Солнечная батарея или фотоэлектрический элемент ( PV-ячейка ) представляет собой электронное устройство, которое преобразует энергию света непосредственно в электричество посредством фотоэлектрического эффекта . [1] Это форма фотоэлектрического элемента , устройства, электрические характеристики которого (такие как ток , напряжение или сопротивление ) изменяются под воздействием света. Отдельные солнечные элементы часто являются электрическими строительными блоками фотоэлектрических модулей , известных в просторечии как «солнечные панели». Обычный кремниевый солнечный элемент с одним переходом может производить максимальное напряжение холостого хода примерно от 0,5 до 0,6 вольт . [2]
Фотоэлектрические элементы могут работать под солнечным или искусственным светом. Помимо производства энергии, их можно использовать в качестве фотодетекторов (например, инфракрасных детекторов ), обнаружения света или другого электромагнитного излучения ближнего видимого диапазона или измерения интенсивности света.
Для работы фотоэлектрического элемента необходимы три основных атрибута:
Напротив, солнечный тепловой коллектор подает тепло , поглощая солнечный свет с целью либо прямого нагрева, либо косвенного производства электроэнергии из тепла. С другой стороны, «фотоэлектролитическая ячейка» ( фотоэлектрохимическая ячейка ) относится либо к типу фотоэлектрического элемента (например, разработанного Эдмоном Беккерелем и современными сенсибилизированными красителями солнечными элементами ), либо к устройству, которое расщепляет воду непосредственно на водород и кислород , используя только солнечное освещение.
Фотоэлектрические элементы и солнечные коллекторы являются двумя способами производства солнечной энергии .
Сборки солнечных элементов используются для изготовления солнечных модулей , генерирующих электроэнергию из солнечного света , в отличие от «солнечного теплового модуля» или «солнечной панели для горячей воды». Солнечная батарея генерирует солнечную энергию , используя солнечную энергию .
Применение солнечных батарей в качестве альтернативного источника энергии для транспортных средств является растущей отраслью. Электромобили, работающие на солнечной энергии и/или солнечном свете, обычно называют солнечными автомобилями. [ нужна цитата ] Эти транспортные средства используют солнечные панели для преобразования поглощенного света в электрическую энергию, которая затем сохраняется в батареях . [ нужна цитата ] Существует множество входных факторов, которые влияют на выходную мощность солнечных элементов, таких как температура , свойства материала, погодные условия, солнечное излучение и многое другое. [3]
Первый случай использования фотоэлектрических элементов в транспортных средствах произошел примерно в середине второй половины 1900-х годов. Стремясь повысить известность и осведомленность о транспорте, работающем на солнечной энергии, Ганс Толструп решил организовать первое издание World Solar Challenge в 1987 году . К участию в конкурсе были приглашены ведущие университеты мира. [ нужна цитата ] General Motors в конечном итоге выиграла соревнование со значительным отрывом со своим автомобилем Sunraycer , который развивал скорость более 40 миль в час. [ нужна цитата ] Вопреки распространенному мнению, автомобили, работающие на солнечной энергии, являются одними из старейших транспортных средств, работающих на альтернативной энергии. [4]
Современные солнечные автомобили используют энергию Солнца через солнечные панели , которые представляют собой совокупность солнечных элементов, работающих в тандеме для достижения общей цели. [5] Эти твердотельные устройства используют квантово -механические переходы для преобразования заданного количества солнечной энергии в электрическую. [5] Произведенная в результате электроэнергия затем сохраняется в аккумуляторе автомобиля , чтобы обеспечить работу двигателя автомобиля. [5] Аккумуляторы в автомобилях с солнечными батареями отличаются от аккумуляторов в стандартных автомобилях с ДВС , поскольку они сконструированы таким образом, чтобы передавать большую мощность электрическим компонентам автомобиля на более длительный срок. [6]
Несколько солнечных элементов в единой группе, ориентированные в одной плоскости, составляют солнечную фотоэлектрическую панель или модуль . Фотоэлектрические модули часто имеют лист стекла на обращенной к солнцу стороне, пропускающий свет и защищающий полупроводниковые пластины . Солнечные элементы обычно соединяются последовательно , создавая аддитивное напряжение. Параллельное соединение ячеек дает более высокий ток.
Однако проблемы в параллельных ячейках, такие как эффекты тени, могут привести к отключению более слабой (менее освещенной) параллельной цепочки (несколько последовательно соединенных ячеек), что приведет к значительной потере мощности и возможному повреждению из-за обратного смещения, приложенного к затененным ячейкам их освещенными партнерами. . [ нужна цитата ]
Хотя модули могут быть соединены между собой для создания массива с желаемым пиковым постоянным напряжением и нагрузочной способностью, что можно сделать с использованием или без использования независимых MPPT ( трекеров максимальной мощности ) или, в зависимости от каждого модуля, с силовой электроникой на уровне модуля или без нее. (MLPE) устройства, такие как микроинверторы или оптимизаторы постоянного тока . Шунтирующие диоды могут уменьшить потери мощности на затенение в массивах с последовательно/параллельно соединенными ячейками.
К 2020 году стоимость ватта для коммунальной системы снизилась до 0,94 доллара. [9]
Фотоэлектрический эффект впервые был экспериментально продемонстрирован французским физиком Эдмоном Беккерелем . В 1839 году, в возрасте 19 лет, он построил первый в мире фотоэлектрический элемент в лаборатории своего отца. Уиллоуби Смит впервые описал «Воздействие света на селен во время прохождения электрического тока» в выпуске журнала Nature от 20 февраля 1873 года . В 1883 году Чарльз Фриттс построил первый твердотельный фотоэлектрический элемент, покрыв полупроводниковый селен тонким слоем золота для образования переходов; КПД устройства был всего около 1%. [10] Другие вехи включают в себя:
Солнечные элементы впервые были использованы в широко известных приложениях, когда они были предложены и запущены на спутнике «Авангард» в 1958 году в качестве альтернативного источника энергии по сравнению с основным источником питания от аккумуляторной батареи. Добавив клетки снаружи тела, время миссии можно было бы продлить без каких-либо серьезных изменений в космическом корабле или его энергосистемах. В 1959 году Соединенные Штаты запустили «Эксплорер-6» с большими солнечными батареями в форме крыльев, которые стали обычным явлением на спутниках. Эти массивы состояли из 9600 солнечных элементов Хоффмана .
К 1960-м годам солнечные элементы были (и остаются) основным источником энергии для большинства спутников на околоземной орбите и ряда зондов Солнечной системы, поскольку они предлагали лучшее соотношение мощности к весу . Однако этот успех стал возможен, поскольку в космической отрасли стоимость энергосистемы могла быть высокой, поскольку у космических пользователей было мало других вариантов электропитания, и они были готовы платить за самые лучшие элементы. Рынок космической энергии стимулировал разработку солнечных элементов с более высокой эффективностью до тех пор, пока программа Национального научного фонда «Исследования, прикладные к национальным потребностям» не начала стимулировать разработку солнечных элементов для наземного применения.
В начале 1990-х годов технология, используемая для космических солнечных элементов, отошла от кремниевой технологии, используемой для наземных панелей, при этом в космических кораблях использовались полупроводниковые материалы III-V на основе арсенида галлия , которые затем превратились в современные многопереходные фотоэлектрические элементы III-V, используемые на космическом корабле.
