Короткий огляд високоефективних сонячних елементів III-V класу для космічних застосувань…

Високоефективні сонячні елементи на основі GaAs

Сонячні елементи III-V, представлені сонячними елементами GaAs, вносять свій внесок як космічні та концентраційні сонячні елементи, а також важливі як піделементи для багатоперехідних сонячних елементів. У цій главі розглядається прогрес в області складних одноперехідних сонячних елементів III-V, таких як GaAs, InP, AlGaAs і InGaP. Особливо, сонячні елементи GaAs показали 29.1% під 1 сонцем, найвищий показник, коли-небудь зареєстрований для одноперехідних сонячних елементів. Крім того, аналітичні результати для нерадіаційної рекомбінації і втрат опору в сонячних елементах з III-V сполук показані шляхом розгляду основ для основних втрат в матеріалах і сонячних елементах з III-V сполук. Оскільки гранична ефективність одноперехідних сонячних елементів становить 30-32%, були розроблені багатоперехідні сонячні елементи, а 3-перехідні сонячні елементи на основі InGaP/GaAs широко використовуються в космосі. Останнім часом найвища ефективність 39.1% під впливом 1-го сонця і 47.2% при концентрації були продемонстровані з 6-перехідними сонячними елементами. У цій главі також розглядається прогрес в області складних багатоперехідних сонячних елементів III-V і ключові питання для реалізації високоефективних багатоперехідних елементів.

Ключові слова

  • сонячні елементи
  • GaAs
  • InP
  • InGaP
  • III-V сполуки
  • багатоперехідний
  • тандем
  • висока ефективність
  • радіаційна стійкість

Відомості про автора

Масафумі Ямагучі

Надсилайте всю кореспонденцію на адресу: masafumi@toyota-ti.ac.jp

Вступ

Сонячні елементи III-V класу, представлені сонячними елементами GaAs, мають такі переваги, як потенціал високої ефективності, можливість створення тонких плівок, хороший температурний коефіцієнт, радіаційна стійкість і потенціал багатоперехідного застосування в порівнянні з кристалічними сонячними елементами Si. Складені сонячні елементи III-V внесли свій внесок як космічні та концентраційні сонячні елементи і важливі як піделементи для багатоперехідних сонячних елементів. В результаті досліджень і розробок було продемонстровано високу ефективність [1, 2] одноперехідних сонячних елементів на основі сполук III-V: 29.1% для GaAs, 24.2% для InP, 16.6% для AlGaAs і 22% для InGaP сонячних елементів. На рисунку 1 показана історична рекордна ефективність одноперехідних сонячних елементів GaAs, InP, AlGaAs і InGaP разом з їх екстраполяцією [3].

Дані можуть бути підігнані за допомогою функції Гетцбергера [4]:

де η(t). залежна від часу ефективність, ηlimit. практична гранична ефективність, t0. рік, для якого η(t) дорівнює нулю, t. календарний рік, а c. характерний час розробки. Підбір кривої був зроблений з трьома параметрами, які наведені в таблиці 1. Екстраполяції показують, що прогрес ефективності зближується або скоро зблизиться, що в основному обмежується межею Шоклі-Куайссера [5].

Таблиця 1.

Підбір параметрів для різних сонячних елементів.

На рисунку 2 показані розраховані та отримані ККД одноперехідних монокристалічних та полікристалічних сонячних елементів [6]. Оскільки гранична ефективність одноперехідних сонячних елементів становить 30-32%, як показано на рисунку 2, були розроблені багатоперехідні сонячні елементи, а 3-перехідні сонячні елементи на основі InGaP/GaAs широко використовуються в космосі. Останнім часом найвищі ККД 39.2% при 1-сонячному випромінюванні і 47.1% зниження концентрації було продемонстровано для 6-перехідних сонячних елементів [7].

У цій главі розглядається прогрес в III-V складних одноперехідних сонячних елементах, таких як GaAs, InP, AlGaAs і InGaP. Крім того, наведено аналітичні результати для нерадіаційної рекомбінації та втрат опору в сонячних елементах III-V, розглядаючи основи основних втрат у матеріалах та сонячних елементах III-V сполук. У цій главі також розглядається прогрес в області складних багатоперехідних сонячних елементів III-V і ключові питання для реалізації високоефективних багатоперехідних елементів.

Аналіз нерадіаційної рекомбінації та втрат опору одноперехідних сонячних елементів

Використовуючи нашу аналітичну модель [8, 9], обговорюється потенційна ефективність різних сонячних елементів. Ця модель враховує втрати ефективності, такі як нерадіаційна рекомбінація та втрати опору, що є розумним припущенням, оскільки звичайні сонячні елементи часто мають мінімальні оптичні втрати. Нерадіаційні рекомбінаційні втрати характеризуються зовнішньою радіаційною ефективністю (ERE), яка є відношенням радіаційно рекомбінованих носіїв до всіх рекомбінованих носіїв. Іншими словами, маємо ERE = 1 на межі Шоклі-Квайссера [5]. ЕРЕ сучасних сонячних елементів можна знайти в деяких публікаціях, таких як [2, 10, 11, 12, 13]. У цій главі ERE різних сонячних елементів оцінюється за наступним співвідношенням [14]:

де Voc. виміряна напруга холостого ходу, k. постійна Больцмана, T. температура, q. елементарний заряд. Voc:rad. випромінювальна напруга розімкнутого контуру і виражається наступною формулою. [15]

де [Jph]Voc,rad. фотострум у розімкнутому стані у випадку, коли відбувається лише випромінювальна рекомбінація, а Jo,rad. густина струму насичення у випадку випромінювальної рекомбінації.

0.28 В для Eg/q. У нашому аналізі були використані значення Voc;rad, наведені в [15, 16, 17]. Де Eg. енергія забороненої зони. Другий доданок у правій частині рівняння. (2) позначається як Voc;nrad, втрата напруги через нерадіаційну рекомбінацію і виражається наступним рівнянням. [15].

де Jrad(V0c). густина струму випромінювальної рекомбінації, а Jrec(Voc). густина струму не випромінювальної рекомбінації.

На рисунку 3 показано падіння напруги в розімкнутому контурі порівняно з енергією забороненої зони (Eg/q. Voc) та нерадіаційними втратами напруги (Voc,nrad) в сонячних елементах GaAs, InP, AlGaAs та InGaP [2, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 17] в залежності від ERE. Високі значення ERE 22.5% і 8.7% спостерігаються для GaAs та InGaP, відповідно, порівняно з InP (0.1%) і AlGaAs (0.01%).

Втрати опору сонячного елемента оцінюються виключно за виміряним коефіцієнтом заповнення. Ідеальний коефіцієнт заповнення FF0, визначений як коефіцієнт заповнення без втрат опору, оцінюється за [18].

Виміряні коефіцієнти заповнення можуть бути пов’язані з послідовним опором і опором шунта наступним рівнянням. [18]:

де rs. послідовний опір, а rsh. шунтовий опір, нормалізований до RCH. Характеристичний опір RCH визначається [18]

r. загальний нормований опір, що визначається r = rs rsh.1.

На рисунку 4 показана кореляція між коефіцієнтом заповнення і втратами опору [2, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 17] в сонячних елементах GaAs, InP, AlGaAs і InGaP. Нижчі втрати опору від 0.01-0.03 було реалізовано для сонячних елементів GaAs, InP та InGaP порівняно з 0.05 для AlGaAs.

Історичний прогрес та ключові проблеми високоефективних складних одноперехідних сонячних елементів III-V класів

У таблиці 2 показані основні втрати, їх походження та ключові технології для підвищення ефективності [6]. Існує кілька механізмів втрат, які необхідно вирішити для реалізації високоефективних складних одноперехідних сонячних елементів III-V. (1) об’ємні рекомбінаційні втрати, (2) поверхневі рекомбінаційні втрати, (3) інтеейсні рекомбінаційні втрати, (4) втрати напруги, (5) втрати коефіцієнта заповнення, (6) оптичні втрати, (7) втрати фотонів недостатньої енергії. Ключовими технологіями для зменшення вищезазначених втрат є високоякісний епітаксійний ріст, зменшення густини дефектів, оптимізація концентрації носіїв у базовому та емітерному шарах, з’єднання подвійних гетероструктур, узгодження решітки активних шарів та підкладки, пасивація поверхні та інтеейсу, зменшення послідовного опору та струму витоку, покриття антивідблиску, рециркуляція фотонів та ін.

ВтратиВитокиТехнології покращення
Втрата об’ємної рекомбінації Нерадіаційні центри рекомбінації (домішки, дислокації, межі зерен, інші дефекти) Висока якість епітаксійного росту Зменшення густини дефектів
Втрати на поверхневу рекомбінацію Поверхневі покриття Поверхнева пасиваціяГетерошарПодвійна гетероструктура
Інтеейсні рекомбінаційні втрати Стани інтеейсуДефекти невідповідності решітки Узгодження решіткиІнвертований епітаксійний рістВіконний шарЗадній поверхневий польовий шарПодвійна гетероструктураСтупеневуватий заборонений шар
Втрата напруги Невипромінювальна рекомбінаціяШунтуючий опір Зменшення щільності дефектівТонкий шар
Втрата коефіцієнта заповнення Послідовний опірШунтуючий опір Зменшення контактного опору Зменшення струму витоку, поверхнева, інтеейсна пасивація
Оптичні втрати Втрати на відбиттяНедостатнє поглинання Антиблікове покриття, текстураЗадній рефлектор, рециркуляція фотонів
Втрати фотонів з недостатньою енергією Спектральна невідповідність Багатоперехідні (тандемні)Перетворення внизПеретворення вгору

Таблиця 2.

Основні втрати, їх походження в елементах III-V сполук і ключові технології для підвищення ефективності.

Ефективність сонячних елементів залежить від довжини дифузії неосновних носіїв (або часу життя неосновних носіїв) в матеріалах сонячних елементів, як показано на малюнку 5.

короткий, огляд, високоефективних, сонячних, елементів, iii-v

Час життя радіаційної рекомбінації τрад виражається через

де N. концентрація носіїв і B. ймовірність випромінювальної рекомбінації. Значення B для GaAs, отримане Ahrenkiel et al. [19] становить B = 2 X 10.10 см 3 /с. Ефективний час життя τeff виражається на

де τnonrad. час життя безвипромінювальної рекомбінації і задається формулою

де σ. переріз захоплення неосновних носіїв безвипромінювальними центрами рекомбінації, v. теплова швидкість неосновних носіїв, Nr. густина безвипромінювальних центрів рекомбінації.

