Огляд основних технологій тонкоплівкових сонячних елементів. Сонячні елементи 2-го покоління

Вимірювання електричних характеристик сонячних фотоелектричних елементів і масивів

Виробництво відновлюваної енергії необхідне для досягнення будівель з нульовим споживанням енергії. Сонячні фотоелектричні (ФЕ) батареї, як правило, пропонують найкращі засоби для забезпечення цього джерела енергії. Рішення про те, який фотоелектричний продукт вибрати і як кожна система спроектована, експлуатується та обслуговується, значною мірою залежить від інформації про електричні характеристики, що надається особам, які приймають рішення (наприклад.g., власник фотоелектричного масиву, менеджер об’єктів, фінансист). Крім того, додаткове використання фотоелектричних пристроїв 2-го і 3-го поколінь в умовах, що відрізняються від звичайного яскравого зовнішнього освітлення, таких як застосування в приміщеннях/при слабкому освітленні для живлення датчиків інтернету речей, встановлення при розсіяному освітленні або в ситуаціях, коли робота покращується при концентрованому освітленні, вимагає нових шкал вимірювань і методів визначення характеристик. Створення розробленого і відкаліброваного NIST стандартного еталонного сонячного елемента дозволило створити еталонний прилад з простежуваною системою SI, який зменшить невизначеність вимірювань електричних характеристик сонячних пристроїв, тим самим надаючи більше впевненості тим, хто визначає характеристики систем. Цей еталонний інструмент також є першим кроком до створення стандартних умов звітності (SRC), відмінних від часто використовуваного “1 сонце” або повітряної маси 1.5 умов освітлення. Завдяки власній розробці методу диференціальної спектральної чутливості, продуктивність цих еталонних елементів NIST може бути виміряна і відкалібрована практично за будь-яких умов освітлення, що дозволяє NIST калібрувати сонячні елементи в унікальних умовах, які на сьогоднішній день не пропонує жодна інша лабораторія в світі. Ці зусилля також передбачають, що NIST очолить комітет з написання нових стандартів для визначення характеристик сонячних елементів за нестандартних умов звітності. NIST також завершить роботу по збору високоякісних даних про продуктивність з польових майданчиків. Два майданчики, які раніше були обладнані інструментами, будуть підтримуватися, як і метеорологічна станція. Дані з експериментів будуть опубліковані для використання зовнішніми дослідниками.

Опис

Мета. Розвивати і вдосконалювати науку про вимірювання, щоб (1) точної характеристики електричних та оптичних характеристик сонячних фотоелектричних елементів, (2) розробки стандартного еталонного елемента з відповідними калібруваннями за стандартних умов звітності або спеціальних умов звітності, які вважає необхідними кінцевий користувач, і (3) дослідження ефективності нових поколінь фотоелектричних технологій за різних умов освітлення або для збору енергії для живлення пристроїв Інтернету речей (IoT).

У чому полягає нова технічна ідея? Технічна ідея полягає в удосконаленні та впровадженні найсучасніших методів визначення характеристик фотоелектричних елементів, а також у розробці стандартних еталонних приладів, методів вимірювання та нових стандартів для вирішення найсучасніших завдань у цій галузі. NIST успішно розробив (1) гібридний монохроматорний метод вимірювання спектрального відгуку на основі світлодіодів (LED), (2) новий комбінаторний метод оцінки залежності фотоструму від освітленості елемента (патент був виданий у 2018 році), (3) різноманітні сонячні симулятори та термозалежні I-V вимірювальні станції для отримання електричних характеристик одно- та багатоперехідних фотоелементів, багатоперехідних та інших нетрадиційних фотоелектричних елементів і модулів, (4) спеціальна система гіперспектральної візуалізації, здатна виконувати електролюмінесцентну візуалізацію сонячних елементів від мікронного масштабу до розмірів до 150 мм, і (5) підхід для кількісної оцінки спектральної залежності часу життя носіїв заряду. Також був досягнутий прогрес у завершенні остаточного набору можливостей NIST по визначенню характеристик фотоелектричних елементів. Що стосується вимірювальної служби, то було виготовлено і випробувано еталонний сонячний елемент, і для нього було розроблено комплексний бюджет невизначеності. Спочатку більша частина прогресу, зазначеного вище, була досягнута при зосередженні уваги на застосуванні одноперехідних монокристалічних кремнієвих (моно-Si) фотоелементів. Однак, за останні кілька років був досягнутий значний прогрес у вимірюванні та визначенні характеристик інших нових фотоелектричних технологій, таких як багатоперехідні сонячні елементи, і ця робота буде продовжуватися. Крім того, нові фотоелектричні матеріали, які покращили свої характеристики в умовах низької освітленості і нестандартних умов зйомки, знаходять все ширше застосування для живлення датчиків і засобів керування в будівлях, і необхідна робота, щоб найкращим чином зафіксувати їхні характеристики в очікуваних умовах навколишнього середовища. У всіх випадках будуть вжиті заходи, які мінімізують невизначеності вимірювань.

Що стосується збору польових даних, то за останні кілька років було зібрано дуже якісний набір фотоелектричних і метеорологічних даних, і такі фактори, як надмірність вимірювань, роздільна здатність вимірювань (i.e., на рівні модуля, рядка та/або ланцюга), частота дискретизації, швидкість збору даних та кураторство розгорнутих приладів були враховані для отримання детального та надійного набору даних. Такий підхід дозволяє максимально ефективно використовувати дані для ефективної оцінки та вдосконалення імітаційних моделей фотоелектричних систем, для надання наборів даних, які можна впевнено використовувати при навчанні використанню комерційно доступних інструментів моделювання фотоелектричних систем, для аналізу впливу локальних фотоелектричних станцій на електричну мережу та для кращої оцінки локальної фотоелектричної генерації за кілька хвилин до цілої доби наперед, а також для кількісної оцінки впливу використання даних з більш типових систем моніторингу фотоелектричних полів при дослідженні таких питань, як виявлення несправностей та прогнозування терміну служби. Значна частина цього набору даних була опублікована на загальнодоступному веб-сайті (https://pvdata).ніст.gov/), і більша частина цих даних буде оцінена і підготовлена для поширення в Інтернеті або безпосередньо співробітникам протягом наступного року.

Який план дослідження? Будуть продовжені зусилля по створенню вимірювальної служби NIST для калібрування кремнієвих еталонних сонячних елементів розміром 20 мм х 20 мм при стандартних умовах звітності (SRC) шляхом використання системи вимірювання спектральної характеристики. У 21 фінансовому році основна увага буде зосереджена на розробці пропозиції щодо нової вимірювальної послуги та поданні її до Ради з вимірювальних послуг для затвердження та подальшого розвитку. Крім того, будуть внесені додаткові вдосконалення в поточну систему вимірювань, такі як краща кількісна оцінка компонента повторюваності бюджету невизначеності та використання нових автоматизованих етапів сканування для вдосконалення процедури та методології калібрування. Етап сканування також може полегшити інші типи діагностичних вимірювань, такі як визначення однорідності зовнішньої квантової характеристики ефективності сонячних елементів. Вимірювання однорідності може допомогти зменшити невизначеності вимірювань, і ця тема буде розглянута більш детально.

На додаток до роботи з еталонними елементами, також був досягнутий стійкий прогрес у вимірюванні багатоперехідних сонячних елементів. У 20 фінансовому році був розроблений, виготовлений і протестований повний спеціальний багатозонний сонячний симулятор, в комплекті з програмованою рухомою сценою XY. Написано комплексну програму на базі LabVIEW для вимірювання рівнів освітленості з використанням декількох еталонних елементів, коригування синтезованих спектрів і виконання вимірювань I-V кривих. Зусилля у 21 фінансовому році будуть зосереджені на комплексному вимірюванні різних багатоперехідних сонячних елементів за допомогою цієї нової установки та перевірці того, що вона може точно вимірювати продуктивність багатоперехідних сонячних елементів. Вже придбано тестові комірки для міжлабораторних порівнянь, які будуть використані для подальшої перевірки ефективності цієї системи.

