stringtranslate.com

Фотоэлектрический элемент третьего поколения

Фотоэлектрические элементы третьего поколения — это солнечные элементы , которые потенциально способны преодолеть предел Шокли-Квайссера в 31–41% энергетической эффективности для солнечных элементов с одной запрещенной зоной . Это включает в себя ряд альтернатив элементам, изготовленным из полупроводниковых pn-переходов («первое поколение») и тонкопленочных элементов («второе поколение»). Обычные системы третьего поколения включают многослойные («тандемные») элементы, изготовленные из аморфного кремния или арсенида галлия , в то время как больше теоретических разработок включают преобразование частоты (т. е. изменение частот света, которые элемент не может использовать, на частоты света, которые элемент может использовать — таким образом, производя больше энергии), эффекты горячих носителей и другие методы выброса нескольких носителей. [1] [2] [3] [4] [5]

Новые области фотоэлектричества включают:

Достижения в исследовании перовскитных ячеек, в частности, привлекли огромное внимание общественности, поскольку их исследовательская эффективность недавно взлетела выше 20 процентов. Они также предлагают широкий спектр недорогих приложений. [6] [7] [8] Кроме того, еще одна новая технология, концентраторная фотоэлектрика (CPV), использует высокоэффективные многопереходные солнечные ячейки в сочетании с оптическими линзами и системой слежения.

Технологии

Солнечные элементы можно рассматривать как видимые световые аналоги радиоприемников . Приемник состоит из трех основных частей: антенны, которая преобразует радиоволны (свет) в волнообразные движения электронов в материале антенны, электронного клапана, который улавливает электроны, когда они вылетают из конца антенны, и тюнера, который усиливает электроны выбранной частоты. Можно построить солнечный элемент, идентичный радио, систему, известную как оптическая ректенна , но на сегодняшний день они не были практичными.

Большая часть рынка солнечной электроэнергии состоит из устройств на основе кремния. В кремниевых элементах кремний действует как антенна (или донор электронов , технически), а также как электронный клапан. Кремний широко доступен, относительно недорог и имеет запрещенную зону, которая идеально подходит для сбора солнечной энергии. С другой стороны, производить кремний оптом энергетически и экономически дорого, и были предприняты большие усилия для сокращения требуемого количества. Более того, он механически хрупок, что обычно требует использования листа прочного стекла в качестве механической поддержки и защиты от стихии. Одно только стекло составляет значительную часть стоимости типичного солнечного модуля.

Согласно пределу Шокли-Квайссера, большая часть теоретической эффективности ячейки обусловлена ​​разницей в энергии между запрещенной зоной и солнечным фотоном. Любой фотон с большей энергией, чем запрещенная зона, может вызвать фотовозбуждение, но любая энергия выше запрещенной зоны теряется. Рассмотрим солнечный спектр; только небольшая часть света, достигающего земли, является синей, но эти фотоны имеют в три раза большую энергию, чем красный свет. Запрещенная зона кремния составляет 1,1 эВ, примерно как у красного света, поэтому в этом случае энергия синего света теряется в кремниевой ячейке. Если запрещенная зона настроена выше, скажем, на синий, эта энергия теперь улавливается, но только ценой отклонения фотонов с более низкой энергией.

Можно значительно улучшить однопереходную ячейку, укладывая друг на друга тонкие слои материала с различной шириной запрещенной зоны — подход «тандемной ячейки» или «многопереходной ячейки» . Традиционные методы подготовки кремния не подходят для этого подхода. Вместо этого использовались тонкие пленки аморфного кремния, в частности, продукция Uni-Solar , но другие проблемы не позволили им соответствовать производительности традиционных ячеек. Большинство структур тандемных ячеек основаны на более производительных полупроводниках, в частности, арсениде галлия (GaAs). Трехслойные ячейки GaAs достигли эффективности 41,6% для экспериментальных примеров. [9] В сентябре 2013 года четырехслойная ячейка достигла эффективности 44,7%. [10]

Численный анализ показывает, что «идеальный» однослойный солнечный элемент должен иметь ширину запрещенной зоны 1,13 эВ, почти точно такую ​​же, как у кремния. Такой элемент может иметь максимальную теоретическую эффективность преобразования энергии 33,7% — солнечная энергия ниже красного (в инфракрасном диапазоне) теряется, а также теряется дополнительная энергия более высоких цветов. Для двухслойного элемента один слой должен быть настроен на 1,64 эВ, а другой на 0,94 эВ, с теоретической производительностью 44%. Трехслойный элемент должен быть настроен на 1,83, 1,16 и 0,71 эВ, с эффективностью 48%. Теоретическая ячейка «бесконечного слоя» будет иметь теоретическую эффективность 68,2% для рассеянного света. [11]

Хотя новые открытые солнечные технологии основаны на нанотехнологиях, в настоящее время используются и другие методы создания материалов.

