Тонкопленочные солнечные элементы — это тип солнечных элементов, изготовленных 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 микрометров ( мкм ) — 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 классифицируются на так называемые поколения на основе активных (поглощающих солнечный свет) слоев, используемых для их производства, при этом наиболее хорошо зарекомендовавшие себя или солнечные элементы первого поколения изготавливаются из моно- или поликристаллического кремния . Это доминирующая технология, используемая в настоящее время в большинстве солнечных фотоэлектрических систем . Большинство тонкопленочных солнечных элементов классифицируются как второе поколение , изготовленное с использованием тонких слоев хорошо изученных материалов, таких как аморфный кремний (a-Si), теллурид кадмия (CdTe), селенид галлия-индия-меди (CIGS) или арсенид галлия (GaAs). Солнечные элементы, изготовленные из более новых, менее известных материалов, классифицируются как солнечные элементы третьего поколения или новые солнечные элементы. Сюда входят некоторые инновационные тонкопленочные технологии, такие как перовскитные , сенсибилизированные красителем , квантовые точки , органические и тонкопленочные солнечные элементы CZTS .
Тонкопленочные элементы имеют ряд преимуществ по сравнению с кремниевыми солнечными элементами первого поколения, в том числе они легче и гибче благодаря своей тонкой конструкции. Это делает их пригодными для использования в интегрированных в здания фотоэлектрических элементах и в качестве полупрозрачного фотоэлектрического материала для остекления, который можно ламинировать на окна. Другие коммерческие приложения используют жесткие тонкопленочные солнечные панели (проложенные между двумя стеклами) на некоторых из крупнейших в мире фотоэлектрических электростанций . Кроме того, материалы, используемые в тонкопленочных солнечных элементах, обычно производятся с использованием простых и масштабируемых методов, более экономичных, чем элементы первого поколения, что во многих случаях приводит к меньшему воздействию на окружающую среду, такому как выбросы 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 GaAs-элементов, что превышает максимальный показатель эффективности в 26,1% для стандартных однопереходных солнечных элементов первого поколения. Многопереходные концентраторные элементы, включающие тонкопленочные технологии, достигли эффективности до 47,6% по состоянию на 2023 год. [1]
Тем не менее, было обнаружено, что многие тонкопленочные технологии имеют более короткий срок службы и более высокие скорости деградации, чем ячейки первого поколения в ускоренных испытаниях на срок службы , что способствовало их несколько ограниченному развертыванию. В глобальном масштабе доля рынка фотоэлектрических технологий остается около 5% по состоянию на 2023 год. [2] Однако тонкопленочная технология стала значительно более популярной в Соединенных Штатах, где только ячейки CdTe составили почти 30% нового развертывания в масштабах коммунального обслуживания в 2022 году. [3]
Ранние исследования тонкопленочных солнечных элементов начались в 1970-х годах. В 1970 году группа Жореса Алферова в Физико-техническом институте имени Иоффе создала первые солнечные элементы на основе арсенида галлия (GaAs), позже получив Нобелевскую премию по физике 2000 года за эту и другие работы. [4] [5] Два года спустя, в 1972 году, профессор Карл Бёр основал Институт преобразования энергии (IEC) в Университете Делавэра для дальнейшего изучения тонкопленочных солнечных элементов. Сначала институт сосредоточился на элементах из сульфида меди/сульфида кадмия (Cu 2 S/CdS), а затем в 1975 году расширил свою деятельность до тонких пленок из фосфида цинка (Zn 3 P 2 ) и аморфного кремния (a-Si). [6] В 1973 году IEC дебютировал с домом на солнечной энергии, Solar One, в качестве первого примера интегрированной в жилое здание фотоэлектрической системы. [7] В следующем десятилетии интерес к тонкопленочной технологии для коммерческого использования и аэрокосмических [8] приложений значительно возрос, и несколько компаний начали разработку тонкопленочных солнечных устройств из аморфного кремния. [9] Эффективность тонкопленочных солнечных батарей выросла до 10% для Cu2S / CdS в 1980 году, [10] а в 1986 году 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 показали значительный рост максимальной эффективности и расширение существующих тонкопленочных технологий в новых секторах. 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 возобновляемой энергии США (NREL) и Spectrolab объединились для создания трехпереходного арсенид-галлиевого солнечного элемента, эффективность которого достигла 32%. [13] В том же году компания Kiss + Cathcart разработала прозрачные тонкопленочные солнечные элементы для некоторых окон на Таймс-сквер , вырабатывая достаточно электроэнергии для питания 5-7 домов. [14] [12] В 2000 году компания BP Solar представила два новых коммерческих солнечных элемента на основе тонкопленочной технологии. [12] В 2001 году в Университете имени Иоганна Кеплера в Линце были разработаны первые органические тонкопленочные солнечные элементы . В 2005 году солнечные элементы на основе GaAs стали еще тоньше с первыми отдельно стоящими (без подложки) элементами, представленными исследователями в Университете Радбуда . [15]
Это также было время значительных достижений в исследовании новых солнечных материалов третьего поколения — материалов с потенциалом преодоления теоретических пределов эффективности традиционных твердотельных материалов. [16] В 1991 году был разработан первый высокоэффективный сенсибилизированный красителем солнечный элемент , заменив обычный твердый полупроводниковый (активный) слой элемента на жидкую электролитную смесь, содержащую поглощающий свет краситель. [17] В начале 2000-х годов началась разработка квантовых точек солнечных элементов, [16] технология которых была сертифицирована NREL в 2011 году. [18] В 2009 году исследователи из Токийского университета сообщили о новом типе солнечного элемента, использующего перовскиты в качестве активного слоя и достигающего эффективности более 3%, [19] основываясь на работе Мурасэ Чикао 1999 года, который создал слой перовскита, способный поглощать свет. [20]
В 2010-х и начале 2020-х годов инновации в области тонкопленочных солнечных технологий включали усилия по расширению солнечных технологий третьего поколения для новых приложений и снижению производственных затрат, а также значительное повышение эффективности материалов как второго, так и третьего поколения. В 2015 году компания Kyung-In Synthetic выпустила первые струйные солнечные элементы , гибкие солнечные элементы, изготовленные с помощью промышленных принтеров. [21] В 2016 году лаборатория органической и наноструктурированной электроники (ONE) Владимира Буловича в Массачусетском технологическом институте (MIT) создала тонкопленочные элементы, достаточно легкие, чтобы разместить их на мыльных пузырях. [22] В 2022 году та же группа представила гибкие органические тонкопленочные солнечные элементы, интегрированные в ткань. [23] [24]
Тонкопленочная солнечная технология захватила пиковую долю мирового рынка в 32% от нового развертывания фотоэлектрических систем в 1988 году, после чего в течение нескольких десятилетий снижалась и снова достигла меньшего пика в 17% в 2009 году. [25] [26] Затем доля рынка неуклонно снижалась до 5% в 2021 году во всем мире, [25] однако тонкопленочная технология захватила приблизительно 19% от общей доли рынка США в том же году, включая 30% производства в масштабах коммунальных предприятий. [27]
В типичном солнечном элементе фотогальванический эффект используется для генерации электроэнергии из солнечного света. Светопоглощающий или «активный слой» солнечного элемента обычно представляет собой полупроводниковый материал, что означает, что в его энергетическом спектре есть зазор между валентной зоной локализованных электронов вокруг ионов- хозяев и зоной проводимости электронов с более высокой энергией, которые могут свободно перемещаться по всему материалу. Для большинства полупроводниковых материалов при комнатной температуре электроны, которые не получили дополнительной энергии из другого источника, будут в основном существовать в валентной зоне, с небольшим количеством или без электронов в зоне проводимости. Когда солнечный фотон достигает полупроводникового активного слоя в солнечном элементе, электроны в валентной зоне могут поглощать энергию фотона и возбуждаться в зоне проводимости, позволяя им свободно перемещаться по всему 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 всему материалу в виде электричества. [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 . Поэтому, чтобы построить солнечный элемент из полупроводникового материала и извлечь ток во время процесса возбуждения, электрон и дырка пары электрон-дырка должны быть разделены. Этого можно достичь различными способами, но наиболее распространенным является pn-переход , где встречаются положительно легированный (p-типа) полупроводниковый слой и отрицательно легированный (n-типа) полупроводниковый слой, создавая химическую разность потенциалов , которая притягивает электроны в одном направлении, а дырки в другом, разделяя пару электрон-дырка. [29] Вместо этого этого можно достичь, используя металлические контакты с различными рабочими функциями , как в ячейке с переходом Шоттки .