У 20 фінансовому році наша нова система гіперспектральної візуалізації вперше широко використовувалася для вимірювання фотоелектричних даних як на багатоперехідних, так і на одноперехідних сонячних елементах, що працюють в режимі електролюмінесценції. Результати цих ранніх вимірювань були надзвичайно обнадійливими, і ми виконали деякі базові калібрувальні вимірювання для отримання абсолютних даних електролюмінесценції. У 21 фінансовому році ми маємо намір продовжити такі вимірювання на більшій кількості сонячних елементів. Крім того, новий оптичний кріостат буде доставлений в NIST восени 2020 року, що дозволить нам проводити температурно-залежні вимірювання, надаючи додаткові дані для моделювання та розуміння різних фотоелектричних явищ. Ми також будемо використовувати нещодавно додану можливість фотолюмінесценції з лазерним освітленням для вивчення ряду ефектів, які раніше були нам недоступні. Нарешті, ми будемо співпрацювати з відділом 731 для вивчення утворення дефектів або явищ деградації в індукованих полем або штучно деградованих сонячних фотоелектричних модулях.

Збір енергії з навколишнього освітлення з метою забезпечення живлення датчиків і пристроїв IoT. це нова область, яка буде продовжувати більш глибоко досліджуватися в 21 фінансовому році, спираючись на успіх дослідницького проекту 19 фінансового року. У 20-му фінансовому році ми опублікували статтю, в якій виклали кроки для нового методу вимірювання продуктивності сонячних елементів при зовнішньому освітленні в приміщенні. Ми також провели міжлабораторне порівняння вимірювань з міжнародним партнером, яке виявило певні недоліки в ранніх стандартах і протоколах випробувань. Ми маємо намір продовжити роботу над цими питаннями в 21 фінансовому році, проводячи більше випробувань сонячних елементів при різних умовах освітлення і роблячи більше міжлабораторних вимірювань. Також будуть розглянуті температурні ефекти, кутові ефекти і деякі моделі для усунення розбіжностей між експериментальними результатами і різними моделями струму-напруги на основі діодів. Ми також будемо встановлювати обладнання для вимірювання і запису даних про освітленість і температуру в житлових і комерційних будівлях з метою формування повної бази даних, яка може бути використана для моделювання і прогнозування доступної світлової енергії всередині будівель протягом тривалого періоду часу.

Нарешті, в міру того, як зусилля по збору польових даних з фотоелектричних систем починають скорочуватися, команда збереже деякі основні можливості, такі як метеостанція і вимірювання I-V і опромінення на даху, в той час як вона буде працювати з існуючими внутрішніми і зовнішніми співробітниками, щоб завершити збір, компіляцію, скорочення і надання якісних даних для різних потреб досліджень і моделювання.

Основні досягнення

Результати:

  • За рік зібрано високоточні дані, які кількісно оцінюють продуктивність трьох фотоелектричних систем, встановлених в кампусі НІСТ
  • Проект перегляду стандарту ASTM E1021-06 “Стандартний метод вимірювання спектральної чутливості фотоелектричних пристроїв.

Огляд основних технологій тонкоплівкових сонячних елементів

Тонкоплівкові сонячні елементи є кращими через їх економічну ефективність, найменше використання матеріалу та оптимістичну тенденцію до зростання ефективності. У цій статті представлено цілісний огляд 3 основних типів тонкоплівкових сонячних елементів, включаючи телурид кадмію (CdTe), селенід міді індію галію (CIGS) та амоний кремній (α-Si) від їх створення до найкращого лабораторно розробленого модуля. Обговорюється значна еволюція, конфігурація елементів, обмеження, продуктивність та частка кожної технології на світовому ринку. Надійність, доступність матеріалів елементів та порівняння різних властивостей однаково досліджуються для відповідних технологій. Також згадуються нові технології сонячних елементів, що містять деякі ключові фактори та рішення для майбутнього розвитку. Узагальнена частина цього порівняльного дослідження спрямована на те, щоб допомогти читачам розшифрувати можливі сфери досліджень з урахуванням належного застосування і виробництва сонячних елементів.

Експортне цитування та анотація BibTeX RIS

Вступ

У нашій сонячній системі Сонце є найпотужнішим джерелом світла, а також найдоступнішим і найдешевшим джерелом енергії. Вироблена сонячна енергія не спричиняє жодних шкідливих викидів, що зменшує утворення вуглекислого газу (CO2), що є однією з найбільших переваг використання сонячної енергії. Також встановлено, що енергія, яка використовується людиною за рік, пропорційна сонячному світлу, що падає на Землю протягом години [1]. Фотоелектричне (PV) перетворення сонячного світла в енергію є найнадійнішою системою для задоволення майбутнього попиту на енергію. Ця технологія також може забезпечити ефективне вирішення проблеми масового знищення природи.

Сонячний елемент. це фотоелектричний пристрій, який зазвичай складається з спеціально підготовлених шарів кремнію (Si). Конструкція сонячних елементів функціонує для перетворення фотонів в електрику. Сонячне світло, що складається з фотонів, має достатньо енергії, щоб гальванізувати електрони в напівпровідниковому пристрої і змусити їх переходити з нижчого на вищий енергетичний рівень, створюючи електронно-діркові пари. Як правило, потік електронів з одного шару переходу на інший під дією фотоефекту створює різницю потенціалів і забезпечує енергією інший ланцюг. Кількість електроенергії, що генерується в комірці, залежить від деяких факторів, таких як розмір комірки, якість джерела світла і матеріали, з яких виготовлений пристрій.

Кристалічний кремній (c-Si) вже давно показав свою цінність на ринку, маючи такі переваги, як висока продуктивність (∼26.7%), простота виготовлення та екологічність [2]. Довговічність також є значною перевагою, оскільки модулі c-Si, розгорнуті в 1970-х роках, все ще працюють. Крім того, монокристалічні панелі можуть витримувати суворі умови, характерні для космічних подорожей [3]. За іронією долі, c-Si виявляється поганим поглиначем світла, а також негнучким і досить крихким у невпорядкованій амоній структурі. Ці сонячні елементи спеціально використовуються в місцях з високими вимогами до продуктивності. Основна відмінність між тонкоплівковими і c-Si сонячними елементами полягає в гнучкому з’єднанні фотоелектричних матеріалів. Тонкоплівкові сонячні елементи дешевші, ніж зрілі пластини (листи) c-Si. Крім того, тонкі плівки легше обробляти і вони більш гнучкі. Вони також менш вразливі до руйнування, ніж їхні кремнієві конкуренти. Хоча тонкоплівкові сонячні матеріали мають дещо нижчий коефіцієнт корисної дії (η), вони можуть переважати за вартістю в різних сферах застосування.

Щоб пом’якшити проблеми, пов’язані з матеріалами сонячних елементів, кілька дослідницьких груп співпрацювали над інтенсивними експериментальними роботами. Існують різні типи окремих літературних джерел, присвячених розвитку сонячних елементів на основі амоного кремнію (α-Si) [4], селеніду міді індію галію (CIGS) [5] та телуриду кадмію (CdTe) [6]. Хоча в деяких оглядових статтях повідомляється про декілька відомих технологій, таких як Lee та Ebong [2] і Kowsar та ін. [7], єдиного звіту, що включає всі аспекти (ефективність, розробки, структуру, технічні характеристики та обмеження), немає в наявності. З цієї причини компактний, добре організований та інформативний документ з чіткими категоріями серед класифікацій буде дуже корисним для найкращого читання. Таким чином, в цьому документі представлено огляд кожної сучасної технології з усіма вищезазначеними характеристиками для 3 основних типів тонкоплівкових сонячних елементів.

У цьому документі ми коротко розглянули технології тонкоплівкових сонячних елементів, включаючи α-Si, CIGS і CdTe, починаючи з поступового розвитку відповідних технологій разом з їх структурними параметрами і проблемами в розділі 2, за яким послідував розподіл комерційних модулів тонкоплівкових сонячних елементів в порівнянні з c-Si в розділі 3. У розділі 4 ми порівняли властивості пристроїв, а в розділі 5 висвітлили технології наступного покоління, такі як сонячний елемент, сенсибілізований барвником (DSSC), перовскітний сонячний елемент (PSC), органічний сонячний елемент (OSC) та сонячний елемент на основі квантових точок (QDSC). У розділі 6 ми підсумували і підкреслили помітні досягнення на основі проведеного аналізу.