Тому поліпшення кристалічної якості і зменшення щільності дефектів, таких як дислокації, границі зерен і домішки, які діють як нерадіаційні центри рекомбінації, є дуже важливими для реалізації високоефективних сонячних елементів.

У цій главі показані аналітичні результати історичного прогресу в ефективності одноперехідних сонячних елементів GaAs. На рисунках 6 і 7 показані аналітичні результати для прогресу в ERE і втрати опору одноперехідних сонячних елементів GaAs.

Перші сонячні елементи на основі GaAs, про які повідомили Дженні та ін. [20] були виготовлені шляхом дифузії Cd в монокристалічну пластину GaAs n-типу. Ефективність 3.2-5.3% були досить низькими через глибокий перехід. Оскільки GaAs має велику поверхневу швидкість рекомбінації S близько 1 × 10 7 см/с [6, 21], для отримання високоефективних сонячних елементів необхідне формування неглибокого гомо-переходу з глибиною переходу менше 50 нм. Тому гетерофазну структуру AlGaAs-GaAs сонячних елементів запропонували Вудалл і Ховел [22], і в 1972 році було досягнуто більше 20% ефективності [22], як показано на рисунку 1, в результаті покращення ERE з 10.8 % до 0.05%, як показано на рисунку 6. Сонячний елемент з подвійною гетероструктурою AlGaAs-GaAs-AlGaAs з ККД 23% був реалізований групою Фан в 1985 році [23] в результаті покращення ERE з 0.05% до 1.4%, як показано на малюнку 6. Зараз сонячні елементи зі структурою DH широко використовуються для високоефективних складних сонячних елементів III-V класів, включаючи сонячні елементи GaAs.

На рисунку 8 показані структури пристроїв сонячних елементів GaAs, що розвивалися історично. Як згадувалося вище і показано на рисунку 8, структури GaAs елементів були вдосконалені від гомо-переходу до гетеро-структури, і, нарешті, до структури DH. Зараз шар InGaP в основному використовується як переднє вікно і задній шар поля задньої поверхні (BSF) замість шару AlGaAs. Причини пояснюються в частині багатоперехідних сонячних елементів.

короткий, огляд, високоефективних, сонячних, елементів, iii-v

На рис. 9 показано хронологічне зростання ефективності сонячних елементів GaAs, виготовлених методами LPE (рідиннофазної епітаксії), MOCVD (металоорганічного хімічного осадження з газової фази) та MBE (молекулярно-променевої епітаксії). ЛПЕ був використаний для виготовлення гетерофазних сонячних елементів AlGaAs-GaAs в 1972 році, оскільки він дає високоякісну епітаксійну плівку і має просту систему вирощування. Сонячні елементи зі структурою гомо-переходу та гетеро-структурою GaAs, показані на Рисунку 8, були виготовлені за допомогою LPE. Однак це не так корисно для пристроїв, які включають багатошарові елементи, через складність контролю товщини шару, легування, складу і швидкості пропускної здатності. З 1977 року MOCVD використовується для виготовлення сонячних елементів GaAs великої площі з використанням структури DH, показаної на рисунку 8, оскільки вона здатна до великомасштабного виробництва на великих площах і має хорошу відтворюваність і керованість.

Щодо відмінностей у швидкостях поверхневої рекомбінації в напівпровідникових матеріалах, вважається, що одним з механізмів є відмінності в поведінці точкових дефектів. Наприклад, через те, що енергії міграції найближчих сусідів (0.3 еВ і 1.2 еВ) VIn і VP в InP [24] є нижчими, ніж (1.75 еВ) VGa і VA в GaAs, кращий стан поверхні може бути сформований на поверхні InP порівняно з поверхнею GaAs.

На додаток до поліпшення поверхневих рекомбінаційних втрат, в результаті технологічного розвитку, втрати опору були поліпшені, як показано на Рисунку 7. Паралельно були покращені об’ємні рекомбінаційні втрати і рекомбінаційні втрати на межі розділу, як показано на рисунку 6. Нещодавно ефективність сонячних елементів на основі GaAs досягла 29.1% [2], реалізуючи ERE 22.5% в результаті ефективної переробки фотонів [1].

Невідповідність решітки також погіршує властивості сонячних елементів за рахунок збільшення швидкості міжфазної рекомбінації в результаті генерації дислокацій, що не підходять, і нитчастих дислокацій. Використовуючи швидкість інтеейсної рекомбінації SI як функцію невідповідності гратки (Δa/a0) для гетероепітаксійної границі InGaP/GaAs [25], залежність швидкості інтеейсної рекомбінації (SI) від невідповідності гратки (Δa/a0) напівемпірично виражається формулою [16].

Як один з прикладів впливу втрат на міжфазну рекомбінацію на властивості сонячних елементів, аналітичні результати кореляції між ERE і швидкістю міжфазної рекомбінації в одноперехідних сонячних елементах InGaP показані на Рисунку 10.

Історичний прогрес та ключові проблеми високоефективних багатоперехідних сонячних елементів III-V класів

Хоча комірки з одним переходом можуть бути здатні досягти AM1.5 ефективності до 30-32%, як показано на рисунку 2, багатоперехідні (MJ) структури [26, 27] були визнані на ранніх етапах як такі, що здатні реалізувати ефективність до 46%, як показано нижче. На рисунку 11 показано принцип широкого фото відгуку з використанням МДж сонячних елементів для випадку комірки з потрійним переходом. Сонячні елементи з різною шириною забороненої зони укладаються один на інший таким чином, щоб елемент, звернений до Сонця, мав найбільшу ширину забороненої зони (в даному прикладі це верхній елемент InGaP). Ця верхня комірка поглинає всі фотони з енергією своєї забороненої зони та вище і передає менш енергійні фотони коміркам, розташованим нижче. Наступна комірка в стеку (тут середня комірка GaAs) поглинає всі передані фотони з енергією, що дорівнює або перевищує енергію його забороненої зони, а решту передає вниз по стеку (в цьому прикладі це нижня комірка Ge). Як показано на рисунку 12, спектральний відгук монолітного двоконтактного триперехідного елемента InGaP/GaAs/Ge демонструє широкосмугову фотореакцію багатоперехідних елементів. В принципі, в тандемі можна використовувати будь-яку кількість комірок.

короткий, огляд, високоефективних, сонячних, елементів, iii-v

В результаті досліджень і розробок було продемонстровано високу ефективність III-V багатоперехідних сонячних елементів: 37.9% під 1 сонцем і 44.4% нижче концентрації для 3-перехідних комірок [28] та 39.2% під 1-м сонцем, 47.1% нижче концентрації для 6-перехідних сонячних елементів [7]. На рисунку 13 показано історичні рекордні показники ефективності III-V багатоперехідних (МДж) і концентраторних МДж сонячних елементів у порівнянні з ефективністю сонячних елементів GaAs і кристалічного Si, а також їх екстраполяції [3].

У таблиці 3 показані ключові питання для реалізації надвисокоефективних сонячних елементів з МДж. Ключовими питаннями для реалізації надвисокоефективних сонячних елементів з МДж є (1) вибір матеріалу піделементів, (2) тунельний перехід для з’єднання піделементів, (3) узгодження решітки, (4) утримання носіїв, (5) утримання фотонів, (6) антивідбиття в широкому діапазоні довжин хвиль і т.д. Для концентраторів, що використовують MJ-елементи, структура сітки переднього контакту елемента повинна бути спроектована таким чином, щоб зменшити втрати енергії через послідовний опір (опір переднього електрода сітки, включаючи контактний опір, задній електрод, бічний опір між електродами сітки), враховуючи втрати від затінення, пов’язані з електродом сітки, а також необхідний тунельний перехід з високою тунельною піковою густиною струму. Оскільки взаємозв’язок піделементів є одним з найважливіших ключових питань для реалізації високоефективних сонячних елементів МДж з метою зменшення втрат електричного з’єднання та оптичного поглинання, ефективність тунельного діода з подвійною гетероструктурою також представлена в цій главі.

Ключове питанняМинулеСьогоденняМайбутнє
Матеріали верхньої комірки AlGaAs InGaP AlInGaP
Середньоклітинні матеріали Немає GaAs, InGaAs GaAs, квантова яма, квантові точки, InGaAs, InGaAsN тощо.
Матеріали нижньої частини комірки GaAs Ge, InGaAs Si, Ge, InGaAs
Підкладка GaAs Ge Si, Ge, GaAs, метал
Тунельний перехід (TJ) Подвійна гетероструктура-GaAs TJ Подвійна гетероструктура-InGaP TJ Подвійна гетероструктура-InGaP або GaAs TJ
Узгодження з кристалічною решіткою Середня комірка GaAs Середня комірка InGaAs (In)GaAs середня комірка
Утримання носіїв заряду InGaP-BSF AlInP-BSF Широкощілинні квантові точки BSFQuantum
Утримання фотонів Відсутній Немає Зворотний рефлектор, бреггівський рефлектор, квантові точки, фотонні кристали тощо.
Інші Відсутній Інвертований епітаксійний ріст Перевернутий епітаксійний ріст, зняття епітаксії

Таблиця 3.

Ключові питання для реалізації надвисокоефективних складних багатоперехідних сонячних елементів III-V.

Вибір підрешіткових шарів з урахуванням оптимальної ширини забороненої зони та відповідності матеріалів кристалічній решітці є одним з ключових питань для реалізації надвисокоефективних MJ-елементів. У таблиці 4 наведено приклад вибору матеріалу верхньої комірки і порівняння InGaP і AlGaAs в якості матеріалу верхньої комірки. InGaP, який має кращу швидкість міжфазної рекомбінації, менше проблем з дефектами, пов’язаними з киснем, і кращий віконний матеріал AlInP порівняно з AlGaAs, був запропонований групою NREL в якості матеріалу для верхнього шару комірки [29]. Як описано вище, матеріали InGaP в даний час широко використовуються в якості переднього і заднього поверхневих шарів сонячних елементів замість AlGaAs.

InGaPAlGaAs
Швидкість інтеейсної рекомбінації 10 4.l0 5 см/с
Дефекти, пов’язані з киснем Менше Вища
Віконний шар (Eg) AlInP (2.5 еВ) AlGaAs (2).1 еВ)
Інші проблеми Високе легування в p-AlInP Менша ефективність (2.на 6% нижче)

Таблиця 4.

