Тонкопленочные солнечные элементы изготавливаются путем нанесения одного или нескольких тонких слоев ( тонких пленок или TF) фотоэлектрического материала на подложку, такую как стекло, пластик или металл. Тонкопленочные солнечные элементы обычно имеют толщину от нескольких нанометров ( нм ) до нескольких микрон ( мкм ), что намного тоньше, чем пластины, используемые в обычных солнечных элементах на основе кристаллического кремния (c-Si), толщина которых может достигать 200 мкм. Тонкопленочные солнечные элементы коммерчески используются в нескольких технологиях, включая теллурид кадмия (CdTe), диселенид меди, индия-галлия (CIGS) и аморфный тонкопленочный кремний (a-Si, TF-Si).
Солнечные элементы часто разделяют на так называемые поколения на основе активных (поглощающих солнечный свет) слоев, используемых для их производства, при этом наиболее хорошо зарекомендовавшие себя солнечные элементы или солнечные элементы первого поколения изготавливаются из одно- или мультикристаллического кремния . Это доминирующая технология, используемая в настоящее время в большинстве солнечных фотоэлектрических систем . Большинство тонкопленочных солнечных элементов относятся к второму поколению и изготовлены с использованием тонких слоев хорошо изученных материалов, таких как аморфный кремний (a-Si), теллурид кадмия (CdTe), селенид меди, индия-галлия (CIGS) или арсенид галлия (GaAs). . Солнечные элементы, изготовленные из новых, менее известных материалов, классифицируются как солнечные элементы третьего поколения или новые. Сюда входят некоторые инновационные тонкопленочные технологии, такие как перовскит , сенсибилизированные красителем , квантовые точки , органические и тонкопленочные солнечные элементы CZTS .
Тонкопленочные элементы имеют ряд преимуществ перед кремниевыми солнечными элементами первого поколения, в том числе более легкие и гибкие благодаря своей тонкой конструкции. Это делает их пригодными для использования в фотоэлектрических системах, встроенных в здания, а также в качестве полупрозрачного фотоэлектрического материала для остекления, который можно ламинировать на окнах. В других коммерческих целях используются жесткие тонкопленочные солнечные панели (расположенные между двумя стеклянными панелями) на некоторых крупнейших в мире фотоэлектрических электростанциях . Кроме того, материалы, используемые в тонкопленочных солнечных элементах, обычно производятся с использованием простых и масштабируемых методов, более рентабельных, чем элементы первого поколения, что во многих случаях приводит к снижению воздействия на окружающую среду , например, выбросов парниковых газов (ПГ) . Тонкопленочные элементы также обычно превосходят возобновляемые и невозобновляемые источники для производства электроэнергии с точки зрения токсичности для человека и выбросов тяжелых металлов .
Несмотря на первоначальные проблемы с эффективным преобразованием света , особенно среди фотоэлектрических материалов третьего поколения, по состоянию на 2023 год некоторые тонкопленочные солнечные элементы достигли эффективности до 29,1% для однопереходных тонкопленочных элементов GaAs, что превышает максимальный КПД в 26,1%. для стандартных однопереходных солнечных элементов первого поколения. Ячейки многопереходного концентратора , включающие тонкопленочные технологии, достигли эффективности до 47,6% по состоянию на 2023 год. [1]
Тем не менее, в ходе ускоренных испытаний на срок службы было обнаружено, что многие тонкопленочные технологии имеют более короткий срок эксплуатации и более высокие скорости деградации, чем элементы первого поколения , что способствовало их несколько ограниченному использованию. По состоянию на 2023 год доля тонкопленочных технологий на фотоэлектрическом рынке останется около 5% . [2] Однако тонкопленочные технологии стали значительно более популярными в Соединенных Штатах, где на одни только элементы CdTe приходилось почти 30% новых энергоносителей. масштабное развертывание в 2022 году. [3]
Первые исследования тонкопленочных солнечных элементов начались в 1970-х годах. В 1970 году группа Жореса Алферова в Институте Иоффе создала первые солнечные элементы на основе арсенида галлия (GaAs), позже за эту и другие работы в 2000 году была присуждена Нобелевская премия по физике. [4] [5] Два года спустя, в 1972 году, профессор Карл Бёр основал Институт преобразования энергии (IEC) в Университете штата Делавэр для дальнейшего исследования солнечной энергии в тонких пленках. Институт сначала сосредоточился на элементах из сульфида меди/сульфида кадмия (Cu 2 S/CdS), а затем в 1975 году расширился до тонких пленок из фосфида цинка (Zn 3 P 2 ) и аморфного кремния (a-Si) . [6] В 1973 году IEC представила дом на солнечной энергии Solar One, ставший первым примером фотоэлектрической системы, интегрированной в жилой дом. [7] В следующем десятилетии интерес к тонкопленочной технологии для коммерческого использования и аэрокосмического [8] применения значительно возрос, и несколько компаний начали разработку тонкопленочных солнечных устройств из аморфного кремния. [9] КПД тонкопленочных солнечных батарей вырос до 10% для Cu 2 S/CdS в 1980 году, [10] а в 1986 году компания ARCO Solar выпустила первый коммерчески доступный тонкопленочный солнечный элемент G-4000, изготовленный из аморфного кремния. . [11]
В 1990-х и 2000-х годах тонкопленочные солнечные элементы продемонстрировали значительный рост максимальной эффективности и распространение существующих тонкопленочных технологий в новые сектора. В 1992 году в Университете Южной Флориды был разработан тонкопленочный солнечный элемент с эффективностью более 15% . [12] Всего семь лет спустя, в 1999 году, Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии США (NREL) и Spectrolab совместно разработали трехпереходный солнечный элемент на основе арсенида галлия, эффективность которого достигла 32%. [13] В том же году компания Kiss + Cathcart разработала прозрачные тонкопленочные солнечные элементы для некоторых окон на Таймс-сквер, 4 , генерирующие достаточно электроэнергии для питания 5-7 домов. [14] [12] В 2000 году компания BP Solar представила два новых коммерческих солнечных элемента, основанных на тонкопленочной технологии. [12] В 2001 году первые органические тонкопленочные солнечные элементы были разработаны в Университете Иоганна Кеплера в Линце . В 2005 году солнечные элементы GaAs стали еще тоньше благодаря первым отдельно стоящим элементам (без подложки), представленным исследователями из Университета Радбауд . [15]
Это также было время значительных успехов в исследовании новых солнечных материалов третьего поколения – материалов, потенциально способных преодолеть теоретические пределы эффективности традиционных твердотельных материалов. [16] В 1991 году был разработан первый высокоэффективный сенсибилизированный красителем солнечный элемент , в котором обычный твердый полупроводниковый (активный) слой элемента был заменен смесью жидких электролитов, содержащей светопоглощающий краситель. [17] В начале 2000-х годов началась разработка солнечных элементов с квантовыми точками, [16] технология позже была сертифицирована NREL в 2011 году. [18] В 2009 году исследователи из Токийского университета сообщили о солнечном элементе нового типа, использующем перовскиты в качестве активного элемента. слой и достигнув эффективности более 3%, [19] опираясь на работу Мурасе Чикао 1999 года, в которой был создан слой перовскита, способный поглощать свет. [20]
В 2010-х и начале 2020-х годов инновации в тонкопленочных солнечных технологиях включали усилия по распространению солнечной технологии третьего поколения на новые применения и снижению производственных затрат, а также значительное повышение эффективности материалов как второго, так и третьего поколения. В 2015 году Kyung-In Synthetic выпустила первые струйные солнечные элементы — гибкие солнечные элементы, изготовленные с помощью промышленных принтеров. [21] В 2016 году лаборатория органической и наноструктурной электроники (ONE) Владимира Буловича в Массачусетском технологическом институте (MIT) создала тонкопленочные ячейки, достаточно легкие, чтобы сидеть на мыльных пузырях. [22] В 2022 году та же группа представила гибкие органические тонкопленочные солнечные элементы, встроенные в ткань. [23] [24]
Тонкопленочные солнечные технологии захватили пиковую долю мирового рынка в 32% от нового фотоэлектрического развертывания в 1988 году, а затем снизились на несколько десятилетий и снова достигли другого, меньшего пика в 17% в 2009 году. [25] [26] Затем доля рынка неуклонно снижалась. до 5% в 2021 году во всем мире, [25] однако тонкопленочные технологии захватили примерно 19% общей доли рынка США в том же году, включая 30% промышленного производства. [27]
В типичном солнечном элементе фотоэлектрический эффект используется для выработки электроэнергии из солнечного света. Светопоглощающий или «активный слой» солнечного элемента обычно представляет собой полупроводниковый материал, а это означает, что в его энергетическом спектре существует разрыв между валентной зоной локализованных электронов вокруг ионов- хозяев и зоной проводимости электронов более высоких энергий, которые свободно перемещаться по материалу. Для большинства полупроводниковых материалов при комнатной температуре электроны, которые не получили дополнительную энергию от другого источника, будут существовать в основном в валентной зоне с небольшим количеством электронов или без них в зоне проводимости. Когда солнечный фотон достигает полупроводникового активного слоя солнечного элемента, электроны в валентной зоне могут поглощать энергию фотона и возбуждаться в зоне проводимости, позволяя им свободно перемещаться по материалу. Когда это происходит, в валентной зоне остается пустое электронное состояние (или дырка ). Вместе электрон зоны проводимости и дырка валентной зоны называются электронно-дырочной парой . И электрон, и дырка в паре электрон-дырка могут свободно перемещаться по материалу как электричество. [28] Однако, если пара электрон-дырка не разделена, электрон и дырка могут рекомбинировать в исходное состояние с более низкой энергией, высвобождая фотон соответствующей энергии. В термодинамическом равновесии прямой процесс (поглощение фотона для возбуждения пары электрон-дырка) и обратный процесс (испускание фотона для разрушения пары электрон-дырка) должны происходить с одинаковой скоростью по принципу детального баланса . Следовательно, чтобы сконструировать солнечный элемент из полупроводникового материала и извлечь ток в процессе возбуждения, необходимо разделить электрон и дырку электронно-дырочной пары. Этого можно добиться разными способами, но наиболее распространенным является использование pn-перехода , где положительно легированный (p-тип) полупроводниковый слой и отрицательно легированный (n-тип) полупроводниковый слой встречаются, создавая химическую разность потенциалов. который притягивает электроны в одном направлении, а дырки в другом, разделяя пару электрон-дырка. [29] Вместо этого этого можно достичь, используя металлические контакты с различными работами выхода , как в ячейке с переходом Шоттки .