Тонкоплівкова фотовольтаїка

Тонкоплівкові сонячні елементи (TFSC). це технологія 2-го покоління, що виготовляється шляхом нанесення одного або декількох тонких шарів фотоелементів на скляну, пластикову або металеву підкладку. Товщина плівки може варіюватися від декількох нанометрів до десятків мікрометрів, що помітно тонше, ніж у його опонента, традиційного сонячного елемента 1-го покоління c-Si (пластини товщиною ∼200 мкм). Ось чому тонкоплівкові сонячні елементи піддаються обробці, мають меншу масу і обмежену стійкість до стирання [8-10].

2.1. Амоний кремнієвий сонячний елемент

Спочатку сонячний елемент α-Si осаджувався в p-i-n структурі, але пристрій також може бути виготовлений як n-i-p послідовність формування [7]; історичний розвиток сонячних елементів α-Si узагальнено на рисунку 1 і в таблиці 1 нижче.

Таблиця 1. Послідовні розробки α-Si сонячного елемента.

РікЗастосована методикаЗвітна ефективністьРозроблено
1976-1977 Розроблено 1-й гідрований сонячний елемент на основі α-Si (α-Si:H) в p-i-n структурі з використанням легуючих газів при розряді. 2.4% (S) Карлсон і Вронскі в RCA Laboratories [11, 12]
Використання формування бар’єру Шотткі з 1.Висота бар’єру 1 еВ для платинових (Pt) елементів, отримано поведінку близьку до ідеального діода. 4% (S)
1978 Комбіноване формування бар’єру Шотткі з ізоляційним шаром в переході метал-напівпровідник (M-I-S). Ізоляційний шар був скоригований для врівноваження низької робочої функції недорогого металу (нікелю). 4.8% (S) Вілсон і Макгілл в Університеті Геріот-Ватта, Великобританія [13]
1980 Утворення p-i-n з вмістом 1.19 см 2 було виготовлено для зменшення характеристик втрат. 6.1% (S) Карлсон в RCA Laboratories [14]
1981-1982 Гідрований амоний карбід кремнію (α-SiC:H) був отриманий плазмовим розкладанням [SiH4(1-X)CH4(X)] з домінуючим газом дибораном (B2H6) або фосфіном (PH3). Створено гетероперехід α-SiC:H/α-Si:H з напругою холостого ходу 887 мВ (Voc), 12.33 мА см.2 струм короткого замикання (Jsc) та 0.653 коефіцієнт заповнення (FF). Виготовлена структура стала більш вдалою з Voc = 880 мВ, Jsc = 15.21 мА см.2. і FF = 0.601. 7.14% (S) 8.04% (S) Тавада та ін. в Університеті Осаки, Японія [15, 16]
1986 Вставка тонкої плівки на p-i-і інтеейсі вплинула на короткохвильові характеристики та продуктивність з FF (0).771). 8.43% (S) Arya та ін. в Solarex Corporation, США [17]
1986 Скляна підкладка без антивідблискового покриття (ARC) дала Voc = 12670 мВ, Jsc = 78.47 мА см.2. і FF = 0.667. 9.63% (S) Ямазакі та ін. на SEL [18]
1992 Подвійний перехід з подвійною забороненою зоною був виготовлений з використанням відповідного методу осадження. 11% (M) Guha та ін. в USSC [19]
1996-1997 Двоперехідна структура α-Si:H/α-Si:Ge з легованим приладом зі зменшеною забороненою зоною. Застосовано сплав на основі α-SiGe для формування потрійного переходу з розщепленням спектру. Покращений амоний кремній-германієвий (α-SiGe) сплав, p-n тунельний перехід та верхній провідний оксид (TCO). 11.8% (M) 13% (M) Янг та ін. в USSC [20, 21]
2013 Розроблено триперехідний прилад з використанням α-Si:H/μc-Si:H/μc-Si:H формування. 13.4% (M) Кім та ін. в LGEARI [22]
2015-2016 За допомогою діодного та тріодного плазмового хімічного осадження з газової фази (PECVD) α-Si:H було виготовлено з різною швидкістю. Зменшення швидкості осадження дещо знизило світлоіндуковану деградацію. Зменшення метастабільного дефекту та збільшення ширини забороненої зони пояснюється швидкістю осадження (1-3 × 10.2 нм с.1 ) та тріодним PECVD. 10.22% (S) Мацуї і Сай в AIST [23-25]
Аналогічно було виготовлено тандемний прилад α-Si:H/μc-Si:H. 12.69% (M)
Вища Jsc (32.9 мА см.2 ) було отримано з періодично текстурованої підкладки та інкорпоровано для потрійного переходу. 13.6% (M)
Після вирівнювання Jsc і FF світлоіндукована деградація була зведена до мінімуму (4%). 14.04% (M)

S. одноперехідний; M. багатоперехідний (мікромоний)RCA: Radio Corporation of America, США; SEL: Semiconductor Energy Laboratory, Японія; USSC: United Solar System Corporation, США; LGEARI: LG Electronics Advanced Research Institute, Корея; AIST: Національний інститут передових промислових наукових технологій, Японія

2.1.1. Структура a-Si

Цей сонячний елемент з випадковою кристалічною структурою зазвичай розробляється на скляній підкладці, легованій оксидом олова (SnO2:F), виготовленій на основі фтору (F), для одноперехідних елементів або на підкладці з періодичною (стільниковою) текстурою (HTS) для мікромоної (тандемної) структури. Для зменшення втрат на відбиття та збільшення провідності на підкладку зазвичай послідовно наносять покриття з оксиду цинку (ZnO:Ga), легованого сріблом (Ag) та галієм (Ga). Потім гідрогенізований α-Si (α-Si:H) зазвичай осаджується за допомогою діодного або тріодного плазмового хімічного осадження з газової фази (PECVD) з використанням CO2, фосфіну (PH3), диборану (B2H6), силану (SiH4) і водню (H2), що містять домішки. Після цього процесу на переднє вікно наноситься прозора провідна оксидна плівка (TCO), як правило, з оксиду індію-олова (In2O3:Sn) або гідрогенізованого оксиду індію (In2O3:H) (IOH) за допомогою радіочастотного (RF) магнетронного розпилення. В якості електрода сітки можна використовувати Ag, після чого на нього можна нанести антивідблискове покриття (ARC) на основі метеликового ока для покращення продуктивності комірки [25].

За новітньою технологією одноперехідний [SLG/Ag/GZO/(n)α-Si:H/(i)α-Si:H(діод/тріод)/(p)α-Si: H/ITO/Ag] виготовлено методом діодного PECVD, де тандемний (потрійний) перехід [HTS/Ag/GZO/μc-Si:H/μc-Si:H/a-Si:H(діод/тріод)/IOH/Ag] виготовлено методом тріодного PECVD. Для модуля з потрійним переходом для ізоляції комірок використовувалося реактивне іонне травлення разом з шарами нанокристалічного оксиду кремнію (nc-SiOx). Пристрій був скомпонований з гідрогенізованим мікрокристалічним Si (μc-Si:H) в якості дна (∼1.8 мкм завтовшки), a μc-Si:H як середину (∼1.Нижній елемент (товщиною 6 мкм), а верхній (товщиною ∼230 нм). α-Si:H (товщиною 6 мкм). Кожна з комірок μc-Si:H була складена у вигляді заданого типу підкладки: (n)μc-Si:H/(n)nc-SiOX/(i)μc-Si:H/(p)nc-SiOX/(p)μc-Si:H [25]. Рисунок 2 демонструє сучасний макет потрійного переходу n-p α-Si:H/μc-Si:H/μc-Si:H сонячного елемента.

2.1.2. Характеристики a-Si

У таблиці 2 наведені найновіші параметри сонячних елементів на основі α-Si.

Таблиця 2. Новітні параметри α-Si сонячних елементів [25].

РікПлоща (см 2 )ЕРС (мВ)Jsc (мА/см 2 )FF (дек) η (%)Випробувальний центр
2016 1.05 1922 9.94 0.734 14.04 АІСТ

2.1.3. Обмеження a-Si

Виявлені нами критичні проблеми, що стосуються сонячних елементів на основі α-Si, є наступними:

Процес осадження потребує вдосконалення, що важливо для широкомасштабного виробництва цього сонячного елемента [26].

Властивості розсіювання світла повинні бути вирішені шляхом поліпшення оптоелектронних властивостей переднього компонента TCO [27].

Ефект Стеблера-Вронського потрібно вирішити, знайшовши відповідний спосіб перешкоджати світлоіндукованій деградації структури приладу [28].