В последние годы исследования перешли к разработке и производству легких, гибких и высокоэффективных солнечных элементов. В технологии наземных солнечных батарей обычно используются фотоэлектрические элементы, ламинированные слоем стекла для прочности и защиты. Космические применения солнечных элементов требуют, чтобы элементы и массивы были высокоэффективными и чрезвычайно легкими. Некоторые новые технологии, реализованные на спутниках, представляют собой многопереходные фотоэлектрические элементы, которые состоят из различных PN-переходов с различной шириной запрещенной зоны, чтобы использовать более широкий спектр солнечной энергии. Кроме того, большие спутники требуют использования больших солнечных батарей для производства электроэнергии. Эти солнечные батареи необходимо разобрать, чтобы они соответствовали геометрическим ограничениям ракеты-носителя, на которой движется спутник, прежде чем он будет выведен на орбиту. Исторически солнечные элементы на спутниках состояли из нескольких небольших земных панелей, сложенных вместе. Эти маленькие панели будут развернуты в большую панель после того, как спутник будет развернут на своей орбите. В новых спутниках используются гибкие сворачиваемые солнечные батареи, которые очень легкие и могут быть упакованы в очень небольшой объем. Меньшие размер и вес этих гибких решеток резко снижают общую стоимость запуска спутника из-за прямой зависимости между массой полезной нагрузки и стоимостью запуска ракеты-носителя. [20]
В 2020 году Исследовательская лаборатория ВМС США провела первое испытание выработки солнечной энергии на спутнике — эксперимент с фотоэлектрическим радиочастотным антенным модулем (PRAM) на борту Boeing X-37 . [21] [22]
Улучшения были постепенными в течение 1960-х годов. Это также было причиной того, что затраты оставались высокими, поскольку пользователи космоса были готовы платить за самые лучшие ячейки, не оставляя причин инвестировать в более дешевые и менее эффективные решения. Цена определялась в основном полупроводниковой промышленностью ; их переход на интегральные схемы в 1960-х годах привел к появлению булей большего размера по более низким относительным ценам. Когда их цена упала, цена полученных клеток тоже упала. Эти эффекты снизили стоимость элементов в 1971 году примерно до 100 долларов за ватт. [23]
В конце 1969 года Эллиот Берман присоединился к рабочей группе Exxon , которая искала проекты на 30 лет вперед, а в апреле 1973 года он основал Solar Power Corporation (SPC), дочернюю компанию Exxon на тот момент. [24] [25] [26] Группа пришла к выводу, что к 2000 году электроэнергия станет намного дороже, и почувствовала, что это увеличение цен сделает альтернативные источники энергии более привлекательными. Он провел исследование рынка и пришел к выводу, что цена за ватт около 20 долларов за ватт создаст значительный спрос. [24] Команда исключила этапы полировки пластин и покрытия их антибликовым слоем, полагаясь на шероховатую поверхность пластины. Команда также заменила дорогие материалы и ручную проводку, используемые в космических приложениях, на печатную плату сзади, акриловый пластик спереди и силиконовый клей между ними, «заливая» элементы. [27] Солнечные элементы могут быть изготовлены из отходов с рынка электроники. К 1973 году они анонсировали новый продукт, и SPC убедила Tideland Signal использовать его панели для питания навигационных буев , первоначально для Береговой охраны США. [25]
Исследования солнечной энергии для наземных применений стали заметными благодаря Отделу перспективных исследований и разработок в области солнечной энергии Национального научного фонда США в рамках программы «Исследования, применяемые к национальным потребностям», которая проводилась с 1969 по 1977 год [ 28] и финансировала исследования по развитию солнечной энергии. для наземных электроэнергетических систем. Конференция 1973 года, «Конференция Черри-Хилл», сформулировала технологические цели, необходимые для достижения этой цели, и наметила амбициозный проект для их достижения, положив начало программе прикладных исследований, которая будет продолжаться в течение нескольких десятилетий. [29] В конечном итоге программа была передана в управление Управления энергетических исследований и разработок (ERDA), [30] которое позже было объединено с Министерством энергетики США .
После нефтяного кризиса 1973 года нефтяные компании использовали свои более высокие прибыли для открытия (или покупки) компаний по производству солнечной энергии и на протяжении десятилетий были крупнейшими производителями. Exxon, ARCO, Shell, Amoco (позже приобретенная BP) и Mobil в 1970-х и 1980-х годах имели крупные подразделения по производству солнечной энергии. В мероприятии также приняли участие технологические компании, в том числе General Electric, Motorola, IBM, Tyco и RCA. [31]
С поправкой на инфляцию, в середине 1970-х годов солнечный модуль стоил 96 долларов за ватт. Совершенствование процессов и очень значительный рост производства привели к снижению этой цифры более чем на 99%, до 30 центов за ватт в 2018 году [34] и до 20 центов за ватт в 2020 году. [35] Закон Свонсона представляет собой наблюдение, аналогичное Закон Мура , который гласит, что цены на солнечные элементы падают на 20% при каждом удвоении мощности промышленности. Об этом было упомянуто в статье в британской еженедельной газете The Economist в конце 2012 года. [36] Балансовые системные затраты тогда были выше, чем у панелей. По состоянию на 2018 год можно было построить большие коммерческие массивы по цене ниже 1,00 доллара за ватт при полном вводе в эксплуатацию. [9]
По мере того как полупроводниковая промышленность переходила на все более крупные були , старое оборудование становилось недорогим. Размеры ячеек росли по мере того, как оборудование появлялось на рынке излишков; В оригинальных панелях ARCO Solar использовались ячейки диаметром от 2 до 4 дюймов (от 50 до 100 мм). В панелях 1990-х и начала 2000-х годов обычно использовались пластины толщиной 125 мм; с 2008 года почти во всех новых панелях используются ячейки размером 156 мм. Широкое распространение телевизоров с плоским экраном в конце 1990-х и начале 2000-х годов привело к широкой доступности больших высококачественных стеклянных листов для покрытия панелей.
В 1990-е годы поликремниевые («поли») элементы становились все более популярными. Эти элементы обладают меньшей эффективностью, чем их монокремниевые («моно») аналоги, но их выращивают в больших чанах, что снижает стоимость. К середине 2000-х годов на рынке недорогих панелей доминировал полиэстер, но в последнее время моно вернулся к широкому использованию.
Производители элементов на основе пластин отреагировали на высокие цены на кремний в 2004–2008 годах быстрым сокращением потребления кремния. В 2008 году, по словам Джефа Портманса, директора отдела органических и солнечных батарей IMEC , в современных элементах используется 8–9 граммов (0,28–0,32 унции) кремния на ватт выработанной энергии, а толщина пластин составляет около 200 микрон . Панели из кристаллического кремния доминируют на мировых рынках и в основном производятся в Китае и Тайване. К концу 2011 года падение европейского спроса привело к снижению цен на кристаллические солнечные модули примерно до 1,09 доллара США [37] за ватт по сравнению с 2010 годом. Цены продолжали падать в 2012 году, достигнув 0,62 доллара США за ватт к 4 кварталу 2012 года. [38]
Солнечная фотоэлектрическая энергия растет быстрее всего в Азии, при этом на долю Китая и Японии в настоящее время приходится половина мирового внедрения . [39] Мировая установленная фотоэлектрическая мощность достигла как минимум 301 гигаватт в 2016 году и к 2016 году выросла до 1,3% мировой электроэнергии. [40]
Ожидалось, что фотоэлектрическая электроэнергия будет конкурентоспособна с оптовыми затратами на электроэнергию по всей Европе, а время окупаемости энергии кристаллических кремниевых модулей может быть сокращено до менее 0,5 лет к 2020 году. [41]
Падение затрат считается одним из крупнейших факторов быстрого роста возобновляемой энергетики: стоимость солнечной фотоэлектрической электроэнергии упала примерно на 85% в период с 2010 года (когда солнечная и ветровая энергия составляли 1,7% мирового производства электроэнергии) по 2021 год (когда они составляли 1,7% мирового производства электроэнергии). составил 8,7%). [42] В 2019 году на солнечные батареи приходилось ~3% мирового производства электроэнергии. [43]
Зеленые тарифы на солнечную энергию различаются в зависимости от страны и внутри страны. Такие тарифы стимулируют развитие проектов солнечной энергетики. Широко распространенный сетевой паритет , точка, при которой фотоэлектрическая электроэнергия равна или дешевле сетевой электроэнергии без субсидий, вероятно, потребует прогресса на всех трех фронтах. Сторонники солнечной энергии надеются достичь паритета энергосетей в первую очередь в регионах с обильным солнцем и высокими затратами на электроэнергию, например, в Калифорнии и Японии . [44] В 2007 году компания BP заявила о паритете сетей для Гавайев и других островов, которые в противном случае используют дизельное топливо для производства электроэнергии. Джордж Буш назначил 2015 год датой установления сетевого паритета в США. [45] [46] Фотоэлектрическая ассоциация сообщила в 2012 году, что Австралия достигла сетевого паритета (игнорируя льготные тарифы). [47]
Цена на солнечные панели стабильно падала в течение 40 лет, прервавшись в 2004 году, когда высокие субсидии в Германии резко увеличили спрос там и значительно увеличили цены на очищенный кремний (который используется в компьютерных чипах, а также в солнечных панелях). Рецессия 2008 года и появление китайского производства привели к возобновлению снижения цен. За четыре года после января 2008 года цены на солнечные модули в Германии упали с 3 евро до 1 евро за пиковый ватт. За это же время производственные мощности выросли, достигнув ежегодного роста более чем на 50%. Китай увеличил долю рынка с 8% в 2008 году до более чем 55% в последнем квартале 2010 года. [48] В декабре 2012 года цена китайских солнечных панелей упала до 0,60 доллара за Вт (кристаллические модули). [49] (Аббревиатура Wp означает пиковую мощность в ваттах или максимальную мощность в оптимальных условиях. [50] )
По состоянию на конец 2016 года сообщалось, что спотовые цены на собранные солнечные панели (не элементы) упали до рекордно низкого уровня в 0,36 доллара США за Вт. Второй по величине поставщик, Canadian Solar Inc., сообщил о затратах в размере 0,37 доллара США/Вт в третьем квартале 2016 года, что на 0,02 доллара ниже, чем в предыдущем квартале, и, следовательно, вероятно, все еще находится на уровне безубыточности. Многие производители ожидали, что к концу 2017 года затраты упадут примерно до 0,30 доллара США. [51] Также сообщалось, что в некоторых регионах мира новые солнечные установки были дешевле, чем угольные теплоэлектростанции, и ожидалось, что это будет ситуация в большинстве стран мира в течение десятилетия. [52]
Солнечный элемент изготовлен из полупроводниковых материалов , таких как кремний , из которых изготовлен p-n-переход . Такие переходы создаются путем легирования одной стороны устройства p-типа, а другой n-типа, например, в случае кремния путем введения небольших концентраций бора или фосфора соответственно .
