Аналогічно, але в менших масштабах, атоми Ti і Al, що походять з антиблікових шарів, мігрували при точковому опроміненні сонячного елемента супербезперервним лазером з потужністю 188 мВт і спектральним діапазоном від 450 до 2400 нм. Тут вимірювання проводили протягом 67 днів. Продуктивність фотоелемента також досліджувалася в реальному часі під час вимірювання зразка. Цікаво, що деградація не була лінійною. на рисунку 11 спостерігається невелике збільшення ефективності на 42 день опромінення, що може бути пов’язано з появою глибоких центрів донорних рівнів (DX-центрів) [73]. Точні значення з вимірювання, що відповідають рисунку 11, також додані в таблицю 3.

За допомогою методу електронно-променевого індукованого струму (EBIC) Papež et al. також дослідили підповерхневі дефекти в комірці GaAs, де виявили електрично активні домішки, що впливають на pn-перехід під час перегляду поперечного перерізу, як показано на рисунку 12. Зі збільшенням зсуву відбувалося поступове тунелювання електронів. Однак це явище не мало постійного ефекту [74].

Під час недосконалого виготовлення може виникати багато дефектів і домішок, які не завжди легко усунути. Це може бути, наприклад, коефіцієнт заповнення і втрати напруги, викликані шунтовим або послідовним опором; інтеейсні рекомбінаційні втрати, викликані дефектами невідповідності решітки; об’ємні рекомбінаційні втрати, викликані різними дефектами, дислокаціями і домішками; оптичні втрати, викликані поганою текстурою ARC; або поверхневі рекомбінаційні втрати, викликані станом поверхні. Таким чином, необхідно забезпечити якнайкращу якість епітаксійного росту, ідеальну відповідність шарів кристалічної решітки та ARC [80].

Висновки

У цьому огляді сонячні елементи на основі GaAs обговорювалися у багатьох аспектах. З точки зору використання, було розглянуто їх конструкцію, а також деградацію. Як відомо, ці сонячні елементи можна використовувати в комбінації з декількома тонкими шарами інших напівпровідників з різними ширинами забороненої зони, таких як AlGaAs, InP, GaInP, InGaAs, InGaP та інших. Тонкоплівкова технологія на основі GaAs існує понад 50 років і постійно розвивається. На сьогоднішній день не знайдено жодного успішного претендента на досягнення такого високого ККД, який наразі становить 47.1% з концентратором. Конструкції з тришаровим переходом стали сьогодні стандартом, але експериментально зустрічаються також конструкції з сімома і навіть вісьмома шарами. Однак постає питання технічної складності, ціни та сенсу використання такої конструкції. Як далеко ми можемо зайти?

Рішенням може бути використання інших або нових, більш точних і менш вимогливих зростаючих виробничих процесів і зростаючих концепцій. З багатьох публікацій відомо, що найпотужніші сонячні елементи використовують IMM. Іншим шляхом може бути використання концентраторів, за допомогою яких і був досягнутий рекорд, про який згадувалося вище. З цієї причини частина цієї роботи була присвячена концентраторам, оскільки вони часто поєднуються з багатошаровими GaAs комірками. Навіть тут є поточні розробки для відмінної ефективності, гібридизації або мініатюризації.

Мініатюризація концентраторів може бути використана (і вже використовується) в космічних технологіях, де GaAs елементи мають найбільший сенс з точки зору їх хорошої стійкості до радіації і здатності витримувати дуже високі температурні коливання. Тому важливо зосередитися не тільки на ефективності фотоелемента, але й на його здатності протистояти деградації навіть у несприятливих умовах.

Якщо підсумувати наведений вище огляд минулого і сучасного стану, то сонячні елементи на основі GaAs ще деякий час не матимуть гідного конкурента за багатьма параметрами. Однак, є ще багато причин для вдосконалення та просування їх розвитку вперед.

Авторські внески

Концептуалізація, N.P.; програмне забезпечення, N.P.; валідація, Ş.Ţ. і R.D.; формальний аналіз, J.K.; дослідження, Н.P.; ресурси, N.P., J.K. і R.D.; підготовка письмового оригіналу, N.P. та R.D.написання рецензії та редагування, J.K.; візуалізація, N.P.; нагляд, Ş.Ţ.; адміністрування проекту, N.P. та Ş.Ţ.; залучення фінансування, Ş.Ţ. Усі автори прочитали та погодилися з опублікованою версією рукопису.

Фінансування

Дослідження, описане в статті, було фінансово підтримано Міністерством освіти, молоді та спорту Чеської Республіки в рамках проекту CEITEC 2020 (LQ1601), Внутрішнім грантовим агентством Технологічного університету Брно, грант №. FEKT-S-20-6352. Частина роботи була виконана за підтримки Інфраструктури нанодосліджень CEITEC за підтримки MEYS CR (LM2018110).

Конфлікти інтересів

Наявність зразків

Зразки одноперехідних сонячних елементів на основі GaAs доступні за запитом від Ніколи Папежа. E-mail: [email protected].