У випадку сонячного елемента α-Si:H, завдяки створенню електронно-діркової пари поглинутим фотоном у внутрішньому шарі, електричне поле, індуковане через внутрішній шар, змушує електрони дрейфувати до n-шару, а дірки. до p-шару. Тонкий градуйований інтеейсний шар зазвичай використовується для зменшення дефектів p/i інтеейсу, відповідальних за низьку напругу відкритого замикання (Voc) і струм короткого замикання (Jsc), для покращення продуктивності комірки.

2.2. Сонячний елемент на основі селеніду міді, індію та галію

Спочатку сонячний елемент CIGS був простим гетеропереходом p-CuInSe2/n-CdS [29], але структура пристрою була сконфігурована в основному для формування підкладки/Mo/CIGS/CdS/ZnO/AZO/Al [30, 31]; історичний розвиток сонячних елементів CIGS узагальнено на рисунку 3 та в таблиці 3 нижче.

Таблиця 3. Послідовні розробки CIGS сонячних елементів.

РікЗастосована методологіяЗвітна ефективністьРозроблено
1976-1977 Перші сонячні елементи CIGS були розроблені з використанням 2 режимів освітлення вольфрамо-галогенними лампами потужністю 100 мВт см.2 протягом 1.2 см 2 (p-CuInSe2/n-CdS) прилади. 4.5% (R) Казмерскі та ін. в Університеті штату Мен, США [29, 32]
Гетероперехідні матеріали, включаючи потрійні (CuInSe2, CuInS2, CuInTe2) та бінарні фосфіди індію (InP) з сульфідом кадмію (CdS) були виготовлені методом вакуумного осадження. 5.7% (R)
1980-1982 Полікристалічний гетероперехід CdS/CuInSe2 отримано методом безперервного випаровування матеріалу для осадження шару диселеніду міді та індію (CuInSe2) і показано збільшення Jsc (31 мА/см 2 ) для 1 см 2 приладу. 5.7% (R) Мікельсен і Чен в аерокосмічній компанії Boeing, США [33-36]
Пристрій виготовлявся методом вакуумного осадження та напилення на дешеві підкладки. 7.5% (R)
Jsc становила 35 мА см.2, а товщина плівки. 5 мкм. 9.5% (R)
Змішаний ZnxCd1-XS використовується для підвищення Voc. 10.6% (R)
1985 Введений оксид цинку (ZnO), що поєднує p-CuInSe2 з тонким нелегованим (Cu,Zn)S або CdS. Плівка n-CdS збирала фотони з sc на 25%. 11.2% (R) Поттер та ін. в ARCO Solar Inc., США [37] [37]
1988 Було проаналізовано комірку ZnO/CdS/CIS, щоб виявити, що тунелювання і послідовний опір контролювали низькотемпературні характеристики, де рекомбінація обмежувала ефективність комірки. 12.2% (R) Мітчелл і Лю з ARCO Solar Inc., СПОЛУЧЕНІ ШТАТИ АМЕРИКИ [38]
1990 Полікристалічний прилад ZnO/CdZnS/CuInGaSe2 був виготовлений з використанням CuInGaSe2 методом фізичного осадження з газової фази (PVD), CdZnS. методом хімічного осадження з газової фази (CVD), а ZnO. методом реактивного розпилення. 12.5% (R) Девані та ін. в Boeing Aerospace and Electronics, США [39]
1993 CuInGaSe2 був отриманий методом електронно-променевого випаровування шарів з газової реакції селеніду водню (H2Se) при 400°C, де підкладками були молібден (MO), титан (Ti) та алюміній (Al). 8.3% (F) Башол та ін. в ISET [40]
1993 Полікристалічний пристрій CuIn(1-x)GaxSe2 був виготовлений шляхом випаровування селеніду (Se), хімічного осадження сульфіду кадмію-цинку (CdZnS) (20-30 нм) та радіочастотного (РЧ) розпилення прозорого шару провідного оксиду (TCO) ZnO. Збагачена галієм (Ga) комірка та зменшені оптичні втрати спричинили покращення. 13.7% (R) Чен та ін. в Boeing Defense and Space Group, США [41]
1994-1995 CuInxGa(1-x)Se2 був створений з шарів прекурсорів (Inx,Ga1-x)2Se3 шляхом спільного випаровування індію (In), Ga та Se. Комірка піддавалася впливу потоку міді (Cu) і Se. 15.9% (R) Габор і Таттл та ін. в NREL [42, 43]
Інтеграція Ga в прилад Cu(In,Ga)Se2 збільшила ширину забороненої зони поглинаючого шару, Voc (654 мВ) та FF (0).77). 17.1% (R)
1996 Для осадження віконного шару CdS і ZnO використовували меншу температуру полімерної підкладки. 9.3% (F) Başol та ін. в ISET [44]
1996 Були зроблені модифікації конструкції решітки, де внутрішній шар ZnO (i-ZnO) був критично важливим для розробки комірки. 17.7% (R) Таттл та ін. в NREL [45]
1999 Без буферного шару, безкадмієвий (Cd) елемент був виготовлений за допомогою PVD і прямого осадження ZnO на шар Cu(In,Ga)Se2. 15% (R) Contreras та ін. в NREL [46]
Полікристалічна комірка ZnO/CdS/Cu(In,Ga)Se2/Mo призвела до подальшого вдосконалення. 18.8% (R)
2003 Вдосконалений прилад ZnO/CdS/CuInGaSe2 було отримано за рахунок підвищення характеристики. 19.2% (R) Ramanathan та ін. в NREL [47]
2005 Покращення роботи пристрою на основі Cu(In,Ga)Se2 було пов’язано зі збільшенням ширини забороненої зони поглинача (1).14 еВ), зменшення густини струму насичення діода (3 × 10.8 мА см.2 ), якості діода (1.30 19.5% (R) Контрерас та ін. в NREL [48]
2008 Рекомбінація осадження була зменшена для завершення процесу з бідною на Ga (багатою на In) плівкою. 19.9% (R) Repins та ін. в NREL [49]
2010 Максимальна ефективність досягнута при використанні гнучкої підкладки Mo за допомогою 3-ступеневого процесу спільного випаровування. 14.6% (F) Нікі та ін. в AIST [50]
2010 Зафіксовано більше покращених тонких комірок Cu(In,Ga)Se2. 20.1% (R) 20.3% (R) Джексон та ін. в ZSW [51]
2011-2012 Температура підкладки з нержавіючої сталі (SS) була знижена під час осадження CIGS. 17.1% (F) Рейнхард і Піанецці та ін. в EMPA [52, 53]
Використання зростання CIGS ще більше підвищило продуктивність. 17.7% (F)
2013 Найвища ефективність була отримана для підкладки з полімерної фольги. 20.4% (F) EMPA та FhG-ISE [54]
2013-2014 Створено прилади Cu(In,Ga)Se2 методом статичного співвипаровування з використанням буферних шарів Zn(O,S). 20.4% (R) Powalla і Jackson та ін. в ZSW [55, 56]
Плівка, легована калієм (K), збільшила матеріал Ga. 20.8% (R)
2014 Завдяки високій швидкості осадження та спільному випаровуванню плівки поглинача CIGS, продуктивність була покращена. 21% (R) Herrmann та ін., Solibro Hi-Tech GmbH, Німеччина [57]
2014 Повідомлялося про підвищення ефективності. 21.7% (R) Джексон та ін., ZSW [58]
2015 Покращено поглинаючий шар CIS та створення переходів. 22.3% (R) Solar Frontier та ZSW [59]
2016 Використання лужних речовин рубідію (Rb) та цезію (Cs) в лужній обробці після осадження (PDT) активувало процес лужного матеріалу в поглиначі та покращило якість діодів. 22.6% (R) Джексон та ін., ZSW [60]
2017 Використання лужного елемента Cs та модифікація поглинаючого шару дозволило розширити ширину забороненої зони, таким чином покращивши густину зворотного струму насичення. 22.9% (R) Ву та ін. в AIST [61]
2019 Використовуючи процес “з рулону в комірку”, пристрій було виготовлено на підкладці з фольги SS. 20.56% (F) Бейман та ін. в NREL [62]
2019 A Zn(O,S,OH)x/Zn0, що не містить Cd.8Mg0.Пристрій з подвійним буферним шаром 2O Cu(In,Ga)(Se,S)2 був створений за допомогою хімічного осадження з ванни (CBD) та осадження з атомного шару (ALD). 23.35% (R) Накамура та ін. в AIST [63]

R: жорстка підкладка; F: гнучка підкладка (полімерна).ISET: International Solar Electric Technology, США; NREL: Національна лабораторія відновлюваної енергетики, США; ZSW: Центр досліджень водню в сонячній енергетиці, Німеччина; EMPA: Швейцарська федеральна лабораторія матеріалознавства, Швейцарія; FhG-ISE: Інститут сонячних енергетичних систем ім. Фраунгофера, Німеччина.