Во время работы фотоны солнечного света попадают на солнечный элемент и поглощаются полупроводником. Когда фотоны поглощаются, электроны переходят из валентной зоны в зону проводимости (или от занятых к незанятым молекулярным орбиталям в случае органического солнечного элемента ), образуя пары электрон-дырка . Если электронно-дырочные пары создаются вблизи соединения материалов p-типа и n-типа, локальное электрическое поле разносит их к противоположным электродам, создавая избыток электронов с одной стороны и избыток дырок с другой. Когда солнечный элемент не подключен (или внешняя электрическая нагрузка очень велика), электроны и дырки в конечном итоге восстанавливают равновесие, диффундируя обратно через переход против поля и рекомбинируя друг с другом, выделяя тепло, но если нагрузка достаточно мала, тогда равновесие легче восстановить за счет того, что лишние электроны движутся по внешней цепи, совершая по пути полезную работу.
Массив солнечных элементов преобразует солнечную энергию в полезное количество электроэнергии постоянного тока (DC). Инвертор может преобразовывать мощность в переменный ток (AC ) .
Наиболее распространенный солнечный элемент выполнен в виде кремниевого p-n-перехода большой площади. Другими возможными типами солнечных элементов являются органические солнечные элементы, солнечные элементы, сенсибилизированные красителем, солнечные элементы на основе перовскита, солнечные элементы с квантовыми точками и т. д. Освещенная сторона солнечного элемента обычно имеет прозрачную проводящую пленку , позволяющую свету проникать в активный материал и собирать его. генерируемые носители заряда. Обычно для этой цели используются пленки с высоким коэффициентом пропускания и высокой электропроводностью, такие как оксид индия-олова , проводящие полимеры или проводящие сети нанопроволок. [53]
Эффективность солнечных элементов можно разделить на эффективность отражения, термодинамическую эффективность, эффективность разделения носителей заряда и эффективность проводимости. Общая эффективность является продуктом этих отдельных показателей.
Эффективность преобразования энергии солнечного элемента — это параметр, который определяется долей падающей мощности, преобразуемой в электричество. [54]
Солнечный элемент имеет кривую эффективности, зависящую от напряжения, температурные коэффициенты и допустимые углы тени.
Из-за сложности измерения этих параметров напрямую заменяются другие параметры: термодинамическая эффективность, квантовая эффективность , интегральная квантовая эффективность , коэффициент VOC и коэффициент заполнения. Потери на отражение являются частью квантовой эффективности под « внешней квантовой эффективностью ». Рекомбинационные потери составляют еще одну часть квантовой эффективности, коэффициента VOC и коэффициента заполнения. Резистивные потери преимущественно относятся к категории коэффициента заполнения, но также составляют незначительную часть квантовой эффективности, коэффициента VOC .
Коэффициент заполнения представляет собой отношение фактической максимально достижимой мощности к произведению напряжения холостого хода и тока короткого замыкания . Это ключевой параметр при оценке производительности. В 2009 году типичные коммерческие солнечные элементы имели коэффициент заполнения > 0,70. Клетки класса B обычно составляли от 0,4 до 0,7. [55] Ячейки с высоким коэффициентом заполнения имеют низкое эквивалентное последовательное сопротивление и высокое эквивалентное шунтирующее сопротивление , поэтому меньшая часть тока, производимого элементом, рассеивается на внутренние потери.
Устройства из кристаллического кремния с одним p-n-переходом в настоящее время приближаются к теоретическому предельному КПД в 33,16%, [56] отмеченному как предел Шокли-Кейсера в 1961 году. В крайнем случае, при бесконечном количестве слоев соответствующий предел составляет 86%. использование концентрированного солнечного света. [57]
В 2014 году три компании побили рекорд продаж кремниевых солнечных элементов в 25,6%. Panasonic оказался самым эффективным. Компания переместила передние контакты на заднюю часть панели, устранив затемненные области. Кроме того, они нанесли тонкие кремниевые пленки на переднюю и заднюю часть пластины (высококачественного кремния), чтобы устранить дефекты на поверхности пластины или вблизи нее. [58]
В 2015 году солнечный элемент GaInP/GaAs//GaInAsP/GaInAs с 4 переходами достиг нового лабораторного рекорда эффективности 46,1% (коэффициент концентрации солнечного света = 312) в результате французско-германского сотрудничества Института систем солнечной энергии Фраунгофера (Fraunhofer). ISE) , CEA-LETI и SOITEC. [59]
В сентябре 2015 года Fraunhofer ISE объявила о достижении эффективности эпитаксиальных пластинчатых ячеек выше 20%. Работа по оптимизации поточной производственной цепочки химического осаждения из паровой фазы при атмосферном давлении (APCVD) проводилась в сотрудничестве с NexWafe GmbH, компанией, выделенной из Fraunhofer ISE для коммерциализации производства. [60] [61]
Для тонкопленочных солнечных элементов с тройным переходом мировой рекорд составляет 13,6%, установленный в июне 2015 года. [62]
В 2016 году исследователи из Fraunhofer ISE анонсировали солнечный элемент с тройным переходом GaInP/GaAs/Si с двумя выводами, эффективность которого достигает 30,2% без концентрации. [63]
В 2017 году группа исследователей из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL), EPFL и CSEM ( Швейцария ) сообщила о рекордной эффективности одного солнца в 32,8% для солнечных элементов GaInP/GaAs с двойным переходом. Кроме того, устройство с двойным переходом было механически совмещено с кремниевым солнечным элементом, чтобы достичь рекордного КПД одного солнца 35,9% для солнечных элементов с тройным переходом. [64]
Солнечные элементы обычно называют в честь полупроводникового материала, из которого они изготовлены. Эти материалы должны иметь определенные характеристики, чтобы поглощать солнечный свет . Некоторые элементы предназначены для обработки солнечного света, достигающего поверхности Земли, а другие оптимизированы для использования в космосе . Солнечные элементы могут быть изготовлены из одного слоя светопоглощающего материала ( однопереходные ) или использовать несколько физических конфигураций ( многопереходные ), чтобы воспользоваться преимуществами различных механизмов поглощения и разделения заряда.