Скорочення

У цьому рукописі використовуються наступні скорочення:

АСМ Атомно-силовий мікроскоп
AM0 Повітряна маса при нульовому рівні атмосфери
ARC Покриття антивідблиску
CPV Концентраторна фотоелектрика
CSOC Стандартні умови експлуатації концентратора
CSTC Стандартні умови випробувань концентратора
EBIC Індукований електронним променем струм
ЗАЛ Довготривала витривалість на великій висоті
HCPV Висококонцентрована фотовольтаїка
HEMT Транзистор з високою рухливістю електронів
LCPV Низькоконцентрований фотоелектричний
MBE Молекулярно-променева епітаксія
MOVPE Металоорганічна парофазна епітаксія
MPCV Багатоцільовий екіпажний транспортний засіб
MPP Точка максимальної потужності
NASA Національне управління з аеронавтики і дослідження космічного простору
НРЕЛ Національна лабораторія відновлюваної енергетики
PV Фотоелектричний
SEM Растровий електронний мікроскоп
ВОП Вторинний оптичний елемент
SoG Силікон на склі
ІММ Перевернутий метамоічний
IUPAC Міжнародний союз теоретичної та прикладної хімії
ІЧ Інфрачервоний
БПЛА Інститут сонячних енергетичних систем
БПЛА Безпілотні літальні апарати
УВЧ Надвисокий вакуум
УФ Ультрафіолет

Посилання

огляд, сучасного, сонячних, елементів, арсеніду

Малюнок 1. (A) Стеки дискретних голографічних елементів (один стек описаний в частині (C)) генерують чотири спектральні діапазони, об’єднані в один з чотирьох сонячних елементів з подвійним переходом, включаючи GaAs. Частина (B) показує об’ємну фазову голограму товщиною d з смугами, що представляють показник заломлення з періодичністю L. нахилені до нормалі решітки на кут ϕ, де падаюче світло розщеплюється на дифраговані порядки S i [9].

(А) Стеки дискретних голографічних елементів (один стек описаний в частині (С)) генерують чотири спектральні діапазони, об’єднані в один з чотирьох сонячних елементів з подвійним переходом, включаючи GaAs. На частині (Б) показана об’ємна фазова голограма товщиною d з смугами, що представляють показник заломлення з періодичністю L. нахилені до нормалі решітки на кут ϕ, де падаюче світло розщеплюється на дифраговані порядки S i [9].

Тонкоплівкові сонячні панелі: Поглиблений посібник | типи, плюси та мінуси

Говорячи про сонячні технології, більшість людей думають про один тип сонячних панелей. це технологія кристалічного кремнію (c-Si). Хоча це найпопулярніша технологія, існує ще один чудовий варіант з багатообіцяючими перспективами: тонкоплівкова сонячна технологія.

Тонкоплівкова сонячна технологія існує вже більше 4 десятиліть і зарекомендувала себе, забезпечуючи безліч універсальних і унікальних застосувань, яких не можуть досягти кристалічні кремнієві сонячні елементи. У цій статті ми детально розглянемо цю технологію, типи сонячних панелей, їх застосування та багато іншого.

огляд, сучасного, сонячних, елементів, арсеніду

Огляд: Що таке тонкоплівкові сонячні панелі?

Тонкоплівкові сонячні панелі використовують технологію 2-го покоління, яка відрізняється від модулів з кристалічного кремнію (c-Si), що є найпопулярнішою технологією. Тонкоплівкові сонячні елементи (TFSC) виготовляються з використанням одного або декількох шарів фотоелементів на поверхні, що складається з різних видів скла, пластику або металу.

Ідея тонкоплівкових сонячних панелей належить професору. Карл Бьор в 1970 році, який визнав потенціал поєднання тонкоплівкових фотоелектричних елементів з тепловими колекторами, але тільки в 1972 році офіційно почалися дослідження цієї технології. У 1980 році дослідники нарешті досягли 10% ефективності, а до 1986 року ARCO Solar випустила G-4000, першу комерційну тонкоплівкову сонячну панель.

Тонкоплівкові сонячні панелі вимагають менше напівпровідникового матеріалу в процесі виробництва, ніж звичайні модулі з кристалічного кремнію, проте вони працюють досить схоже під час фотоелектричного ефекту. Цей ефект змушує електрони в напівпровіднику тонкоплівкового фотоелектричного модуля зміщуватися зі свого положення, створюючи електричний потік, який може бути використаний в електрику через зовнішній ланцюг.

Тонкоплівкові сонячні панелі виготовляються з використанням матеріалів, які є сильними поглиначами світла, придатними для виробництва сонячної енергії. Найпоширеніші з них. телурид кадмію (CdTe), селенід міді, індію та галію (CIGS), амоний кремній (a-Si) та арсенід галію (GaAs). Ефективність, вага та інші аспекти можуть відрізнятися між матеріалами, але процес генерації однаковий.

Які існують різні типи тонкоплівкових сонячних технологій?

Існує кілька типів матеріалів, що використовуються для виготовлення тонкоплівкових сонячних елементів. У цьому розділі ми пояснюємо різні типи тонкоплівкових сонячних панелей з точки зору матеріалів, що використовуються для елементів.

Тонкоплівкові панелі на основі телуриду кадмію (CdTe)

Тонкоплівкова сонячна технологія на основі телуриду кадмію (CdTe) була представлена світу в 1972 році Боннетом (Bonnet, D). і Рабенхорст, H. коли вони оцінювали гетероперехід сульфіду кадмію (CdS)/CdTe, який забезпечив ефективність 6%. Технологія була вдосконалена для зниження виробничих витрат і підвищення ефективності.

огляд, сучасного, сонячних, елементів, арсеніду

Сонячні елементи CdTe виготовляються з використанням поглинаючих шарів, що складаються з p-n гетеропереходу, який поєднує шар телуриду кадмію, легованого p, і шар CdS, легованого n, який також може бути виготовлений з оксиду магнію-цинку (MZO). Для нанесення матеріалів на підкладку виробники використовують метод осадження з газової фази або метод сублімації з близьких відстаней.