2.2.1. Структура CIGS

Цей сонячний елемент з кристалічною структурою халькопіриту зазвичай розробляється на ультразвуково вимитих і висушених жорстких підкладках; крім того, також використовуються полімерні гнучкі підкладки [64]. Молібден (Mo). як задній контакт, а також як відбивач більшої частини світла, що не поглинається, зазвичай напилюється на підкладку з содово-вапняного скла (SLG). Шар поглинача, Cu(In,Ga)(Se,S)2 (товщиною ∼2 мкм), створюється фізичним осадженням з газової фази (PVD) для сульфуризації після селенізації (SAS) шарів-попередників, як правило, газом селеніду водню (H2Se), який природно призводить до утворення плівки Mo(S,Se)x між поглиначем і зворотним контактом. Іноді застосовують обробку цезієм (Cs), термічно випаровуючи фторид цезію (CsF) на шар поглинача, після чого зверху наносять сульфід кадмію (CdS) (товщиною ∼50 нм) або буферний шар, що не містить кадмію (Cd), як правило, за допомогою хімічного осадження з ванни (CBD) [63]. Потім на буфер CdS методом хімічного осадження з газової фази (CVD) наносять шар власного оксиду цинку (i-ZnO) (товщиною ∼100 нм), покритий легованим алюмінієм (Al) ZnO (ZnO:Al) в якості TCO шару, щоб уникнути зовнішніх пошкоджень [65].

За новітньою технологією, 2-й буферний шар з легованого магнієм (Mg) ZnO (ZnO:Mg) (товщиною ∼50 нм) був виготовлений методом атомно-шарового осадження (ALD) на 1-му буфері Zn(O,S,OH)x (товщиною ∼50 нм), що не містить Cd, для покращення продуктивності комірки. Для нанесення шару ZnO, легованого бором (B) (ZnO:B), в якості TCO використовували метод металоорганічного осадження з газової фази (MOCVD). Після цього Al та фторид магнію (MgF2) випаровуються електронним (E)-променем для отримання електроду та ARC, відповідно. Відношення Ga до (GaIn) становило близько 0.3, де подібні металеві композиції осаджували з добавкою натрію (Na) для формування шарів прекурсорів [63]. На рисунку 4 показана сучасна компоновка сонячного елемента CIGSSe з подвійним буфером на жорсткій підкладці.

2.2.2. Характеристики CIGS

У таблиці 4 наведено найновіші параметри сонячних елементів CIGS.

Таблиця 4. Останні параметри сонячних елементів CIGS [63].

РікПлоща (см 2 )ЕРС (мВ)ЕРС (мА/см 2 )FF (дек) η (%)Випробувальний центр
2019 1.04 734 39.60 0.804 23.35 AIST

Типи сонячних панелей: Плюси і мінуси

Емілі Род. науковий письменник, комунікатор і викладач з більш ніж 20-річним досвідом роботи зі студентами, вченими та урядовими експертами, щоб допомогти зробити науку більш доступною та цікавою. Має ступінь бакалавра.S. в галузі наук про навколишнє середовище та має ступінь магістра наук про навколишнє середовище.Ed. у галузі середньої природничої освіти.

огляд, основних, технолог, тонкоплівкових, сонячних, елементів

  • Поділитися
  • Електронна пошта

Існує три основних типи сонячних панелей, доступних на ринку: монокристалічні сонячні панелі, полікристалічні сонячні панелі та тонкоплівкові сонячні панелі. Існує також кілька інших перспективних технологій, які зараз знаходяться в стадії розробки, включаючи двосторонні панелі, органічні сонячні елементи, концентраторну фотоелектрику і навіть нанорозмірні інновації, такі як квантові точки.

Кожен з різних типів сонячних панелей має унікальний набір переваг і недоліків, які споживачі повинні враховувати при виборі системи сонячних панелей.

огляд, основних, технолог, тонкоплівкових, сонячних, елементів

Монокристалічні сонячні елементи виробляються повільніше і дорожче, ніж інші типи сонячних елементів, через необхідність точного виготовлення кремнієвих злитків. Для того, щоб виростити однорідний кристал, температура матеріалів повинна підтримуватися на дуже високому рівні. Як наслідок, необхідно використовувати велику кількість енергії через втрату тепла від кремнієвого насіння, що відбувається протягом усього виробничого процесу. До 50% матеріалу може бути втрачено в процесі різання, що призводить до збільшення виробничих витрат для виробника.

Але ці типи сонячних елементів зберігають свою популярність з ряду причин. По-перше, вони мають вищу ефективність, ніж будь-який інший тип сонячних елементів, тому що вони виготовлені з монокристала, що дозволяє електронам легше протікати через комірку. Оскільки вони настільки ефективні, вони можуть бути меншими, ніж інші системи сонячних панелей, і при цьому генерувати таку ж кількість електроенергії. Вони також мають найдовший термін служби серед усіх типів сонячних панелей, представлених сьогодні на ринку.

Одним з найбільших недоліків монокристалічних сонячних панелей є вартість (через виробничий процес). Крім того, вони не настільки ефективні, як інші типи сонячних панелей, в ситуаціях, коли світло не потрапляє на них безпосередньо. А якщо вони покриваються брудом, снігом або листям, або якщо вони працюють при дуже високих температурах, їх ефективність знижується ще більше. Хоча монокристалічні сонячні панелі залишаються популярними, низька вартість і зростаюча ефективність інших типів панелей стають все більш привабливими для споживачів.

Полікристалічні сонячні панелі

огляд, основних, технолог, тонкоплівкових, сонячних, елементів

Як випливає з назви, полікристалічні сонячні панелі складаються з комірок, сформованих з декількох, не вирівняних кристалів кремнію. Ці сонячні елементи першого покоління виробляються шляхом плавлення кремнію сонячного класу, розливання його у форму і заливання до повного застигання. Відформований кремній потім нарізається на пластини для використання в сонячній панелі.

Полікристалічні сонячні елементи дешевші у виробництві, ніж монокристалічні, оскільки вони не вимагають часу і енергії, необхідних для створення і вирізання монокристала. І хоча межі, створені зернами кристалів кремнію, створюють бар’єри для ефективного потоку електронів, вони насправді більш ефективні в умовах низької освітленості, ніж монокристалічні елементи, і можуть підтримувати вихідну потужність, коли вони не знаходяться під прямим кутом до сонця. В кінцевому підсумку вони мають приблизно однаковий загальний вихід енергії через цю здатність підтримувати виробництво електроенергії в несприятливих умовах.

Елементи полікристалічної сонячної панелі більші, ніж їх монокристалічні аналоги, тому панелі можуть займати більше місця для виробництва тієї ж кількості електроенергії. Вони також не такі міцні і довговічні, як інші типи панелей, хоча різниця в довговічності невелика.

Тонкоплівкові сонячні панелі

Висока вартість виробництва кремнію сонячного класу призвела до створення декількох типів сонячних елементів другого і третього покоління, відомих як тонкоплівкові напівпровідники. Тонкоплівкові сонячні елементи потребують меншого об’єму матеріалів, часто використовуючи шар кремнію товщиною всього в один мікрон, що становить приблизно 1/300 ширини моно- і полікристалічних сонячних елементів. Кремній також має нижчу якість, ніж той, що використовується в монокристалічних пластинах.

огляд, основних, технолог, тонкоплівкових, сонячних, елементів

Багато сонячних елементів виготовляються з некристалічного амоного кремнію. Оскільки амоний кремній не має напівпровідникових властивостей кристалічного кремнію, для проведення електрики його необхідно поєднувати з воднем. Амоні кремнієві сонячні елементи є найпоширенішим типом тонкоплівкових елементів, і вони часто зустрічаються в електроніці, наприклад, в калькуляторах і годинниках.