В тонкопленочном солнечном элементе процесс в значительной степени тот же самый, но активный полупроводниковый слой сделан намного тоньше. Это может быть возможным благодаря некоторому внутреннему свойству используемого полупроводникового материала, которое позволяет ему преобразовывать особенно большое количество фотонов на единицу толщины. Например, некоторые тонкопленочные материалы имеют прямую запрещенную зону , то есть состояния электронов зоны проводимости и валентной зоны находятся на одном и том же импульсе вместо разных импульсов, как в случае полупроводника с непрямой запрещенной зоной, такого как кремний. Наличие прямой запрещенной зоны устраняет необходимость в источнике или стоке импульса (обычно это вибрация решетки или фонон ), упрощая двухэтапный процесс поглощения фотона в одноэтапный процесс. [30] Другие тонкопленочные материалы могут быть способны поглощать больше фотонов на единицу толщины просто из-за того, что имеют энергетическую запрещенную зону, которая хорошо соответствует пиковой энергии солнечного спектра , то есть существует много солнечных фотонов с правильной энергией, доступных для возбуждения пар электрон-дырка.
В других тонкопленочных солнечных элементах полупроводниковый слой может быть полностью заменен другим светопоглощающим материалом, например, раствором электролита и фотоактивными молекулами красителя в сенсибилизированном красителем солнечном элементе или квантовыми точками в солнечном элементе с квантовыми точками .
Тонкопленочные технологии уменьшают количество активного материала в ячейке. Активный слой может быть помещен на жесткую подложку из стекла, пластика или металла, или ячейка может быть изготовлена с гибкой подложкой, такой как ткань. Тонкопленочные солнечные элементы, как правило, дешевле кристаллических кремниевых элементов и оказывают меньшее экологическое воздействие (определяется анализом жизненного цикла ). [31] Их тонкая и гибкая природа также делает их идеальными для таких применений, как интегрированные 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 кристаллические кремниевые панели с точки зрения эффективности. Теллурид кадмия (CdTe), селенид галлия-индия меди (CIGS) и аморфный кремний (a-Si) являются тремя наиболее известными тонкопленочными технологиями.
Теллурид кадмия (CdTe) — это халькогенидный материал, который является преобладающей технологией тонких пленок. С примерно 5 процентами мирового производства фотоэлектрических систем он занимает 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 самый низкий срок окупаемости энергии среди всех серийно выпускаемых 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 панели CdTe с эффективностью около 18 процентов. [35]
Хотя токсичность кадмия может быть не такой уж большой проблемой, а экологические проблемы полностью решены с переработкой модулей CdTe по окончании их срока службы, [36] все еще существуют неопределенности [37], и общественное мнение скептически относится к этой технологии. [38] [39] Использование редких материалов также может стать ограничивающим фактором для промышленной масштабируемости тонкопленочной технологии CdTe. Редкость теллура , анионной формой которого является теллурид , сопоставима с редкостью платины в земной коре и вносит значительный вклад в стоимость модуля. [40]
Как и CdTe, селенид меди, индия, галлия (CIGS) и его разновидности являются халькогенидными соединениями полупроводников. Солнечные элементы CIGS достигли лабораторной эффективности более 23 процентов (см. таблицу) и доли 0,8 процента на общем рынке фотоэлектрических систем в 2021 году. [45] Многочисленные компании производили солнечные элементы и модули CIGS, однако некоторые из них значительно сократили или прекратили производство в последние годы.
Фактические исследования направлены на улучшение свойств, связанных с изготовлением и функциональностью, путем модификации или замены отдельных слоев, например:
Помимо потенциала развития других слоев в солнечной ячейке, поглощающий материал CIGS обладает замечательным свойством, заключающимся в том, что его запрещенную зону можно настраивать, регулируя соотношение индия и галлия в соединении. Настраивая запрещенную зону, можно изменять долю солнечного спектра , поглощаемую солнечной ячейкой, что делает ячейки CIGS особенно интересными в качестве компонентов многопереходных солнечных ячеек . [48]
Также возможно частично заменить медь серебром , а селен серой , получив соединение (Ag z Cu 1-z )(In 1-x Ga x )(Se 1-y S y ) 2 . Чтобы отличить соединение без серы, его иногда сокращают до CIGSe, в то время как аббревиатура CIGS может относиться как к соединениям, содержащим серу, так и селен. Соединение, содержащее серебро, иногда называют ACIGS. Изменения состава CIGS являются предметом текущих исследований и частично также производятся в промышленности.
Существуют три основные архитектуры кремниевых тонкопленочных устройств:
Аморфный кремний (a-Si) — это некристаллическая, аллотропная форма кремния и наиболее развитая на сегодняшний день технология тонких пленок. Тонкопленочный кремний является альтернативой обычному пластинчатому (или объемному ) кристаллическому кремнию . Хотя тонкопленочные элементы CdTe и CIS на основе халькогенидов были разработаны в лабораторных условиях с большим успехом, в промышленности по-прежнему сохраняется интерес к тонкопленочным элементам на основе кремния. Устройства на основе кремния демонстрируют меньше проблем, чем их аналоги CdTe и CIS, такие как проблемы с токсичностью и влажностью у элементов CdTe и низкие производственные показатели CIS из-за сложности материала. Кроме того, из-за политического сопротивления использованию не «зеленых» материалов в производстве солнечной энергии, нет никаких предубеждений в отношении использования стандартного кремния.
Этот тип тонкопленочных ячеек в основном изготавливается с помощью технологии, называемой плазменно-усиленным химическим осаждением из паровой фазы . Он использует газообразную смесь силана (SiH 4 ) и водорода для осаждения очень тонкого слоя кремния толщиной всего в 1 микрометр (мкм) на подложку, такую как стекло, пластик или металл, которая уже покрыта слоем прозрачного проводящего оксида . Другие методы, используемые для осаждения аморфного кремния на подложку, включают распыление и методы химического осаждения из паровой фазы с использованием горячей проволоки. [50]
a-Si привлекателен как материал для солнечных элементов, поскольку это распространенный, нетоксичный материал. Он требует низкой температуры обработки и позволяет масштабировать производство на гибкой, недорогой подложке с небольшим количеством требуемого кремниевого материала. Благодаря своей ширине запрещенной зоны 1,7 эВ аморфный кремний также поглощает очень широкий диапазон светового спектра , включая инфракрасный и даже немного ультрафиолетового , и очень хорошо работает при слабом освещении. Это позволяет ячейке вырабатывать энергию ранним утром или поздним вечером, а также в пасмурные и дождливые дни, в отличие от ячеек из кристаллического кремния , которые значительно менее эффективны при воздействии рассеянного и непрямого дневного света . [ требуется ссылка ]
Однако эффективность элемента a-Si значительно падает примерно на 10–30 процентов в течение первых шести месяцев работы. Это называется эффектом Стеблера-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 изначально не демонстрируют этот эффект.