Поверх шару поглинача тонкоплівкові сонячні елементи CdTe містять шар прозорого провідного оксиду (TCO), який зазвичай виготовляється з легованого фтором оксиду олова (SnO2:F) або подібного матеріалу. Електричний контакт для цих елементів здійснюється за допомогою телуриду цинку (ZnTe), а матеріали розміщуються на металевій або вуглецевій підкладці.

Тонкоплівкові сонячні панелі CdTe досягли ефективності 19% за стандартних умов тестування (STC), але окремі сонячні елементи досягли ефективності 22.1%. В даний час ця технологія становить 5.1% частки ринку у всьому світі, поступаючись лише сонячним панелям з кристалічного кремнію, які мають ефективність 90.9% ринку. Вартість тонкоплівкових сонячних панелей CdTe округляється до 0.40/W.

Тонкоплівкові панелі на основі селеніду міді, індію та галію (CIGS)

Перший прогрес для тонкоплівкових сонячних елементів на основі селеніду міді та індію-галію (CIGS) був досягнутий у 1981 році, коли компанія Boeing створила сонячний елемент на основі селеніду міді та індію (CuInSe2 або CIS) з ефективністю 9.4% ефективності, але тонкоплівковий сонячний елемент CIS був синтезований в 1953 році Ханом, H. У 1995 році дослідники з Національної лабораторії відновлюваної енергетики (NREL) вбудували галій в матрицю CIS, щоб створити перший тонкоплівковий сонячний елемент на основі селеніду міді, індію та галію (CIGS) з заявленою ефективністю 17.1%.

огляд, сучасного, сонячних, елементів, арсеніду

Виробництво тонкоплівкових сонячних панелей на основі селеніду міді, індію та галію (CIGS) вдосконалювалося протягом всієї історії. В даний час тонкоплівкові сонячні елементи CIGS виготовляються шляхом нанесення шару молібденового електрода (Mo) на підкладку за допомогою процесу розпилення. Підкладка зазвичай виготовляється з полііміду або металевої фольги.

Поглинаючий шар виготовляється шляхом поєднання p-n гетеропереходу. P-легований шар виготовляється з селеніду міді індію галію (CIGS), розміщеного над електродом, а буфер CdS, легований n-металлом, формується методом хімічного осадження у ванні.

Для захисту поглинаючого шару тонкоплівкової сонячної панелі CIGS над буфером CdS розміщується шар власного оксиду цинку (i-ZnO). Матеріали нарешті покриваються товстим шаром сполуки AZO, виготовленої з оксиду цинку, легованого алюмінієм (Al: ZnO), що діє як шар TCO для захисту комірки.

Перша тонкоплівкова сонячна панель CIGS, виготовлена компанією NREL, показала 17.1% ефективності, але найефективніша з коли-небудь створених панелей має ККД 23.4% і було зроблено компанією Solar Frontier у 2019 році. Технологія CIGS може бути ще більш перспективною в майбутньому, оскільки ці матеріали можуть досягти теоретичної ефективності 33%.

Модулі CIGS не настільки популярні для звичайних застосувань, в основному їх використовують для космічних застосувань завдяки їх стійкості до низьких температур і високій продуктивності в умовах низької інтенсивності світла, що зустрічаються в космосі. Вартість є відносно дорожчою, ніж для інших технологій, з поточною ціною трохи вище 0.60 Вт/Вт, але майбутні виробничі покоління обіцяють знизити вартість цих панелей.

Хоча тонкоплівкові сонячні панелі CIGS не стали настільки популярними на ринку, як панелі CdTe, технологія CIGS все ще займає 2.0% частки фотоелектричного ринку. Враховуючи, що тонкоплівкові сонячні модулі займають лише близько 10% ринку, ця технологія все ще досить популярна як тонкоплівкова сонячна технологія.

Тонкоплівкові панелі з амоного кремнію (a-Si)

Перше спостереження легування в амоному кремнії (a-Si) було зроблено в 1975 році Спіром і Лекомбером, а роком пізніше, в 1976 році, було продемонстровано можливість створення тонкоплівкових сонячних елементів на основі амоного кремнію (a-Si). З цією технологією пов’язані великі очікування, але матеріал пов’язаний з низкою проблем, таких як слабкі зв’язки, відносно низька ефективність та деякі інші.

огляд, сучасного, сонячних, елементів, арсеніду

На відміну від інших тонкоплівкових сонячних панелей, модулі з амоного кремнію (a-Si) містять не n-p гетероперехід, а p-i-n або n-i-p конфігурацію, яка відрізняється від n-p гетеропереходу додаванням напівпровідника i-типу або власного напівпровідника. Існує два способи виробництва тонкоплівкових сонячних панелей з амоного кремнію (a-Si). шляхом обробки скляних пластин або гнучких підкладок. Ефективність сонячних елементів a-Si в даний час встановлена на рівні 14.0%.

Незалежно від способу виробництва тонкоплівкових сонячних панелей з амоного кремнію (a-Si), наведені нижче етапи є частиною технологічного процесу:

Спочатку підкладка кондиціонується, TCO і задній відбивач поміщаються під процес осадження, а потім на електроди наносяться тонкі шари на основі гідрованого амоного кремнію (a-Si:H), і комірки з’єднуються в монолітну серію за допомогою лазерного скрайбування і кремнієвих шарів. Модуль остаточно збирається та інкапсулюється, наносячи обрамлення та електричні з’єднання.

Хоча для виробництва амоного кремнію (a-Si) потрібен недорогий матеріал у невеликих кількостях, ціна є відносно високою, оскільки провідне скло для цих панелей є дорогим, а процес є повільним, що робить загальну вартість панелі встановленою на рівні 0.69/W. Ця технологія в даний час займає 2.0% роздрібного ринку фотоелектричних модулів.