Інші комерційно життєздатні тонкоплівкові напівпровідникові матеріали включають телурид кадмію (CdTe), диселенід міді індію галію (CIGS) і арсенід галію (GaAs). Шар напівпровідникового матеріалу наноситься на недорогу підкладку, таку як скло, метал або пластик, що робить його дешевшим і більш адаптивним, ніж інші сонячні елементи. Швидкість поглинання напівпровідникових матеріалів висока, що є однією з причин, чому вони використовують менше матеріалу, ніж інші елементи.

Виробництво тонкоплівкових елементів набагато простіше і швидше, ніж сонячних елементів першого покоління, і існує безліч методів, які можуть бути використані для їх виготовлення, в залежності від можливостей виробника. Тонкоплівкові сонячні елементи, такі як CIGS, можна наносити на пластик, що значно зменшує їхню вагу та підвищує гнучкість. CdTe. це єдина тонка плівка, яка має нижчу вартість, більший термін окупності, менший вуглецевий слід і менше використання води протягом усього терміну служби, ніж всі інші сонячні технології.

Однак, недоліки тонкоплівкових сонячних елементів в їх нинішньому вигляді численні. Кадмій в елементах CdTe є дуже токсичним при вдиханні або прийомі всередину, і може потрапляти в землю або водопостачання, якщо з ним не поводитися належним чином під час утилізації. Цього можна було б уникнути, якби панелі перероблялися, але ця технологія наразі не настільки широко доступна, як потрібно. Використання рідкісних металів, таких як CIGS, CdTe і GaAs, також може бути дорогим і потенційно обмежуючим фактором у виробництві великої кількості тонкоплівкових сонячних елементів.

Інші типи

Різноманітність сонячних панелей набагато більша, ніж те, що зараз представлено на комерційному ринку. Багато нових типів сонячних технологій знаходяться в стадії розробки, а старі типи вивчаються на предмет можливого підвищення ефективності та зниження вартості. Деякі з цих нових технологій знаходяться на стадії пілотних випробувань, в той час як інші залишаються перевіреними лише в лабораторних умовах. Ось деякі з інших типів сонячних панелей, які були розроблені.

Двосторонні сонячні панелі

огляд, основних, технолог, тонкоплівкових, сонячних, елементів

Традиційні сонячні панелі мають сонячні елементи лише з одного боку панелі. Двосторонні сонячні панелі мають сонячні елементи, вбудовані з обох боків, щоб дозволити їм збирати не тільки вхідне сонячне світло, але й альбедо, або відбите світло від землі під ними. Вони також рухаються за сонцем, щоб максимізувати час, протягом якого сонячне світло може бути зібране з обох боків панелі. Дослідження Національної лабораторії відновлюваної енергетики показало збільшення ефективності на 9% у порівнянні з односторонніми панелями.

Концентраторна фотоелектрична технологія

Концентраторна фотоелектрична технологія (CPV) використовує оптичне обладнання та технології, такі як вигнуті дзеркала, для концентрації сонячної енергії в економічно ефективний спосіб. Оскільки ці панелі концентрують сонячне світло, їм не потрібно стільки сонячних елементів, щоб виробляти однакову кількість електроенергії. Це означає, що ці сонячні панелі можуть використовувати більш якісні сонячні елементи за нижчою загальною вартістю.

Органічна фотоелектрика

Органічні фотоелектричні елементи використовують невеликі органічні молекули або шари органічних полімерів для проведення електрики. Ці елементи легкі, гнучкі, мають нижчу загальну вартість і менший вплив на навколишнє середовище, ніж багато інших типів сонячних елементів.

Перовскітні елементи

Перовскітна кристалічна структура матеріалу, що збирає світло, дає цим елементам свою назву. Вони мають низьку вартість, прості у виробництві та мають високий коефіцієнт поглинання. Наразі вони занадто нестабільні для широкомасштабного використання.

Сенсибілізовані барвниками сонячні елементи (DSSC)

Ці п’ятишарові тонкоплівкові елементи використовують спеціальний сенсибілізуючий барвник, який допомагає потоку електронів, що створює струм для виробництва електроенергії. Перевага DSSC полягає в тому, що вони працюють в умовах низької освітленості і збільшують ефективність при підвищенні температури, але деякі хімічні речовини, що містяться в них, замерзають при низьких температурах, що робить пристрій непрацездатним в таких ситуаціях.

Квантові точки

Ця технологія була протестована лише в лабораторіях, але вона показала кілька позитивних якостей. Квантові фотоелементи виготовляються з різних металів і працюють на нанорівні, тому їхнє співвідношення виробництва енергії до ваги дуже хороше. На жаль, вони також можуть бути дуже токсичними для людей і навколишнього середовища, якщо з ними неправильно поводитися і не утилізувати.

Майже всі сонячні панелі, що продаються на ринку, є монокристалічними, оскільки вони компактні, ефективні та довговічні. Монокристалічні сонячні панелі також виявилися довговічнішими в умовах високих температур.

Монокристалічні сонячні панелі є найбільш ефективними, з показниками від 17% до 25%. Загалом, чим більш вирівняні молекули кремнію в сонячній панелі, тим краще панель буде перетворювати сонячну енергію. Монокристалічний різновид має найбільш вирівняні молекули, оскільки він вирізаний з одного джерела кремнію.

Тонкоплівкові сонячні панелі, як правило, є найдешевшими з трьох комерційно доступних варіантів. Це тому, що їх легше виготовляти і вони потребують менше матеріалів. Однак, вони також мають тенденцію бути найменш ефективними.

Дехто може придбати полікристалічні сонячні панелі, оскільки вони дешевші за монокристалічні та менш марнотратні. Вони менш ефективні і більші, ніж їх більш поширені аналоги, але ви можете отримати більше вигоди за свої гроші, якщо у вас є багато місця і доступ до сонячного світла.

Тонкоплівкові сонячні панелі легкі та гнучкі, тому вони можуть краще адаптуватися до нестандартних будівельних ситуацій. Вони також набагато дешевші за інші типи сонячних панелей і менш марнотратні, оскільки використовують менше кремнію.

  • Лусено-Санчес, Хосе Антоніо та ін. Матеріали для фотовольтаїки: сучасний стан та останні розробки. Міжнародний журнал молекулярних наук, vol. 20, немає. 4, 2019, с. 976., doi:10.3390/ijms20040976
  • Основи сонячних фотоелектричних елементів. U.S. Міністерство енергетики, Управління енергоефективності та відновлюваної енергетики.
  • Казі, Салахуддін. Автономні фотоелектричні системи для ліквідації наслідків стихійних лих та віддалених районів. Elsevier, 2017., doi:10.1016/C2014-0-03107-3
  • Байод-Ружула, Анхель Антоніо. Розділ 8. Сонячна фотоелектрика (PV). Виробництво сонячного водню: Процеси, системи та технології, 2019, стор. 237-295., doi:10.1016/B978-0-12-814853-2.00008-4
  • Тараба, Міхал. Вимірювання властивостей тонкоплівкових сонячних панелей за несприятливих погодних умов. Transportation Research Procedia, vol. 40, 2019, стор. 535-540., doi:10.1016/j.trpro.2019.07.077
  • Багер, Аскарі Мухаммед та ін. Типи сонячних елементів та їх застосування. Американський журнал оптики та фотоніки, том. 3, no. 5, 2015, стор. 94-113., doi:10.11648/j.ajop.20150305.17
  • Профіль проекту: Моделі продуктивності та стандарти для технологій двосторонніх фотоелектричних модулів. U.S. Міністерство енергетики.
  • Біфаціальна сонячна енергетика розвивається разом з часом і Сонцем. Національна лабораторія відновлюваної енергетики.
  • Поточний стан концентраторної фотоелектричної технології (CPV). Національна лабораторія відновлюваної енергетики.

Типи сонячних панелей: Плюси та мінуси

Емілі Род. наукова письменниця, комунікаторка та викладачка з більш ніж 20-річним досвідом роботи зі студентами, науковцями та урядовими експертами, яка допомагає зробити науку більш доступною та цікавою. Вона має ступінь бакалавра.S. в галузі наук про навколишнє середовище та M.Ред. в галузі середньої природничо-наукової освіти.