Солнечные элементы можно разделить на элементы первого, второго и третьего поколения. Элементы первого поколения, также называемые обычными, традиционными или пластинчатыми элементами, изготовлены из кристаллического кремния , коммерчески преобладающей фотоэлектрической технологии, включающей такие материалы, как поликремний и монокристаллический кремний . Элементы второго поколения представляют собой тонкопленочные солнечные элементы , которые включают элементы аморфного кремния , CdTe и CIGS и имеют коммерческое значение на фотоэлектрических электростанциях коммунального масштаба , в построении интегрированных фотоэлектрических систем или в небольших автономных энергосистемах . Третье поколение солнечных элементов включает в себя ряд тонкопленочных технологий, которые часто называют новыми фотоэлектрическими технологиями — 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. Несмотря на то, что их эффективность была низкой, а стабильность поглотительного материала часто была слишком недостаточной для коммерческого применения, проводятся исследования этих технологий, поскольку они обещают достичь цели по производству недорогих и высокоэффективных солнечных элементов. [66] По состоянию на 2016 год самыми популярными и эффективными солнечными элементами были те, которые были сделаны из тонких кремниевых пластин, которые также являются старейшей технологией солнечных батарей. [67]
На сегодняшний день наиболее распространенным сыпучим материалом для солнечных элементов является кристаллический кремний (c-Si), также известный как «кремний солнечного качества». [68] Массовый кремний разделяется на несколько категорий в зависимости от кристалличности и размера кристаллов получаемого слитка , ленты или пластины . Эти ячейки полностью основаны на концепции p–n-перехода . Солнечные элементы из c-Si изготавливаются из пластин толщиной от 160 до 240 микрометров.
Солнечные элементы из монокристаллического кремния (моно-Si) имеют монокристаллический состав, который позволяет электронам двигаться более свободно, чем в многокристаллической конфигурации. Следовательно, монокристаллические солнечные панели обеспечивают более высокую эффективность, чем их поликристаллические аналоги. [69] Углы ячеек выглядят срезанными, как восьмиугольник, потому что материал пластины вырезается из цилиндрических слитков, которые обычно выращиваются по методу Чохральского . Солнечные панели, использующие моно-кремниевые элементы, имеют характерный узор из маленьких белых ромбов.
Эпитаксиальные пластины кристаллического кремния можно вырастить на «затравочной» пластине монокристаллического кремния методом химического осаждения из паровой фазы (CVD), а затем отделить как самонесущие пластины некоторой стандартной толщины (например, 250 мкм), которыми можно манипулировать вручную, и непосредственно заменяет пластинчатые элементы, вырезанные из слитков монокристаллического кремния. Солнечные элементы, изготовленные с использованием этой технологии « без прорезей », могут иметь эффективность, приближающуюся к эффективности элементов с пластинами, но при значительно более низких затратах, если CVD можно выполнять при атмосферном давлении в высокопроизводительном поточном процессе. [60] [61] Поверхность эпитаксиальных пластин может быть текстурирована для улучшения поглощения света. [70] [71]
В июне 2015 года сообщалось, что солнечные элементы с гетеропереходом , выращенные эпитаксиально на пластинах монокристаллического кремния n-типа, достигли эффективности 22,5% при общей площади ячеек 243,4 см 2 . [72]
Элементы поликристаллического кремния или поликристаллического кремния (мульти-Si) изготавливаются из литых квадратных слитков — больших блоков расплавленного кремния, тщательно охлажденных и затвердевших. Они состоят из мелких кристаллов, придающих материалу типичный эффект металлических чешуек . Поликремниевые элементы являются наиболее распространенным типом, используемым в фотогальванике, они менее дороги, но и менее эффективны, чем элементы, изготовленные из монокристаллического кремния.
Ленточный кремний — это тип поликристаллического кремния, который образуется путем вытягивания плоских тонких пленок из расплавленного кремния и приводит к образованию поликристаллической структуры. Эти элементы дешевле изготавливать, чем мульти-Si, из-за значительного сокращения отходов кремния, поскольку этот подход не требует распиловки из слитков . [73] Однако они также менее эффективны.
Эта форма была разработана в 2000-х годах и представлена на рынке примерно в 2009 году. В этой конструкции, также называемой литым моно, используются поликристаллические камеры литья с небольшими «затравками» мономатериала. В результате получается объемный моноподобный материал, поликристаллический снаружи. При нарезке для обработки внутренние секции представляют собой высокоэффективные моноподобные ячейки (но квадратные, а не «обрезанные»), а внешние края продаются как обычные поли. Этот метод производства позволяет получать моноподобные клетки по полиподобным ценам. [74]
Тонкопленочные технологии уменьшают количество активного материала в клетке. В большинстве конструкций активный материал размещается между двумя стеклами. Поскольку в кремниевых солнечных панелях используется только одно стекло, тонкопленочные панели примерно в два раза тяжелее панелей из кристаллического кремния, хотя они оказывают меньшее экологическое воздействие (определено на основе анализа жизненного цикла ). [75] [76]
Теллурид кадмия на сегодняшний день является единственным тонкопленочным материалом, который может конкурировать с кристаллическим кремнием по соотношению цена/ватт. Однако кадмий очень токсичен, а запасы теллура ( аниона : «теллурид») ограничены. Кадмий , присутствующий в клетках, будет токсичным, если его высвободить. Однако выброс невозможен при нормальной эксплуатации ячеек и маловероятен при пожарах на крышах жилых домов. [77] Квадратный метр CdTe содержит примерно такое же количество Cd, что и одна никель-кадмиевая батарея C-элемента , в более стабильной и менее растворимой форме. [77]
Селенид меди, индия, галлия (CIGS) представляет собой материал с прямой запрещенной зоной . Он имеет самый высокий КПД (~20%) среди всех коммерчески значимых тонкопленочных материалов (см. солнечный элемент CIGS ). Традиционные методы изготовления включают вакуумные процессы, включая совместное испарение и распыление. Недавние разработки IBM и Nanosolar направлены на снижение стоимости за счет использования безвакуумных процессов решения. [78]
Кремниевые тонкопленочные элементы в основном наносятся путем химического осаждения из паровой фазы (обычно плазменно-усиленного, PE-CVD) из силана и газообразного водорода. В зависимости от параметров осаждения может быть получен аморфный кремний (a-Si или a-Si:H), протокристаллический кремний или нанокристаллический кремний (nc-Si или nc-Si:H), также называемый микрокристаллическим кремнием. [79]
Аморфный кремний на сегодняшний день является наиболее развитой технологией тонких пленок. Солнечный элемент из аморфного кремния (a-Si) изготовлен из некристаллического или микрокристаллического кремния. Аморфный кремний имеет более высокую запрещенную зону (1,7 эВ), чем кристаллический кремний (c-Si) (1,1 эВ), что означает, что он поглощает видимую часть солнечного спектра сильнее, чем инфракрасную часть спектра с более высокой плотностью мощности. При производстве тонкопленочных солнечных элементов a-Si в качестве подложки используется стекло, а очень тонкий слой кремния наносится методом плазменно-усиленного химического осаждения из паровой фазы (PECVD).
Протокристаллический кремний с низкой объемной долей нанокристаллического кремния оптимален для высокого напряжения холостого хода. [80] Nc-Si имеет примерно такую же ширину запрещенной зоны, что и c-Si, а nc-Si и a-Si можно выгодно комбинировать в тонких слоях, создавая слоистую ячейку, называемую тандемной ячейкой. Верхняя ячейка в a-Si поглощает видимый свет и оставляет инфракрасную часть спектра нижней ячейке в nc-Si.
Полупроводниковый материал арсенид галлия (GaAs) также используется для монокристаллических тонкопленочных солнечных элементов. Хотя элементы GaAs очень дороги , они удерживают мировой рекорд по эффективности для однопереходных солнечных элементов — 28,8% . [81] Обычно изготавливаются на пластинах кристаллического кремния [82] с коэффициентом заполнения 41% , при переходе на пористый кремний коэффициент заполнения может быть увеличен до 56% с потенциально сниженной стоимостью. Использование менее активного материала GaAs для изготовления нанопроволок — еще один потенциальный путь к снижению затрат. [83] GaAs чаще используется в многопереходных фотоэлектрических элементах для концентрированных фотоэлектрических систем (CPV, HCPV) и в солнечных панелях на космических кораблях , поскольку в отрасли солнечная энергия космического базирования отдается предпочтение эффективности, а не стоимости . Основываясь на предыдущей литературе и некотором теоретическом анализе, существует несколько причин, почему GaAs имеет такую высокую эффективность преобразования мощности. Во-первых, ширина запрещенной зоны GaAs составляет 1,43 эв, что почти идеально для солнечных элементов. Во-вторых, поскольку галлий является побочным продуктом плавки других металлов, элементы GaAs относительно нечувствительны к теплу и могут сохранять высокую эффективность при достаточно высоких температурах. В-третьих, GaAs имеет широкий спектр вариантов дизайна. Используя GaAs в качестве активного слоя в солнечном элементе, инженеры могут иметь множество вариантов других слоев, которые могут лучше генерировать электроны и дырки в GaAs.