Тонкоплівкові панелі з арсеніду галію (GaAs)

Перша тонкоплівкова сонячна панель на основі арсеніду галію (GaAs) була виготовлена Жоресом Алферовим та його студентами в 1970 році. Команда наполегливо працювала над створенням напівпровідника арсеніду галію, поки не зробила прорив у 1967 році, через три роки вони створили перший сонячний елемент на основі арсеніду галію (GaAs). Приблизно через 10 років, у 1980 році, технологію почали досліджувати для конкретних застосувань, таких як космічні кораблі та супутники.

огляд, сучасного, сонячних, елементів, арсеніду

Процес виробництва тонкоплівкових сонячних елементів GaAs складніший, ніж звичайних тонкоплівкових сонячних елементів.

Перший крок. вирощування матеріалу. На цьому етапі буфери GaAs вирощують на підкладках Si, піддаючи їх декільком температурним змінам і різним хімічним процесам, щоб остаточно створити шари для комірки.

Після того, як буфер GaAs вирощений, підкладка обробляється для виготовлення комірки. Першим кроком є нанесення шару платини (Pt)/золота (Au) (10/50 нм), який слугуватиме сполучним матеріалом та електродом для сонячного елемента GaAs, а потім виконується процес склеювання на підкладці.

Після завершення процесу склеювання, епітаксійний шар GaAs, який виріс на підкладці Si, розміщується на новій підкладці. Для завершення процесу складання на верхній контактний шар наноситься шар Pt/титан (Ti)/Pt/Au товщиною 20/30/20/200 нм за допомогою електронно-променевого випаровування.

Оскільки фотоелементи GaAs є багатоперехідними сонячними елементами III-V, що складаються з градуйованих буферів, вони можуть досягати високої ефективності до 39%.2%, але час виготовлення, вартість матеріалів і швидке зростання матеріалів роблять його менш життєздатним вибором для наземних застосувань. Номінальна ефективність тонкоплівкових сонячних елементів GaAs зафіксована на рівні 29.1%.

Вартість цих тонкоплівкових сонячних елементів III-V коливається від 70 Вт до 170 Вт, але NREL заявляє, що ціна може бути знижена до 0.50 Вт в майбутньому. Оскільки це дуже дорога і експериментальна технологія, вона не виробляється масово і в основному призначена для космічних застосувань, займаючи найнижчу частку ринку.

Тонкоплівкові проти кристалічних сонячних панелей. Кристалічні кремнієві сонячні панелі: У чому різниця?

Перш ніж порівнювати різні типи тонкоплівкових сонячних панелей з сонячними панелями з кристалічного кремнію (c-Si), важливо зазначити, що існує два основних типи: монокристалічні кремнієві (mono c-Si) і полікристалічні кремнієві (poly c-Si) сонячні панелі.

У цьому розділі ми порівняємо кілька аспектів обох типів сонячних панелей з кристалічного кремнію з різними типами тонкоплівкових сонячних панелей.

Тонкоплівкові сонячні панелі мають багато цікавих застосувань, і за останнє десятиліття їх кількість зросла. Нижче ви знайдете деякі з найпопулярніших застосувань тонкоплівкових сонячних панелей.

Інтегрована в будівлі фотоелектрика

Одним із застосувань, що починає набувати широкої популярності у всьому світі, є інтегрована в будівлі фотоелектрична енергетика (BIPV), яка сильно залежить від тонкоплівкових сонячних технологій. Існує дві основні гілки цієї технології: сонячна черепиця або сонячна черепиця для даху та сонячні вікна або сонячне скло.

Метою обох застосувань є забезпечення засобів для збереження естетичного вигляду будинків і будівель, одночасно дозволяючи виробляти сонячну енергію. Ця технологія інтегрує тонкоплівкову сонячну технологію для забезпечення певної ефективності генерації, яку можна використовувати так само, як і звичайні сонячні панелі c-Si.

Космічні застосування

Однією з найважливіших сфер застосування тонкоплівкових сонячних технологій, зокрема технології селеніду міді, індію та галію (CIGS) і арсеніду галію (GaAs), є космічна галузь. Технологія має багато переваг, таких як надзвичайна легкість, висока ефективність, широкий діапазон робочих температур і навіть стійкість до радіації, що робить її ідеальною для цих застосувань.

Дах транспортних засобів та морські застосування

Одним з поширених застосувань тонкоплівкових сонячних панелей є встановлення гнучких фотоелектричних модулів на дахах транспортних засобів (як правило, автофургонів або автобусів), а також на палубах човнів та інших суден. Це застосування дозволяє встановлювати модулі на криволінійних поверхнях, забезпечує генерацію сонячної енергії, зберігаючи при цьому практичність і естетичність транспортних засобів і суден.

Портативні додатки

Перевагою тонкоплівкової сонячної технології є її портативність та розмір. Ця технологія вже багато років встановлюється в калькуляторах, але завдяки значному вдосконаленню тепер є можливість мати сонячну енергію у віддалених місцях за допомогою складних сонячних панелей, банків сонячної енергії, ноутбуків на сонячних батареях і багато чого іншого.

Масштабні застосування

Завдяки своїй універсальності, важливою сферою застосування тонкоплівкової сонячної технології є комерційне застосування. Хоча c-Si сонячні модулі займають найбільшу частку ринку, ефективність тонкоплівкових сонячних панелей зростає, а виробничі процеси стають дешевшими, що може призвести до того, що тонкоплівкові сонячні панелі стануть нормою для більшості установок.