Порівняння InGaP і AlGaAs в якості матеріалу верхнього шару комірки.

На рис. 14 показано варіанти з’єднання двоперехідних комірок: дві комірки можна з’єднати, щоб сформувати дво-, три- або чотириконтактні пристрої. У монолітному двоконтактному пристрої комірки з’єднані послідовно з оптично прозорим тунельним переходом міжкомірковим електричним з’єднанням. У двоконтактній структурі потрібне лише одне зовнішнє навантаження, але для оптимальної роботи фотоструми в двох комірках повинні бути рівними. Ключовими питаннями для максимально ефективних монолітних каскадних елементів (двоконтактних багатоперехідних елементів, послідовно з’єднаних тунельним переходом XE “тунельні переходи”) є формування тунельних переходів з високою продуктивністю і стабільністю для з’єднання елементів, а також зростання оптимальної ширини забороненої зони верхніх і нижніх елементів на невідповідних решітці підкладках, не допускаючи поширення шкідливих дислокацій, викликаних тепловим напруженням.

короткий, огляд, високоефективних, сонячних, елементів, iii-v

Як показано в таблиці 3, з’єднання піделементів є одним з найважливіших ключових питань для реалізації високоефективних сонячних елементів з МДж. Виявлено, що структура DH ефективно запобігає дифузії домішок з тунельного переходу і авторами отримано високу пікову густину тунельного струму [30, 31]. На рисунку 15 показана залежність температури відпалу (еквівалентна температурі росту верхніх шарів комірки) для тунельних діодів з подвійною гетероструктурою від густини тунельного пікового струму. X. мольна частка Al в бар’єрних шарах AlxGa1-xAs [30, 31]. Також було виявлено, що дифузія домішок з тунельного переходу ефективно пригнічується тунельним переходом з більш широкою забороненою зоною матеріалу з більш широкою забороненою зоною матеріалу з подвійною гетеро (DH) структурою [32]. Вважається, що ці результати пояснюються нижчим коефіцієнтом дифузії домішок у матеріалах з більш широкою забороненою зоною, таких як бар’єрний шар AlInP і шар тунельного переходу InGaP [32].

В результаті розробки високоефективного тунельного переходу з високою щільністю тунельного пікового струму були розроблені високоефективні сонячні елементи з МДж [30, 33, 34]. На рис. 16 показано структуру і освітлений світлом (AM1).5G 1-сонце) I-V характеристики 3-перехідного сонячного елемента InGaP/GaAs/InGaAs. 37.Ефективність 9% при AM1.G 1-сонце і 44.4% при концентрації 300 сонячних днів були продемонстровані з 3-перехідним сонячним елементом InGaP/GaAs/InGaAs від Sharp [35]. Spectrolab досягла 38.8% ККД під 1-сонцем з 5-перехідними сонячними елементами [36]. FhG-ISE продемонстрував 46.0% при концентрації 58 сонць з 4-перехідними сонячними елементами [37]. Зовсім недавно, 39.2% при АМ1.5 1-sun і 47.1% при 144 сонцях було реалізовано з 6-перехідною коміркою від NREL [7].

Радіаційна стійкість і космічне застосування одно- і багатоперехідних сонячних елементів III-V сполук

Розробка радіаційно-стійких сонячних елементів необхідна для космічного застосування, оскільки сонячні елементи деградують через генерацію дефектів під впливом радіаційного середовища в космосі. Центри рекомбінації, як правило, впливають на продуктивність сонячного елемента, зменшуючи довжину дифузії неосновних носіїв L в активному шарі сонячного елемента від значення до опромінення L0 до значення після опромінення Lφ за допомогою рівняння.

де суфікси 0 і φ показують до і після опромінення відповідно, Iri. швидкість введення i-го центру рекомбінації при опроміненні електронами, σi. переріз захоплення неосновних носіїв i-м центром рекомбінації, v. теплова швидкість неосновних носіїв, D. коефіцієнт дифузії неосновних носіїв, KL. коефіцієнт пошкодження для довжини дифузії неосновних носіїв, і φ. швидкість потоку електронів. Сонячні елементи на основі сполук III-V мають кращу радіаційну стійкість порівняно з кристалічними елементами Si, оскільки багато матеріалів на основі сполук III-V мають пряму заборонену зону і вищий коефіцієнт оптичного поглинання порівняно з Si з непрямою забороненою зоною. Крім того, матеріали на основі InP, такі як InP, InGaP, AlInGaP, InGaAsP, мають вищу радіаційну стійкість порівняно з Si та GaAs і мають унікальні властивості, які полягають у тому, що радіаційно-індуковані дефекти в матеріалах на основі InP анігілюються при інжекції неосновних носіїв, таких як освітлення світлом при кімнатній температурі або низькій температурі менше 100 К [38, 39].

На рисунку 17 показано розрахований розподіл ефективності збирання носіїв в Si, GaAs та InP при опроміненні електронами з енергією 1 МеВ, розрахований з використанням наших експериментальних значень [40, 41, 42] та рівняння (1). (13), і, припускаючи ефективність збору носіїв як функцію від експозиції, можна зробити висновок, що в космічному просторі вони можуть бути використані для збору носіїв.(-x/L). З рисунку 17 видно, що GaAs має кращу радіаційну стійкість, а InP має вищу радіаційну стійкість порівняно з Si.

На рисунку 18 показано зміну ефективності одноперехідного Si, одноперехідного GaAs та 3-перехідного InGaP/GaAs/Ge космічних сонячних елементів в залежності від флюенсу електронів 1 МеВ. Сонячні елементи InGaP/GaAs/Ge з 3-переходом зараз в основному використовуються в космосі, як показано нижче, оскільки вони стійкі до радіації і мають високу ефективність у порівнянні з космічними сонячними елементами Si і GaAs [43].

короткий, огляд, високоефективних, сонячних, елементів, iii-v

Оскільки одноперехідні сонячні елементи GaAs та багатоперехідні сонячні елементи III-V сполук мають високу ефективність та радіаційну стійкість у порівнянні з сонячними елементами Si, сонячні елементи III-V сполук в основному використовуються в космосі, як показано на рисунку 19 [44].

короткий, огляд, високоефективних, сонячних, елементів, iii-v

Перспективи на майбутнє

Багатоперехідні сонячні елементи будуть широко використовуватися в космосі через їх високу ефективність перетворення і хорошу радіаційну стійкість. Однак, щоб широко застосовувати надвисокоефективні елементи на Землі, необхідно підвищити їх ефективність перетворення і знизити їх вартість. На рисунку 20 показано потенціал ефективності одноперехідних і багатоперехідних сонячних елементів, розрахований за аналогічною процедурою, представленою в розділі 2, у порівнянні з експериментально реалізованою ефективністю при освітленні в 1 сонячний день. Хоча одноперехідні сонячні елементи мають потенційну ефективність менше 32%, 3-перехідні і 6-перехідні сонячні елементи мають потенційну ефективність 42% і 46%, відповідно.

Концентраторні фотоелектричні системи (CPV) [45], що мають у кілька разів більшу річну потужність виробництва електроенергії, ніж звичайні плоскі системи з кристалічного кремнію, відкриють новий ринок для квартир або будинків на дахах і зарядних станцій для електромобілів, що працюють від акумуляторних батарей. Інші цікаві застосування. у сільському господарстві та на великих фотоелектричних станціях.

Багатоперехідні сонячні елементи дуже очікувані як високоефективні сонячні елементи в електричних транспортних засобах, що працюють на сонячних батареях. Рисунок 21 показує необхідну ефективність перетворення сонячних модулів в залежності від площі їх поверхні та електричного пробігу для досягнення 30 км/день при русі зі швидкістю 30 км/день. Переважна частина установки. дах транспортного засобу. Через обмеження простору для легкових автомобілів, розробка високоефективних модулів сонячних елементів з ККД більше 30% є дуже важливою, як показано на рисунку 21 [46, 47]. На додаток до високої ефективності, необхідне зниження вартості модулів сонячних елементів. Тому необхідна подальша розробка високоефективних і недорогих модулів.

Висновок

У цій главі розглянуто прогрес в області одноперехідних сонячних елементів на основі GaAs і складних багатоперехідних сонячних елементів III-V, а також ключові питання для реалізації високоефективних сонячних елементів. Сонячні елементи III-V класу внесли свій внесок як космічні та концентраторні сонячні елементи і, як очікується, створять нові ринки, такі як великомасштабні електроенергетичні системи та електромобілі, що працюють на сонячних батареях. Щодо одноперехідних сонячних елементів, зокрема, сонячні елементи GaAs показали 29.1% при освітленні 1-го сонця, найвищий показник для одноперехідних сонячних елементів. Крім того, аналітичні результати для нерадіаційної рекомбінації і втрат опору в сонячних елементах з III-V сполук показані шляхом розгляду фундаментальних основ основних втрат в матеріалах і сонячних елементах з III-V сполук. Оскільки гранична ефективність одноперехідних сонячних елементів становить 30-32%, були розроблені багатоперехідні сонячні елементи, а 3-перехідні сонячні елементи на основі InGaP/GaAs широко використовуються в космосі. Сонячні елементи InGaP/GaAs/InGaAs з трьома переходами зафіксували 37.4% під 1-м сонцем і 44.4% при концентрації. Нещодавно найвища ефективність 39.1% під 1-сонцем і 47.2% при концентрації 144 сонця були продемонстровані з 6-перехідними сонячними елементами. Потенційна ефективність 3-перехідних і 6-перехідних сонячних елементів становить 42% і 46% під дією 1-го сонця, відповідно. Подальший розвиток високоефективних і недорогих сонячних елементів і модулів необхідний для створення нових ринків.

Подяки

Наші дослідження були частково підтримані NEDO (Організація розвитку нових енергетичних та промислових технологій) та JSPS (Японське товариство сприяння науці). Автор висловлює щиру подяку доктору. T. Такамото, Шарп, доктор. K. Аракі, Toyota Tech. Інститути, що займаються розробкою високоефективних сонячних., Д-р. M. Імаїдзумі, JAXA, доктор. A. Ямамото, Fukui Univ., Д-р. H. Сугіура і д-р. C. Амано, раніше NTT Lbs., Доктор. SJ. Тейлор, ЄКА, професор. A. Кан, Університет Південної Арабами., Професор. HS. Лі, Корейський університет., Професор. N. Екінс-Доукс, UNSW, проф. A. Luque, UPM, доктор. A. Bett Dr. G. Sifer та Dr. F. Дімрот, FhG-ISE, д-р. M. Аль-Джассім, доктор. R. Аренкель і доктор. J.F. Geisz, NREL за плідну співпрацю та обговорення.