Многопереходные ячейки состоят из нескольких тонких пленок, каждая из которых по сути представляет собой солнечный элемент, выращенный поверх другого, обычно с использованием газофазной эпитаксии из металлорганических соединений . Каждый слой имеет разную ширину запрещенной зоны, что позволяет ему поглощать электромагнитное излучение в разных частях спектра. Многопереходные элементы изначально были разработаны для специальных применений, таких как спутники и исследование космоса , но в настоящее время все чаще используются в наземных фотоэлектрических концентраторах (CPV), новой технологии, которая использует линзы и изогнутые зеркала для концентрации солнечного света на небольших, высокоэффективных многопереходных элементах. солнечные батареи. Концентрируя солнечный свет в тысячу раз, фотоэлектрические системы высокой концентрации (HCPV) могут в будущем превзойти традиционные солнечные фотоэлектрические системы. [84] : 21, 26
Тандемные солнечные элементы на основе монолитных, последовательно соединенных фосфида галлия, индия (GaInP), арсенида галлия (GaAs) и германия (Ge) p–n-переходов увеличивают продажи, несмотря на ценовое давление. [85] С декабря 2006 по декабрь 2007 года стоимость металлического галлия 4N выросла примерно с 350 долларов за кг до 680 долларов за кг. Кроме того, в этом году цены на металлический германий существенно выросли до $1000–1200 за кг. Эти материалы включают галлий (4N, 6N и 7N Ga), мышьяк (4N, 6N и 7N) и германий, тигли из пиролитического нитрида бора (pBN) для выращивания кристаллов и оксид бора. Эти продукты имеют решающее значение для всей промышленности по производству подложек. [ нужна цитата ]
Например, ячейка с тройным переходом может состоять из полупроводников: GaAs , Ge и GaInP.
2. [86] Солнечные элементы GaAs с тройным переходом использовались в качестве источника энергии голландскими четырехкратными победителями World Solar Challenge Nuna в 2003, 2005 и 2007 годах, а также голландскими солнечными автомобилями Solutra (2005) , Twente One (2007) и 21Revolution. (2009). [ нужна ссылка ] Многопереходные устройства на основе GaAs являются наиболее эффективными солнечными элементами на сегодняшний день. 15 октября 2012 года количество метаморфических клеток с тройным соединением достигло рекордного уровня в 44%. [87]
В 2016 году был описан новый подход к производству гибридных фотоэлектрических пластин, сочетающий в себе высокую эффективность многопереходных солнечных элементов III-V с экономией и богатым опытом, связанным с кремнием. Технических сложностей, связанных с выращиванием материалов III-V на кремнии при необходимых высоких температурах, которые изучаются в течение примерно 30 лет, можно избежать за счет эпитаксиального выращивания кремния на GaAs при низкой температуре методом плазменно-усиленного химического осаждения из паровой фазы (PECVD). . [88]
Однопереходные солнечные элементы Si широко изучались на протяжении десятилетий и достигают практической эффективности ~ 26% в условиях одного Солнца. [89] Увеличение этой эффективности может потребовать добавления к Si-ячейке большего количества ячеек с энергией запрещенной зоны более 1,1 эВ, что позволит преобразовывать коротковолновые фотоны для генерации дополнительного напряжения. Солнечный элемент с двойным переходом и шириной запрещенной зоны 1,6–1,8 эВ в качестве верхнего элемента может снизить потери при термализации, обеспечить высокую эффективность внешнего излучения и достичь теоретического КПД более 45%. [90] Тандемный элемент может быть изготовлен путем выращивания элементов GaInP и Si. Выращивание их по отдельности может преодолеть 4%-ное несоответствие постоянной решетки между Si и наиболее распространенными слоями III – V, которое предотвращает прямую интеграцию в одну ячейку. Таким образом, две ячейки разделены прозрачным предметным стеклом, поэтому несоответствие решеток не вызывает напряжения в системе. В результате создается ячейка с четырьмя электрическими контактами и двумя переходами, эффективность которой составила 18,1%. При коэффициенте заполнения (FF) 76,2% нижняя кремниевая ячейка достигает эффективности 11,7% (± 0,4) в тандемном устройстве, в результате чего совокупный КПД тандемной ячейки составляет 29,8%. [91] Этот КПД превышает теоретический предел в 29,4% [92] и рекордное экспериментальное значение эффективности солнечного элемента Si 1-sun, а также выше, чем у устройства с рекордной эффективностью 1-sun GaAs. Однако использование подложки GaAs дорого и непрактично. Поэтому исследователи пытаются создать ячейку с двумя электрическими контактными точками и одним переходом, для которой не нужна подложка GaAs. Это означает, что будет прямая интеграция GaInP и Si.
Перовскитные солнечные элементы — это солнечные элементы, которые включают в себя материал со структурой перовскита в качестве активного слоя. Чаще всего это обработанный в растворе гибридный органо-неорганический материал на основе олова или галогенида свинца. Эффективность выросла с менее 5% при первом использовании в 2009 году до 25,5% в 2020 году, что сделало их очень быстро развивающейся технологией и горячей темой в области солнечных батарей. [93] В 2023 году исследователи из Рочестерского университета сообщили, что значительного дальнейшего повышения эффективности клеток можно достичь за счет использования эффекта Перселла . [94]
Перовскитные солнечные элементы, по прогнозам, будут чрезвычайно дешевы для масштабирования, что делает их очень привлекательным вариантом для коммерциализации. До сих пор большинство типов перовскитных солнечных элементов не достигли достаточной эксплуатационной стабильности для коммерциализации, хотя многие исследовательские группы исследуют способы решения этой проблемы. [95] Показано, что энергетическая и экологическая устойчивость перовскитных солнечных элементов и тандемного перовскита зависит от структуры. [96] [97] [98] Фотонные передние контакты для управления светом могут улучшить производительность перовскитных ячеек за счет улучшенного широкополосного поглощения, обеспечивая при этом лучшую эксплуатационную стабильность благодаря защите от вредного излучения высокой энергии (выше видимого диапазона). [99] Включение токсичного элемента свинца в наиболее эффективные перовскитовые солнечные элементы является потенциальной проблемой для коммерциализации. [100]
Благодаря прозрачной задней стороне двусторонние солнечные элементы могут поглощать свет как с передней, так и с задней стороны. Следовательно, они могут производить больше электроэнергии, чем обычные односторонние солнечные элементы. Первый патент на двусторонние солнечные элементы был подан японским исследователем Хироши Мори в 1966 году. [101] Позже говорят, что Россия была первой, кто применил двусторонние солнечные элементы в своей космической программе в 1970-х годах. [ нужна ссылка ] В 1976 году Институт солнечной энергии Мадридского технического университета начал исследовательскую программу по разработке двусторонних солнечных элементов под руководством профессора Антонио Луке . На основе патентов Люке в США и Испании 1977 года был предложен практичный двусторонний элемент с передней поверхностью в качестве анода и задней поверхностью в качестве катода; в ранее сообщенных предложениях и попытках обе стороны были анодными, а соединение между ячейками было сложным и дорогим. [102] [103] [104] В 1980 году Андрес Куэвас, аспирант из команды Люке, экспериментально продемонстрировал 50% увеличение выходной мощности двусторонних солнечных элементов по сравнению с одинаково ориентированными и наклоненными односторонними, когда белый фон был предоставил. [105] В 1981 году в Малаге была основана компания Isofoton для производства разработанных двусторонних элементов, что стало первой индустриализацией этой технологии фотоэлектрических элементов. При первоначальной производственной мощности двусторонних солнечных элементов 300 кВт/год первыми вехами производства Isofoton были электростанция мощностью 20 кВт в Сан-Агустин-де-Гуадаликс , построенная в 1986 году для Ибердролы , а также автономная установка в 1988 году также мощностью 20 кВт в деревне. Ното Гуйе Диама ( Сенегал ), финансируемый испанскими программами международной помощи и сотрудничества .