Іншим важливим напрямком використання тонкоплівкових сонячних панелей є застосування на промисловому рівні, зокрема, в комунальному господарстві. Оскільки тонкоплівкові сонячні панелі деградують набагато повільніше, вони є потенційною альтернативою традиційним c-Si сонячним панелям, іноді забезпечуючи кращі інвестиції з часом.

Підсумовуємо: Плюси та мінуси тонкоплівкових сонячних панелей

Тонкоплівкові сонячні панелі мають багато переваг, при цьому мають лише кілька недоліків. Ось найважливіші плюси і мінуси цієї технології.

Плюси

  • Вища стійкість до деградації.
  • Нижчі теплові втрати при екстремальних температурах завдяки низькотемпературному коефіцієнту.
  • Висока ефективність для більшості технологій (CdTe, CIGS і особливо GaAs)
  • Ідеально підходять для портативних і BIPV-додатків.
  • Перспективні дослідження і розробки з набагато більшою кількістю досліджень.
  • Потребує менше матеріалу для створення фотомодулів.
  • Тонкоплівкові сонячні панелі легші за c-Si фотомодулі.

Мінуси

  • Вища роздрібна вартість.
  • Менша доступність на ринку.
  • для досягнення тієї ж потужності генерації, що і c-Si модулі (за винятком GaAs фотомодулів), потрібно менше місця для встановлення.

Заключні слова

Тонкоплівкова сонячна технологія може бути не такою популярною, як кристалічний кремній, але вона має неймовірно багатообіцяюче майбутнє. Ця технологія відкриває можливості, недоступні для c-Si панелей, такі як застосування BIPV, портативні модулі і навіть високоефективні космічні застосування з CIGS і GaAs фотомодулями.

Хоча технологія c-Si, ймовірно, буде продовжувати займати найбільшу частку ринку завдяки своїй високій номінальній ефективності, низьким цінам на виробництво та іншим перевагам, тонкоплівкова технологія все ще залишається цінним варіантом для розгляду. Насправді, частка ринку тонкоплівкової сонячної енергетики зросла за останнє десятиліття, і вона може продовжувати зростати і в наступному.

З подальшими дослідженнями і проривами в області тонкоплівкових сонячних елементів, ця технологія може бути адаптована до ще більшої кількості застосувань в майбутньому і потенційно збільшити свою ринкову цінність не тільки у великомасштабних застосуваннях, але і в невеликих комерційних і житлових секторах в найближчі 10 років.

Тонкоплівкові сонячні панелі: Що потрібно знати!

Що таке тонкоплівкові сонячні панелі?

Тонкоплівкові сонячні панелі досить тонкі, кожен шар має товщину всього 1 мікрон, вони навіть тонші за волосся.

Як і традиційні монокристалічні або полікристалічні сонячні панелі, тонкоплівкові сонячні панелі можуть перетворювати світлову енергію в електричну за допомогою фотоелектричного ефекту. Однак тонкоплівкові сонячні батареї набагато легші та гнучкіші в установці. Його поверхня складається з безлічі світлопоглинаючих плівок, які в поєднанні утворюють плівку, приблизно в 300-500 разів тоншу за звичайний кремній, що є видатною перевагою тонкоплівкових сонячних панелей.

Не буде перебільшенням сказати, що тонкоплівкові сонячні панелі є найлегшими панелями, доступними на сьогоднішній день, оскільки кожна комірка складається з трьох основних компонентів: фотоелектричного матеріалу, провідного листа і захисного шару. На додаток до тонкої внутрішньої конструкції, тонкоплівкові сонячні панелі також надзвичайно міцні, про що ми розповімо в наступній статті.

Як виготовляються тонкоплівкові сонячні елементи?

Тонкоплівкові сонячні панелі виготовляються за допомогою процесу, який включає в себе нанесення одного або декількох тонких шарів фотоелектричного (ФЕМ) матеріалу на несучу підкладку. Ця підкладка може бути виготовлена з різних матеріалів, таких як пластик, скло або метал. Виробництво тонкоплівкових сонячних панелей зазвичай складається з трьох основних компонентів:

Фотоелектричний матеріал:

Фотоелектричний матеріал. це активний шар, який відповідає за перетворення сонячного світла в електрику. Зазвичай він складається з різних напівпровідникових матеріалів, таких як амоний кремній (a-Si), телурид кадмію (CdTe) або селенід міді індію галію (CIGS). Кожен з цих матеріалів має унікальні властивості, які впливають на ефективність і продуктивність тонкоплівкової сонячної панелі.

Провідний лист:

Провідний лист служить електричним контактом для тонкоплівкової сонячної панелі. Він забезпечує потік електроенергії, що генерується фотоелектричним матеріалом. Зазвичай в якості провідного листа використовуються прозорі провідні шари оксиду (TCO), виготовлені з таких матеріалів, як оксид індію-олова (ITO) або оксид олова, легований фтором (FTO).

Захисний шар:

Захисний шар захищає тонкоплівкову сонячну панель від зовнішніх факторів, таких як волога, пил і фізичні пошкодження. Він діє як бар’єр, запобігаючи деградації фотоелектричного матеріалу і забезпечуючи довговічність і міцність панелі. В якості захисного шару часто використовуються такі матеріали, як скло або прозорі полімери.

Конкретний виробничий процес може відрізнятися в залежності від типу використовуваної тонкоплівкової технології, але фундаментальний принцип залишається незмінним. Завдяки точним методам осадження та ретельному нашаруванню матеріалів створюються тонкоплівкові сонячні панелі, що пропонують гнучку та легку альтернативу традиційним сонячним панелям з кристалічного кремнію.