Конфлікт інтересів

Список використаної літератури

Розділи

  • 1. Вступ
  • 2. Аналіз втрат на безвипромінювальну рекомбінацію та опір в одноперехідних сонячних елементах
  • 3. Історичний прогрес та ключові проблеми високоефективних складних одноперехідних сонячних елементів III-V класів
  • 4. Історичний прогрес та ключові проблеми високоефективних складних багатоперехідних сонячних елементів III-V
  • 5. Радіаційна стійкість та космічне застосування складних одно- та багатоперехідних сонячних елементів III-V класів
  • 6. Перспективи на майбутнє
  • 7. Висновок
  • Подяки
  • Конфлікт інтересів

Короткий огляд високоефективних сонячних елементів III-V класу для космічних застосувань

J. Лі, А. Aierken, Y. Liu, Y. Zhuang, X. Янг, Дж. H. Мо, Р. K. Вентилятор, Q. Y. Чен, С. Y. Чжан, Ю. M. Хуан і Q. Чжан

Потреба в космічних сонячних елементах постійно зростає зі швидким розвитком космічних технологій і складних космічних місій. Космічні сонячні елементи стикаються з більш важливими проблемами, ніж раніше: вища ефективність перетворення і краща радіаційна стійкість. Будучи основним джерелом живлення в космічних апаратах, багатоперехідні сонячні елементи III-V є основним напрямком застосування в космосі завдяки своїй високій ефективності та надвисокій радіаційній стійкості. У структурі багатоперехідних сонячних елементів ключовим фактором для отримання високої якості кристалів і підвищення ефективності елемента є дотримання умов узгодження кристалічної решітки і ширини забороненої зони. В останні роки постійно з’являються нові матеріали та нові структури високоефективних багатоперехідних сонячних елементів, які відрізняються низькою вартістю, легкістю, гнучкістю та високим співвідношенням потужності до маси. На додаток до ефективності та інших властивостей, радіаційна стійкість є ще одним єдиним критерієм для космічних сонячних елементів, тому радіаційні ефекти сонячних елементів і механізм радіаційного пошкодження були широко вивчені в галузі космічних сонячних елементів за останні кілька десятиліть. У цьому огляді коротко підсумовано прогрес досліджень III-V багатоперехідних сонячних елементів за останні роки. Представлено різні типи клітинних структур, результати досліджень та радіаційні ефекти цих структур сонячних елементів при різних умовах опромінення. Представлено дві основні моделі оцінки радіаційного пошкодження сонячних елементів. метод еквівалентного флюенсу та метод дози пошкодження зі зміщенням.

Вступ

Космічні сонячні елементи, будучи найважливішим джерелом енергії, використовуються в космічних апаратах і супутниках вже більше шістдесяти років, з моменту запуску першого супутника в 1958 році [1]. Він був розроблений від початкових одноперехідних низькоефективних кремнієвих сонячних елементів [2] до високоефективних багатоперехідних III-V складних багатоперехідних сонячних елементів [3]. Основні цілі розвитку космічних сонячних елементів спрямовані на підвищення ефективності перетворення, зменшення питомої потужності та підвищення радіаційної стійкості [4-7]. В даний час найвища ефективність перетворення сонячних елементів становить 47.1%, досягнутий шестиперехідними інвертованими метамоічними (6 Дж IMM) сонячними елементами під 143 сонцями [8]. Високоефективні елементи з потрійним переходом III-V також стають мейнстрімом космічних сонячних елементів. Найкраща ефективність багатоперехідних космічних сонячних елементів дослідницького класу на сьогоднішній день становить 35.8% для п’ятиперехідного сонячного елемента з прямим зв’язком і 33.7% для монолітно вирощеного багатоперехідного сонячного елемента IMM потужністю 6 Дж [9, 10]. Незважаючи на високу вартість виготовлення, вони пропонують відмінну продуктивність і надійну стабільність для космічних місій [11-13]. GaInP/GaAs/Ge (1.82/1.42/0.67 еВ) комірки з потрійним переходом добре зарекомендували себе з ефективністю понад 30% і використовувалися в багатьох космічних програмах протягом останніх двох десятиліть. Однак невідповідність струму між його піделементами ускладнює подальше підвищення ефективності перетворення [14]. Для подолання цієї проблеми пропонуються нові структури сонячних елементів з узгодженими або неузгодженими структурами та різні методи виготовлення, такі як метод метамоічного (ММ) росту [15], механічний стек [16], технологія склеювання пластин [17] та ін.

Підвищуючи ефективність космічних сонячних елементів, слід також враховувати радіаційну стійкість. На орбіті сонячні елементи страждають від радіаційних пошкоджень через високоенергетичні протони та електрони в радіаційному поясі Землі та космічних променів [18, 19], і, як наслідок, фотоелектричні характеристики сонячних елементів будуть погіршуватися. Основною причиною погіршення характеристик сонячних елементів є радіаційно-індуковане пошкодження решітки сонячних елементів, що призводить до зменшення часу життя фотогенерованих носіїв [20-22]. Тому необхідно дослідити механізм деградації та продуктивність сонячних елементів в умовах опромінення, а також застосувати методи радіаційного загартування перед початком космічної місії. Деградація електричних характеристик сонячних елементів безпосередньо впливає на термін служби космічних місій. Дослідники прагнули покращити радіаційну стійкість сонячних елементів шляхом додавання певної товщини захисного покриття до сонячного елемента для захисту від пошкодження певними частинками [23], використання задньої поверхні (BSF) [24] або розподіленого бреггівського відбивача (DBR) [25] та зменшення товщини базового шару струмообмежувальної підкомірки [26], або використання p-i-n структури та різних методів легування для багатоперехідних сонячних елементів [27]. Експериментальні спостереження показують, що відпал багатоперехідного сонячного елемента може відновити певні електричні властивості після опромінення високоенергетичними частинками [28].

В останні роки різними дослідницькими групами були розроблені різні нові типи багатоперехідних сонячних елементів з різними комбінаціями матеріалів, і очікування щодо майбутнього розвитку є різними. Ефективність перетворення сонячних елементів швидко оновлюється, і вчені все ще намагаються розробити сонячні елементи, які мають високу ефективність перетворення і володіють хорошою радіаційною стійкістю. Хоча існує кілька оглядів, які висвітлюють виробництво, ефективність та перспективи застосування фотоелектричних модулів [29, 30], нові типи високоефективних космічних сонячних елементів на основі сполучених матеріалів III-V ще не були узагальнені. У цьому огляді зроблено спробу дати короткий огляд різних типів космічних сонячних елементів і підкреслити ефекти опромінення сонячних елементів частинками високої енергії та останні результати щодо найбільш перспективних типів сонячних елементів, включаючи розбавлені нітридні, метамоічні, механічні стеки та багатоперехідні сонячні елементи зі склеюванням пластин.

Різні типи високоефективних сонячних елементів

З удосконаленням виробничого процесу та технології осадження матеріалів індустрія сонячних елементів отримала величезний розвиток. Матеріали сонячних елементів розробляються від монокристалічного матеріалу (монокристалічний Si, одноперехідний GaAs, CdTe, CuInGaSe та амоний Si:H) до складних матеріалів, таких як багатоперехідні сонячні елементи III-V, перовскітні елементи, сенсибілізовані барвниками елементи, органічні елементи, неорганічні елементи та елементи з квантових точок [31-33]. Структура сонячних елементів також утворює однорідний перехідний елемент до гетерогенного перехідного сонячного елемента, сонячний елемент з переходом Шотткі, складний перехідний сонячний елемент та рідкий перехідний сонячний елемент. З метою використання, вони також були розроблені від плоских елементів до концентраторів і гнучких елементів [34, 35].

Кремнієві сонячні елементи використовувалися в якості першого вибору в космічних апаратах з моменту запуску першого супутника на сонячних батареях в 1958 році. Радянська космічна станція “Мир”, запущена в 1986 році, була оснащена сонячними елементами GaAs потужністю 10 кВт, а потужність на одиницю площі досягала 180 Вт/м2 [36]. Згодом технологія виготовлення елементів на основі GaAs зазнала змін: від рідиннофазної епітаксії (LPE) до металоорганічної епітаксії з парової фази (MOVPE), від гомогенної епітаксії до гетерогенної епітаксії, від одноперехідної до багатоперехідної структури [37-39]. Слід зазначити, що їх ефективність постійно підвищувалася з початкових 16-25%, і було досягнуто понад 100 кВт промислової потужності на рік [40]. Вища ефективність зменшує розмір і вагу масиву, збільшує корисне навантаження космічного апарату і призводить до зниження витрат на всю енергетичну систему супутника. Тому сонячні елементи на основі GaAs широко використовуються в космічних системах і продовжують використовуватися сьогодні [41-43]. У порівнянні з кремнієвими сонячними елементами, сонячні елементи GaAs мають наступні переваги [42]:

(1) Вища ефективність фотоелектричного перетворення.

(2) Напівпровідникові матеріали з прямою забороненою зоною.

(3) Керування шириною забороненої зони шляхом контролю складу та легування матеріалу.

(4) Чудова радіаційна стійкість.

Однак процеси, пов’язані з виробництвом сонячних елементів GaAs, є складними, а їх вартість набагато вища, ніж у кремнієвих сонячних елементів, через дороге обладнання та підготовку матеріалу. Тому сонячні елементи GaAs не можуть широко використовуватися на цивільному ринку. Тим не менш, сонячні елементи GaAs поступово витісняють кремнієві сонячні елементи в аерокосмічній галузі, де потрібна вища ефективність і краща радіаційна стійкість.