Из-за снижения производственных затрат с 2010 года компании снова начали производить коммерческие двусторонние модули. К 2017 году в Северной Америке было как минимум восемь сертифицированных производителей фотоэлектрических систем, поставляющих двусторонние модули. Международная технологическая дорожная карта фотоэлектрической энергии (ITRPV) прогнозирует, что доля мирового рынка двусторонних технологий увеличится с менее чем 5% в 2016 году до 30% в 2027 году. [106]
В связи со значительным интересом к двусторонней технологии, недавнее исследование изучало производительность и оптимизацию двусторонних солнечных модулей во всем мире. [107] [108] Результаты показывают, что во всем мире наземные двусторонние модули могут обеспечить прирост годовой выработки электроэнергии только на ~ 10% по сравнению с односторонними аналогами при коэффициенте альбедо земли 25% (типично для бетона и растительности). почвопокровные). Однако выигрыш можно увеличить до ~30%, подняв модуль на 1 м над землей и увеличив коэффициент альбедо земли до 50%. Сан и др. также вывел набор эмпирических уравнений, которые могут аналитически оптимизировать двусторонние солнечные модули. [107] Кроме того, есть свидетельства того, что двусторонние панели работают лучше, чем традиционные панели в заснеженных условиях, поскольку двусторонние панели на двухосных трекерах производят на 14% больше электроэнергии в год, чем их односторонние аналоги, и на 40% в пиковые зимние месяцы. [109]
Доступен онлайн-инструмент моделирования для моделирования производительности двусторонних модулей в любом произвольном месте по всему миру. Он также может оптимизировать двусторонние модули в зависимости от угла наклона, угла азимута и высоты над землей. [110]
Фотовольтаика промежуточной зоны в исследованиях солнечных элементов обеспечивает методы превышения предела Шокли-Кейсера на эффективность элемента. Он вводит энергетический уровень промежуточной зоны (IB) между валентной зоной и зоной проводимости. Теоретически введение ИБ позволяет двум фотонам с энергией меньше ширины запрещенной зоны возбудить электрон из валентной зоны в зону проводимости . Это увеличивает индуцированный фототок и, следовательно, эффективность. [111]
Люке и Марти впервые получили теоретический предел для устройства IB с одним уровнем энергии в середине зазора, используя подробный баланс . Они предположили, что в IB не было собрано носителей и что устройство находится в полной концентрации. Они обнаружили, что максимальная эффективность составляет 63,2% при ширине запрещенной зоны 1,95 эВ с IB 0,71 эВ либо из валентной зоны, либо из зоны проводимости. При одном солнечном освещении предельная эффективность составляет 47%. [112] В настоящее время изучаются несколько способов реализации полупроводников IB с такой оптимальной трехзонной конфигурацией, а именно с помощью технологии материалов (контролируемое включение примесей глубокого уровня или сильно несогласованных сплавов) и наноструктурирования (квантовые точки в исходных гетерокристаллах). ). [113]
В 2014 году исследователи из Калифорнийского института наносистем обнаружили, что использование кестерита и перовскита повышает эффективность преобразования электроэнергии в солнечных элементах. [114]
Повышающее преобразование фотонов — это процесс использования двух фотонов низкой энергии ( например , инфракрасных) для производства одного фотона более высокой энергии; Даунконверсия — это процесс использования одного фотона высокой энергии ( например , ультрафиолетового) для производства двух фотонов с более низкой энергией. Любой из этих методов может быть использован для производства солнечных элементов с более высокой эффективностью, позволяя более эффективно использовать солнечные фотоны. Однако трудность заключается в том, что эффективность преобразования существующих люминофоров , демонстрирующих повышающее или понижающее преобразование, низка и обычно находится в узкой полосе частот.
Один из методов повышающей конверсии заключается в использовании материалов, легированных лантанидами ( Er3+, Юб3+, Хо3+или их комбинацию), используя их люминесценцию для преобразования инфракрасного излучения в видимый свет. Процесс апконверсии происходит, когда два инфракрасных фотона поглощаются ионами редкоземельных элементов с образованием поглощаемого фотона (высокой энергии). Например, процесс ап-конверсии передачи энергии (ETU) состоит в последовательных процессах передачи между возбужденными ионами в ближней инфракрасной области. Материал повышающего преобразователя можно разместить под солнечным элементом для поглощения инфракрасного света, проходящего через кремний. Полезные ионы чаще всего встречаются в трехвалентном состоянии. Эр+
ионы использовались наиболее часто. Эр3+
ионы поглощают солнечное излучение около 1,54 мкм. Два Эр3+
ионы, поглотившие это излучение, могут взаимодействовать друг с другом посредством процесса ап-конверсии. Возбужденный ион излучает свет выше запрещенной зоны Si, который поглощается солнечным элементом и создает дополнительную пару электрон-дырка, которая может генерировать ток. Однако повышение эффективности было небольшим. Кроме того, фториндатные стекла имеют низкую энергию фононов и были предложены в качестве подходящей матрицы, легированной Ho .3+
ионы. [115]
Сенсибилизированные красителем солнечные элементы (DSSC) изготавливаются из недорогих материалов и не требуют сложного производственного оборудования, поэтому их можно изготавливать своими руками . В целом он должен быть значительно дешевле, чем старые конструкции твердотельных элементов. DSSC могут быть преобразованы в гибкие листы, и хотя их эффективность преобразования меньше, чем у лучших тонкопленочных элементов , их соотношение цена/качество может быть достаточно высоким, чтобы позволить им конкурировать с производством электроэнергии на ископаемом топливе .
Обычно металлорганический краситель рутения (Ru-центрированный) используется в качестве монослоя светопоглощающего материала, который адсорбируется на тонкой пленке диоксида титана . Сенсибилизированный красителем солнечный элемент зависит от этого мезопористого слоя наночастиц диоксида титана (TiO 2 ), что значительно увеличивает площадь поверхности (200–300 м 2 /г TiO
2по сравнению с примерно 10 м 2 /г плоского монокристалла), что позволяет использовать большее количество красителей на площадь солнечного элемента (что в конечном итоге увеличивает ток). Фотогенерированные электроны светопоглощающего красителя передаются на TiO n-типа.
2а дырки поглощаются электролитом на другой стороне красителя. Замыкает цепь окислительно-восстановительная пара в электролите, который может быть жидким или твердым. Этот тип элементов позволяет более гибко использовать материалы и обычно изготавливается с помощью трафаретной печати или ультразвуковых сопел , что позволяет снизить затраты на обработку, чем те, которые используются для объемных солнечных элементов. Однако красители в этих элементах также разрушаются под воздействием тепла и ультрафиолетового излучения, а корпус элемента трудно герметизировать из -за растворителей, используемых при сборке. По этой причине исследователи разработали твердотельные сенсибилизированные красителем солнечные элементы, в которых используется твердый электролит, чтобы избежать утечки. [116] Первая коммерческая поставка солнечных модулей DSSC произошла в июле 2009 года от компании G24i Innovations. [117]
Солнечные элементы с квантовыми точками (QDSC) основаны на ячейке Гратцеля или архитектуре солнечных элементов, сенсибилизированных красителем , но используют полупроводниковые наночастицы с узкой запрещенной зоной , изготовленные с размерами кристаллитов, достаточно малыми для образования квантовых точек (таких как CdS , CdSe , Sb) . 2С3, PbS и др.), вместо органических или металлоорганических красителей в качестве светопоглотителей. Из-за токсичности, связанной с соединениями на основе Cd и Pb, в разработке также находится ряд «зеленых» материалов, сенсибилизирующих КТ (таких как CuInS 2, CuInSe 2 и CuInSeS). [118] Размерное квантование КТ позволяет регулировать запрещенную зону, просто изменяя размер частиц. Они также имеют высокие коэффициенты экстинкции и показали возможность множественной генерации экситонов . [119]
В QDSC мезопористый слой наночастиц диоксида титана образует основу клетки, как и в DSSC. Это ТиО
2Затем слой можно сделать фотоактивным путем покрытия полупроводниковыми квантовыми точками с использованием химического осаждения в ванне , электрофоретического осаждения или последовательной адсорбции и реакции ионного слоя. Электрическая цепь затем замыкается за счет использования жидкой или твердой окислительно-восстановительной пары . Эффективность QDSC увеличилась [120] до более чем 5%, как для жидкостных [121] , так и для твердотельных ячеек [122] с заявленной максимальной эффективностью 11,91%. [123] Стремясь снизить производственные затраты, исследовательская группа Прашант Камат [124] продемонстрировала солнечную краску, изготовленную из TiO .