В тонкопленочном солнечном элементе процесс практически такой же, но активный полупроводниковый слой сделан намного тоньше. Это может стать возможным благодаря некоторым внутренним свойствам используемого полупроводникового материала, которые позволяют ему преобразовывать особенно большое количество фотонов на толщину. Например, некоторые тонкопленочные материалы, имеющие прямую запрещенную зону , то есть состояния электронов в зонах проводимости и валентной зоне имеют одинаковый импульс , а не разные импульсы, как в случае полупроводника с непрямой запрещенной зоной, такого как кремний. Наличие прямой запрещенной зоны устраняет необходимость в источнике или стоке импульса (обычно колебания решетки или фонон ), упрощая двухэтапный процесс поглощения фотона в одноэтапный процесс. [30] Другие тонкопленочные материалы могут поглощать больше фотонов на единицу толщины просто из-за наличия энергетической запрещенной зоны, которая хорошо соответствует пиковой энергии солнечного спектра , а это означает, что существует много солнечных фотонов правильной энергии, доступных для возбуждают электронно-дырочные пары.
В других тонкопленочных солнечных элементах полупроводниковый слой может быть полностью заменен другим светопоглощающим материалом, например раствором электролита и молекулами фотоактивного красителя в солнечном элементе, сенсибилизированном красителем, или квантовыми точками в солнечном элементе с квантовыми точками. .
Тонкопленочные технологии уменьшают количество активного материала в клетке. Активный слой может быть помещен на жесткую подложку из стекла, пластика или металла, либо ячейка может быть изготовлена из гибкой подложки, например ткани. Тонкопленочные солнечные элементы, как правило, дешевле, чем элементы из кристаллического кремния, и оказывают меньшее воздействие на окружающую среду (определено на основе анализа жизненного цикла ). [31] Их тонкая и гибкая природа также делает их идеальными для таких применений, как встроенные в здания фотоэлектрические системы. Большинство пленочных панелей имеют эффективность преобразования на 2-3 процентных пункта ниже, чем кристаллический кремний, [32] хотя некоторые тонкопленочные материалы превосходят панели из кристаллического кремния с точки зрения эффективности. Теллурид кадмия (CdTe), селенид меди, индия, галлия (CIGS) и аморфный кремний (a-Si) являются тремя наиболее известными технологиями производства тонких пленок.
Теллурид кадмия (CdTe) представляет собой халькогенидный материал, который используется в технологии изготовления тонких пленок. На его долю приходится около 5 процентов мирового производства фотоэлектрических систем, что составляет более половины рынка тонких пленок. Лабораторная эффективность ячейки также значительно возросла в последние годы и находится на одном уровне с тонкой пленкой CIGS и близка к эффективности мультикристаллического кремния по состоянию на 2013 год. [33] : 24–25 Кроме того, CdTe имеет самое низкое время окупаемости энергии. всех серийно производимых фотоэлектрических технологий и может составлять всего восемь месяцев в благоприятных местах. [33] : 31 CdTe также работает лучше, чем большинство других тонкопленочных фотоэлектрических материалов, по многим важным факторам воздействия на окружающую среду, таким как потенциал глобального потепления и выбросы тяжелых металлов. [34] Известным производителем является американская компания First Solar, базирующаяся в Темпе, штат Аризона , которая производит CdTe-панели с эффективностью около 18 процентов. [35]
Хотя токсичность кадмия, возможно, не является такой уж серьезной проблемой, а экологические проблемы полностью решаются за счет переработки модулей CdTe в конце их срока службы, [36] все еще существуют неопределенности [37] , и общественное мнение скептически относится к этому. технологии. [38] [39] Использование редких материалов также может стать ограничивающим фактором для промышленного масштабирования технологии тонких пленок CdTe. Редкость теллура , анионной формой которого является теллурид , сравнима с редкостью платины в земной коре и существенно влияет на стоимость модуля. [40]
Как и CdTe, селенид меди, индия, галлия (CIGS) и его разновидности представляют собой полупроводники халькогенидных соединений. Солнечные элементы CIGS достигли лабораторной эффективности выше 23 процентов (см. таблицу) и доли 0,8 процента на общем фотоэлектрическом рынке в 2021 году. [45] Многие компании производят солнечные элементы и модули CIGS, однако некоторые из них значительно сократили или прекратили производство в течение последних лет.
Фактические исследования направлены на улучшение свойств, связанных с изготовлением и функциональностью, путем модификации или замены отдельных слоев, например:
Помимо потенциала развития других слоев солнечного элемента, поглотительный материал CIGS обладает замечательным свойством: его запрещенную зону можно регулировать, регулируя соотношение индия и галлия в соединении. Настраивая запрещенную зону, можно изменить часть солнечного спектра , поглощаемую солнечным элементом, что делает ячейки CIGS особенно интересными в качестве компонентов многопереходных солнечных элементов . [48]
Также возможна частичная замена меди серебром и селена серой с образованием соединения (Ag z Cu 1-z )(In 1-x Ga x )(Se 1-y S y ) 2 . Чтобы отличить соединение, не содержащее серы, его иногда называют CIGSe, тогда как аббревиатура CIGS может относиться как к соединениям, содержащим серу, так и к селену. Серебросодержащее соединение иногда называют ACIGS. Варианты состава CIGS являются предметом текущих исследований и частично также производятся в промышленности.
Существует три известные кремниевые тонкопленочные архитектуры:
Аморфный кремний (a-Si) представляет собой некристаллическую аллотропную форму кремния и наиболее развитую на сегодняшний день технологию тонких пленок. Тонкопленочный кремний является альтернативой обычному пластинчатому (или объемному ) кристаллическому кремнию . Хотя тонкопленочные элементы CdTe и CIS на основе халькогенидов были разработаны в лаборатории с большим успехом, в промышленности по-прежнему существует интерес к тонкопленочным элементам на основе кремния. Устройства на основе кремния имеют меньше проблем, чем их аналоги из CdTe и CIS, такие как проблемы с токсичностью и влажностью элементов CdTe, а также низкая производительность производства CIS из-за сложности материала. Кроме того, из-за политического сопротивления использованию не «зеленых» материалов при производстве солнечной энергии использование стандартного кремния не подвергается стигме.