Его основная электронная структура — это штыревой переход. Аморфная структура a-Si подразумевает высокий собственный беспорядок и оборванные связи, что делает его плохим проводником для носителей заряда. Эти оборванные связи действуют как центры рекомбинации, которые значительно сокращают время жизни носителей. Обычно используется штыревая структура, а не структура с зазором. 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, перемещающихся из контакта n-типа в контакт p-типа, лучше, чем дырок, перемещающихся из контакта p-типа в контакт n-типа. Поэтому слой p-типа должен быть расположен вверху, где интенсивность света сильнее, так что большинство носителей заряда, пересекающих переход, являются электронами. [51]
Слой аморфного кремния можно объединить со слоями других аллотропных форм кремния для создания многопереходной солнечной ячейки . Когда объединены только два слоя (два pn-перехода), это называется тандемной ячейкой . При наложении этих слоев друг на друга поглощается более широкий диапазон светового спектра, что повышает общую эффективность ячейки.
В микроморфном кремнии слой микрокристаллического кремния (μc-Si) объединяется с аморфным кремнием, создавая тандемную ячейку. Верхний слой a-Si поглощает видимый свет, оставляя инфракрасную часть нижнему слою μc-Si. Концепция микроморфной стекированной ячейки была впервые разработана и запатентована в Институте микротехнологий (IMT) Невшательского университета в Швейцарии [52] и была лицензирована TEL Solar . Новый мировой рекордный фотоэлектрический модуль, основанный на концепции микроморфа с эффективностью модуля 12,24%, был независимо сертифицирован в июле 2014 года. [53]
Поскольку все слои сделаны из кремния, их можно изготавливать с помощью 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, как и c-Si, nc-Si может заменить c-Si. [54]
Аморфный кремний также может быть объединен 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 представляют оборванные и скрученные связи, что приводит к глубоким дефектам (энергетическим уровням в запрещенной зоне), а также деформации валентной зоны и зоны проводимости (хвосты зон).
Новая попытка объединить преимущества объемного кремния с преимуществами тонкопленочных устройств — это тонкопленочный поликристаллический кремний на стекле. Эти модули производятся путем нанесения антибликового покрытия и легированного кремния на текстурированные стеклянные подложки с использованием плазменно-химического осаждения из паровой фазы (PECVD). Текстура в стекле повышает эффективность ячейки примерно на 3% за счет уменьшения количества падающего света, отражающегося от солнечной ячейки, и улавливания света внутри солнечной ячейки. Кремниевая пленка кристаллизуется на этапе отжига при температурах 400–600 градусов Цельсия, в результате чего получается поликристаллический кремний.
Эти новые устройства показывают эффективность преобразования энергии 8% и высокую производительность >90%. Кристаллический кремний на стекле (CSG), где поликристаллический кремний составляет 1–2 микрометра, известен своей стабильностью и долговечностью; использование тонкопленочных технологий также способствует экономии средств по сравнению с объемными фотоэлектрическими элементами. Эти модули не требуют наличия прозрачного проводящего оксидного слоя. Это упрощает производственный процесс в два раза; не только этот шаг можно пропустить, но и отсутствие этого слоя значительно упрощает процесс построения контактной схемы. Оба эти упрощения еще больше снижают стоимость производства. Несмотря на многочисленные преимущества по сравнению с альтернативной конструкцией, оценки себестоимости производства на единицу площади показывают, что эти устройства сопоставимы по стоимости с однопереходными аморфными тонкопленочными ячейками. [49]
Арсенид галлия (GaAs) является полупроводником III-V с прямой запрещенной зоной 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 самую высокую эффективность солнечных элементов среди всех однопереходных солнечных элементов с эффективностью 29,1%. [57] Эта рекордная ячейка достигла такой высокой эффективности за счет внедрения заднего зеркала на задней поверхности для увеличения поглощения фотонов, что позволило ячейке достичь впечатляющей плотности тока короткого замыкания и значения напряжения холостого хода вблизи предела Шокли-Квайссера . [58] В результате солнечные элементы GaAs почти достигли своей максимальной эффективности, хотя улучшения все еще могут быть достигнуты за счет использования стратегий улавливания света. [59]
Тонкие пленки GaAs чаще всего изготавливаются с использованием эпитаксиального роста полупроводника на материале подложки. Метод эпитаксиального подъема (ELO), впервые продемонстрированный в 1978 году, оказался наиболее многообещающим и эффективным. В этом методе тонкий слой пленки отслаивается от подложки путем выборочного травления жертвенного слоя, который был помещен 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 экономически эффективные способы выращивания эпитаксиального пленочного слоя на подложке.
Несмотря на высокую производительность тонкопленочных ячеек GaAs, высокая стоимость материалов препятствует их широкому внедрению в индустрию солнечных батарей. GaAs чаще используется в многопереходных солнечных ячейках для солнечных панелей на космических аппаратах , поскольку большее отношение мощности к весу снижает затраты на запуск в космической солнечной энергетике ( ячейки InGaP / (In)GaAs / Ge ). Они также используются в концентраторной фотоэлектрике , новой технологии, которая лучше всего подходит для мест, получающих много солнечного света, с использованием линз для фокусировки солнечного света на гораздо меньший, а значит, менее дорогой концентраторный солнечный элемент GaAs.
.jpg/1280px-Glitter-Sized_Solar_Cells_(8230058366).jpg)
Национальная лаборатория возобновляемой энергии классифицирует ряд тонкопленочных технологий как новые фотоэлектрические технологии — большинство из них еще не нашли коммерческого применения и все еще находятся на стадии исследований или разработки. Многие используют органические материалы, часто металлоорганические соединения, а также неорганические вещества. Хотя многие из этих технологий боролись с нестабильностью и низкой эффективностью на ранних стадиях, некоторые новые материалы, такие как перовскиты, смогли достичь эффективности, сопоставимой с монокристаллическими кремниевыми ячейками. Многие из этих технологий имеют потенциал для преодоления предела Шокли-Квайссера для эффективности однопереходной твердотельной ячейки. Значительные исследования были инвестированы в эти технологии, поскольку они обещают достичь цели производства недорогих, высокоэффективных солнечных ячеек 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 относятся к группе халькогенидов (например, CdTe и CIGS/CIS), иногда называемых кестеритами . В отличие от CdTe и CIGS, CZTS производится из распространенного и нетоксичного сырья. Кроме того, запрещенную зону CZTS можно настраивать, изменяя соотношение S/Se, что является желательным свойством для проектирования оптимальных солнечных элементов. [62] CZTS также имеет высокий коэффициент поглощения света.