2и CdSe, которые можно наносить одноэтапным методом на любую проводящую поверхность с эффективностью более 1%. [125] Однако поглощение квантовых точек (КТ) в КТСК слабое при комнатной температуре. [126] Плазмонные наночастицы можно использовать для решения проблемы слабого поглощения КТ (например, нанозвезд). [127] Еще одним решением является добавление внешнего источника инфракрасной накачки для возбуждения внутризонных и межзонных переходов КТ. [126]
Органические солнечные элементы и полимерные солнечные элементы изготавливаются из тонких пленок (обычно 100 нм) органических полупроводников, включая полимеры, такие как полифениленвинилен , и низкомолекулярные соединения, такие как фталоцианин меди (синий или зеленый органический пигмент), а также углеродные фуллерены и производные фуллеренов, такие как как PCBM .
Их можно обрабатывать из жидкого раствора, что дает возможность использовать простой процесс печати с рулона на рулон, что потенциально приведет к недорогому крупномасштабному производству. Кроме того, эти элементы могут быть полезны в некоторых случаях, когда важны механическая гибкость и возможность одноразового использования. Однако нынешняя эффективность ячеек очень низка, а практических устройств практически не существует.
Эффективность преобразования энергии, достигнутая на сегодняшний день с использованием проводящих полимеров, очень низка по сравнению с неорганическими материалами. Однако Konarka Power Plastic достигла эффективности 8,3% [128] , а органические тандемные ячейки в 2012 году достигли 11,1%. [ нужна цитата ]
Активная область органического устройства состоит из двух материалов: донора электронов и акцептора электронов. Когда фотон преобразуется в пару электронов и дырок, обычно в донорном материале, заряды имеют тенденцию оставаться связанными в форме экситона , разделяясь, когда экситон диффундирует к границе раздела донор-акцептор, в отличие от большинства других типов солнечных элементов. Короткая длина диффузии экситонов большинства полимерных систем имеет тенденцию ограничивать эффективность таких устройств. Наноструктурированные интерфейсы, иногда в виде объемных гетеропереходов, могут повысить производительность. [129]
В 2011 году исследователи Массачусетского технологического института и штата Мичиган разработали солнечные элементы с энергетической эффективностью около 2% и прозрачностью для человеческого глаза более 65%, что достигается за счет избирательного поглощения ультрафиолетовой и ближней инфракрасной частей спектра низкомолекулярными соединениями. . [130] [131] Исследователи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе недавно разработали аналогичный полимерный солнечный элемент, следуя тому же подходу, который имеет прозрачность на 70% и эффективность преобразования энергии 4%. [132] [133] [134] Эти легкие, гибкие элементы можно производить массово по низкой цене и использовать для создания окон для выработки электроэнергии.
В 2013 году исследователи объявили о полимерных элементах с эффективностью около 3%. Они использовали блок-сополимеры , самоорганизующиеся органические материалы, которые образуют отдельные слои. Исследование было сосредоточено на P3HT-b-PFTBT, который разделяется на полосы шириной около 16 нанометров. [135] [136]
Адаптивные клетки меняют свои характеристики поглощения/отражения в зависимости от условий окружающей среды. Адаптивный материал реагирует на интенсивность и угол падающего света. В той части клетки, где свет наиболее интенсивен, поверхность клетки меняется с отражающей на адаптивную, позволяя свету проникать в клетку. Другие части клетки остаются отражающими, увеличивая удержание поглощенного света внутри клетки. [137]
В 2014 году была разработана система, сочетающая адаптивную поверхность со стеклянной подложкой, перенаправляющей поглощаемый свет на поглотитель света по краям листа. Система также включает в себя набор фиксированных линз/зеркал для концентрации света на адаптивной поверхности. В течение дня концентрированный свет движется по поверхности клетки. Эта поверхность переключается с отражающей на адаптивную, когда свет наиболее сконцентрирован, и обратно на отражающую после того, как свет движется дальше. [137]
В последние годы исследователи пытались снизить цену солнечных элементов, одновременно максимизируя эффективность. Тонкопленочный солнечный элемент — это экономичный солнечный элемент второго поколения, толщина которого значительно уменьшена за счет эффективности поглощения света. Были предприняты усилия по максимизации эффективности поглощения света при уменьшенной толщине. Текстурирование поверхности — один из методов, используемых для уменьшения оптических потерь и максимального поглощения света. В настоящее время большое внимание привлекают методы текстурирования поверхности кремниевых фотоэлектрических элементов. Текстурирование поверхности может быть выполнено несколькими способами. Травление подложки из монокристаллического кремния позволяет создавать на поверхности случайно распределенные пирамиды с квадратным основанием с использованием анизотропных травителей. [138] Недавние исследования показывают, что пластины c-Si могут быть вытравлены с образованием наноразмерных перевернутых пирамид. Солнечные элементы из мультикристаллического кремния из-за более низкого кристаллографического качества менее эффективны, чем солнечные элементы из монокристалла, но солнечные элементы mc-Si все еще широко используются из-за меньших производственных трудностей. Сообщается, что поликристаллические солнечные элементы могут иметь текстурированную поверхность, чтобы обеспечить эффективность преобразования солнечной энергии, сравнимую с эффективностью монокристаллических кремниевых элементов, с помощью методов изотропного травления или фотолитографии. [139] [140] Лучи света, падающие на текстурированную поверхность, не отражаются обратно в воздух, в отличие от лучей, падающих на плоскую поверхность. Скорее, некоторые световые лучи снова отражаются на другую поверхность из-за геометрии поверхности. Этот процесс значительно повышает эффективность преобразования света в электричество за счет увеличения поглощения света. Этот текстурный эффект, а также взаимодействие с другими интерфейсами фотоэлектрического модуля представляют собой сложную задачу оптического моделирования. Особенно эффективным методом моделирования и оптимизации является формализм OPTOS . [141] В 2012 году исследователи из Массачусетского технологического института сообщили, что пленки c-Si, текстурированные наноразмерными перевернутыми пирамидами, могут достичь поглощения света, сравнимого с более толстым в 30 раз плоским планарным c-Si. [142] В сочетании с антибликовым покрытием технология текстурирования поверхности может эффективно улавливать световые лучи внутри тонкопленочного кремниевого солнечного элемента. Следовательно, требуемая толщина солнечных элементов уменьшается с увеличением поглощения световых лучей.
Солнечные элементы обычно инкапсулируются в прозрачную полимерную смолу для защиты деликатных областей солнечных элементов от контакта с влагой, грязью, льдом и другими условиями, ожидаемыми либо во время работы, либо при использовании на открытом воздухе. Герметики обычно изготавливаются из поливинилацетата или стекла. Большинство герметиков однородны по структуре и составу, что увеличивает светосбор за счет улавливания света в результате полного внутреннего отражения света внутри смолы. Были проведены исследования по структурированию герметика для обеспечения дальнейшего сбора света. Такие герметики включают в себя шероховатые стеклянные поверхности, [143] дифракционные элементы, [144] призматические матрицы, [145] воздушные призмы, [146] v-образные канавки, [147] диффузные элементы, а также многонаправленные волноводные решетки. [148] Массивы призм показывают общее увеличение общего преобразования солнечной энергии на 5%. [146] Массивы вертикально ориентированных широкополосных волноводов обеспечивают увеличение на 10% при нормальном падении, а также улучшение сбора при широком угле до 4%, [149] с оптимизированными структурами, обеспечивающими увеличение тока короткого замыкания до 20%. [150] Активные покрытия, которые преобразуют инфракрасный свет в видимый свет, показали увеличение на 30%. [151] Покрытия из наночастиц, индуцирующие плазмонное рассеяние света, увеличивают эффективность широкоугольного преобразования до 3%. Оптические структуры также были созданы из герметизирующих материалов, чтобы эффективно «маскировать» металлические передние контакты. [152] [153]
Разрабатываются новые механизмы самоочистки солнечных панелей. Например, в 2019 году с помощью нанопроводов, подвергшихся мокрому химическому травлению, и гидрофобного покрытия на поверхности капель воды можно будет удалить 98% частиц пыли, что может быть особенно актуально для применения в пустыне. [154] [155]
Солнечные элементы используют те же технологии обработки и производства, что и другие полупроводниковые устройства. Однако строгие требования к чистоте и контролю качества при производстве полупроводников более смягчены для солнечных элементов, что снижает затраты.