Этот тип тонкопленочных ячеек в основном изготавливается с помощью метода, называемого химическим осаждением из паровой фазы с плазменным усилением . Он использует газовую смесь силана (SiH 4 ) и водорода для нанесения очень тонкого слоя кремния толщиной всего 1 микрометр (мкм) на подложку, такую как стекло, пластик или металл, которая уже покрыта слоем прозрачного проводящий оксид . Другие методы, используемые для нанесения аморфного кремния на подложку, включают напыление и методы химического осаждения из паровой фазы с помощью горячей проволоки . [50]
a-Si привлекателен в качестве материала для солнечных батарей, поскольку это распространенный нетоксичный материал. Он требует низкой температуры обработки и позволяет масштабировать производство на гибкой, недорогой подложке с небольшим количеством кремниевого материала. Благодаря ширине запрещенной зоны 1,7 эВ аморфный кремний также поглощает очень широкий диапазон светового спектра , включая инфракрасный и даже немного ультрафиолетовый , и очень хорошо работает при слабом свете. Это позволяет элементу генерировать электроэнергию ранним утром или ближе к вечеру, а также в пасмурные и дождливые дни, в отличие от элементов из кристаллического кремния , которые значительно менее эффективны при воздействии рассеянного и непрямого дневного света . [ нужна цитата ]
Однако эффективность a-Si элемента значительно снижается примерно на 10–30 процентов в течение первых шести месяцев эксплуатации. Это называется эффектом Штеблера-Вронского (SWE) – типичная потеря электрической мощности из-за изменений фотопроводимости и темновой проводимости, вызванных длительным воздействием солнечного света. Хотя эта деградация полностью обратима при отжиге при температуре 150 °C или выше, обычные солнечные элементы c-Si вообще не проявляют такого эффекта.
Его основная электронная структура — штыревой переход. Аморфная структура a-Si предполагает высокий уровень беспорядка и оборванные связи, что делает его плохим проводником для носителей заряда. Эти оборванные связи действуют как центры рекомбинации, которые серьезно сокращают время жизни носителей. Обычно используется штыревая структура, а не структура зажима. Это связано с тем, что подвижность электронов в a-Si:H примерно на 1 или 2 порядка больше, чем у дырок, и, таким образом, скорость сбора электронов, движущихся от контакта n- к p-типу, лучше, чем у дырок, движущихся из Контакт типа p-n. Поэтому слой p-типа следует размещать вверху, где интенсивность света выше, чтобы большинство носителей заряда, пересекающих переход, были электронами. [51]
Слой аморфного кремния можно объединить со слоями других аллотропных форм кремния для получения многопереходного солнечного элемента . Когда объединяются только два слоя (два pn-перехода), это называется тандемной ячейкой . Накладывая эти слои друг на друга, можно поглощать более широкий спектр светового спектра, повышая общую эффективность клетки.
В микроморфном кремнии слой микрокристаллического кремния (μc-Si) соединяется с аморфным кремнием, образуя тандемную ячейку. Верхний слой a-Si поглощает видимый свет, оставляя инфракрасную часть нижнему слою μc-Si. Концепция микроморфных многоячеечных ячеек была впервые разработана и запатентована в Институте микротехнологий (IMT) Невшательского университета в Швейцарии [52] и лицензирована для TEL Solar . Новый мировой рекорд фотоэлектрического модуля, основанный на концепции микроморфа с эффективностью модуля 12,24%, был независимо сертифицирован в июле 2014 года. [53]
Поскольку все слои изготовлены из кремния, их можно изготавливать с использованием PECVD. Ширина запрещенной зоны a-Si составляет 1,7 эВ, а c-Si - 1,1 эВ. Слой c-Si может поглощать красный и инфракрасный свет. Наилучшая эффективность может быть достигнута при переходе между a-Si и c-Si. Поскольку нанокристаллический кремний (nc-Si) имеет примерно такую же ширину запрещенной зоны, что и c-Si, nc-Si может заменить c-Si. [54]
Аморфный кремний также можно объединить с протокристаллическим кремнием (pc-Si) в тандемную ячейку. Протокристаллический кремний с низкой объемной долей нанокристаллического кремния оптимален для высокого напряжения холостого хода . [55] Эти типы кремния имеют оборванные и скрученные связи, что приводит к глубоким дефектам (энергетическим уровням в запрещенной зоне), а также к деформации валентной зоны и зоны проводимости (хвостов зон).
Новой попыткой объединить преимущества объемного кремния с преимуществами тонкопленочных устройств является тонкопленочный поликристаллический кремний на стекле. Эти модули производятся путем нанесения просветляющего покрытия и легированного кремния на текстурированные стеклянные подложки с использованием плазменно-усиленного химического осаждения из паровой фазы (PECVD). Текстура стекла повышает эффективность элемента примерно на 3% за счет уменьшения количества падающего света, отражающегося от солнечного элемента и задерживающего свет внутри солнечного элемента. Кремниевая пленка кристаллизуется на этапе отжига при температуре 400–600 градусов Цельсия, в результате чего образуется поликристаллический кремний.
Эти новые устройства демонстрируют эффективность преобразования энергии 8% и высокую производительность производства >90%. Кристаллический кремний на стекле (CSG), где размер поликристаллического кремния составляет 1–2 микрометра, отличается своей стабильностью и долговечностью; использование технологий тонких пленок также способствует экономии средств по сравнению с объемными фотоэлектрическими устройствами. Эти модули не требуют наличия прозрачного проводящего оксидного слоя. Это упрощает производственный процесс в два раза; Мало того, что этот шаг можно пропустить, так еще и отсутствие этого слоя существенно упрощает процесс построения схемы контактов. Оба эти упрощения еще больше снижают себестоимость продукции. Несмотря на многочисленные преимущества перед альтернативными конструкциями, оценки стоимости производства на единицу площади показывают, что эти устройства сопоставимы по стоимости с однопереходными аморфными тонкопленочными элементами. [49]
Арсенид галлия (GaAs) представляет собой полупроводник с прямой запрещенной зоной III-V и является очень распространенным материалом, используемым для монокристаллических тонкопленочных солнечных элементов. Солнечные элементы GaAs продолжают оставаться одними из самых эффективных тонкопленочных солнечных элементов благодаря своим исключительным термостойким свойствам и высокой эффективности. [56] По состоянию на 2019 год монокристаллические элементы GaAs показали самый высокий КПД солнечных элементов среди всех однопереходных солнечных элементов с эффективностью 29,1%. [57] Эта ячейка-рекордсмен достигла такой высокой эффективности за счет установки заднего зеркала на задней поверхности для увеличения поглощения фотонов, что позволило ячейке достичь впечатляющей плотности тока короткого замыкания и значения напряжения холостого хода, близкого к Шокли-Кейсеру. предел . [58] В результате солнечные элементы GaAs почти достигли максимальной эффективности, хотя улучшения все еще можно сделать, используя стратегии улавливания света. [59]
Тонкие пленки GaAs чаще всего изготавливаются методом эпитаксиального выращивания полупроводника на материале подложки. Метод эпитаксиального отрыва (ELO), впервые продемонстрированный в 1978 году, оказался наиболее перспективным и эффективным. В этом методе тонкий слой пленки отделяется от подложки путем выборочного травления жертвенного слоя, который помещается между эпитаксиальной пленкой и подложкой. [60] Пленка GaAs и подложка остаются минимально поврежденными в процессе разделения, что позволяет повторно использовать основную подложку. [61] При повторном использовании подложки затраты на изготовление могут быть снижены, но не полностью исключены, поскольку подложку можно повторно использовать только ограниченное количество раз. [59] Этот процесс все еще относительно дорог, и все еще проводятся исследования, чтобы найти более экономичные способы выращивания слоя эпитаксиальной пленки на подложке.
Несмотря на высокие характеристики тонкопленочных элементов GaAs, высокая стоимость материалов препятствует их широкому внедрению в индустрии солнечных батарей. GaAs чаще используется в многопереходных солнечных элементах для солнечных панелей на космических кораблях , поскольку большее соотношение мощности к весу снижает затраты на запуск солнечной энергии космического базирования ( элементы InGaP / (In)GaAs / Ge ). Они также используются в фотоэлектрических концентраторах — новой технологии, которая лучше всего подходит для мест, получающих много солнечного света, с использованием линз для фокусировки солнечного света на гораздо меньшем по размеру и, следовательно, менее дорогом солнечном элементе-концентраторе GaAs.
.jpg/1280px-Glitter-Sized_Solar_Cells_(8230058366).jpg)
Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии классифицирует ряд тонкопленочных технологий как новые фотоэлектрические элементы — большинство из них еще не получили коммерческого применения и все еще находятся на стадии исследований или разработок. Многие используют органические материалы, часто металлоорганические соединения, а также неорганические вещества. Хотя многие из этих технологий на ранних стадиях боролись с нестабильностью и низкой эффективностью, некоторые новые материалы, такие как перовскиты, смогли достичь эффективности, сравнимой с батареями из монокристаллического кремния. Многие из этих технологий потенциально могут превзойти предел Шокли-Кейссера по эффективности однопереходного твердотельного элемента. В эти технологии были вложены значительные исследования, поскольку они обещают достичь цели по производству недорогих, высокоэффективных солнечных элементов с меньшим воздействием на окружающую среду.