Типи тонкоплівкових сонячних панелей

Існує чотири найпоширеніші типи тонкоплівкових сонячних панелей, які зазвичай використовуються для зовнішнього застосування: сонячні панелі на основі диселеніду міді галію та індію (CIGS), телуриду кадмію (CdTe), амоного кремнію (a-Si) та арсеніду галію (GaAs). Тепер давайте розглянемо ці різні тонкоплівкові сонячні панелі по черзі.

Сонячні панелі на основі селеніду міді, індію та галію (CIGS)

Сонячні панелі CIGS універсальні, виготовляються за різними технологіями і реалізуються в різних формах. Крім того, сонячна панель CIGS є більш привабливою як високоефективна альтернатива великим комерційним сонячним модулям. Деякі компанії використовують їх у комерційних цілях, що добре зарекомендувало себе. BougeRV також випустила сонячні панелі CIGS, які простіше встановлювати і використовувати з більшим задоволенням.

Сонячні панелі CIGS не популярні для звичайних застосувань і в основному використовуються в космічній галузі через їх низькотемпературну стійкість і відмінну продуктивність в умовах низької інтенсивності світла в космосі. Вартість відносно висока в порівнянні з іншими технологіями, в даний час вона становить трохи більше 0.60 Вт, але майбутні виробники обіцяють знизити вартість цих панелей. Хоча тонкоплівкові сонячні панелі CIGS ще не настільки популярні на ринку, як панелі CdTe, на частку технології CIGS все ще припадає 2.0% частки ринку фотоелектричних панелей. Це все ще досить популярна тонкоплівкова сонячна технологія, враховуючи, що тонкоплівкові сонячні модулі займають лише близько 10% частки ринку.

огляд, сучасного, сонячних, елементів, арсеніду

Склад тонкоплівкового сонячного елемента на основі селеніду міді, індію та галію (CIGS). Джерело ОФІС ТЕХНОЛОГІЙ СОНЯЧНОЇ ЕНЕРГЕТИКИ

Сонячні панелі на основі телуриду кадмію (CdTe)

CdTe є другим за поширеністю фотоелектричним матеріалом після кремнію, а елементи CdTe можна виготовляти за допомогою недорогих виробничих процесів. Хоча це робить сонячні панелі CdTe економічно вигідною альтернативою, вони все ще не настільки ефективні, як кремнієві сонячні панелі.

Сонячні елементи CdTe виготовляються з використанням шару поглинача, що містить p-n гетероперехід, який поєднує шар CdTe, легований p, з шаром CdS, легованим n, який також може бути виготовлений з оксиду магнію-цинку (MZO). Для нанесення матеріалу на підкладку виробники використовують методи транспортного осадження з парової фази або сублімації з близької відстані.

Склад тонкоплівкових сонячних елементів CdTe. Джерело: ОФІС ТЕХНОЛОГІЙ СОНЯЧНОЇ ЕНЕРГЕТИКИ

Сонячні панелі з амоного кремнію (a-Si)

Амоний кремній (A-SI). це різновид алотропного амоного кремнію, який на сьогоднішній день є ідеальною тонкоплівковою технологією. Тонкоплівковий кремній замінює традиційний пластинчастий (або блоковий) кристалічний кремній. A-si привабливий як матеріал для сонячних елементів, тому що це поширений, нетоксичний матеріал. Він вимагає більш низьких температур обробки і здатний до масштабованого виробництва на гнучких, недорогих підкладках, які вимагають мало кремнію.

Хоча для виробництва амоного кремнію (a-Si) потрібна невелика кількість недорогого матеріалу, він є відносно дорогим, оскільки провідне скло для цих панелей є дорогим, а сам процес є повільним, що робить загальну вартість панелей рівною 0.69/W. На цю технологію в даний час припадає 2.0% роздрібного ринку фотоелектричних модулів.

огляд, сучасного, сонячних, елементів, арсеніду

Схема структури комірки амоного кремнію (a-Si). Джерело: Неорганічні фотоелектричні елементи: Принципи роботи, технології та ефективність. огляд Karzazi, Y., і Arbouch, I.

Сонячні панелі з арсеніду галію (GaAs)

Арсенід галію (GaAs), напівпровідник з прямою забороненою зоною III-V, є дуже поширеним матеріалом, що використовується в монокристалічних тонкоплівкових сонячних елементах.Сонячні елементи GaAs є одними з найефективніших тонкоплівкових сонячних елементів завдяки своїм чудовим тепловим характеристикам і високій ефективності. Станом на 2019 рік монокристалічні елементи GaAs мають найвищу ефективність сонячних елементів серед усіх одноперехідних сонячних елементів, з ефективністю 29.1%.

Оскільки фотоелементи GaAs. це багатоперехідні сонячні елементи III-V, що складаються з ієрархічного буферного шару, вони можуть досягати високої ефективності до 39.2 відсотки, але час виготовлення, матеріальні витрати і швидке зростання матеріалів роблять їх менш життєздатним варіантом для наземних застосувань. Тонкоплівкові сонячні елементи GaAs мають рекордні 29.1 відсоток ефективності.

Вартість цих тонкоплівкових сонячних елементів III-V коливається від 70/Вт до 170/Вт, але NREL стверджує, що ціна може бути знижена до 0.50 / Вт в майбутньому. Оскільки це така дорога і експериментальна технологія, вона не є масовою і використовується в основному для космічних застосувань, де вона має найнижчу частку ринку.