Втрати ефективності сонячних елементів можна розділити на дві частини: втрати, що не поглинаються, і надлишкові втрати енергії. Коли фотон взаємодіє з напівпровідниковими матеріалами, де енергія фотона менша за ширину забороненої зони, електрони валентної зони не збуджуються, і вони не генерують електронно-діркову пару для утворення електричного струму. Однак, коли енергія фотонів перевищує ширину зазору, надлишок енергії втрачається у вигляді фононів або тепла [44]. На щастя, багатоперехідні сонячні елементи успішно вирішили цю проблему. Напівпровідникові матеріали з різними ширинами заборонених зон розташовуються зверху вниз від великих до малих, і фотони з більшою енергією поглинаються верхнім матеріалом з великою шириною забороненої зони. Фотони з низькою енергією проходять через верхній матеріал з великою шириною забороненої зони і досягають відповідної ширини забороненої зони, щоб генерувати енергію. Таким чином, для багатоперехідних сонячних елементів, пошук відповідного струму і матеріалу, що відповідає кристалічній решітці, є критично важливим і загальним завданням [14, 45]. У наступних розділах представлено короткий огляд різних типів багатоперехідних сонячних елементів з точки зору їх продуктивності.

Багатоперехідний сонячний елемент з решіткою GaInNAs

У 1996 році Kondow et al. продемонстрували епітаксійний ріст на 1.0 еВ Матеріал GaInNAs з шириною забороненої зони, що узгоджується з решіткою підкладки GaAs, і застосований для виготовлення інфрачервоного лазера [46]. З тих пір розбавлені нітридні матеріали GaInNAs широко використовуються в гетероперехідних біполярних транзисторах (HBTs) [47] і лазерах [48], де базовий шар GaInNAs HBTs може знижувати напругу відкритого стану і працювати при низькій робочій напрузі. Ці властивості розбавлених нітридних матеріалів GaInNAs також корисні в бездротовому зв’язку та підсилювачах потужності. GaInAsN. це напівпровідниковий матеріал з прямою забороненою зоною, який може змінювати свою ширину забороненої зони, регулюючи вміст компонентів азоту та індію, зберігаючи при цьому постійність своєї решітки, що відповідає звичайним матеріалам підкладки, таким як GaAs та Ge. Ці переваги дають великий потенціал для використання 1.0 еВ субкомірка у високоефективному багатоперехідному сонячному елементі [49].

Ga1-xInxNyAs1-y використовується як матеріал піделемента для чотириперехідного сонячного елемента GaInP/GaAs/GaInNAs/Ge від NREL [50]. Коли y = 0.3x, константа гратки Ga1-xInxNyAs1-y відповідає GaAs та Ge, що є ідеальним матеріалом для створення GaInP/GaAs/GaInNAs/Ge (1.88/1.42/1.05/0.67 еВ) чотириперехідний сонячний елемент з узгодженням ширини забороненої зони. На рисунку 1А показана репрезентативна структура пристроїв GaInNAs, вирощених за допомогою MOVPE. Пристрій вирощується з використанням диметилгідразину (DMHy) в якості джерела азоту. У той же час, результати експериментів показали, що залишковий коефіцієнт корисної дії комірки GalnAsN дорівнює 0.93 і 0.89 після 5 × 10 14 та 1 × 10 15 е/см 2 електронного потоку опромінення електронами з енергією 1 МеВ відповідно [51]. Питома деградація параметрів пристроїв наведена в таблиці 1. Результати показали, що цей тип клітинної структури має чудову радіаційну стійкість у порівнянні з традиційними багатоперехідними сонячними елементами, узгодженими з решіткою.

короткий, огляд, високоефективних, сонячних, елементів, iii-v

(A) Структура пристрою GaInNAs, вирощеного методом MOVPE з диметилгідразином як джерелом азоту [50]; (B) Структура сонячного елемента з потрійним переходом InGaP/AlGaAs//Si [67].

Тонкоплівкові сонячні панелі: Технології, переваги, недоліки та застосування

Фотоелектрична (PV) промисловість очолює традиційна технологія жорсткого кристалічного кремнію (c-Si), що відрізняється високою ефективністю, низькою ціною і більшою доступністю, але це не єдиний доступний варіант. Тонкоплівкова сонячна технологія має багато особливостей, які роблять її унікальною для конкретних застосувань, які не підходять для традиційних фотомодулів c-Si.

На ринку існує багато популярних тонкоплівкових сонячних технологій, включаючи арсенід галію (GaAs), телурид кадмію (CdTe) та інші, а також досліджуються і розробляються нові технології.

У цій статті ви дізнаєтеся про найважливіші тонкоплівкові сонячні технології, їх застосування, переваги та недоліки, а також інші цікаві факти про технологію.

короткий, огляд, високоефективних, сонячних, елементів, iii-v

Що таке тонкоплівкові сонячні панелі і чому вони так важливі для фотоелектричної промисловості?

Технологія тонкоплівкових сонячних панелей полягає в нанесенні надзвичайно тонких шарів (від нанометрів до мікрометрів) напівпровідників на підкладку, яка слугує корпусом для фотоелектричного модуля. Ці матеріали генерують електроенергію з сонячного випромінювання за допомогою фотоелектричного ефекту.

Традиційні фотоелектричні модулі c-Si в минулому затьмарювали тонкоплівкову сонячну технологію завдяки більш високій ефективності за пристойну вартість, але в останні роки ця тенденція змінюється на протилежну. В даний час технологія c-Si має кращу ефективність, ніж більшість тонкоплівкових сонячних модулів, при хорошій вартості, але тонкоплівкова сонячна технологія особливо підходить для унікальних застосувань в фотоелектричній промисловості, які роблять її незамінною для кристалічного кремнію.

Яскравим прикладом є технологія арсеніду галію (GaAs). Незважаючи на високу вартість, вона має високу ефективність до 30% в стандартних умовах тестування (STC) і 68.9% в унікальних лабораторних умовах, що робить його ідеальним для концентрованих фотоелектричних систем (CPV) та космічних застосувань. Тонкоплівкова сонячна технологія також може бути використана для гнучких фотомодулів, придатних для різних застосувань, інтегрованих фотоелектричних систем (BIPV), портативних застосувань і т.д.

Найпопулярніші технології тонкоплівкових сонячних панелей та їх застосування

Тонкоплівкова сонячна технологія. це збірник різних технологій, включаючи передові технології, популярні технології, що використовуються в комерційних цілях, і перспективні технології, що знаходяться в стадії розробки. У цьому розділі ми пояснюємо найважливіші тонкоплівкові сонячні технології та їх застосування.

Арсенід галію (GaAs) Германій (Ge): Найпопулярніша тонка плівка для концентрованої фотоелектричної енергії (CPV) та космічних застосувань

Арсенід галію (GaAs) і германій (Ge). дві найважливіші тонкоплівкові сонячні технології, що входять до категорії багатоперехідних III-V фотоелектричних елементів. Це складно розроблені модулі, виготовлені з декількома переходами замість одного, розроблені для того, щоб перевершити 33.5% обмеження ефективності Шоклі-Куайссера для однозонних сонячних елементів.

Тонкоплівкові сонячні елементи GaAs і Ge виготовляються з використанням галію і арсеніду для GaAs, і германію для Ge фотомодулів. III-V багатоперехідна конструкція в поєднанні з матеріалами збільшує ширину забороненої зони, що призводить до більш високої рухливості електронів і швидкості насичених електронів, дозволяючи цим тонкоплівковим фотоелектричним модулям поглинати більше енергії фотонів і забезпечувати більш високу ефективність.

Основним недоліком тонкоплівкових сонячних елементів GaAs і Ge є їх висока виробнича вартість і складність у вирощуванні для масового виробництва. Незважаючи на те, що це є обмеженням, його висока ефективність досягає 68.9% робить його унікально придатним для космічних застосувань та концентрованої фотоелектрики (CPV).

Телурид кадмію (CdTe) Індій-(Галій)-селенід міді (CIGS і CIS): Найпопулярніша тонка плівка для комерційного застосування

короткий, огляд, високоефективних, сонячних, елементів, iii-v

Телурид кадмію (CdTe), селенід міді-індію-галію (CIGS) і селенід міді-індію (CIS) складають ще одну важливу групу тонкоплівкових сонячних технологій. Рекордна ефективність встановлена на рівні 22.1% для CdTe, 22.2% для CIGS і 23.5% для CIS. Вони також відрізняються дуже конкурентоспроможною вартістю за ват (/Вт).

Як і інші тонкоплівкові сонячні технології, фотомодулі CdTe, CIGS та CIS виготовляються шляхом нанесення тонких шарів напівпровідникових матеріалів за допомогою таких методів, як розпилення, випаровування, електрохімічне осадження та інші. Матеріал основи визначає гнучкість модуля, а отже, і сферу його застосування.

Тонкоплівкові сонячні панелі CdTe, CIGS і CIS не настільки популярні, як кристалічний кремній для житлових приміщень через нижчу ефективність і більшу площу на ват, але вони дешевші. Низька вартість вата робить ці технології унікально придатними для сонячних електростанцій, де простір для установки не є обмеженням, але витрати повинні бути зведені до мінімуму.

Використання в комерційних цілях є найважливішою роллю, яку ці тонкоплівкові сонячні технології відіграють у фотоелектричній промисловості. Такі технології, як CdTe, CIGS та CIS, використовуються для створення електронних пристроїв з вбудованою сонячною генерацією, портативних фотомодулів, BIPV, сонячної черепиці, гнучких фотомодулів для різних застосувань тощо.

У минулому CdTe, CIGS і CIS були не єдиними популярними тонкоплівковими сонячними технологіями, що використовувалися для комерційного застосування. Іншими важливими технологіями, які займали значну частку ринку, були амоний кремній (a-Si) і мікромоний кремній (μ-Si), але нездатність підвищити ефективність і знизити вартість призвела до їх поступового зникнення з ринку.

Органічні тонкоплівкові фотоелектричні перетворювачі (OPV) на основі перовскітів: Інші важливі тонкоплівкові технології, що розробляються

Тонкоплівкові сонячні панелі ще не досягли свого піку, оскільки наукове співтовариство все ще працює над дослідженням і розробкою нових і більш досконалих технологій. Поточний досліджуваний тренд включає органічні тонкоплівкові фотоелектричні перетворювачі (OPV) і тандемні елементи на основі перовскіту, обидва мають багатообіцяюче майбутнє в фотоелектричній промисловості.

OPV виготовляються з використанням двох напівпровідникових матеріалів, з’єднаних між собою, причому один з шарів є струмопровідним барвником або органічним напівпровідником. Ця технологія демонструє багатообіцяюче майбутнє, забезпечуючи низьку собівартість виробництва та високу стабільність, і вона може спричинити швидкий зсув на ринку фотоелектричних панелей у майбутньому, якщо будуть подолані поточні обмеження.