Сульфид меди-цинка-олова или Cu(Zn,Sn)(S,Se) 2 , обычно сокращенно CZTS, и его производные CZTSe и CZTSSe принадлежат к группе халькогенидов (например, CdTe и CIGS/CIS), иногда называемых кестеритами . В отличие от CdTe и CIGS, CZTS производится из доступного и нетоксичного сырья. Кроме того, ширину запрещенной зоны CZTS можно регулировать, изменяя соотношение S/Se, что является желательным свойством для разработки оптимальных солнечных элементов. [62] CZTS также имеет высокий коэффициент светопоглощения.
Другие новые халькогенидные фотоэлектрические материалы включают соединения на основе сурьмы, такие как Sb 2 (S,Se) 3 . Как и CZTS, они имеют настраиваемую ширину запрещенной зоны и хорошее светопоглощение. Соединения на основе сурьмы также имеют квазиодномерную структуру, которая может быть полезна для приборостроения. Все эти новые халькогенидные материалы имеют то преимущество, что являются частью одного из наиболее зрелых и эффективных семейств тонкопленочных технологий. По состоянию на 2022 год элементы CZTS достигли максимальной эффективности около 12,6%, а элементы на основе сурьмы - 9,9%. [63]
Сенсибилизированные красителем клетки, также известные как клетки Гретцеля или DSPV, представляют собой инновационные клетки, которые выполняют своего рода искусственный фотосинтез, [64] устраняя необходимость в объемном твердотельном полупроводнике или pn-переходе. Вместо этого они создаются с использованием слоя фотоактивного красителя, смешанного с наночастицами полупроводникового оксида переходного металла поверх раствора жидкого электролита, окруженного электрическими контактами из платины или иногда графена и заключенными в стекло. Когда фотоны попадают в клетку, они могут поглощаться молекулами красителя, переводя их в сенсибилизированное состояние. В этом состоянии молекулы красителя могут инжектировать электроны в зону проводимости полупроводника. Электроны красителя затем пополняются электродом, предотвращая рекомбинацию электронно-дырочной пары. Электрон в полупроводнике течет в виде тока через электрические контакты. [65]
Сенсибилизированные красителем солнечные элементы привлекательны тем, что позволяют осуществлять дешевое и экономически эффективное рулонное производство. [62] Однако на практике включение дорогих материалов, таких как платина и рутений, не позволяет достичь таких низких затрат. [62] Сенсибилизированные красителями элементы также имеют проблемы со стабильностью и деградацией, особенно из-за жидкого электролита. В условиях высокой температуры электролит может вытечь из элемента, а в условиях низкой температуры электролит может замерзнуть. Некоторые из этих проблем можно решить, используя квазитвердотельный электролит. [64]
По состоянию на 2023 год максимальная реализованная эффективность солнечного элемента, сенсибилизированного красителем, составит около 13%. [66]
В органических солнечных элементах в качестве фотоактивного материала используются органические полупроводниковые полимеры. Эти органические полимеры экономически эффективны в производстве и имеют высокие коэффициенты поглощения. [64] Производство органических солнечных элементов также является экономически эффективным и может использовать эффективные методы рулонного производства. Они также имеют одни из самых низких показателей воздействия на окружающую среду среди всех фотоэлектрических технологий по широкому спектру факторов воздействия, включая время окупаемости энергии и потенциал глобального потепления. [67]
Органические клетки обладают естественной гибкостью и хорошо подходят для многих применений. Ученые из лаборатории органической и наноструктурной электроники Массачусетского технологического института (MIT) (ONE Lab) интегрировали органические фотоэлектрические элементы в гибкие тканевые подложки, которые можно разворачивать более 500 раз без разрушения. [23]
Однако органические солнечные элементы, как правило, не очень стабильны и, как правило, имеют короткий срок службы. Они также имеют тенденцию быть менее эффективными, чем другие тонкопленочные элементы, из-за некоторых внутренних ограничений материала, таких как большая энергия связи для электронно-дырочных пар. [64] По состоянию на 2023 год максимально достигнутая эффективность органических солнечных элементов составит 18,2%. [66]
Перовскиты — группа материалов с общей кристаллической структурой, названная в честь их первооткрывателя, минералога Льва Перовского . Перовскиты, наиболее часто используемые для фотоэлектрических применений, представляют собой органо-неорганические гибридные галогениды свинца метиламмония, которые обладают рядом преимущественных свойств, включая широко настраиваемую ширину запрещенной зоны, высокие коэффициенты поглощения и хорошие свойства электронного транспорта как для электронов, так и для дырок. [68] По состоянию на 2023 год однопереходные перовскитовые солнечные элементы достигли максимальной эффективности 25,7%, конкурируя с монокристаллическим кремнием. Перовскиты также широко используются в тандемных и многопереходных элементах с кристаллическим кремнием, CIGS и других фотоэлектрических технологиях для достижения еще более высокой эффективности. [66] Они также предлагают широкий спектр недорогих приложений. [69] [70] [71]
Однако перовскитные ячейки, как правило, имеют короткий срок службы: по состоянию на 2016 год типичный срок службы составляет 5 лет. [68] В основном это связано с их химической нестабильностью при воздействии света, влаги, УФ-излучения и высоких температур, которые могут даже вызвать их. подвергнуться структурному переходу, который повлияет на работу устройства. Поэтому правильная инкапсуляция очень важна. [64]
Фотовольтаика с квантовыми точками (QDPV) заменяет обычный твердотельный полупроводниковый активный слой полупроводниковыми квантовыми точками. Запрещённую зону фотоактивного слоя можно регулировать, изменяя размер квантовых точек. [62] QDPV потенциально может генерировать более одной электронно-дырочной пары на фотон в процессе, называемом множественной генерацией экситонов (MEG), который может обеспечить теоретическую максимальную эффективность преобразования 87%, [34] хотя по состоянию на 2023 год максимальный достигнутый КПД ячейки QDPV составляет около 18,1%. [66] Элементы QDPV также имеют тенденцию использовать гораздо меньше материала активного слоя, чем другие типы солнечных элементов, что приводит к более дешевому производственному процессу. Однако элементы QDPV, как правило, оказывают сильное воздействие на окружающую среду по сравнению с другими тонкопленочными фотоэлектрическими материалами, особенно токсичность для человека и выбросы тяжелых металлов. [34]
В 2022 году появились сообщения о полупрозрачных солнечных элементах размером с окно [72] после того, как члены группы исследования достигли рекордной эффективности с высокой прозрачностью в 2020 году. [73] [74] Также в 2022 году другие исследователи сообщили об изготовлении солнечных батарей. клетки с рекордной средней видимой прозрачностью 79%, будучи почти невидимыми. [75] [76]
Тонкопленочные фотоэлектрические материалы, как правило, легкие и гибкие по своей природе, что естественным образом подходит для фотоэлектрических систем, интегрированных в здания (BIPV). [77] Общие примеры включают интеграцию полупрозрачных модулей в оконные конструкции [78] и использование жестких тонкопленочных панелей для замены кровельного материала. BIPV может значительно снизить воздействие на окружающую среду в течение всего срока службы (например, выбросы парниковых газов (ПГ)) из-за модулей солнечных батарей благодаря предотвращению выбросов, связанных с неиспользованием обычных строительных материалов. [79]
Несмотря на изначально более низкую эффективность на момент их внедрения, многие тонкопленочные технологии имеют эффективность, сравнимую с эффективностью обычных однопереходных солнечных элементов из кристаллического кремния без концентратора, максимальная эффективность которых по состоянию на 2023 год составит 26,1%. Фактически, обе тонкопленочные GaAs Монокристаллические элементы GaAs и GaAs имеют больший максимальный КПД - 29,1% и 27,4% соответственно. Максимальная эффективность однопереходных тонкопленочных ячеек без концентратора из различных известных тонкопленочных материалов показана на диаграмме.