Другие новые халькогенидные фотоэлектрические материалы включают соединения на основе сурьмы, такие как Sb 2 (S,Se) 3 . Как и CZTS, они имеют настраиваемую запрещенную зону и хорошее поглощение света. Соединения на основе сурьмы также имеют квазиодномерную структуру, которая может быть полезна для проектирования устройств. Все эти новые халькогенидные материалы имеют преимущество, являясь частью одного из самых зрелых и эффективных семейств тонкопленочных технологий. По состоянию на 2022 год ячейки CZTS достигли максимальной эффективности около 12,6%, в то время как ячейки на основе сурьмы достигли 9,9%. [63]
Сенсибилизированные красителем ячейки, также известные как ячейки Гретцеля или DSPV, являются инновационными ячейками, которые выполняют своего рода искусственный фотосинтез, [64] устраняя необходимость в объемном твердотельном полупроводнике или pn-переходе. Вместо этого они построены с использованием слоя фотоактивного красителя, смешанного с наночастицами оксида полупроводникового переходного металла поверх жидкого электролитного раствора, окруженного электрическими контактами из платины или иногда графена и инкапсулированного в стекло. Когда фотоны попадают в ячейку, 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 пары электрон-дырка. Электрон в полупроводнике вытекает в виде тока через электрические контакты. [65]
Сенсибилизированные красителем солнечные элементы привлекательны, поскольку они позволяют производить дешевые и экономически эффективные рулонные материалы. [62] Однако на практике включение дорогих материалов, таких как платина и рутений, не позволяет достичь этих низких затрат. [62] Сенсибилизированные красителем элементы также имеют проблемы со стабильностью и деградацией, особенно из-за жидкого электролита. В условиях высокой температуры электролит может вытекать из элемента, а в условиях низкой температуры электролит может замерзнуть. Некоторые из этих проблем можно преодолеть с помощью квазитвердотельного электролита. [64]
По состоянию на 2023 год максимальная реализованная эффективность сенсибилизированного красителем солнечного элемента составит около 13%. [66]
Органические солнечные элементы используют органические полупроводниковые полимеры в качестве фотоактивного материала. Эти органические полимеры являются экономически эффективными в производстве и настраиваемыми с высокими коэффициентами поглощения. [64] Производство органических солнечных элементов также является экономически эффективным и может использовать эффективные методы производства рулон-в-рулон. 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 элементы от природы гибкие, что хорошо подходит для многих приложений. Ученые из Лаборатории органической и наноструктурированной электроники Массачусетского технологического института (MIT) (ONE Lab) интегрировали органические фотоэлектрические элементы в гибкие тканевые подложки, которые можно разворачивать более 500 раз без ухудшения состояния. [23]
Однако органические солнечные элементы, как правило, не очень стабильны и имеют тенденцию к низкому сроку службы. Они также имеют тенденцию быть менее эффективными, чем другие тонкопленочные элементы из-за некоторых внутренних ограничений материала, таких как большая энергия связи для пар электрон-дырка. [64] По состоянию на 2023 год максимальная достигнутая эффективность для органических солнечных элементов составляет 18,2%. [66]
Перовскиты — это группа материалов с общей кристаллической структурой, названная в честь их первооткрывателя, минералога Льва Перовского . Перовскиты, наиболее часто используемые для фотоэлектрических приложений, представляют собой органические-неорганические гибридные галогениды метиламмония свинца, которые обладают рядом выгодных свойств, включая широко настраиваемые запрещенные зоны, высокие коэффициенты поглощения и хорошие электронные транспортные свойства как для электронов, так и для дырок. [68] По состоянию на 2023 год однопереходные перовскитные солнечные элементы достигли максимальной эффективности 25,7%, что сопоставимо с эффективностью монокристаллического кремния. Перовскиты также широко используются в тандемных и многопереходных элементах с кристаллическим кремнием, CIGS и другими фотоэлектрическими технологиями для достижения еще более высокой эффективности. [66] Они также предлагают широкий спектр недорогих применений. [69] [70] [71]
Однако перовскитные ячейки, как правило, имеют короткий срок службы, типичный срок службы по состоянию на 2016 год составляет 5 лет. [68] Это в основном связано с их химической нестабильностью при воздействии света, влаги, УФ-излучения и высоких температур, которые могут даже привести к структурному переходу, влияющему на работу устройства. Поэтому правильная инкапсуляция очень важна. [64]
Фотоэлектрические элементы на основе квантовых точек (QDPV) заменяют обычный твердотельный полупроводниковый активный слой на полупроводниковые квантовые точки. Ширина запрещенной зоны фотоактивного слоя может быть настроена путем изменения размера квантовых точек. [62] QDPV имеет потенциал для генерации более одной пары электрон-дырка на фотон в процессе, называемом множественной генерацией экситонов (MEG), что может обеспечить теоретически максимальную эффективность преобразования 87%, [34] хотя по состоянию на 2023 год максимальная достигнутая эффективность ячейки QDPV составляет около 18,1%. [66] Ячейки QDPV также имеют тенденцию использовать гораздо меньше материала активного слоя, чем другие типы солнечных элементов, что приводит к низкозатратному процессу производства. Однако ячейки QDPV имеют тенденцию оказывать высокое воздействие на окружающую среду по сравнению с другими тонкопленочными фотоэлектрическими материалами, особенно токсичность для человека и выбросы тяжелых металлов. [34]
В 2022 году были зарегистрированы полупрозрачные солнечные элементы размером с окна [72] после того, как члены исследовательской группы достигли рекордной эффективности при высокой прозрачности в 2020 году. [73] [74] Также в 2022 году другие исследователи сообщили об изготовлении солнечных элементов с рекордной средней видимой прозрачностью 79%, которые были почти невидимыми. [75] [76]
Тонкопленочные фотоэлектрические материалы, как правило, легкие и гибкие по своей природе, что естественным образом подходит для интегрированных в здание фотоэлектрических систем (BIPV). [77] Обычные примеры включают интеграцию полупрозрачных модулей, которые могут быть интегрированы в конструкции окон [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 из-за предотвращения выбросов, связанных с неиспользованием обычных строительных материалов. [79]
Несмотря на изначально более низкую эффективность на момент их внедрения, многие тонкопленочные технологии имеют эффективность, сопоставимую с обычными однопереходными неконцентраторными кристаллическими кремниевыми солнечными элементами, которые имеют максимальную эффективность 26,1% по состоянию на 2023 год. Фактически, как тонкопленочные GaAs, так и монокристаллические GaAs элементы имеют большую максимальную эффективность 29,1% и 27,4% соответственно. Максимальная эффективность для однопереходных неконцентраторных тонкопленочных элементов различных известных тонкопленочных материалов показана на диаграмме.