Тандемні сонячні елементи складаються з тонкоплівкової сонячної технології, яка укладає шари перовскітних p-n переходів на основі кристалічного кремнію або інших тонкоплівкових сонячних елементів, демонструючи багатообіцяюче майбутнє для конкуренції з традиційним кристалічним кремнієм завдяки своїй потенційній низькій вартості та високій ефективності. Рекордна ефективність для тандемних сонячних елементів наразі встановлена на рівні 28.3% для елементів на основі c-Si та 26.2% для елементів на основі CIGS.

Виклики для тандемних перовскітних сонячних елементів включають чутливість до води, широку заборонену зону, неконтрольовану кристалізацію та інші. OPV-елементи також повинні бути розроблені як великогабаритні сонячні елементи і вирішити кілька інших проблем, щоб вийти на ринок. У майбутньому ці тонкоплівкові сонячні технології можуть замінити жорсткі та інші тонкоплівкові фотоелектричні модулі, забезпечуючи більшу гнучкість, меншу вартість і меншу вагу фотоелектричних модулів.

Плюси та мінуси тонкоплівкових сонячних технологій

Вивчення переваг і недоліків різних груп тонкоплівкових сонячних технологій. відмінний спосіб зрозуміти їх унікальні особливості. У цьому розділі ми розглянемо кожну з них.

Тонкоплівкові сонячні технології, такі як GaAs і Ge, здатні забезпечити вражаючу продуктивність, але за вищу ціну. Інші тонкоплівкові сонячні технології, такі як CdTe, CIGS і CIS, можуть вимагати великого простору для розміщення такої ж фотоелектричної системи, яку ви встановили б з фотомодулями c-Si, але краща економічна ефективність і унікальні властивості роблять ці технології унікальними для комерційного застосування.

У міру подальшого розвитку цих технологій майбутні прориви можуть підвищити їх ефективність і знизити витрати, що зробить їх більш популярними і збільшить їх частку на ринку. Наступна таблиця ілюструє найважливіші плюси і мінуси для кожної групи тонкоплівкових сонячних технологій:

Плюси GaAs GeCdTe, CIGS та CISOPV Tandem Perovskite

GaAs та Ge є одними з найкращих та найефективніших тонкоплівкових сонячних технологій. Ці тонкоплівкові сонячні панелі забезпечують високу ефективність і відмінно працюють в умовах низьких і високих температур, будучи унікально придатними для фотоелектричних і космічних застосувань. Основними недоліками цих технологій є висока вартість виробництва і більш швидка, ніж у звичайних сонячних елементів, деградація.

Тонкоплівкові сонячні технології CdTe, CIGS та CIS довели свою цінність у фотоелектричній промисловості. Хоча вони менш ефективні, ніж кристалічний кремній, вони мають краще співвідношення ціна-ефективність і краще підходять для сонячних електростанцій. Їх унікальні властивості та низька вартість також роблять їх ідеальними варіантами для комерційних застосувань, таких як портативні фотомодулі, BIPV, гнучкі сонячні панелі та інші.

Тандемні сонячні елементи на основі перовскіту і OPV також мають багато переваг і великий потенціал для впливу на фотоелектричну промисловість. Єдина незручність полягає в тому, що дослідники повинні знайти рішення кількох проблем, перш ніж ці технології зможуть повністю вийти на ринок і використовуватися для всіх типів комерційних застосувань.

Ринок тонкоплівкових сонячних панелей

короткий, огляд, високоефективних, сонячних, елементів, iii-v

У фотоелектричній промисловості в основному домінують технології монокристалічного та полікристалічного кремнію з часткою виробництва близько 95%. Тонкоплівкова сонячна технологія також є гравцем у фотоелектричній промисловості, з часткою виробництва 5% для використання на сонячних електростанціях, BIPV, космічних додатках, звичайних фотоелектричних установках на дахах тощо.

У 2021 році ринок тонкоплівкових сонячних батарей оцінювався в 12.2 мільярди і 14.7 мільярдів доларів до 2022 року, або близько 5% всього фотоелектричного ринку. Крім того, за 3 роки з 2018 по 2021 рік валове світове виробництво (GWp) тонкоплівкової сонячної енергії на основі CdTe зросло втричі, ставши найпопулярнішою тонкоплівковою сонячною технологією, що виробляється у світі.

Оскільки тонкоплівкові сонячні технології продовжують розвиватися, очікується, що частка ринку цієї технології буде ще більше розвиватися в фотоелектричній промисловості. За оцінками дослідження Custom Market Insights, до 2023 року галузь тонкоплівкової сонячної енергетики може зрости на 74.82% до 25.7 мільярдів, що становить майже 10% частки ринку.

Найважливіші сфери застосування тонкоплівкових сонячних технологій

Тонкоплівкові сонячні панелі включають кілька технологій з різними характеристиками та властивостями. У цьому розділі ми пояснюємо важливі сфери застосування тонкоплівкових сонячних технологій, таких як GaAs, Ge, CdTe, CIGS і CIS.

Інтегрована фотоелектрика для будівель (BIPV)

Інтегрована фотоелектрика для будівель (BIPV) може використовуватися для фасадів, дахів та скління. Це застосування замінює дах, вікна (скління) та фасад будь-якої будівлі на естетично чудові тонкоплівкові сонячні фотоелектричні модулі, які повністю інтегруються в дизайн будівлі, забезпечуючи її здатністю генерувати сонячну енергію для використання на місці або для експорту в мережу.

Окупність інвестицій (ROI) для BIPV можна приблизно оцінити від 10 до 15 років, залежно від специфіки системи та місця розташування. BIPV-системи можуть працювати до 30 років, забезпечуючи більшу частину або всю енергію, необхідну для роботи будівлі. Популярні технології, що використовуються для BIPV, включають CdTe, CIGS та CIS.

Концентровані фотоелектричні системи (CPV)

Фотоелектрика низької та високої концентрації або CPV використовує оптичні пристрої для концентрації сонячного світла на поверхні фотоелектричних модулів. CPV можна використовувати з будь-якими сонячними панелями, але високоефективні тонкоплівкові сонячні панелі, такі як GaAs і Ge, краще підходять для цих застосувань, оскільки фотомодуль може виробляти на 30-40% більше енергії, ніж у звичайних умовах.

Космічні застосування

Космічні апарати, такі як супутники, космічні станції та ракети, піддаються впливу радіації, і в космос можна виводити обмежену вагу, що робить високоефективні та легкі тонкоплівкові фотомодулі, такі як GaAs і Ge, унікально придатними для цих застосувань. Хоча це дорогі технології, вони є більш економічно ефективними, ніж транспортування важких модулів у космос.

Переносні додатки

Тонкоплівкові сонячні технології, такі як CdTe, CIGS і CIS, відрізняються надійністю, гнучкістю, низькою вартістю і високою ефективністю, що робить їх кращими для портативних застосувань. Деякі з них включають складні тонкоплівкові сонячні панелі, сонячні зарядні пристрої для телефонів, сонячні ліхтарики, пристрої з вбудованими сонячними елементами тощо. Майбутні портативні додатки можуть включати сонячні смартфони.

Громадські пристрої/обладнання

Урядові та місцеві органи влади також використовують переваги тонкоплівкової сонячної технології для встановлення пристроїв та обладнання для громадських потреб, роблячи їх незалежними від електромережі та зменшуючи витрати на споживання електроенергії. Деякі з цих застосувань включають громадські Wi-Fi роутери з сонячними панелями, світлофори, що працюють на тонкоплівкових сонячних модулях, сонячні вуличні ліхтарі та багато іншого.

Застосування в транспортних засобах

Човни, автофургони, автобуси та інші транспортні засоби також користуються перевагами сонячної енергії завдяки тонкоплівковим сонячним технологіям. Деякі водії перевозять портативні тонкоплівкові сонячні панелі в своїх автомобілях, а інші йдуть ще далі, встановлюючи гнучкі модулі на носі човнів, капотах або дахах автофургонів тощо.

Фотоелектричні установки на даху

Тонкоплівкові фотоелектричні установки не такі популярні, як c-Si, але вони все ще зустрічаються. Деякі застосування включають установки на основі тонкоплівкової технології для сонячної черепиці та фотоелектричні установки над бізнес-будівлями, але здебільшого тонкоплівкові сонячні електростанції використовуються в комунальних та промислових установках, де важлива низька вартість і простір не є обмеженням.

Останнє слово: Майбутнє та обмеження тонкоплівкових фотоелектричних технологій

Розуміння обмежень та очікуваного майбутнього тонкоплівкової сонячної технології може бути корисним для визначення того, як буде розвиватися ця галузь фотоелектричної промисловості. Наприклад, тонкоплівкова сонячна технологія a-Si не змогла подолати проблеми з ефективністю та вартістю, що призвело до її витіснення з фотоелектричного ринку в попередні роки. Існують також побоювання щодо токсичних матеріалів і дефіциту матеріалів для тонкоплівкових сонячних продуктів.

Як не дивно, але для тонкоплівкових сонячних технологій також є цікаві новини.

Важливим є те, що певні тонкоплівкові сонячні технології, такі як GaAs, можуть мати майбутнє застосування, яке виходить за рамки сонячної енергетики і переходить на територію передачі електроенергії за допомогою оптики. Крім того, в майбутньому можуть бути розроблені тонкоплівкові сонячні технології з використанням нових матеріалів.

Підраховано, що галузь тонкоплівкових сонячних технологій зросте приблизно на 10% до 2030 року. Завдяки проривам, майбутнє тонкоплівкової сонячної технології може сяяти ще яскравіше, оскільки вона отримує подальший розвиток і займає все більшу частку ринку в фотоелектричній промисловості.

Тонкоплівкова сонячна технологія (посібник)

короткий, огляд, високоефективних, сонячних, елементів, iii-v

У галузі, яка постійно розвивається, тонкоплівкові сонячні панелі є цікавим та інноваційним продуктом, який можна використовувати для ефективного перетворення сонячного світла в електрику.

На відміну від традиційних, жорстких монокристалічних або полікристалічних фотоелектричних (ФЕП) сонячних панелей, які ви звикли бачити, тонкоплівкові сонячні елементи є тонкими і гнучкими.

Придатні для багатьох унікальних застосувань, тонкоплівкові панелі можуть використовуватися для виробництва електроенергії в різних випадках, коли традиційний тип сонячних панелей може бути менш ефективним.