Важно отметить, что максимальная эффективность, достигнутая в лабораторных условиях, обычно выше, чем эффективность промышленных ячеек, эффективность которых часто на 20-50% ниже. [68] По состоянию на 2021 год максимальная эффективность производимых солнечных элементов составляла 24,4% для монокристаллического кремния, 20,4% для поликристаллического кремния, 12,3% для аморфного кремния, 19,2% для CIGS и 19% для модулей CdTe. [80] Прототип тонкопленочного элемента с лучшим КПД дает 20,4% (First Solar), что сопоставимо с КПД лучшего прототипа обычного солнечного элемента от Panasonic , составляющего 25,6% . [81] [82]
Предыдущий рекорд эффективности тонкопленочных солнечных элементов в 22,3% был достигнут компанией Solar Frontier , крупнейшим в мире поставщиком солнечной энергии в СНГ (медь-индий-селен). В ходе совместного исследования с Организацией развития новой энергетики и промышленных технологий (NEDO) Японии компания Solar Frontier достигла эффективности преобразования 22,3% на элементе площадью 0,5 см 2 с использованием своей технологии CIS. Это на 0,6 процентного пункта больше, чем предыдущий рекорд отрасли по производству тонких пленок в 21,7%. [83]
Эффективность солнечного элемента определяет процент падающего на него света, который преобразуется в полезную электроэнергию . Существует множество факторов, влияющих на эффективность солнечного элемента, поэтому эффективность может быть дополнительно параметризована с помощью дополнительных числовых величин, включая ток короткого замыкания, напряжение холостого хода , точку максимальной мощности, коэффициент заполнения и квантовую эффективность . Ток короткого замыкания — это максимальный ток, который может протекать элемент без нагрузки по напряжению. Аналогично, напряжение холостого хода — это напряжение на устройстве без тока или, альтернативно, напряжение, необходимое для отсутствия тока. На кривой зависимости тока от напряжения (IV) напряжение холостого хода представляет собой горизонтальную точку пересечения кривой с осью напряжения, а ток короткого замыкания представляет собой вертикальную точку пересечения кривой с осью тока. Точка максимальной мощности — это точка на кривой, в которой достигается максимальная выходная мощность солнечного элемента, а площадь прямоугольника с длинами сторон, равными координатам тока и напряжения точки максимальной мощности, называется коэффициентом заполнения. Коэффициент заполнения является мерой того, какой мощности достигает солнечный элемент в этой точке максимальной мощности. Интуитивно понятно, что ВАХ с более квадратной формой и более плоскими вершинами и боками будет иметь больший коэффициент заполнения и, следовательно, более высокую эффективность. [84] В то время как эти параметры характеризуют эффективность солнечного элемента, основанную главным образом на его макроскопических электрических свойствах, квантовый выход измеряет либо отношение количества фотонов, падающих на элемент, к числу извлеченных носителей заряда (внешний квантовый выход), либо отношение числа фотонов, поглощенных клеткой, к числу извлеченных носителей заряда (внутренняя квантовая эффективность). В любом случае, квантовая эффективность является более прямым исследованием микроскопической структуры солнечного элемента. [85]
Некоторые солнечные элементы третьего поколения повышают эффективность за счет интеграции геометрии концентратора и/или многопереходного устройства. [63] Это может привести к тому, что эффективность однопереходного полупроводникового солнечного элемента при освещении одним солнцем превысит предел Шокли-Квейссера , составляющий примерно 42%. [86]
Многопереходная ячейка — это ячейка, которая включает в себя несколько полупроводниковых активных слоев с различной шириной запрещенной зоны. В типичном солнечном элементе используется один поглотитель с запрещенной зоной вблизи пика солнечного спектра, и любые фотоны с энергией, большей или равной запрещенной зоне, могут возбуждать электроны валентной зоны в зону проводимости для создания электронно-дырочных пар. . Однако любая избыточная энергия, превышающая энергию Ферми, будет быстро рассеиваться из-за термализации, что приводит к потерям напряжения из-за неспособности эффективно извлекать энергию фотонов высокой энергии. Ячейки с многопереходными переходами способны компенсировать часть этой энергии, потерянной в результате термализации, путем укладки нескольких слоев поглотителя друг на друга, при этом верхний слой поглощает фотоны с самой высокой энергией и пропускает фотоны с более низкой энергией к нижним слоям с меньшей запрещенной зоной. , и так далее. Это не только позволяет клеткам захватывать энергию фотонов в более широком диапазоне энергий, но также извлекает больше энергии на фотон из фотонов с более высокой энергией. [87]
В фотогальванике-концентраторе используется оптическая система линз, которые располагаются в верхней части элемента и фокусируют свет с большей площади на устройство, подобно воронке для солнечного света. Помимо создания большего количества электронно-дырочных пар просто за счет увеличения количества фотонов, доступных для поглощения, более высокая концентрация носителей заряда может повысить эффективность солнечного элемента за счет увеличения проводимости. Добавление концентратора к солнечному элементу может не только повысить эффективность, но также уменьшить пространство, материалы и стоимость, необходимые для производства элемента. [88]
Обе эти технологии используются в солнечном элементе с самым высоким КПД по состоянию на 2023 год, который представляет собой четырехпереходный элемент-концентратор с эффективностью 47,6%. [1]
Было использовано несколько методов для увеличения количества света, попадающего в клетку, и уменьшения количества, которое выходит без поглощения. Самый очевидный метод — минимизировать покрытие поверхности клетки верхним контактом, уменьшая площадь, блокирующую попадание света в клетку.
Слабо поглощаемый длинноволновый свет может быть направлен в кремний под углом и несколько раз пересекать пленку для усиления поглощения. [89] [90]
Было разработано множество методов увеличения поглощения за счет уменьшения количества падающих фотонов, отражающихся от поверхности клетки. Дополнительное антибликовое покрытие может вызвать деструктивные помехи внутри элемента, модулируя показатель преломления поверхностного покрытия. Деструктивная интерференция устраняет отражающую волну, в результате чего весь падающий свет проникает в ячейку.
Текстурирование поверхности — еще один вариант повышения впитываемости, но он увеличивает затраты. Применяя текстуру к поверхности активного материала, отраженный свет может преломляться и снова падать на поверхность, тем самым уменьшая отражательную способность. Например, текстурирование черного кремния с помощью реактивного ионного травления (RIE) является эффективным и экономичным подходом к увеличению поглощения тонкопленочных кремниевых солнечных элементов. [91] Текстурированный задний отражатель может предотвратить выход света через заднюю часть элемента. Вместо нанесения текстуры на активные материалы фотонные микроструктурированные покрытия, наносимые на передний контакт ячеек, могут быть интересной альтернативой для улавливания света, поскольку они обеспечивают как геометрическое антиотражение, так и рассеяние света, избегая при этом шероховатости фотоэлектрических элементов. слоев (тем самым предотвращая усиление рекомбинации). [92] [93]
Помимо текстурирования поверхности, большое внимание привлекла схема плазмонной улавливания света, способствующая увеличению фототока в тонкопленочных солнечных элементах. [94] [95] Этот метод использует коллективные колебания возбужденных свободных электронов в наночастицах благородных металлов, на которые влияют форма частиц, размер и диэлектрические свойства окружающей среды. Применение наночастиц благородных металлов на задней стороне тонкопленочных солнечных элементов приводит к образованию плазмонных задних отражателей, которые позволяют усиливать широкополосный фототок. [96] Это является результатом как рассеяния света слабопоглощенных фотонов расположенными сзади наночастицами, так и улучшенного поглощения света (геометрического антиотражения), вызванного полусферическими гофрами на передней поверхности клеток, образованными в результате конформного осаждения. клеточных материалов над частицами. [97]
Помимо минимизации потерь на отражение, сам материал солнечного элемента можно оптимизировать, чтобы повысить вероятность поглощения достигающего его фотона. Методы термической обработки могут значительно улучшить качество кристаллов кремниевых элементов и тем самым повысить эффективность. [98] Также можно наложить тонкопленочные элементы для создания многопереходного солнечного элемента . Запрещённая зона каждого слоя может быть спроектирована так, чтобы наилучшим образом поглощать различные диапазоны длин волн, так что вместе они могут поглощать более широкий спектр света. [99]
Дальнейшее развитие геометрических соображений может использовать размерность наноматериалов. Большие параллельные массивы нанопроволок позволяют обеспечить большую длину поглощения по длине проволоки, сохраняя при этом короткую длину диффузии неосновных носителей в радиальном направлении. [100] Добавление наночастиц между нанопроволоками обеспечивает проводимость. Естественная геометрия этих массивов образует текстурированную поверхность, которая улавливает больше света.