Важно отметить, что максимальная эффективность, достигнутая в лабораторных условиях, как правило, выше, чем эффективность изготовленных ячеек, которые часто имеют эффективность на 20-50% ниже. [68] По состоянию на 2021 год максимальная эффективность изготовленных солнечных ячеек 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 тонкопленочной ячейки с лучшей эффективностью дает 20,4% (First Solar), что сопоставимо с лучшей эффективностью прототипа обычного солнечного элемента 25,6% от Panasonic . [81] [82]
Предыдущий рекорд эффективности тонкопленочных солнечных элементов в 22,3% был достигнут Solar Frontier , крупнейшим в мире поставщиком солнечной энергии CIS (медь-индий-селен). В совместных исследованиях с Организацией по развитию новых энергетических и промышленных технологий (NEDO) Японии Solar Frontier достигла эффективности преобразования 22,3% на элементе 0,5 см2 с использованием своей технологии CIS. Это на 0,6 процентных пункта больше предыдущего рекорда отрасли для тонкопленочных элементов в 21,7%. [83]
Эффективность солнечной ячейки количественно определяет процент падающего на солнечную ячейку света, который преобразуется в полезную электроэнергию. Существует много факторов, которые влияют на эффективность солнечной ячейки, поэтому эффективность может быть дополнительно параметризована дополнительными числовыми величинами, включая ток короткого замыкания, напряжение холостого хода , максимальную точку мощности, коэффициент заполнения и квантовую эффективность . Ток короткого замыкания - это максимальный ток, который ячейка может пропускать без нагрузки напряжения. Аналогично, напряжение холостого хода - это напряжение на устройстве при отсутствии тока или, альтернативно, напряжение, необходимое для того, чтобы ток не протекал. На кривой зависимости тока от напряжения (IV) напряжение холостого хода - это горизонтальная точка пересечения кривой с осью напряжения, а ток короткого замыкания - это вертикальная точка пересечения кривой с осью тока. Максимальная точка мощности - это точка вдоль кривой, в которой достигается максимальная выходная мощность солнечной ячейки, а площадь прямоугольника с длинами сторон, равными координатам тока и напряжения максимальной точки мощности, называется коэффициентом заполнения. Коэффициент заполнения является мерой того, какую мощность солнечный элемент достигает в этой точке максимальной мощности. Интуитивно понятно, что кривые IV с более квадратной формой и более плоской верхней и боковой частью будут иметь больший коэффициент заполнения и, следовательно, более высокую эффективность. [84] В то время как эти параметры характеризуют эффективность солнечного элемента, основанную в основном на его макроскопических электрических свойствах, квантовая эффективность измеряет либо отношение числа фотонов, падающих на элемент, к числу извлеченных носителей заряда (внешняя квантовая эффективность), либо отношение числа фотонов, поглощенных элементом, 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 концентратора и/или геометрии многопереходного устройства. [63] Это может привести к эффективности, превышающей предел Шокли-Квайссера , приблизительно равный 42% для однопереходного полупроводникового солнечного элемента при освещении одним солнцем. [86]
Многопереходная ячейка — это ячейка, которая включает в себя несколько полупроводниковых активных слоев с различными запрещенными зонами. В типичной солнечной ячейке 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 пар электрон-дырка. Однако любая избыточная энергия выше энергии Ферми будет быстро рассеиваться из-за термализации, что приведет к потерям напряжения из-за невозможности эффективно извлекать энергию высокоэнергетических фотонов. Многопереходные ячейки способны компенсировать часть этой энергии, потерянной из-за термализации, путем укладки нескольких слоев поглотителей друг на друга, при этом верхний слой поглощает фотоны с самой высокой энергией и позволяет фотонам с более низкой энергией проходить в нижние слои с меньшей запрещенной зоной и т. д. Это не только позволяет ячейкам захватывать энергию из фотонов в большем диапазоне энергий, но и извлекать больше энергии на фотон из высокоэнергетических фотонов. [ необходима цитата ]
Концентраторные фотоэлектрические элементы используют оптическую систему линз, которые располагаются наверху ячейки, чтобы фокусировать свет с большей площади на устройство, подобно воронке для солнечного света. Помимо создания большего количества пар электрон-дырка просто за счет увеличения количества фотонов, доступных для поглощения, более высокая концентрация носителей заряда может повысить эффективность солнечной ячейки за счет увеличения проводимости. Добавление концентратора к солнечной ячейке может не только повысить эффективность, но и сократить пространство, материалы и стоимость, необходимые для производства ячейки. [87]
Обе эти технологии используются в самом эффективном солнечном элементе по состоянию на 2023 год, представляющем собой четырехпереходный концентраторный элемент с эффективностью 47,6%. [1]
Было использовано несколько методов для увеличения количества света, попадающего в клетку, и уменьшения количества, которое выходит без поглощения. Наиболее очевидный метод — минимизировать верхнее контактное покрытие поверхности клетки, уменьшая область, которая блокирует попадание света в клетку.
Слабо поглощаемый длинноволновый свет может быть наклонно связан с кремнием и пересекает пленку несколько раз, усиливая поглощение. [88] [89]
Было разработано несколько методов для увеличения поглощения путем уменьшения количества падающих фотонов, отражающихся от поверхности клетки. Дополнительное антибликовое покрытие может вызвать деструктивную интерференцию внутри клетки, модулируя показатель преломления поверхностного покрытия. Деструктивная интерференция устраняет отраженную волну, заставляя весь падающий свет проникать в клетку.
Текстурирование поверхности является еще одним вариантом для увеличения поглощения, но увеличивает затраты. При нанесении текстуры на поверхность активного материала отраженный свет может быть преломлен и снова попадать на поверхность, тем самым уменьшая отражательную способность. Например, текстурирование черного кремния с помощью реактивного ионного травления (RIE) является эффективным и экономичным подходом для увеличения поглощения тонкопленочных кремниевых солнечных элементов. [90] Текстурированный задний отражатель может предотвратить выход света через заднюю часть элемента. Вместо нанесения текстурирования на активные материалы фотонные микроструктурированные покрытия, нанесенные на передний контакт элементов, могут быть интересной альтернативой для улавливания света, поскольку они допускают как геометрическое антиотражение, так и рассеивание света, избегая при этом шероховатости фотоэлектрических слоев (тем самым предотвращая увеличение рекомбинации). [91] [92]
Помимо поверхностной текстуры, схема плазмонной световой ловушки привлекла большое внимание, чтобы помочь улучшить фототок в тонкопленочных солнечных элементах. [93] [94] 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 улучшить широкополосный фототок. [95] Это является результатом как рассеяния света слабо поглощаемых фотонов от наночастиц, расположенных сзади, так и улучшенного светового взаимодействия (геометрического антиотражения), вызванного полусферическими гофрами на передней поверхности ячеек, образованными из конформного осаждения материалов ячеек на частицы. [96]
Помимо минимизации потерь на отражение, сам материал солнечной ячейки может быть оптимизирован для более высокой вероятности поглощения фотона, который достигает его. Методы термической обработки могут значительно улучшить качество кристаллов кремниевых ячеек и тем самым повысить эффективность. [97] Также может быть выполнено наслоение тонкопленочных ячеек для создания многопереходной солнечной ячейки . Запрещенная зона каждого слоя может быть спроектирована для наилучшего поглощения различного диапазона длин волн, так что вместе они могут поглощать больший спектр света. [98]
Дальнейшее продвижение в геометрических соображениях может использовать размерность наноматериала. Большие параллельные массивы нанопроволок обеспечивают большие длины поглощения по длине проволоки, сохраняя при этом короткие длины диффузии неосновных носителей вдоль радиального направления. [99] Добавление наночастиц между нанопроволоками обеспечивает проводимость. Естественная геометрия этих массивов образует текстурированную поверхность, которая улавливает больше света.
Глобальный рынок фотоэлектрических систем по технологиям в 2021 году. [2]
Рынок солнечных батарей коммунального назначения в США по технологиям в 2021 году. [3]
С достижениями в области технологии обычного кристаллического кремния (c-Si) в последние годы и падением стоимости исходного сырья для поликремния , последовавшим за периодом острого глобального дефицита, возросло давление на производителей коммерческих тонкопленочных технологий, включая аморфный тонкопленочный кремний (a-Si), теллурид кадмия (CdTe) и диселенид галлия-индия-меди (CIGS), что привело к банкротству нескольких компаний. [100] По состоянию на 2013 год производители тонкопленочных материалов продолжают сталкиваться с ценовой конкуренцией со стороны китайских переработчиков кремния и производителей обычных солнечных панелей c-Si. Некоторые компании (неплатежеспособные) вместе со своими патентами были проданы китайским фирмам ниже себестоимости. [101]
В 2013 году тонкопленочные технологии составили около 9 процентов мирового развертывания, в то время как 91 процент удерживался кристаллическим кремнием ( моно-Si и мульти-Si ). Имея 5 процентов от общего рынка, CdTe занимает более половины рынка тонкопленочных технологий, оставляя по 2 процента каждому CIGS и аморфному кремнию. [33] : 18–19
Несколько известных производителей не выдержали давления, вызванного достижениями в области традиционной технологии c-Si последних лет. Компания Solyndra прекратила всю свою деятельность и подала заявление о банкротстве в соответствии с Главой 11 в 2011 году, а Nanosolar , также производитель CIGS, закрыл свои двери в 2013 году. Хотя обе компании производили солнечные элементы CIGS, было отмечено, что неудача произошла не из-за технологии, а из-за самих компаний, использовавших несовершенную архитектуру, такую как, например, цилиндрические подложки Solyndra. [102] В 2014 году корейская LG Electronics прекратила исследования по CIGS, реструктурировав свой солнечный бизнес, а Samsung SDI решила прекратить производство CIGS, в то время как китайский производитель фотоэлектрических элементов Hanergy, как ожидается, нарастит производственные мощности своих 15,5% эффективных, 650 мм × 1650 мм CIGS-модулей. [103] [104] Одним из крупнейших производителей CI(G)S-фотоэлектрических систем является японская компания Solar Frontier с производственной мощностью в масштабах гигаватт. [105] (См. также Список компаний CIGS ) .