огляд, основних, технолог, тонкоплівкових, сонячних, елементів

  • Поділитися
  • Електронна пошта

Існує три основних типи сонячних панелей, доступних на ринку: монокристалічні сонячні панелі, полікристалічні сонячні панелі та тонкоплівкові сонячні панелі. Існує також кілька інших перспективних технологій, які зараз знаходяться в стадії розробки, включаючи двосторонні панелі, органічні сонячні елементи, концентраторну фотоелектрику і навіть нанорозмірні інновації, такі як квантові точки.

Кожен з різних типів сонячних панелей має унікальний набір переваг і недоліків, які споживачі повинні враховувати при виборі системи сонячних панелей.

огляд, основних, технолог, тонкоплівкових, сонячних, елементів

Монокристалічні сонячні елементи виробляються повільніше і дорожче, ніж інші типи сонячних елементів, через необхідність точного виготовлення кремнієвих злитків. Для того, щоб виростити однорідний кристал, температура матеріалів повинна підтримуватися на дуже високому рівні. Як наслідок, необхідно використовувати велику кількість енергії через втрату тепла від кремнієвого зерна, яка відбувається протягом усього виробничого процесу. До 50% матеріалу може бути втрачено під час процесу різання, що призводить до збільшення виробничих витрат для виробника.

Але ці типи сонячних елементів зберігають свою популярність з ряду причин. По-перше, вони мають вищу ефективність, ніж будь-який інший тип сонячних елементів, тому що вони виготовлені з монокристала, що дозволяє електронам легше протікати через елемент. Оскільки вони настільки ефективні, що можуть бути меншими, ніж інші системи сонячних панелей, і при цьому генерувати таку ж кількість електроенергії. Вони також мають найдовший термін служби серед усіх типів сонячних панелей, представлених сьогодні на ринку.

Одним з найбільших недоліків монокристалічних сонячних панелей є вартість (через виробничий процес). Крім того, вони не настільки ефективні, як інші типи сонячних панелей, в ситуаціях, коли світло не потрапляє на них безпосередньо. І якщо вони покриваються брудом, снігом або листям, або якщо вони працюють в умовах дуже високих температур, їх ефективність знижується ще більше. Хоча монокристалічні сонячні панелі залишаються популярними, низька вартість і зростаюча ефективність інших типів панелей стають все більш привабливими для споживачів.

Полікристалічні сонячні панелі

огляд, основних, технолог, тонкоплівкових, сонячних, елементів

Як випливає з назви, полікристалічні сонячні панелі виготовляються з комірок, сформованих з декількох, не вирівняних кристалів кремнію. Ці сонячні елементи першого покоління виробляються шляхом плавлення кремнію сонячного класу, розливання його у форму і заливання до повного застигання. Відформований кремній потім нарізається на пластини для використання в сонячній панелі.

Полікристалічні сонячні елементи дешевші у виробництві, ніж монокристалічні, оскільки вони не вимагають часу і енергії, необхідних для створення і вирізання монокристала. І хоча межі, створені зернами кристалів кремнію, створюють бар’єри для ефективного потоку електронів, вони насправді більш ефективні в умовах низької освітленості, ніж монокристалічні елементи, і можуть підтримувати вихідну потужність, коли вони не знаходяться під прямим кутом до сонця. Вони в кінцевому підсумку мають приблизно однаковий загальний вихід енергії через цю здатність підтримувати виробництво електроенергії в несприятливих умовах.

Елементи полікристалічної сонячної панелі більші, ніж їх монокристалічні аналоги, тому панелі можуть займати більше місця для виробництва тієї ж кількості електроенергії. Вони також не такі міцні і довговічні, як інші типи панелей, хоча різниця в довговічності невелика.

Тонкоплівкові сонячні панелі

Висока вартість виробництва кремнію сонячного класу призвела до створення декількох типів сонячних елементів другого і третього покоління, відомих як тонкоплівкові напівпровідники. Тонкоплівкові сонячні елементи потребують меншого об’єму матеріалів, часто використовуючи шар кремнію товщиною всього в один мікрон, що становить приблизно 1/300 ширини моно- і полікристалічних сонячних елементів. Кремній також має нижчу якість, ніж той, що використовується в монокристалічних пластинах.

огляд, основних, технолог, тонкоплівкових, сонячних, елементів

Багато сонячних елементів виготовляються з некристалічного амоного кремнію. Оскільки амоний кремній не має напівпровідникових властивостей кристалічного кремнію, для проведення електрики його необхідно поєднувати з воднем. Амоні кремнієві сонячні елементи є найпоширенішим типом тонкоплівкових елементів, і вони часто зустрічаються в електроніці, наприклад, в калькуляторах і годинниках.

Інші комерційно життєздатні тонкоплівкові напівпровідникові матеріали включають телурид кадмію (CdTe), диселенід міді індію галію (CIGS) та арсенід галію (GaAs). Шар напівпровідникового матеріалу наноситься на недорогу підкладку, таку як скло, метал або пластик, що робить його дешевшим і більш адаптивним, ніж інші сонячні елементи. Швидкість поглинання напівпровідникових матеріалів висока, що є однією з причин, чому вони використовують менше матеріалу, ніж інші елементи.

Виробництво тонкоплівкових елементів набагато простіше і швидше, ніж сонячних елементів першого покоління, і існує безліч методів, які можуть бути використані для їх виготовлення, в залежності від можливостей виробника. Тонкоплівкові сонячні елементи, такі як CIGS, можна наносити на пластик, що значно зменшує їхню вагу та підвищує гнучкість. CdTe. це єдина тонка плівка, яка має нижчу вартість, більший термін окупності, менший вуглецевий слід і менше використання води протягом усього терміну служби, ніж всі інші сонячні технології.

Однак, недоліки тонкоплівкових сонячних елементів в їх нинішньому вигляді численні. Кадмій в елементах CdTe є дуже токсичним при вдиханні або прийомі всередину, і може потрапляти в землю або воду, якщо з ним не поводитися належним чином під час утилізації. Цього можна було б уникнути, якби панелі перероблялися, але наразі ця технологія не настільки широко доступна, як потрібно. Використання рідкісних металів, таких як CIGS, CdTe і GaAs, також може бути дорогим і потенційно обмежуючим фактором у виробництві великої кількості тонкоплівкових сонячних елементів.

Інші типи

Різноманітність сонячних панелей набагато більша, ніж те, що зараз представлено на комерційному ринку. Багато нових типів сонячних технологій знаходяться в стадії розробки, а старі типи вивчаються на предмет можливого підвищення ефективності та зниження вартості. Деякі з цих нових технологій знаходяться на стадії пілотних випробувань, в той час як інші залишаються перевіреними лише в лабораторних умовах. Ось деякі з інших типів сонячних панелей, які були розроблені.

Двосторонні сонячні панелі

огляд, основних, технолог, тонкоплівкових, сонячних, елементів

Традиційні сонячні панелі мають сонячні елементи лише з одного боку панелі. Двосторонні сонячні панелі мають сонячні елементи, вбудовані з обох боків, щоб дозволити їм збирати не тільки вхідне сонячне світло, але й альбедо, або відбите світло від землі під ними. Вони також рухаються разом із сонцем, щоб максимізувати час, протягом якого сонячне світло може бути зібране з обох боків панелі. Дослідження Національної лабораторії відновлюваної енергетики показало збільшення ефективності на 9% у порівнянні з односторонніми панелями.

Концентраторна фотоелектрична технологія

Концентраторна фотоелектрична технологія (CPV) використовує оптичне обладнання та технології, такі як вигнуті дзеркала, для концентрації сонячної енергії в економічно ефективний спосіб. Оскільки ці панелі концентрують сонячне світло, їм не потрібно стільки сонячних елементів, щоб виробляти однакову кількість електроенергії. Це означає, що ці сонячні панелі можуть використовувати більш якісні сонячні елементи за нижчою загальною вартістю.

Органічна фотоелектрика

Органічні фотоелектричні елементи використовують невеликі органічні молекули або шари органічних полімерів для проведення електрики. Ці елементи легкі, гнучкі, мають нижчу загальну вартість і менший вплив на навколишнє середовище, ніж багато інших типів сонячних елементів.