Мировой рынок фотоэлектрических систем по технологиям в 2021 году. [2]
Рынок фотоэлектрических систем в США по технологиям в 2021 году. [3]
С развитием технологии традиционного кристаллического кремния (c-Si) в последние годы и падением стоимости сырья для поликремния , которое последовало после периода серьезного глобального дефицита, давление на производителей коммерческих технологий тонких пленок, включая аморфные тонкие пленки, возросло. -пленочный кремний (a-Si), теллурид кадмия (CdTe) и диселенид меди, индия, галлия (CIGS), что привело к банкротству нескольких компаний. [101] По состоянию на 2013 год производители тонких пленок продолжают сталкиваться с ценовой конкуренцией со стороны китайских переработчиков кремния и производителей обычных солнечных панелей c-Si. Некоторые компании вместе со своими патентами были проданы китайским фирмам по цене ниже себестоимости. [102]
В 2013 году на тонкопленочные технологии приходилось около 9 процентов мирового внедрения, а 91 процент приходился на кристаллический кремний ( моно-кремний и мульти-кремний ). Занимая 5 процентов общего рынка, CdTe удерживает более половины рынка тонких пленок, оставляя по 2 процента на долю CIGS и аморфного кремния. [33] : 18–19
Некоторые известные производители не выдержали давления, вызванного достижениями последних лет в области традиционной технологии c-Si. Компания Solyndra прекратила всю коммерческую деятельность и подала заявление о банкротстве согласно Главе 11 в 2011 году, а компания Nanosolar , также являющаяся производителем CIGS, закрыла свои двери в 2013 году. Хотя обе компании производили солнечные элементы CIGS, было указано, что неудача не была вызвана не из-за технологии, а из-за самих компаний, использующих несовершенную архитектуру, как, например, цилиндрические подложки Solyndra. [103] В 2014 году корейская компания LG Electronics прекратила исследования по реструктуризации своего бизнеса по производству солнечной энергии CIGS, а Samsung SDI решила прекратить производство CIGS, в то время как китайский производитель фотоэлектрических систем Hanergy, как ожидается, увеличит производственные мощности своей модели 650 мм × 1650 с КПД 15,5%. мм CIGS-модулей. [104] [105] Одним из крупнейших производителей фотоэлектрических элементов CI(G)S является японская компания Solar Frontier с производственными мощностями в гигаваттном масштабе. [106] (См. также Список компаний CIGS ) .
Компания First Solar , ведущий производитель CdTe, строит несколько крупнейших в мире солнечных электростанций , таких как Desert Sunlight Solar Farm и Topaz Solar Farm , обе в калифорнийской пустыне мощностью 550 МВт каждая, а также Солнечная электростанция Нинган мощностью 102 мегаватта в Австралии, крупнейшая фотоэлектрическая электростанция в Южном полушарии, введенная в эксплуатацию в 2015 году. [107]
В 2011 году GE объявила о планах потратить 600 миллионов долларов на новый завод по производству солнечных элементов CdTe и выйти на этот рынок, [108] а в 2013 году First Solar купила портфель интеллектуальной собственности GE в области тонких пленок CdTe и сформировала деловое партнерство. [109] В 2012 году компания Abound Solar , производитель модулей из теллурида кадмия , обанкротилась. [110]
В 2012 году компания ECD Solar , когда-то один из ведущих мировых производителей технологий аморфного кремния (a-Si), подала заявление о банкротстве в Мичигане, США. Швейцарская компания Oerlikon продала свое подразделение солнечной энергетики , производившее тандемные элементы a-Si/μc-Si, компании Tokyo Electron Limited . [111] [112]
Другие компании, которые покинули рынок тонких пленок из аморфного кремния, включают DuPont , BP , Flexcell, Inventux, Pramac, Schuco, Sencera, EPV Solar, [113] NovaSolar (ранее OptiSolar) [114] и Suntech Power , которые прекратили производство модулей a-Si. в 2010 году сосредоточится на обычных кремниевых солнечных панелях. В 2013 году Suntech подала заявление о банкротстве в Китае. [115] [116] В августе 2013 года цена на спотовом рынке тонкопленочных a-Si и a-Si/μ-Si упала до 0,36 и 0,46 евро соответственно [117] (около 0,50 и 0,60 долларов США) за ватт. [118]
С ростом эффективности тонкопленочных солнечных батарей их установка на металлических крышах со стоячим фальцем стала конкурентоспособной по стоимости по сравнению с традиционными монокристаллическими и поликристаллическими солнечными элементами . Тонкопленочные панели являются гибкими, спускаются по металлической крыше со стоячим фальцем и приклеиваются к металлической крыше с помощью клея , поэтому для установки не требуются отверстия. Соединительные провода проходят под коньком наверху крыши. КПД колеблется в пределах 10-18%, но стоит всего около 2,00-3,00 долларов США за ватт установленной мощности по сравнению с монокристаллическим, который имеет КПД 17-22% и стоит 3,00-3,50 доллара США за ватт установленной мощности. Тонкая солнечная пленка имеет легкий вес - 7-10 унций на квадратный фут. Тонкопленочные солнечные панели служат 10–20 лет [119] , но окупаются быстрее, чем традиционные солнечные панели: металлические крыши служат 40–70 лет до замены по сравнению с 12–20 годами для крыши из битумной черепицы . [120] [121]
В 1998 году ученые Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) предсказали, что когда-нибудь станет возможным производство тонкопленочных фотоэлектрических систем по цене 50 долларов за м 2 , что сделает их чрезвычайно экономически жизнеспособными. По этой цене тонкопленочные фотоэлектрические системы принесут возврат инвестиций в размере 30% или выше. [122]
Чтобы помочь в достижении этой цели, в 2022 году NREL начала управлять Консорциумом ускорителей теллурида кадмия (CTAC) с целью обеспечить к 2025 году эффективность тонких пленок выше 24% при стоимости ниже 20 центов за ватт, а затем эффективность выше 26% и стоимость. ниже 15 центов за ватт к 2030 году. [123]
Одним из существенных недостатков тонкопленочных солнечных элементов по сравнению с монокристаллическими модулями является их более короткий срок службы, хотя степень этой проблемы зависит от материала: более распространенные тонкопленочные материалы обычно имеют более длительный срок службы. Стандартный срок службы монокристаллических кремниевых панелей обычно составляет 30 лет [79] со скоростью снижения производительности около 0,5% в год. [124] Тонкие пленки аморфного кремния, как правило, имеют сопоставимый срок службы ячеек [79] с несколько более высокими темпами снижения производительности, около 1% в год. [124] Халькогенидные технологии, такие как CIGS и CIS, обычно имеют одинаковый срок службы — 20–30 лет [34] [63] и скорость снижения производительности чуть более 1% в год. [124] Новые технологии, как правило, имеют меньший срок службы. В 2016 году максимальный зарегистрированный срок службы органических фотоэлектрических элементов составлял 7 лет, а в среднем 5 лет [67] , но к 2020 году типичный срок службы увеличился до 15–20 лет. [125] Аналогичным образом, сенсибилизированные красителем клетки имели максимальный зарегистрированный срок службы составлял 10 лет в 2007 году [34], но типичный срок службы увеличился до 15–30 лет по состоянию на 2020 год. [125] Перовскитные ячейки, как правило, имеют короткий срок службы: по состоянию на 2016 год типичный срок службы составляет 5 лет. [68] ] Срок службы солнечных элементов с квантовыми точками неясен из-за их развивающейся природы: некоторые прогнозируют, что срок службы достигнет 25 лет [34] , а другие устанавливают реалистичный срок службы где-то между 1 и 10 годами. [125]
Некоторые тонкопленочные модули также имеют проблемы с ухудшением качества в различных условиях. Почти все солнечные элементы испытывают снижение производительности с повышением температуры в разумном диапазоне рабочих температур. Признанные тонкопленочные материалы могут испытывать меньшее снижение характеристик в зависимости от температуры: аморфный кремний немного более устойчив, чем монокристаллический кремний, CIGS более устойчив, чем аморфный кремний, а CdTe демонстрирует лучшую устойчивость к ухудшению характеристик при изменении температуры. [80] Солнечные элементы, чувствительные к красителям, особенно чувствительны к рабочей температуре, поскольку высокие температуры могут вызвать утечку раствора электролита, а низкие температуры могут привести к его замерзанию, в результате чего элемент выйдет из строя. Ячейки перовскита также имеют тенденцию быть нестабильными при высоких температурах и могут даже претерпевать структурные изменения, которые влияют на работу устройств. [64] Помимо деградации, вызванной температурой, панели из аморфного кремния дополнительно подвергаются деградации, вызванной светом, как и органические фотоэлектрические элементы в еще большей степени. [124] [64] Клетки с квантовыми точками разрушаются под воздействием влаги или УФ-излучения. Точно так же клетки перовскита химически нестабильны и разлагаются под воздействием высоких температур, света, влаги или УФ-излучения. [64] Органические элементы также обычно считаются несколько нестабильными, [64] хотя были улучшены их долговечность, и по состоянию на 2022 год были разработаны гибкие органические элементы, которые можно разворачивать 500 раз без значительной потери производительности. [126] В отличие от других тонкопленочных материалов, CdTe имеет тенденцию быть достаточно устойчивым к условиям окружающей среды, таким как температура и влажность, но гибкие панели CdTe могут испытывать ухудшение характеристик под действием приложенных напряжений или деформаций. [64]