огляд, сучасного, сонячних, елементів, арсеніду

Принципова схема сонячного елемента GaAs SJ. Джерело: Однокомпонентні двошарові антивідбивні покриття на основі сульфіду цинку для сонячних елементів GaAs, Woo, J. та ін

Особливості тонкоплівкових сонячних панелей

Тонкоплівкові сонячні панелі мають унікальні особливості, які виділяють їх серед інших. Однією з важливих характеристик є їх висока гнучкість і легка конструкція. Ці панелі виготовляються шляхом нанесення одного або декількох тонких шарів фотоелектричного матеріалу на підкладку, що призводить до уніфікованого зовнішнього вигляду.

У порівнянні зі звичайними кремнієвими панелями, тонкоплівкові сонячні панелі пропонують простішу установку і вимагають менше зусиль. Їх легка вага спрощує процес монтажу, що робить їх зручним вибором для різних застосувань.

Ще одна перевага тонкоплівкових сонячних панелей полягає в зниженому рівні викидів в процесі виробництва, що пояснюється низьким вмістом кремнію. Ця екологічна перевага відповідає зростаючому попиту на рішення для сталої енергетики.

Одним з важливих випадків використання тонкоплівкових сонячних панелей є їх придатність для незвичайних і нерівних поверхонь, таких як автофургони і яхти. На відміну від звичайних жорстких сонячних панелей, тонкоплівкові варіанти можуть легко адаптуватися до цих нетрадиційних установок. Ця гнучкість робить їх дуже затребуваними в таких сценаріях.

На закінчення, тонкоплівкові сонячні панелі пропонують комбіновані переваги: вони легкі, прості в установці та ідеально підходять для використання на нерівних поверхнях, таких як автофургони та човни. Їх гнучкість і екологічні переваги роблять їх привабливим вибором для тих, хто шукає універсальні та стійкі сонячні рішення.

Для чого використовуються тонкоплівкові сонячні панелі?

Тонкоплівкові сонячні панелі знаходять різноманітне застосування в областях, де традиційні фотоелектричні елементи можуть бути непридатними. Їх гнучкість дозволяє використовувати їх на вигнутих поверхнях будівель, автомобілів і навіть на одязі, дозволяючи генерувати енергію унікальними способами.

В установах і комерційних будівлях з широкими дахами і відкритими майданчиками тонкоплівкові сонячні панелі є відмінним варіантом через їх потребу в більшій площі для монтажу. На відміну від важких жорстких сонячних панелей, тонкоплівкові варіанти можна встановлювати на дахах, які можуть не витримати вагу традиційних панелей, пропонуючи життєздатну альтернативу.

Лісисті регіони також виграють від використання тонкоплівкових сонячних панелей. Їх довговічність гарантує, що вони продовжують функціонувати навіть при наявності проникнення або пошкодження панелей. Ця особливість робить їх добре придатними для власників автофургонів та шукачів пригод, які вирушають у лісисті райони, забезпечуючи спокій, знаючи, що панелі можуть витримати потенційні виклики.

Крім того, тонкоплівкові сонячні панелі ідеально підходять для живлення невеликих пристроїв, таких як лопаті вентиляторів і Wi-Fi модеми. Ці панелі можна встановити на даху будинку на колесах або яхти, що дозволить виробляти електроенергію для автономного проживання або під час екскурсій на природі.

З огляду на їх поширеність в автомобілях на колесах і яхтах, в цих контекстах зазвичай можна побачити кілька типів тонкоплівкових сонячних панелей.

Типи фотоелектричних елементів

Фотоелектричні елементи або фотоелементи можуть бути виготовлені різними способами та з різних матеріалів. Незважаючи на цю різницю, всі вони виконують одне й те саме завдання. збирають сонячну енергію та перетворюють її на корисну електроенергію. Найпоширенішим матеріалом для виготовлення сонячних панелей є кремній, який має напівпровідникові властивості. [2] Кілька таких сонячних елементів необхідні для побудови сонячної панелі, а багато панелей складають фотоелектричний масив.

На світовому ринку домінують три типи фотоелектричних елементів: монокристалічний кремній, полікристалічний кремній і тонкоплівкові фотоелементи. Більш високоефективні фотоелектричні технології, включаючи арсенід галію і багатоперехідні елементи, менш поширені через їх високу вартість, але ідеально підходять для використання в концентрованих фотоелектричних системах і космічних додатках. [3] Існує також цілий ряд нових технологій фотоелектричних елементів, які включають перовскітні елементи, органічні сонячні елементи, сенсибілізовані барвниками сонячні елементи та квантові точки.

Монокристалічний кремнієвий елемент

Перші комерційно доступні сонячні елементи були виготовлені з монокристалічного кремнію, який є надзвичайно чистою формою кремнію. Для їх виробництва з маси розплавленого кремнію витягують затравковий кристал, створюючи циліндричний злиток з єдиною, безперервною структурою кристалічної решітки. Потім цей кристал механічно розпилюють на тонкі пластини, полірують і легують для створення необхідного p-n переходу. Після нанесення антивідблискового покриття і додавання передніх і задніх металевих контактів, елемент нарешті підключається і упаковується разом з багатьма іншими елементами в повноцінну сонячну панель. [3] Монокристалічні кремнієві фотоелементи мають високу ефективність, але процес їх виготовлення повільний і трудомісткий, що робить їх дорожчими, ніж їх полікристалічні або тонкоплівкові аналоги.