Маркировка третьего поколения охватывает несколько технологий, хотя она включает в себя неполупроводниковые технологии (включая полимеры и биомиметику ), квантовые точки , тандемные/многопереходные ячейки , солнечные элементы с промежуточной зоной [12] [13], ячейки с горячими носителями , технологии преобразования фотонов вверх и вниз, а также солнечные тепловые технологии, такие как термофотоника , которая является одной из технологий, определенных Грином как третье поколение. [14]

Он также включает в себя: [15]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Шокли, У.; Квайссер, Х. Дж. (1961). «Подробный предел баланса эффективности солнечных элементов с pn-переходом». Журнал прикладной физики . 32 (3): 510. Bibcode : 1961JAP....32..510S. doi : 10.1063/1.1736034.
  2. ^ Луке, Антонио; Лопес Араухо, Херардо (1990). Физические ограничения преобразования фотоэлектрической энергии. Бристоль: Адам Хильгер. ISBN 0-7503-0030-2.
  3. ^ Грин, MA (2001). «Третье поколение фотоэлектрических устройств: сверхвысокая эффективность преобразования при низкой стоимости». Прогресс в фотоэлектрических устройствах: исследования и применение . 9 (2): 123–135. doi :10.1002/pip.360.
  4. ^ Марти, А.; Луке, А. (1 сентября 2003 г.). Фотоэлектрические системы нового поколения: высокая эффективность за счет использования полного спектра. CRC Press. ISBN 978-1-4200-3386-1.
  5. ^ Конибир, Г. (2007). «Фотоэлектрические элементы третьего поколения». Materials Today . 10 (11): 42–50. doi : 10.1016/S1369-7021(07)70278-X .
  6. ^ "Новый стабильный и экономичный тип перовскитного солнечного элемента". PHYS.org . 17 июля 2014 г. Получено 4 августа 2015 г.
  7. ^ "Распылительное осаждение направляет солнечные элементы на основе перовскита к коммерциализации". ChemistryWorld . 29 июля 2014 г. Получено 4 августа 2015 г.
  8. ^ "Perovskite Solar Cells". Ossila . Получено 4 августа 2015 г. .
  9. ^ Дэвид Биелло, «Установлен новый рекорд эффективности солнечных элементов», Scientific American , 27 августа 2009 г.
  10. ^ "Солнечный элемент установил новый мировой рекорд эффективности в 44,7 процента" . Получено 26 сентября 2013 г.
  11. ^ Грин, Мартин (2006). Фотоэлектрические системы третьего поколения . Нью-Йорк: Springer. С. 66.
  12. ^ Луке, Антонио; Марти, Антонио (1997). «Повышение эффективности идеальных солнечных элементов с помощью фотон-индуцированных переходов на промежуточных уровнях». Physical Review Letters . 78 (26): 5014–5017. doi :10.1103/PhysRevLett.78.5014.
  13. ^ Weiming Wang; Albert S. Lin; Jamie D. Phillips (2009). "Промежуточный фотоэлектрический солнечный элемент на основе ZnTe:O". Appl. Phys. Lett . 95 (1): 011103. Bibcode : 2009ApPhL..95a1103W. doi : 10.1063/1.3166863.
  14. ^ Грин, Мартин (2003). Третье поколение фотоэлектрических систем: усовершенствованное преобразование солнечной энергии . Springer Science+Business Media . ISBN 978-3-540-40137-7.
  15. ^ Школа фотоэлектрической инженерии Университета Нового Южного Уэльса. "Third Generation Photovoltaics" . Получено 20 июня 2008 г.
  16. ^ Sol3g обеспечивает безопасность солнечных элементов с тройным соединением от Azur Space

Внешние ссылки