Для достижения международных целей в области возобновляемых источников энергии мировая мощность солнечной энергии должна значительно увеличиться. Например, чтобы достичь цели Международного энергетического агентства по установлению 4674 ГВт солнечной мощности во всем мире к 2050 году, необходимо значительное расширение по сравнению с 1185 ГВт, установленными во всем мире по состоянию на 2022 год. [127] Поскольку тонкопленочные солнечные элементы стали более эффективными. и коммерчески жизнеспособными, стало ясно, что они будут играть важную роль в достижении этих целей. Таким образом, становится все более важным понимать их совокупное воздействие на окружающую среду, как для сравнения существующих технологий, так и для определения ключевых областей для улучшения развивающихся технологий. Например, оценить влияние относительно более короткого срока службы устройств по сравнению с традиционными солнечными модулями и посмотреть, оказывает ли повышение эффективности или увеличение срока службы устройств большое влияние на общее воздействие технологий на окружающую среду. Помимо ключевых факторов, таких как выбросы парниковых газов (ПГ) , были подняты вопросы о воздействии на окружающую среду и здоровье потенциально токсичных материалов, таких как кадмий, которые используются во многих технологиях солнечных батарей. Многие ученые и экологи использовали анализ жизненного цикла как способ решения этих вопросов. [77]
Анализ жизненного цикла (LCA) — это семейство подходов, которые пытаются оценить общее воздействие продукта или процесса на окружающую среду объективным способом, от сбора сырья и производственного процесса до утилизации результатов и любых отходы. Хотя подходы ОЖЦ стремятся быть беспристрастными, результаты исследований ОЖЦ могут зависеть от конкретного подхода и используемых данных. Поэтому важно, чтобы результаты ОЖЦ четко указывали сделанные предположения, какие процессы включены, а какие исключены. Это часто указывается с использованием границ системы и структуры инвентаризации жизненного цикла. Из-за появления новых фотоэлектрических технологий процесс утилизации иногда может быть исключен из анализа жизненного цикла из-за высокой неопределенности. В этом случае оценка называется «от колыбели до могилы», а не «от колыбели до могилы», поскольку расчетное воздействие не охватывает полный жизненный цикл продукта. Однако такие исследования могут упускать из виду важные экологические последствия процесса утилизации, как отрицательные (как в случае сжигания клеток и отходов с истекшим сроком службы), так и положительные (как в случае переработки ). Также важно учитывать влияние этапов баланса обслуживания (BOS), которые включают транспортировку, установку и обслуживание, поскольку они также могут быть дорогостоящими с точки зрения материалов и электроэнергии. [77]
Исследования LCA могут использоваться для количественной оценки многих потенциальных воздействий на окружающую среду, от землепользования до выбросов, связанных с транспортом. Категории воздействия на окружающую среду могут быть сгруппированы в так называемые факторы воздействия для стандартизированного количественного сравнения. Для солнечных элементов, возможно, наиболее важным фактором воздействия является общий объем выбросов парниковых газов (ПГ) за весь срок службы . Об этом часто сообщают с точки зрения потенциала глобального потепления (ПГП), который дает более прямое представление о воздействии на окружающую среду. [63]
Еще одним важным показателем воздействия на окружающую среду является потребность в первичной энергии (PED), которая измеряет энергию (обычно электричество), необходимую для производства конкретного солнечного элемента. Более полезным показателем может быть совокупная потребность в энергии (CED), которая количественно определяет общее количество энергии, необходимое для производства, использования и утилизации конкретного продукта в течение всего его срока службы. Соответственно, время окупаемости энергии (EPBT) измеряет время работы, необходимое солнечному элементу для производства достаточного количества энергии для удовлетворения совокупной потребности в энергии. Аналогичным образом, время окупаемости углерода (CPBT) измеряет время работы, необходимое солнечному элементу для производства достаточного количества электроэнергии, чтобы предотвращенные выбросы углерода от того же количества электроэнергии, произведенной с использованием обычного энергетического баланса, были равны количеству выбросов углерода, которые будет производить элемент. генерировать в течение своей жизни. Другими словами, CPBT измеряет время, которое необходимо солнечному элементу для работы, чтобы уменьшить собственные выбросы углерода. [67]
Эти количества зависят от многих факторов, в том числе от того, где производятся и используются солнечные элементы, поскольку типичный баланс энергии варьируется от места к месту. Таким образом, выбросы, связанные с электричеством в процессе производства, а также предотвращаемые выбросы, связанные с электричеством, от электроэнергии, вырабатываемой солнечной энергией во время работы элемента, могут варьироваться в зависимости от конкретного модуля и применения. Выбросы от ячейки могут также зависеть от того, как модуль развернут, не только из-за затрат на сырье и энергию, связанных с производством монтажного оборудования, но также из-за любых предотвращенных выбросов от замененных строительных материалов, как в случае строительства. -интегрированные фотоэлектрические системы, где солнечные панели могут заменить строительные материалы, такие как черепица. [79]
Хотя воздействие, связанное с потреблением энергии и выбросами, имеет жизненно важное значение для оценки и сравнения технологий, они не являются единственными важными величинами для оценки воздействия солнечных элементов на окружающую среду. Другие важные факторы воздействия включают токсичные выбросы тяжелых металлов , истощение запасов металлов, токсичность для человека, различные экотоксичности (морские, пресноводные, наземные) и потенциал подкисления , который измеряет выбросы оксидов серы и азота. [67] [34] Включение широкого спектра воздействий на окружающую среду в анализ жизненного цикла обязательно необходимо для минимизации вероятности перехода воздействия на окружающую среду от заметного фактора воздействия, такого как выбросы парниковых газов, на менее заметный, но все же актуальный фактор воздействия, такой как токсичность для человека. [77]
Используя в качестве эталона известные солнечные элементы из монокристаллического кремния первого поколения, некоторые тонкопленочные солнечные элементы, как правило, оказывают меньшее воздействие на окружающую среду по большинству факторов воздействия, однако низкая эффективность и короткий срок службы могут увеличить воздействие новых технологий на окружающую среду по сравнению с первыми. клетки поколения. Стандартизованная мера выбросов парниковых газов отображается на диаграмме в единицах граммов эквивалента выбросов CO 2 на киловатт-час производства электроэнергии для различных тонкопленочных материалов. [34] [79] [125] Кристаллический кремний также включен для сравнения.
Что касается выбросов парниковых газов, то две наиболее распространенные тонкопленочные технологии, аморфный кремний и CdTe, имеют значительно более низкий потенциал глобального потепления (ПГП), чем солнечные элементы из монокристаллического кремния, при этом панели из аморфного кремния имеют ПГП примерно на 1/3 ниже. и CdTe почти на 1/2 ниже. [68] [79] Органические фотоэлектрические элементы имеют наименьший ПГП среди всех тонкопленочных фотоэлектрических технологий, причем ПГП более чем на 60% ниже, чем у монокристаллического кремния. [67]
Однако это справедливо не для всех тонкопленочных материалов. Для многих новых технологий низкая эффективность и короткий срок службы устройств могут привести к значительному увеличению воздействия на окружающую среду. Как новые халькогенидные технологии, так и устоявшиеся халькогенидные технологии, такие как CIS и CIGS, имеют более высокий потенциал глобального потепления, чем монокристаллический кремний, равно как и сенсибилизированные красителем солнечные элементы и солнечные элементы с квантовыми точками. Для халькогенидных элементов на основе сурьмы, благоприятных для использования менее токсичных материалов в производственном процессе, низкая эффективность и, следовательно, большая площадь, необходимая для солнечных элементов, являются движущим фактором увеличения воздействия на окружающую среду, а элементы с умеренно улучшенной эффективностью имеют потенциал. превосходить монокристаллический кремний по всем важным факторам воздействия на окружающую среду. Поэтому повышение эффективности этих и других новых халькогенидных клеток является приоритетом. [63] Низкая реализованная эффективность также является движущим фактором относительно большого ПГП солнечных элементов с квантовыми точками, несмотря на потенциальную возможность этих материалов демонстрировать множественную генерацию экситонов (МЭГ) из одного фотона. Более высокая эффективность также позволит использовать более тонкий активный слой, что снизит как затраты на материалы для самих квантовых точек, так и экономию материалов и выбросов, связанных с герметизирующим материалом. Реализация этого потенциала и, следовательно, повышение эффективности также является приоритетом для снижения воздействия этих клеток на окружающую среду. [34]