Компания First Solar , ведущий производитель CdTe, построила 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 102-мегаваттную солнечную электростанцию Nyngan в Австралии, крупнейшую фотоэлектрическую станцию в Южном полушарии, введенную в эксплуатацию в 2015 году. [106]
В 2011 году GE объявила о планах потратить 600 миллионов долларов на новый завод по производству солнечных элементов CdTe и выйти на этот рынок, [107] а в 2013 году First Solar выкупила портфель интеллектуальной собственности GE в области тонкопленочных CdTe и сформировала деловое партнерство. [108] В 2012 году Abound Solar , производитель модулей из теллурида кадмия , обанкротился. [109]
В 2012 году ECD solar , некогда один из ведущих мировых производителей технологий аморфного кремния (a-Si), подал заявление о банкротстве в Мичигане, США. Швейцарская OC Oerlikon продала свое солнечное подразделение , производившее тандемные ячейки a-Si/μc-Si, компании Tokyo Electron Limited . [110] [111]
Другие компании, которые покинули рынок тонкопленочных аморфных кремниевых панелей, включают DuPont , BP , Flexcell, Inventux, Pramac, Schuco, Sencera, EPV Solar, [112] NovaSolar (ранее OptiSolar) [113] и Suntech Power , которая прекратила производство модулей a-Si в 2010 году, чтобы сосредоточиться на обычных кремниевых солнечных панелях. В 2013 году Suntech подала заявление о банкротстве в Китае. [114] [115] В августе 2013 года цена на спотовом рынке тонкопленочных a-Si и a-Si/μ-Si упала до €0,36 и €0,46 соответственно [116] (около $0,50 и $0,60) за ватт. [117]
С ростом эффективности тонкопленочных солнечных панелей их установка на металлических крышах со стоячим фальцем стала экономически конкурентоспособной по сравнению с традиционными монокристаллическими и поликристаллическими солнечными элементами . Тонкопленочные панели гибкие и спускаются по металлическим крышам со стоячим фальцем и приклеиваются к металлической крыше с помощью клея , поэтому для установки не требуется никаких отверстий. Соединительные провода проходят под коньковой крышкой в верхней части крыши. Эффективность составляет 10–18%, но стоит всего около 2–3 долларов за ватт установленной мощности по сравнению с монокристаллическими панелями, эффективность которых составляет 17–22% и которые стоят 3–3,5 доллара за ватт установленной мощности. Тонкопленочные солнечные панели имеют небольшой вес — 7–10 унций на квадратный фут. Тонкопленочные солнечные панели служат 10–20 лет [118], но имеют более быструю окупаемость инвестиций, чем традиционные солнечные панели, металлические крыши служат 40–70 лет до замены по сравнению с 12–20 годами для битумной черепичной крыши. [119] [120]
В 1998 году ученые Национальной лаборатории возобновляемой энергии (NREL) предсказали, что производство тонкопленочных фотоэлектрических систем по цене $50 за м2 когда -нибудь станет возможным, что сделает их чрезвычайно экономически жизнеспособными. При такой цене тонкопленочные фотоэлектрические системы дадут возврат инвестиций в размере 30% и более. [121]
Чтобы помочь достичь этой цели, в 2022 году NREL начала управлять Консорциумом по ускорителям на основе теллурида кадмия (CTAC) с целью обеспечения эффективности тонкопленочных устройств выше 24% при стоимости ниже 20 центов за ватт к 2025 году, а затем эффективности выше 26% и стоимости ниже 15 центов за ватт к 2030 году. [122]
Одним из существенных недостатков тонкопленочных солнечных элементов по сравнению с монокристаллическими модулями является их более короткий срок службы, хотя степень, в которой это является проблемой, зависит от материала, при этом более устоявшиеся тонкопленочные материалы, как правило, имеют более длительный срок службы. Стандартный срок службы монокристаллических кремниевых панелей обычно принимается равным 30 годам [79] со скоростью ухудшения производительности около 0,5% в год. [123] Тонкопленочные аморфные кремниевые элементы, как правило, имеют сопоставимые сроки службы элементов [79] с немного более высокими скоростями ухудшения производительности около 1% в год. [123] Халькогенидные технологии, такие как CIGS и CIS, как правило, имеют схожие сроки службы в 20–30 лет [34] [63] и скорость ухудшения производительности чуть более 1% в год. [123] Новые технологии, как правило, имеют более короткие сроки службы. Максимальный заявленный срок службы органических фотоэлектрических элементов в 2016 году составлял 7 лет, а средний — 5 лет [67], но типичные сроки службы увеличились до 15–20 лет по состоянию на 2020 год [124]. Аналогично, максимальный заявленный срок службы сенсибилизированных красителем ячеек в 2007 году составлял 10 лет [34], но типичные сроки службы увеличились до 15–30 лет по состоянию на 2020 год [124]. Перовскитные ячейки, как правило, имеют короткий срок службы, типичный срок службы по состоянию на 2016 год составлял 5 лет [68]. Срок службы квантовых точек солнечных ячеек неясен из-за их развивающейся природы, некоторые предсказывают, что срок службы достигнет 25 лет [34], а другие устанавливают реалистичный срок службы где-то между 1 и 10 годами [124] .