Перовськітні елементи

Перовскітна кристалічна структура матеріалу, що збирає світло, дала назву цим елементам. Вони мають низьку вартість, прості у виробництві та мають високе поглинання. Наразі вони занадто нестабільні для широкомасштабного використання.

Сенсибілізовані барвниками сонячні елементи (DSSC)

Ці п’ятишарові тонкоплівкові елементи використовують спеціальний сенсибілізуючий барвник, який допомагає потоку електронів, що створює струм для виробництва електроенергії. DSSC мають перевагу в тому, що вони працюють в умовах низької освітленості і збільшують ефективність при підвищенні температури, але деякі хімічні речовини, що містяться в них, замерзають при низьких температурах, що робить пристрій непрацездатним в таких ситуаціях.

Квантові точки

Ця технологія була протестована лише в лабораторіях, але вона показала кілька позитивних якостей. Квантові точкові елементи виготовляються з різних металів і працюють на нанорівні, тому їх співвідношення виробництва енергії до ваги дуже хороше. На жаль, вони також можуть бути дуже токсичними для людей і навколишнього середовища, якщо з ними неправильно поводитися і утилізувати.

Майже всі сонячні панелі, що продаються на комерційній основі, є монокристалічними, оскільки вони компактні, ефективні та довговічні. Монокристалічні сонячні панелі також виявилися більш довговічними при високих температурах.

Монокристалічні сонячні панелі є найбільш ефективними, з показниками від 17% до 25%. Загалом, чим більш вирівняні молекули кремнію в сонячній панелі, тим краще панель буде перетворювати сонячну енергію. Монокристалічний різновид має найбільш вирівняні молекули, оскільки його вирізають з одного джерела кремнію.

Тонкоплівкові сонячні панелі, як правило, є найдешевшими з трьох комерційно доступних варіантів. Це тому, що їх легше виготовляти і вони потребують менше матеріалів. Однак вони також мають тенденцію бути найменш ефективними.

Дехто може купити полікристалічні сонячні панелі, тому що вони дешевші за монокристалічні і менш марнотратні. Вони менш ефективні і більші, ніж їх більш поширені аналоги, але ви можете отримати більшу віддачу за свої гроші, якщо у вас є багато місця і доступ до сонячного світла.

Тонкоплівкові сонячні панелі легкі та гнучкі, тому вони можуть краще адаптуватися до нестандартних будівельних ситуацій. Вони також набагато дешевші за інші типи сонячних панелей і менш марнотратні, оскільки використовують менше кремнію.

  • Лусено-Санчес, Хосе Антоніо, та ін. Матеріали для фотовольтаїки: сучасний стан та останні розробки. Міжнародний журнал молекулярних наук, том. 20, немає. 4, 2019, с. 976., doi:10.3390/ijms20040976
  • Основи сонячних фотоелектричних елементів. U.S. Міністерство енергетики, Управління енергоефективності та відновлюваних джерел енергії.
  • Казі, Салахуддін. Автономні фотоелектричні системи для ліквідації наслідків стихійних лих та віддалених районів. Elsevier, 2017., doi:10.1016/C2014-0-03107-3
  • Байод-Рухула, Анхель Антоніо. Розділ 8. Сонячна фотоелектрика (ФЕ). Виробництво сонячного водню: Процеси, системи та технології, 2019, стор. 237-295., doi:10.1016/B978-0-12-814853-2.00008-4
  • Тараба, Міхал. Вимірювання властивостей тонкоплівкових сонячних панелей за несприятливих погодних умов. Transportation Research Procedia, vol. 40, 2019, стор. 535-540., doi:10.1016/j.trpro.2019.07.077
  • Багер, Аскарі Мухаммед та ін. Типи сонячних батарей та їх застосування. Американський журнал оптики та фотоніки, том. 3, немає. 5, 2015, pp. 94-113., doi:10.11648/j.ajop.20150305.17
  • Профіль проекту: Моделі продуктивності та стандарти для технологій двосторонніх фотоелектричних модулів. U.S. Міністерство енергетики.
  • Двосторонні сонячні батареї розвиваються в ногу з часом і Сонцем. Національна лабораторія відновлюваної енергетики.
  • Поточний стан концентраторної фотоелектричної технології (CPV). Національна лабораторія відновлюваної енергетики.

Типи сонячних панелей

огляд, основних, технолог, тонкоплівкових, сонячних, елементів

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

До цієї категорії належать монокристалічні та полікристалічні сонячні панелі. Елементи виготовлені 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 є найстарішими фотоелементами, і їх виробництво та технологічні застосування добре відомі. GaAs є кращим матеріалом, ніж кремній, оскільки він має вищі оптичні властивості. Тому потрібні товстіші кремнієві пластини, щоб використовувати таку ж кількість енергії, як і GaAs.

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

Давайте розглянемо кожен з типів сонячних панелей першого покоління.

Монокристалічні сонячні панелі

огляд, основних, технолог, тонкоплівкових, сонячних, елементів

Сонячні елементи виготовлені з найчистішої форми кремнію. Вони мають однорідний кремнієвий склад, що дає 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 монокристалічних сонячних панелей потрібно менше; 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 через підвищену стійкість 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%. Монокристалічні 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 виробництва.

Ще десять років тому полікристалічні сонячні панелі були найпоширенішим типом сонячних панелей. Однак їхня популярність знизилася через низьку ефективність. Середня потужність середньої системи полікристалічних сонячних панелей становить приблизно 300 Вт. Отже, для системи сонячних панелей потужністю 6 кВт вам потрібно близько 20.

огляд, основних, технолог, тонкоплівкових, сонячних, елементів

Тривалість життя полікристалічних сонячних панелей нижча. Таким чином, коротший 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. Якщо ви хочете скоротити витрати, а розмір ваших дахових або наземних кріплень не обмежений, вам слід вибрати мультикристалічні сонячні панелі. Однак на панелі впливають високі температури, що може скоротити термін їх служби.

Сонячні панелі другого покоління

Тонкоплівкові сонячні панелі складають друге покоління сонячних панелей. одні з найпоширеніших типів сонячних елементів 2-го покоління:

  • Сонячні панелі з амоного кремнію
  • Телурид кадмію (CdTe)
  • Селенід міді індію галію (CIGS)
  • Концентровані фотоелектричні елементи (CVP)

Тонкоплівкові сонячні панелі мають нижчу ефективність, ніж кристалічні, через матеріал, з якого вони виготовлені. Вони поширені в комунальних установках, де достатньо місця.

Амоний кремній

Сонячні панелі з амоного кремнію (a-Si) виготовляються з гідрогенізованого кремнію, який має низьку ефективність перетворення енергії. Матеріал наноситься на гнучкі підкладки, такі як метал, пластик і скло. Сонячні панелі менш довговічні в порівнянні з кристалічними кремнієвими елементами; отже, 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 бажано правильно утилізувати матеріал, щоб запобігти будь-яким несприятливим наслідкам для здоров’я. Цей тип сонячних панелей є найбільш поширеним у комерційних тонкоплівкових додатках.

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 із селеніду міді, індію та галію важко конкурувати з кристалічними кремнієвими елементами. Однак сонячні панелі мають вищу 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 однозонного сонячного елемента. Третє покоління сонячних панелей прагне подолати цю межу і підвищити ефективність. Основна мета технології полягає в перетворенні несумісних світлових частот сонячних елементів в сумісні частоти.

Існують перспективні продукти, що знаходяться в стадії розробки, які можуть зробити сонячну енергію більш ефективною. Сонячні панелі прагнуть використовувати сильні сторони кристалічного кремнію та фотоелектричної технології 2-го покоління. Найдосконаліші сонячні панелі третього покоління:

Який тип сонячних панелей купити?

Не існує прямої відповіді на це питання без оцінки вашої ситуації. Деякі з найважливіших факторів, які впливають на вибір типу сонячних панелей для вашої комерційної або житлової установки, включають в себе наступні:

  • Розмір місця для монтажу на даху або 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, коли бюджет обмежений. Тонкоплівкові сонячні елементи є найбільш поширеними в угодах про купівлю електроенергії через короткий термін служби. Вони також ідеально підходять для комунальних або комунальних сонячних електростанцій.

Технологія сонячної енергетики зазнає кардинальних змін за короткий період, оскільки 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. Перед тим, як зупинити свій вибір на сонячних панелях, слід уважно стежити за розвитком галузі та провести ретельне дослідження.

Залишити відповідь