Вместо этого для органических фотоэлектрических систем движущим фактором ПГП является короткий срок службы. Несмотря на общие впечатляющие характеристики OPV по сравнению с другими солнечными технологиями, при рассмотрении «от колыбели до ворот», а не «от колыбели до могилы» (т.е. если рассматривать только процессы добычи материала и производства, не принимая во внимание полезный срок службы солнечных элементов), GWP, OPV представляют собой сокращение выбросов парниковых газов на 97% по сравнению с монокристаллическим кремнием и на 92% по сравнению с тонкими пленками аморфного кремния. Это значительно лучше, чем реализуемое в настоящее время сокращение на 60% по сравнению с монокристаллическим кремнием, и поэтому увеличение срока службы элементов OPV является приоритетом для снижения общего воздействия на окружающую среду. [67] Для перовскитных солнечных элементов с коротким сроком службы, всего около пяти лет, этот эффект может быть еще более значительным. Солнечные элементы из перовскита (не включены в диаграмму) обычно имеют значительно больший потенциал глобального потепления, чем другие тонкопленочные материалы в LCA от колыбели до могилы, примерно в 5-8 раз хуже, чем монокристаллический кремний при 150 г CO 2-экв / кВтч. Однако при комплексном LCA перовскитные элементы работают на 10–30% ниже, чем монокристаллический кремний, что подчеркивает важность повышенного воздействия на окружающую среду, связанного с необходимостью производить и утилизировать несколько перовскитовых панелей для генерации такого же количества энергии. электричество как единая монокристаллическая кремниевая панель из-за короткого срока службы. Поэтому увеличение срока службы солнечных модулей из перовскита является главным приоритетом для снижения их воздействия на окружающую среду. [68] Другие возобновляемые источники энергии, такие как ветровая, атомная и гидроэнергетика, могут иметь меньший ПГП, чем некоторые фотоэлектрические технологии. [34]
Важно отметить, что, хотя новые тонкопленочные материалы не превосходят монокристаллические кремниевые элементы с точки зрения потенциала глобального потепления, они по-прежнему обеспечивают гораздо меньшие выбросы углерода, чем невозобновляемые источники энергии, потенциал глобального потепления которых варьируется от сравнительно чистого природного газа. с 517 г CO 2-экв /кВтч до самого сильного загрязнителя бурого угля с более чем 1100 г CO 2-экв /кВтч. Тонкопленочные элементы также значительно превосходят типичный энергобаланс, который часто находится в диапазоне 400-800 г CO 2-экв /кВтч. [79]
Наибольший вклад в большинство факторов воздействия, включая потенциал глобального потепления, почти всегда вносит потребление энергии в ходе производственного процесса, которое значительно перевешивает другие потенциальные источники воздействия на окружающую среду, такие как транспортные расходы и закупки материалов. [79] Например, для ячеек CIGS на это приходится 98% потенциала глобального потепления, большая часть которого связана с изготовлением абсорбирующего слоя. [63] В целом, для процессов, включающих осаждение металлов, это часто является особенно значительным источником воздействия на окружающую среду. [77] Для фотоэлектрических систем на квантовых точках существенный вклад также вносит утилизация опасных отходов растворителей, используемых в производственном процессе. [34] Уровень потенциала глобального потепления, связанного с использованием электроэнергии, может значительно варьироваться в зависимости от места производства, в частности от доли возобновляемых и невозобновляемых источников энергии, используемых в местном энергобалансе. [79]
В целом, производство тонкопленочных панелей требует меньше энергии, чем монокристаллических кремниевых панелей, [79] особенно с учетом того, что некоторые новые технологии тонкопленочных материалов обладают потенциалом для эффективной и дешевой обработки рулонов . [34] В результате тонкопленочные технологии, как правило, демонстрируют лучшие результаты, чем монокристаллический кремний с точки зрения времени окупаемости энергии, хотя панели из аморфного кремния являются исключением. Тонкопленочные элементы обычно имеют более низкую эффективность, чем монокристаллические солнечные элементы, поэтому этот эффект во многом обусловлен сравнительно более низким потреблением первичной энергии (PED), связанным с производством ячеек.
Применение, в котором используются модули, и процесс переработки материалов (если таковой имеется) также могут играть большую роль в общей энергоэффективности и выбросах парниковых газов в течение срока службы элемента. Интеграция модулей в проект здания может привести к значительному снижению воздействия элементов на окружающую среду благодаря предотвращению выбросов, связанных с производством обычных строительных материалов, например, предотвращению выбросов при производстве черепицы для солнечной крыши, интегрированной в здание. [79] Этот эффект особенно важен для тонкопленочных солнечных элементов, чья легкая и гибкая природа естественным образом подходит для интегрированных в здания фотоэлектрических элементов. [77] Выбросы на 70-90% ниже при портативных зарядных устройствах. [67] Этот эффект справедлив и для некоторых других применений, например, органическая фотоэлектрическая энергия имеет на 55% меньшие выбросы, чем кристаллический кремний в солнечных панелях, но почти до такой же степени. приведет к значительному снижению совокупного энергопотребления и выбросов парниковых газов. Процессы переработки доступны для нескольких компонентов монокристаллических солнечных элементов, а также стеклянной подложки, CdTe и CdS в солнечных элементах CdTe. [125] Для панелей без процессов переработки, и особенно для панелей с коротким сроком службы, таких как органические фотоэлектрические элементы, утилизация панелей может значительно увеличить воздействие на окружающую среду, и может быть небольшая разница в факторах воздействия на окружающую среду, если панель сжигается или отправляется в свалка. [67]
Хотя выбор и добыча материалов не играют большой роли в потенциале глобального потепления, где почти повсеместно использование электроэнергии в производственном процессе вносит наибольший вклад, оно часто оказывает значительное влияние на другие важные факторы воздействия на окружающую среду, включая токсичность для человека, выбросы тяжелых металлов. выбросы, потенциал окисления, а также истощение металлов и озона.
Токсичность для человека и выбросы тяжелых металлов являются особенно важными факторами воздействия при производстве тонкопленочных солнечных элементов, поскольку потенциальные последствия использования кадмия для окружающей среды и здоровья вызывают особую озабоченность с момента появления элементов CdTe на коммерческом рынке в 1990-х годах, когда опасность кадмийсодержащих соединений не была хорошо изучена. [128] Общественная обеспокоенность по поводу солнечных элементов CdTe сохраняется, поскольку они становятся все более распространенными. [129] Кадмий является очень опасным материалом [130] , который вызывает повреждение почек, костей и легких и, как полагают, увеличивает риск развития рака. [131] Первоначально все кадмийсодержащие соединения были классифицированы как опасные, хотя теперь мы знаем, что, несмотря на то, что Cd и Te опасны по отдельности, комбинация CdTe очень химически стабильна [25] с низкой растворимостью и представляет минимальный риск для здоровья человека. . [128]
Исходное сырье Cd представляет больший риск, равно как и материалы-прекурсоры, такие как CdS и ацетат кадмия, которые также часто используются в других фотоэлектрических элементах и часто вносят значительный вклад в факторы воздействия на окружающую среду, такие как токсичность для человека и выбросы тяжелых металлов. [63] Эти эффекты могут быть более выраженными для процессов нанопроизводства, которые производят ионы Cd в растворе, таких как производство квантовых точек для QDPV. [34] Из-за этих эффектов производство солнечных элементов CdTe фактически имеет меньшие выбросы тяжелых металлов, чем другие виды производства тонкопленочных солнечных батарей. Фактически, производство CdTe имеет более низкие выбросы кадмия, чем производство ленточного кремния, мультикристаллического кремния, монокристаллического кремния или фотоэлектрических квантовых точек, а также более низкие выбросы никеля, ртути, мышьяка, хрома и свинца. [34] С точки зрения общих выбросов тяжелых металлов, фотоэлектрические квантовые точки имеют самые высокие выбросы фотоэлектрических материалов - примерно 0,01 мг/кВтч, но все же имеют более низкие общие выбросы тяжелых металлов, чем любой другой возобновляемый или невозобновляемый источник электроэнергии, как показано на рис. график.
Желание облегчить проблемы безопасности, связанные с солнечными элементами из кадмия и CdTe, в частности, привело к разработке других халькогенидных фотоэлектрических материалов, которые нетоксичны или менее токсичны, особенно халькогенидов на основе сурьмы. В этих новых халькогенидных элементах использование CdS вносит наибольший вклад в воздействие таких факторов, как токсичность для человека и истощение запасов металлов, хотя нержавеющая сталь также вносит значительный вклад в воздействие этих и других фотоэлектрических материалов. Например, в ячейках CIGS на долю нержавеющей стали приходится 80% общей токсичности, связанной с производством ячеек, а также она вносит значительный вклад в разрушение озона. [63]
Еще одним потенциальным фактором воздействия, представляющим интерес для производства фотоэлектрических систем, является потенциал окисления, который количественно определяет выбросы оксидов серы и азота, которые способствуют подкислению почвы , пресной воды и океана и их негативным последствиям для окружающей среды. В этом отношении QDPV имеет самые низкие выбросы, второе место занимает CdTe. [34]
{{cite journal}}: Неизвестный параметр |agency=игнорируется ( справка ):14была вызвана, но так и не определена (см. страницу справки ).Samsung SDI решила прекратить производство тонкопленочных фотоэлектрических модулей CIGS. Hanergy: Таблица 3 на стр. 49.