огляд, сучасного, сонячних, елементів, арсеніду

Малюнок 2. Зображення порівняння полікристалічного кремнієвого фотоелемента (ліворуч) та монокристалічного кремнієвого фотоелемента (праворуч). [4]

Полікристалічний кремнієвий елемент

Замість єдиної однорідної кристалічної структури полікристалічні (або мультикристалічні) клітини містять багато дрібних кристалічних зерен (див. рис. 2). Їх можна виготовити, просто відливши з розплавленого кремнію злиток у формі куба, а потім розпиляти і упакувати подібно до монокристалічних комірок. Інший метод, відомий як ріст з плівки з крайовим живленням (EFG), передбачає витягування тонкої стрічки полікристалічного кремнію з маси розплавленого кремнію. Дешевша, але менш ефективна альтернатива, полікристалічні кремнієві фотоелементи домінують на світовому ринку, представляючи близько 70% світового виробництва фотоелектричних елементів у 2015 році. [3]

Тонкоплівкові фотоелементи

Малюнок 3. Тонкоплівкова сонячна панель, що складається з некристалічного кремнію, нанесеного на гнучкий матеріал. [5]

Хоча кристалічні фотоелементи домінують на ринку, вони також можуть бути виготовлені з тонких плівок, що робить їх набагато гнучкішими та довговічнішими. Одним з типів тонкоплівкових фотоелементів є амоний кремній (a-Si), який виробляється шляхом нанесення тонких шарів кремнію на скляну підкладку. В результаті виходить дуже тонка і гнучка комірка, яка використовує менше 1% кремнію, необхідного для кристалічної комірки. [3] Завдяки такому зменшенню сировини та менш енергоємному виробничому процесу, амоні кремнієві елементи набагато дешевші у виробництві. Однак їх ефективність значно знижується, оскільки атоми кремнію набагато менш впорядковані, ніж у кристалічних формах, залишаючи “висячі зв’язки”, які з’єднуються з іншими елементами, роблячи їх електрично неактивними. Ці елементи також страждають від падіння ефективності на 20% протягом перших кількох місяців роботи до стабілізації, і тому продаються з номінальною потужністю, заснованою на їх деградованому виході. [3]

Інші типи тонкоплівкових елементів включають мідь-індій-галієвий диселенід (CIGS) та телурид кадмію (CdTe). Ці технології пропонують вищу ефективність, ніж амоний кремній, але містять рідкісні та токсичні елементи, включаючи кадмій, що вимагає додаткових запобіжних заходів під час виробництва та подальшої утилізації. [3]

Високоефективні фотоелементи

Були розроблені інші технології фотоелементів, які працюють з набагато вищою ефективністю, ніж згадані вище, але їх більш високі матеріальні та виробничі витрати в даний час перешкоджають їх широкому комерційному використанню.

Кремній. не єдиний матеріал, придатний для кристалічних фотоелектричних елементів. Арсенід галію (GaAs) є альтернативним напівпровідником, який дуже добре підходить для фотоелектричних застосувань. Арсенід галію має схожу кристалічну структуру з монокристалічним кремнієм, але з чергуванням атомів галію та миш’яку.

Завдяки вищому коефіцієнту поглинання світла та ширшій ширині забороненої зони, GaAs-елементи набагато ефективніші, ніж кремнієві. Крім того, елементи GaAs можуть працювати при набагато більш високих температурах без значного зниження продуктивності, що робить їх придатними для концентрованої фотоелектрики. GaAs-елементи виробляються шляхом осадження шарів галію та миш’яку на основу монокристалічного GaAs, що визначає орієнтацію росту нового кристала. Цей процес робить GaAs-елементи набагато дорожчими за кремнієві, що робить їх корисними лише тоді, коли потрібна висока ефективність, наприклад, у космічній галузі. [3]

Більшість фотоелектричних елементів, в тому числі розглянуті вище, містять лише один p-n перехід напівпровідникового матеріалу, який перетворює енергію з однієї дискретної частини сонячного спектру в корисну електроенергію. Багатоперехідні елементи мають 2 або більше переходів, розташованих один над одним, що дозволяє збирати енергію з різних ділянок спектра. Світло, яке не поглинається першим шаром, буде проходити через наступні шари і взаємодіяти з ними. Багатоперехідні елементи виробляються так само, як і елементи з арсеніду галію. повільним нанесенням шарів матеріалу на монокристалічну основу, що робить їх дуже дорогими у виробництві і комерційно життєздатними лише в концентрованих фотоелектричних системах і космічних додатках. [3]

Нові клітинні технології

Електрика може вироблятися через взаємодію світла з багатьма іншими матеріалами. Перовскітні сонячні елементи, названі так через свою специфічну кристалічну структуру, можуть бути виготовлені з органічних сполук свинцю та таких елементів, як хлор, бром або йод. Вони відносно дешеві у виробництві і можуть похвалитися ефективністю, близькою до комерційно доступних кремнієвих елементів, але в даний час вони обмежені коротким терміном служби. Органічні сонячні елементи складаються з шарів полімерів і можуть вироблятися дешево у великих обсягах. Ці елементи можуть бути виготовлені у вигляді напівпрозорої плівки, але мають відносно низьку ефективність. Сенсибілізовані барвниками сонячні елементи можуть бути виготовлені з використанням напівпровідникового діоксиду титану та шару барвника-сенсибілізатора товщиною лише в одну молекулу. Ці елементи можуть похвалитися скромною ефективністю, але не можуть витримувати яскраве сонячне світло без деградації. Квантові точки використовують нанотехнології для маніпулювання напівпровідниковими матеріалами в надзвичайно малих масштабах. “Наночастинки”, що складаються всього з 10 000 атомів, можуть бути налаштовані на різні частини сонячного спектру відповідно до їх розміру та об’єднані для поглинання широкого спектру енергії. Хоча теоретична ефективність надзвичайно висока, ефективність лабораторних тестів все ще дуже низька. [3]

Посилання

Залишити відповідь