Некоторые тонкопленочные модули также имеют проблемы с деградацией при различных условиях. Почти все солнечные элементы испытывают снижение производительности при повышении температуры в разумном диапазоне рабочих температур. Установившиеся тонкопленочные материалы могут испытывать меньшее снижение производительности в зависимости от температуры, при этом аморфный кремний немного более устойчив, чем монокристаллический кремний, CIGS более устойчив, чем аморфный кремний, а CdTe демонстрирует лучшую устойчивость к снижению производительности с температурой. [80] Солнечные элементы, сенсибилизированные красителем, особенно чувствительны к рабочей температуре, поскольку высокие температуры могут привести к утечке электролитного раствора, а низкие температуры могут привести к его замерзанию, в результате чего элемент выйдет из строя. Перовскитные элементы также имеют тенденцию быть нестабильными при высоких температурах и даже могут претерпевать структурные изменения, которые влияют на работу устройств. [64] Помимо деградации, вызванной температурой, аморфные кремниевые панели также испытывают деградацию, вызванную светом, как и органические фотоэлектрические элементы в еще большей степени. [123] [64] Квантовые точечные элементы деградируют при воздействии влаги или УФ-излучения. Аналогично, перовскитные элементы химически нестабильны и разрушаются под воздействием высоких температур, света, влаги или УФ-излучения. [64] Органические элементы также обычно считаются несколько нестабильными, [64] хотя были достигнуты улучшения в долговечности органических элементов, и по состоянию на 2022 год были разработаны гибкие органические элементы, которые можно разворачивать 500 раз без существенной потери производительности. [125] В отличие от других тонкопленочных материалов, CdTe, как правило, довольно устойчив к условиям окружающей среды, таким как температура и влажность, но гибкие панели CdTe могут испытывать ухудшение производительности под действием приложенных напряжений или деформаций. [64]
Для достижения международных целей в области возобновляемой энергии необходимо значительно увеличить мировую мощность солнечных батарей. Например, чтобы соответствовать цели Международного энергетического агентства по установлению 4674 ГВт солнечной мощности во всем мире к 2050 году, требуется значительное расширение с 1185 ГВт, установленных во всем мире по состоянию на 2022 год. [126] 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 в развивающихся технологиях. Например, чтобы оценить влияние относительно более коротких сроков службы устройств по сравнению с существующими солнечными модулями и посмотреть, оказывает ли повышение эффективности или увеличение срока службы устройств большое влияние на общее воздействие технологий на окружающую среду. Помимо таких ключевых факторов, 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 элементов. Многие ученые и экологи использовали анализ жизненного цикла как способ решения этих вопросов. [77]
Анализ жизненного цикла (LCA) — это семейство подходов, которые пытаются объективно оценить общее воздействие продукта или процесса на окружающую среду, от сбора сырья и производственного процесса до утилизации результата и любых отходов. Хотя подходы LCA стремятся быть беспристрастными, результаты исследований LCA могут быть чувствительны к конкретному подходу и используемым данным. Поэтому важно, чтобы результаты LCA четко указывали сделанные предположения относительно того, какие процессы включены и исключены. Это часто будет указываться с использованием границ системы и структуры инвентаризации жизненного цикла. Из-за новой природы 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 ворот», а не «от колыбели до могилы», поскольку рассчитанное 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 отслуживших свой срок ячеек и отходов), так и положительные (как в случае переработки ). Также важно включить эффект 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 быть использованы для количественной оценки многих потенциальных воздействий на окружающую среду, от землепользования до выбросов, связанных с транспортировкой. Категории воздействий 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 . Это часто сообщается в терминах потенциала глобального потепления (ПГП), который дает более прямое указание на воздействие на окружающую среду. [63]
Другой важной мерой воздействия на окружающую среду является первичный спрос на энергию (PED), который измеряет энергию (обычно электричество), необходимую для производства конкретного солнечного элемента. Более полезной мерой может быть кумулятивный спрос на энергию (CED), который 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 рабочее время, необходимое для того, чтобы солнечный элемент произвел достаточно энергии для покрытия его кумулятивного спроса на энергию. Аналогично, время окупаемости углерода (CPBT) измеряет рабочее время, необходимое для того, чтобы солнечный элемент произвел достаточно электроэнергии, чтобы предотвращенные выбросы углерода из того же количества электроэнергии, вырабатываемой с обычным энергетическим миксом , были равны количеству выбросов углерода, которые элемент будет генерировать в течение своего срока службы. Другими словами, CPBT измеряет время, которое необходимо солнечному элементу для работы, чтобы уменьшить его собственные выбросы углерода. [67]
Эти величины зависят от многих факторов, включая место производства и развертывания солнечной ячейки, поскольку типичный энергетический микс варьируется от места к месту. Таким образом, связанные с электричеством выбросы от производственного процесса, а также предотвращенные связанные с электричеством выбросы от солнечной электроэнергии во время работы ячейки могут варьироваться в зависимости от конкретного модуля и применения. Выбросы от ячейки также могут зависеть от того, как развернут модуль, не только из-за затрат на сырье и энергию, связанных с производством монтажного оборудования, но и из-за любых предотвращенных выбросов от замененных строительных материалов, как в случае интегрированных в здание фотоэлектрических систем, где солнечные панели могут заменить строительные материалы, такие как черепица. [79]
Хотя воздействие, связанное с использованием 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 выбросы токсичных тяжелых металлов , истощение металлов, токсичность для человека, различные виды экотоксичности (морской, пресноводной, наземной) и потенциал подкисления , который измеряет выбросы оксидов серы и азота. [67] [34] Включение широкого спектра воздействий на окружающую среду в анализ жизненного цикла необходимо для минимизации вероятности перехода воздействия на окружающую среду от заметного фактора воздействия, такого как выбросы парниковых газов, к менее заметному, но все же значимому фактору воздействия, такому как токсичность для человека. [77]
Используя в качестве эталона устоявшиеся монокристаллические кремниевые солнечные элементы 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 на окружающую среду новых технологий по сравнению с ячейками первого поколения. Стандартизированная мера выбросов парниковых газов отображается на диаграмме в единицах граммов выбросов эквивалента CO2 на киловатт-час производства электроэнергии для различных тонкопленочных материалов. [34] [79] [124] Кристаллический кремний также включен для сравнения.
Если говорить только о выбросах парниковых газов, то две наиболее распространенные тонкопленочные технологии, аморфный кремний и CdTe, имеют значительно более низкий потенциал глобального потепления (ПГП), чем монокристаллические кремниевые солнечные элементы, при этом у панелей из аморфного кремния ПГП примерно на 1/3 ниже, а у CdTe — почти на 1/2 ниже. [68] [79] Органические фотоэлектрические системы имеют самый низкий ПГП среди всех тонкопленочных фотоэлектрических технологий, с ПГП более чем на 60% ниже, чем у монокристаллического кремния. [67]
Однако это не относится ко всем тонкопленочным материалам. 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, как и сенсибилизированные красителем и квантовые точечные солнечные элементы. Для халькогенидных элементов на основе сурьмы, благоприятных для использования менее токсичных материалов в процессе производства, низкая эффективность и, следовательно, большие требования к площади для солнечных элементов являются движущим фактором повышенного воздействия на окружающую среду, а элементы со скромно улучшенной эффективностью имеют потенциал превзойти монокристаллический кремний по всем соответствующим факторам воздействия на окружающую среду. Поэтому повышение эффективности для этих и других новых халькогенидных элементов является приоритетом. [63] Низкая реализованная эффективность также является движущим фактором относительно большого ПГП квантовых точечных солнечных элементов, несмотря на потенциал этих материалов демонстрировать множественную генерацию экситонов (MEG) из одного фотона. Более высокая эффективность также позволит использовать более тонкий активный слой, что снизит как стоимость материалов для самих квантовых точек, так и экономию на материалах и выбросах, связанных с инкапсуляционным материалом. Реализация этого потенциала и, следовательно, повышение эффективности также является приоритетом для снижения воздействия этих ячеек на окружающую среду. [34]