Щоб допомогти вам зрозуміти переваги, недоліки, сильні та слабкі сторони тонкоплівкових сонячних панелей, давайте розглянемо, як вони працюють, і зануримося в деякі з найбільш захоплюючих аспектів цієї нової технології.

Визначення тонкоплівкової сонячної енергії

Тонкоплівкові сонячні панелі використовують енергію прямого сонячного світла за допомогою одного або декількох тонких шарів або тонкої плівки напівпровідникових матеріалів, розміщених на відповідній основі, такій як скло, пластик або метал.

Наприклад, калькулятори на сонячних батареях. одне з найбільш поширених застосувань тонкоплівкових елементів, з яким ви напевно знайомі.

Тонкоплівкові сонячні елементи можуть бути виготовлені з різних матеріалів, включаючи такі популярні сполуки, як:

  • Телурид кадмію (CdTe)
  • Диселенід міді, індію та галію (CuInSe2)
  • Амоний кремній (a-Si)
  • Арсенід галію

Хоча тонкоплівкові сонячні продукти існують вже кілька десятиліть, технологія швидко розвивається, а нові ідеї постійно випробовуються і вдосконалюються. На початку 2022 року дослідники з Університету Суррея успішно підвищили рівень поглинання енергії в тонкоплівковій сонячній панелі на 25%, досягнувши нового рекорду ефективності в 21%.

Відмінності між тонкоплівковими сонячними панелями та стандартними кремнієвими сонячними панелями

Ключовими відмінностями тонкоплівкових сонячних панелей від стандартних кремнієвих сонячних панелей є їх розмір, міцність і вартість. На відміну від громіздких, жорстких кремнієвих сонячних панелей, тонкоплівкові панелі тонкі, як аркуш паперу, дешевші у виробництві, доставці та встановленні, і можуть бути досить гнучкими для монтажу на вигнутих поверхнях.

Сьогодні традиційні монокристалічні та полікристалічні фотоелектричні (ФЕП) сонячні панелі, як правило, більш ефективні та довговічні, ніж їх тонкоплівкові аналоги. З меншою ефективністю може знадобитися більша площа поверхні для тонкоплівкових елементів, щоб перетворити таку ж кількість сонячного світла в електрику, як у стандартних кремнієвих сонячних панелей.

Проте, як більш легкий і дешевий варіант виробництва і транспортування, безперервний розвиток тонкоплівкових сонячних елементів дозволив цій технології отримати широке розповсюдження і світле майбутнє.

Основні матеріали для тонкоплівкових сонячних елементів

Готовий до технічного прогресу? Ось детальний огляд чотирьох основних матеріалів, що використовуються в тонкоплівкових сонячних панелях сьогодні:

Сонячні панелі з амоного кремнію (a-Si)

В якості першого комерційно доступного тонкоплівкового сонячного елемента смужки амоного кремнію (a-Si) використовувалися з кінця 1970-х років. На відміну від кристалічних кремнієвих пластин, що використовуються в жорстких панелях, елементи з амоного кремнію, як правило, мають низький рівень ефективності, але все ще добре працюють при різних рівнях інтенсивності світла.

Сонячні панелі з амоного кремнію виготовляються шляхом нанесення шару амоного кремнію на скляну поверхню за допомогою хімічного осадження з газової фази (CVD). Отриманий матеріал має низьку теплопровідність, а це означає, що він може поглинати більше тепла, ніж традиційні фотоелектричні елементи з кристалічного кремнію, не перегріваючись.

Незважаючи на те, що a-Si панелі дешеві у виробництві, вони мають тенденцію деградувати швидше, ніж інші типи тонкоплівкових сонячних панелей, і мають труднощі з роботою при температурі нижче нуля.

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

Як одна з найпопулярніших тонкоплівкових технологій, сонячні елементи CIGS використовують ряд шарів міді, індію, галію та селеніду для уловлювання сонячного світла та генерації електроенергії. Панелі CIGS використовують багатоступеневий процес збору та розділення електричних зарядів, що призводить до високоефективного виробництва електроенергії.

Дослідження CIGS дозволили створити модулі з тонкоплівковими сонячними панелями з ефективністю до 23% і вище, які можна порівняти з традиційними сонячними панелями, що підходить для інтеграції в будівлі та декількох різних гнучких застосувань. Однак інтеграція міді, галію, індію та диселеніду в один простий виробничий процес зробила комерційне виробництво технології складнішим і дорожчим, ніж інших тонкоплівкових елементів.

Сонячні панелі на основі телуриду кадмію (CdTe)

Поступаючись за популярністю лише CIGS, сонячні панелі на основі телуриду кадмію (CdTe) є ще однією тонкоплівковою технологією, яка набрала обертів за останнє десятиліття. Відомі своїм швидким і недорогим процесом розробки, сонячні панелі на основі телуриду кадмію досягли такої ж ефективності, як і традиційні кремнієві сонячні панелі, зі зниженою собівартістю виробництва.

Гнучкі і ультратонкі панелі CdTe є одними з найбільш досліджених і випробуваних технологій в новому поколінні сонячної енергетики. Однак токсичність матеріалів у сонячних панелях CdTe викликає певні екологічні занепокоєння.

Сонячні панелі на основі арсеніду галію (GaAs)

Сонячні елементи на основі арсеніду галію (GaAs) з ефективністю до 40% в умовах випробувань. ще одна давня технологія, яка використовується в тонкоплівкових панелях. Використовуючи сильні електричні та термостійкі властивості, сонячні панелі GaAs мають вищу рухливість електронів, ніж звичайні кремнієві модулі.

Випробувані і використовувані в сонячних автомобілях як на землі, так і в космосі (наприклад, марсохід), сонячні елементи GaAs найбільш придатні для потужних установок. Незважаючи на те, що їх виробництво дорожче, ніж інші тонкоплівкові технології, сонячні елементи GaAs продовжують впроваджувати інновації та розширювати межі потенціалу відновлюваної енергетики.

Переваги та недоліки тонкоплівкових сонячних панелей

У порівнянні з традиційними кремнієвими сонячними колекторами, тонкоплівкові сонячні панелі мають кілька явних переваг і недоліків.

Переваги тонкоплівкових сонячних панелей

  • Нижча вартість: Тонкоплівкові сонячні панелі, як правило, дешевші у виробництві, ніж традиційні модулі.
  • Менша вага: Не маючи громіздких або жорстких деталей, тонкоплівкові сонячні панелі легше транспортувати і встановлювати на різних поверхнях.
  • Гнучкість: Завдяки гнучким масивам тонкоплівкові сонячні панелі можна встановлювати на вигнутих будівлях, човнах, стінах тощо.
  • Менш інвазивні: На відміну від громіздких кремнієвих панелей, деякі люди вважають тонкоплівкові панелі менш інвазивними і більш візуально привабливими, ніж великі фотоелектричні масиви.

Недоліки тонкоплівкових сонячних панелей

  • Менша ефективність: Як правило, менш ефективні, ніж традиційні панелі, тонкоплівкові установки вимагають більше місця для виробництва тієї ж кількості електроенергії.
  • Знижена довговічність: Створені для гнучкості, тонкоплівкові сонячні панелі можуть бути більш схильні до тріщин, розривів і несправностей через погодні умови, такі як дощ або сніг.
  • Новіші технології: Випробування, виробництво та реальне застосування тонкоплівкових сонячних елементів все ще дуже обмежені в порівнянні з жорсткими фотоелектричними панелями.

Кращі виробники тонкоплівкових сонячних батарей

Оскільки це один з найбільш швидкозростаючих секторів індустрії відновлюваної енергетики, багато провідних виробників в даний час займаються виробництвом тонкоплівкових сонячних продуктів. Хоча колишні провідні компанії, такі як Solar Frontier, відійшли від космосу, є ще багато компаній, що виробляють тонкоплівкові сонячні батареї, за якими варто спостерігати в найближчі роки:

  • Hanergy: Hanergy. один з найбільших виробників сонячної енергетики у світі, що спеціалізується на тонкоплівкових сонячних панелях. Маючи шість дослідницьких центрів у Пекіні, Сичуані, Силіконовій долині та Уппсалі, Швеція, Hanergy зробила значні інвестиції в дослідження тонкоплівкових сонячних елементів, що призвело до отримання майже 1000 патентів у галузі нової енергетики, включаючи технологію селеніду міді індію галію (CIGS), яка досягла 21% ефективності.
  • Renogy: Завдяки широкому спектру гнучких сонячних продуктів, Renogy є компанією, орієнтованою на споживача для маломасштабного виробництва електроенергії. Сьогодні їхні тонкоплівкові сонячні панелі можна придбати поштучно або за оптовими цінами для великих установок.
  • SunPower: Як один з найбільших виробників сонячних панелей у світі, гнучкі сонячні панелі SunPower є портативними, гнучкими та підтримуються товстою, стійкою до атмосферних впливів мідною основою. Каліфорнійська компанія в даний час продає тонкоплівкові сонячні панелі в основному для використання в дорозі в автофургонах та інших невеликих додатках.

Захоплюючі розробки в області тонкоплівкових сонячних панелей

Маючи міцний фундамент, що спирається на десятиліття досліджень і розробок, тонкоплівкові сонячні елементи є одними з найбільш захоплюючих та інноваційних технологій, що визначають майбутнє сонячної енергетики. Хоча ми, можливо, ще тільки дряпаємо поверхню їхнього повного потенціалу, ось кілька цікавих досягнень, на які варто звернути увагу в найближчому майбутньому:

  • Дослідники зі Стенфордського університету розробили новий тип сонячних елементів, що використовують органічні молекули, які називаються перовскітними сонячними елементами, які можуть бути дешевшими і простішими у виробництві, ніж традиційні елементи на основі кремнію.
  • Аналогічно, дослідники розробляють робочу перовскітну “сонячну фарбу”, яку можна розпилювати, друкувати або фарбувати на поверхню для проведення електрики.
  • Майбутнє також світле для тонкоплівкових фотоелектричних систем, інтегрованих в будівлі, таких як прозорі сонячні панелі та сонячна черепиця. Як в житлових, так і в комерційних цілях, ці технології можуть використовувати тонкоплівкові сонячні батареї для виробництва електроенергії у функціональних елементах будівлі.
  • Якщо зазирнути ще далі, то успіх тонкоплівкових сонячних панелей у космосі робить цю легку та високоефективну технологію ключовим елементом у подальшому дослідженні Галактики.