Для органической фотоэлектрики движущим фактором GWP является короткий срок службы. Несмотря на общую впечатляющую производительность OPV по сравнению с другими солнечными технологиями, при рассмотрении GWP от колыбели до ворот, а не от колыбели до могилы (т. е. рассматривая только процессы извлечения и производства материалов, исключая полезный срок службы солнечных элементов), OPV обеспечивает 97%-ное сокращение выбросов парниковых газов по сравнению с монокристаллическим кремнием и 92%-ное сокращение по сравнению с тонкими пленками аморфного кремния. Это значительно лучше, чем 60%-ное сокращение по сравнению с монокристаллическим кремнием, реализованное в настоящее время, и поэтому улучшение срока службы ячеек 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. Перовскитные солнечные элементы (не включены в диаграмму) обычно имеют значительно больший потенциал глобального потепления, чем другие тонкопленочные материалы в цикле жизненного цикла от колыбели до могилы, примерно в 5-8 раз хуже, чем монокристаллический кремний при 150 г CO2 -экв /кВт·ч. Однако в цикле жизненного цикла от стадии до затвора перовскитные элементы работают на 10-30% хуже, чем монокристаллический кремний, что подчеркивает важность повышенного воздействия на окружающую среду, связанного с необходимостью производства и утилизации нескольких панелей из перовскита для генерации того же количества электроэнергии, что и одна монокристаллическая кремниевая панель из-за этого короткого срока службы. Поэтому увеличение срока службы перовскитных солнечных модулей является главным приоритетом для снижения их воздействия на окружающую среду. [68] Другие возобновляемые источники энергии, такие как ветер, атомная энергия и гидроэнергетика, могут достигать меньшего 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 все еще производят гораздо меньше выбросов углерода, чем невозобновляемые источники энергии, которые имеют потенциал глобального потепления, варьирующийся от сравнительно чистого природного газа с 517 г CO 2-экв /кВт·ч до самого загрязняющего лигнита с более чем 1100 г CO 2-экв /кВт·ч. Тонкопленочные элементы также значительно превосходят типичный энергетический микс, который часто находится в диапазоне 400-800 г CO 2-экв /кВт·ч. [79]
Наибольший вклад в большинство факторов воздействия, включая потенциал глобального потепления, почти всегда вносит использование энергии в процессе производства, что значительно перевешивает другие потенциальные источники воздействия на окружающую среду, такие как транспортные расходы и источники материалов. [79] Например, для ячеек CIGS это составляет 98% потенциала глобального потепления, большая часть которого обусловлена именно производством слоя абсорбера. [63] В целом, для процессов, которые включают осаждение металла, это часто является особенно значимой точкой воздействия на окружающую среду. [77] Для квантовых точек фотоэлектрических систем утилизация опасных отходов растворителей, используемых в процессе производства, также вносит значительный вклад. [34] Уровень потенциала глобального потепления, связанный с использованием электроэнергии, может значительно различаться в зависимости от места производства, в частности, от доли возобновляемых и невозобновляемых источников энергии, используемых в местном энергетическом балансе. [79]
В целом, тонкопленочные панели требуют меньше энергии для производства, чем монокристаллические кремниевые панели, [79] особенно потому, что некоторые новые тонкопленочные технологии имеют потенциал для эффективной и дешевой рулонной обработки . [34] В результате тонкопленочные технологии, как правило, лучше, чем монокристаллический кремний с точки зрения времени окупаемости энергии, хотя панели из аморфного кремния являются исключением. Тонкопленочные элементы, как правило, имеют более низкую эффективность, чем монокристаллические солнечные элементы, поэтому этот эффект в значительной степени обусловлен сравнительно более низким первичным энергетическим спросом (PED), связанным с производством элементов.
Применение, в котором используются модули, и процесс переработки (если таковой имеется) материалов также могут играть большую роль в общей энергоэффективности и выбросах парниковых газов в течение срока службы ячейки. Интеграция модулей в проектирование зданий может привести к значительному снижению воздействия ячеек на окружающую среду из-за предотвращения выбросов, связанных с производством обычных строительных материалов, например, предотвращения выбросов от производства черепицы для интегрированной в здание солнечной крыши. [79] Этот эффект особенно важен для тонкопленочных солнечных элементов, чья легкая и гибкая природа естественным образом подходит для интегрированной в здание фотоэлектрической системы. [77] На 70-90% меньше выбросов в портативных зарядных устройствах. [67] Этот эффект сохраняется и для некоторых других приложений, например, органическая фотоэлектрическая система имеет на 55% меньше выбросов, чем кристаллический кремний в солнечных панелях. Аналогичным образом, предотвращение выбросов от переработки компонентов солнечной батареи вместо сбора и обработки новых материалов может привести к значительному снижению совокупного потребления энергии и выбросов парниковых газов. Процессы переработки доступны для нескольких компонентов монокристаллических солнечных элементов, а также стеклянной подложки, CdTe и CdS в солнечных элементах CdTe. [124] Для панелей без процессов переработки, и особенно для панелей с коротким сроком службы, таких как органические фотоэлектрические элементы, утилизация панелей может вносить значительный вклад в воздействие на окружающую среду, и может быть небольшая разница в факторах воздействия на окружающую среду, если панель сжигается или отправляется на свалку. [67]
Хотя выбор и добыча материалов не играют большой роли в потенциале глобального потепления, где потребление электроэнергии в производственном процессе практически повсеместно является крупнейшим фактором, они часто оказывают существенное влияние на другие важные факторы воздействия на окружающую среду, включая токсичность для человека, выбросы тяжелых металлов, потенциал подкисления, а также истощение металлов и озонового слоя.
Токсичность для человека и выбросы тяжелых металлов являются особенно важными факторами воздействия для производства тонкопленочных солнечных элементов, поскольку потенциальное воздействие использования кадмия на окружающую среду и здоровье стало предметом особой озабоченности с момента появления элементов CdTe на коммерческом рынке в 1990-х годах, когда опасности соединений, содержащих кадмий, не были хорошо изучены. [127] Общественная обеспокоенность по поводу солнечных элементов CdTe продолжается, поскольку они становятся все более распространенными. [128] Кадмий является чрезвычайно опасным материалом [129], который вызывает повреждения почек, костей и легких и, как полагают, увеличивает риск развития рака. [130] Первоначально все соединения, содержащие кадмий, классифицировались как опасные, хотя теперь мы знаем, что, несмотря на то, что и Cd, и Te по отдельности опасны, комбинация CdTe очень химически стабильна [25] с низкой растворимостью и представляет минимальный риск для здоровья человека. [127]
Сырье Cd представляет больший риск, как и прекурсоры, такие как CdS и ацетат кадмия, которые 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 выражены для процессов нанопроизводства, которые производят ионы Cd в растворе, таких как производство квантовых точек для QDPV. [34] Из-за этих эффектов производство солнечных элементов на основе CdTe фактически имеет более низкие выбросы тяжелых металлов, чем другое тонкопленочное солнечное производство. Фактически, производство CdTe имеет более низкие выбросы кадмия, чем производство ленточного кремния, мультикристаллического кремния, монокристаллического кремния или производство квантовых точек PV, а также более низкие выбросы никеля, ртути, мышьяка, хрома и свинца. [34] Что касается общего объема выбросов тяжелых металлов, квантовые фотоэлектрические системы имеют самые высокие выбросы среди фотоэлектрических материалов — приблизительно 0,01 мг/кВт⋅ч, но при этом имеют более низкий общий объем выбросов тяжелых металлов, чем любой другой возобновляемый или невозобновляемый источник электроэнергии, как показано на диаграмме.
Желание уменьшить опасения по поводу безопасности, связанные с кадмиевыми и CdTe солнечными элементами, в частности, вызвало разработку других халькогенидных фотоэлектрических материалов, которые нетоксичны или менее токсичны, в частности халькогенидов на основе сурьмы. В этих новых халькогенидных элементах использование CdS вносит наибольший вклад в факторы воздействия, такие как токсичность для человека и истощение металла, хотя нержавеющая сталь также вносит значительный вклад в воздействие этих и других фотоэлектрических материалов. Например, в элементах CIGS нержавеющая сталь составляет 80% от общей токсичности, связанной с производством элементов, а также вносит значительный вклад в истощение озонового слоя. [63]
Другим потенциальным фактором воздействия, представляющим интерес для производства фотоэлектрических систем, является потенциал подкисления, который количественно определяет выбросы оксидов серы и азота, которые способствуют подкислению почвы , пресной воды и океана , а также их негативные экологические последствия. В этом отношении QDPV имеет самые низкие выбросы, а CdTe занимает второе место. [34]
{{cite journal}}: Неизвестный параметр |agency=проигнорирован ( помощь )Samsung SDI решила прекратить производство тонкопленочных фотоэлектрических модулей CIGS. Hanergy: Таблица 3 на стр. 49