Чи варто купувати тонкоплівкові сонячні панелі для даху вашого будинку?

Тонкоплівкові сонячні панелі в даний час найчастіше використовуються на комерційних будівлях, де є достатньо місця, оскільки багато житлових дахів мають обмежену загальну площу. Тим не менш, технологічний прогрес продовжує підвищувати ефективність тонкоплівкових панелей, і їх застосування в житловому секторі поступово стає все більш економічно вигідним.

Існує багато плюсів і мінусів придбання гнучких сонячних панелей, і вибір на користь використання тонкоплівкових елементів повинен бути зважений в кожному конкретному випадку.

Майбутнє тонкоплівкових сонячних панелей

Завдяки універсальності та простоті використання, тонкоплівкові сонячні панелі є одними з найцікавіших розробок у сонячній енергетиці. Оскільки технологія продовжує розвиватися, тонкоплівкові сонячні елементи використовуються в багатьох практичних додатках, а не тільки для виробництва електроенергії на даху.

Якщо ви розглядаєте можливість встановлення сонячних панелей будь-якого типу, ви можете поговорити з Palmetto, щоб дізнатися більше про ваші можливості. За допомогою нашого безкоштовного інструменту проектування сонячних панелей та розрахунку економії ви можете миттєво побачити, скільки ви можете заощадити за допомогою сонячної енергії.

Типи сонячних панелей

короткий, огляд, високоефективних, сонячних, елементів, iii-v

Всі сонячні панелі не однакові. Вони відрізняються за продуктивністю, зовнішнім виглядом, ціною, матеріалом, застосуванням та розміром. Типи сонячних панелей, які вам потрібні для вашого будинку або офісу, залежать від розміру даху, споживання, бюджету, ефективності, серед інших факторів.

Існує 3 найпоширеніші типи сонячних панелей:

  • Монокристалічні сонячні панелі
  • Полікристалічні сонячні панелі
  • Тонкоплівкові сонячні панелі

Хоча існують і інші типи сонячних панелей, більшість з них не є економічно або технологічно життєздатними.

Типи сонячних панелей поділяються на 3 групи. Класифікація ґрунтується на типі використовуваних матеріалів та комерціалізації продукту.

  • Сонячні панелі першого покоління
  • Сонячні панелі другого покоління
  • Сонячні панелі третього покоління

Сонячні панелі першого покоління

Монокристалічні та полікристалічні сонячні панелі підпадають під цю категорію. Елементи виготовляються з кристалічного кремнію та пластин арсеніду галію (GaAs). Це найпоширеніші типи сонячних панелей у комерційних та житлових сонячних панелях. Через їх широке використання їх також називають звичайними або традиційними сонячними панелями.

Сонячні панелі першого покоління. це найстаріші фотоелементи, їх виробництво та технологічне застосування добре відоме. GaAs є кращим матеріалом, ніж кремній, оскільки він має вищі оптичні властивості. Тому потрібні більш товсті кремнієві пластини, щоб використовувати таку ж кількість енергії, як GaAs.

Але галій та арсенід дорогі і не є комерційно вигідними для виробництва сонячних панелей. Матеріали обмежені на поверхні землі. Тому кремній залишається основним матеріалом у виробництві сонячних панелей.

Розглянемо кожен з типів сонячних панелей першого покоління.

Монокристалічні сонячні панелі

короткий, огляд, високоефективних, сонячних, елементів, iii-v

Сонячні елементи виготовлені з найчистішої форми кремнію. Вони мають однорідний кремнієвий склад, що забезпечує їм високу ефективність. Вони мають закруглені краї, оскільки кристали кремнію мають циліндричну форму. Ви можете ідентифікувати панелі за рівними рядами та стовпчиками.

Кремнієві пластини, що використовуються в монокристалічних елементах, мають високу ефективність (до 20%) у порівнянні з іншими типами сонячних панелей. Тому вам потрібно менше монокристалічних сонячних панелей; це робить їх ідеальними для використання на дахах невеликих розмірів. Ви також можете використовувати цей тип для кріплення на стовпах, оскільки простір також обмежений.

Однак ціна монокристалічних сонячних панелей вища. Вони дорожчі у виробництві, ніж інші типи. Сонячні панелі мають довший термін служби завдяки підвищеній стійкості до температур, а отже, більш тривалу гарантію. Система монокристалічних сонячних панелей може прослужити більше 30 років.

Полікристалічні сонячні панелі

Ви хочете встановити дешеві сонячні панелі, і у вас є необмежений простір на даху? Полікристалічні сонячні елементи мають нижчу ефективність, але їх можна використовувати в житлових будинках, де простір не є проблемою. Панелі також називають мультикристалічними сонячними панелями.

Хоча вони виготовляються з того ж матеріалу, що і монокристалічні, вони мають нижчу ефективність, яка коливається в межах 15-17%. Сонячні панелі мають плямистий синюватий колір, який багато домовласників вважають непривабливим. Ще одна відмінність від першого типу. зовнішній вигляд. Полікристалічні сонячні панелі мають гострі краї пластин через спосіб їх виготовлення.

Десять років тому полікристалічні сонячні панелі були найпоширенішим типом сонячних панелей. Однак їх популярність зменшилася через низьку ефективність. Середня потужність середньої системи полікристалічних сонячних панелей становить приблизно 300 Вт. Тому для системи сонячних панелей потужністю 6 кВт їх потрібно близько 20.

короткий, огляд, високоефективних, сонячних, елементів, iii-v

Тривалість життя полікристалічних сонячних панелей нижча. Таким чином, менший гарантійний термін, ніж у монокристалічних сонячних панелей. Вибір між полікристалічними та монокристалічними сонячними панелями не є однозначним. Кожна з них має своє ідеальне застосування, залежно від вашої ситуації. Вам слід вибрати мультикристалічні сонячні панелі, якщо ви хочете скоротити витрати, а розмір ваших дахових або наземних кріплень не обмежений. Однак на панелі впливають високі температури, що може скоротити термін їх служби.

Сонячні панелі другого покоління

Тонкоплівкові сонячні панелі складають друге покоління сонячних панелей. Деякі з найпоширеніших типів сонячних елементів 2-го покоління включають в себе:

  • Амоні кремнієві сонячні панелі
  • Телурид кадмію (CdTe)
  • Селенід міді індію галію (CIGS)
  • Концентровані фотоелектричні елементи (CVP)

Тонкоплівкові сонячні панелі мають нижчу ефективність, ніж кристалічні, через використовуваний матеріал. Вони поширені в комунальному господарстві, де достатньо місця.

Амоний кремній

Амоний кремній (a-Si) сонячні панелі виготовляються з гідрогенізованого кремнію, який має низьку ефективність перетворення енергії. Матеріал наноситься на гнучкі підкладки, такі як метал, пластик та скло. Сонячні панелі менш довговічні в порівнянні з кристалічними кремнієвими елементами, а отже, мають менший гарантійний термін.

Телурид кадмію

Сонячні панелі CdTe виготовляються з напівпровідників, запресованих між тонкими плівками скла. Існують побоювання щодо безпеки кадмію, але дослідження показують, що сполука цих двох елементів має меншу токсичність, ніж тільки Cd. Тому, щоб запобігти будь-яким негативним наслідкам для здоров’я, бажано правильно утилізувати матеріал. Цей тип сонячних панелей є найпоширенішим у комерційних тонкоплівкових системах.

Мідь індій галій селенід

Сонячні панелі CIGS є цікавим варіантом завдяки своїй високій ефективності. Однак вартість виробництва сонячних елементів робить їх дорогим варіантом. Сонячним панелям на основі селеніду міді, індію та галію важко конкурувати з кристалічними кремнієвими елементами. Однак, сонячні панелі мають більш високу ефективність, ніж інші види.

Тонкоплівкові сонячні панелі найбільш гнучкі. Вони можуть приймати різні форми для естетичної цінності. Існує багато досліджень, спрямованих на підвищення ефективності сонячних панелей та подолання комерційних і технологічних бар’єрів сонячних елементів.

Концентровані фотоелектричні елементи

CPV. це нова технологія, яка використовує вигнуті дзеркала та лінзи для концентрації сонячного світла на високоефективних сонячних елементах. Сонячні панелі можуть досягати ефективності до 41%, що вдвічі більше, ніж другий за ефективністю тип сонячних панелей. Комерційне застосування технології стане значним проривом у сонячній енергетиці, оскільки дозволить зменшити вартість і площу, необхідну для встановлення сонячних панелей.

Сонячні панелі третього покоління

Існує межа ефективності сонячних панелей. Коефіцієнт Шоклі-Куайссера коливається в межах 31-41% для одного сонячного елемента з односторонньою забороненою зоною. Третє покоління сонячних панелей прагне подолати цю межу і підвищити ефективність. Основна мета технології полягає в перетворенні несумісних світлових частот сонячних елементів у сумісні частоти.

Розробляються перспективні продукти, які можуть зробити сонячну енергетику більш ефективною. Сонячні панелі прагнуть використовувати сильні сторони кристалічного кремнію та фотоелектричної технології 2-го покоління. Найсучасніші сонячні панелі третього покоління включають:

Який тип сонячних панелей слід купувати?

Без оцінки вашої ситуації немає прямої відповіді на це питання. Деякі з основних факторів, які впливають на вибір типу сонячних панелей для вашої комерційної або житлової установки, включають

  • Розмір даху або місця для монтажу на землі.
  • Бюджет.
  • Естетичні уподобання.
  • Розмір системи сонячних панелей.

Монокристалічні сонячні панелі є найбільш ідеальними, якщо у вас обмежений простір. З іншого боку, полікристалічні елементи підходять при обмеженому бюджеті. Тонкоплівкові сонячні елементи є найпоширенішими в угодах про купівлю електроенергії через короткий термін служби. Вони також ідеально підходять для комунальних або комунальних сонячних енергетичних установок.

Технологія сонячної енергетики зазнає кардинальних змін за короткий період, тому що це технологія, що розвивається. Існує багато техніко-економічних обґрунтувань для оцінки застосування різних сонячних панелей, що розглядаються. Тому те, що ефективно сьогодні, може бути застарілим вже через рік. Ви повинні стежити за галуззю і провести ретельне дослідження, перш ніж зупинитися на будь-яких сонячних панелях.

Залишити відповідь