Пластины поликристаллического кремния изготавливаются путем распиловки литых кремниевых слитков на пластины размером от 180 до 350 микрометров. Пластины обычно слегка легированы p-типом . На лицевой стороне пластины осуществляется поверхностная диффузия легирующих примесей n-типа . При этом образуется ap-n-переход на глубине нескольких сотен нанометров под поверхностью.
Затем обычно наносятся антиотражающие покрытия для увеличения количества света, попадающего в солнечный элемент. Нитрид кремния постепенно заменил диоксид титана в качестве предпочтительного материала из-за его превосходных свойств пассивации поверхности. Он предотвращает рекомбинацию носителей на поверхности клетки. Слой толщиной в несколько сотен нанометров наносится методом плазмохимического осаждения из паровой фазы . Некоторые солнечные элементы имеют текстурированную переднюю поверхность, которая, как и антиотражающее покрытие, увеличивает количество света, попадающего на пластину. Такие поверхности впервые были применены к монокристаллическому кремнию, а несколько позже - к мультикристаллическому кремнию.
Металлический контакт по всей площади выполнен на задней поверхности, а металлический контакт в виде сетки, состоящий из мелких «пальцев» и более крупных «шин», напечатан на передней поверхности методом трафаретной печати с использованием серебряной пасты . Это эволюция так называемого «мокрого» процесса нанесения электродов, впервые описанного в патенте США, поданном в 1981 году компанией Bayer AG . [156] Задний контакт формируется путем трафаретной печати металлической пасты, обычно алюминиевой. Обычно этот контакт закрывает всю заднюю часть, хотя в некоторых конструкциях используется сетка. Затем пасту обжигают при температуре несколько сотен градусов Цельсия, чтобы сформировать металлические электроды, находящиеся в омическом контакте с кремнием. Некоторые компании используют дополнительный этап гальваники для повышения эффективности. После изготовления металлических контактов солнечные элементы соединяются между собой плоскими проводами или металлическими лентами и собираются в модули или «солнечные панели». Солнечные панели имеют лист закаленного стекла спереди и полимерную капсулу сзади.
Различные типы производства и переработки частично определяют, насколько эффективно они сокращают выбросы и оказывают положительное воздействие на окружающую среду. [43] Такие различия и эффективность можно оценить количественно [43] для производства наиболее оптимальных видов продукции различного назначения в разных регионах во времени.
Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии тестирует и проверяет солнечные технологии. Три надежные группы сертифицируют солнечное оборудование: UL и IEEE (оба стандарт США) и IEC .
Солнечные элементы производятся в больших количествах в Японии, Германии, Китае, Тайване, Малайзии и США, тогда как в установленных системах доминируют Европа, Китай, США и Япония (94% и более по состоянию на 2013 год). [158] Другие страны приобретают значительные мощности по производству солнечных батарей.
Согласно ежегодному «Отчету о состоянии фотоэлектрических систем», опубликованному Объединенным исследовательским центром Европейской комиссии , в 2012 году мировое производство фотоэлектрических элементов/модулей выросло на 10%, несмотря на снижение инвестиций в солнечную энергетику на 9% . В период с 2009 по 2013 год производство клеток выросло в четыре раза. [158] [159] [160]
С 2013 года Китай является ведущим в мире производителем солнечной фотоэлектрической энергии (PV). [158] По состоянию на сентябрь 2018 года шестьдесят процентов солнечных фотоэлектрических модулей в мире производились в Китае. [161] По состоянию на май 2018 года крупнейшая фотоэлектрическая станция в мире расположена в пустыне Тенгер в Китае. [162] В 2018 году Китай увеличил установленную мощность фотоэлектрических систем (в ГВт), чем следующие 9 стран вместе взятые. [163] По состоянию на 2022 год доля Китая в производстве солнечных панелей превысила 80% на всех этапах производства. [164]
В 2014 году Малайзия стала третьим по величине производителем фотоэлектрического оборудования в мире после Китая и Европейского Союза . [165]
Производство солнечной энергии в США удвоилось с 2013 по 2019 год. [166] Это было вызвано сначала падением цен на качественный кремний, [167] [168] [169] , а затем просто глобальным падением стоимости фотоэлектрических модулей. [162] [170] В 2018 году в США было добавлено 10,8 ГВт установленной солнечной фотоэлектрической энергии, увеличившись на 21%. [163]
Латинская Америка : Латинская Америка в последние годы стала многообещающим регионом для развития солнечной энергетики: в 2020 году было установлено более 10 ГВт установок. Рынок солнечной энергии в Латинской Америке стимулируется обильными солнечными ресурсами, падением цен, конкурентными аукционами и ростом электроэнергии. требовать. Одними из ведущих стран Латинской Америки по производству солнечной энергии являются Бразилия, Мексика, Чили и Аргентина. Однако рынок солнечной энергии в Латинской Америке также сталкивается с некоторыми проблемами, такими как политическая нестабильность, дефицит финансирования и узкие места в передаче электроэнергии.
Ближний Восток и Африка : В последние годы на Ближнем Востоке и в Африке также наблюдался значительный рост использования солнечной энергии: в 2020 году было установлено более 8 ГВт. Рынок солнечной энергии на Ближнем Востоке и в Африке стимулируется дешевой генерацией энергии. солнечная энергия, диверсификация источников энергии, борьба с изменением климата и электрификация сельских районов мотивированы. Некоторые из известных стран с использованием солнечной энергии на Ближнем Востоке и в Африке — Саудовская Аравия, Объединенные Арабские Эмираты, Египет, Марокко и Южная Африка. Однако рынок солнечной энергии на Ближнем Востоке и в Африке также сталкивается с рядом препятствий, включая социальные волнения, неопределенность регулирования и технические барьеры. [171]
Как и многие другие технологии производства энергии, производство солнечных элементов, особенно его быстрое распространение, имеет множество последствий для окружающей среды и цепочки поставок. Глобальная добыча полезных ископаемых может адаптироваться и потенциально расширяться для поиска необходимых минералов, которые различаются в зависимости от типа солнечных элементов. [172] [173] Переработка солнечных панелей может стать источником материалов, которые в противном случае пришлось бы добывать. [43]
Солнечные элементы со временем деградируют и теряют свою эффективность. Солнечные элементы в экстремальных климатических условиях, таких как пустыня или полярный климат, более склонны к деградации из-за воздействия резкого ультрафиолетового излучения и снеговых нагрузок соответственно. [174] Обычно срок службы солнечных панелей составляет 25–30 лет, прежде чем они будут выведены из эксплуатации. [175]
По оценкам Международного агентства по возобновляемым источникам энергии, количество электронных отходов солнечных панелей , образовавшихся в 2016 году, составило 43 500–250 000 метрических тонн. По оценкам, к 2030 году это число существенно увеличится, достигнув предполагаемого объема отходов в 60–78 миллионов метрических тонн в 2050 году. [176]
Наиболее широко используемые солнечные элементы на рынке — это кристаллические солнечные элементы. Продукт действительно пригоден для вторичной переработки, если его можно собрать снова. В Парижском соглашении 2016 года 195 стран согласились сократить выбросы углекислого газа, переключив свое внимание с ископаемого топлива на возобновляемые источники энергии. Благодаря этому Solar будет вносить основной вклад в производство электроэнергии во всем мире. Таким образом, множество солнечных панелей будут подлежать переработке после окончания их жизненного цикла. Фактически, многие исследователи по всему миру выразили обеспокоенность по поводу поиска способов использования кремниевых элементов после переработки. [177] [178] [179] [180]
Кроме того, эти элементы содержат опасные элементы/соединения, в том числе свинец (Pb), кадмий (Cd) или сульфид кадмия (CdS), селен (Se) и барий (Ba) в качестве легирующих добавок, помимо ценных кремния (Si), алюминия ( Al), серебро (Ag) и медь (Cu). Вредные элементы/соединения, если их не утилизировать с помощью надлежащей технологии, могут оказать серьезное вредное воздействие как на жизнь человека, так и на дикую природу. [181]
ПЕРЕРАБОТКА
Существуют различные способы переработки c-Si. В основном используются термические и химические методы разделения. Это происходит в два этапа [182]
КОНВЕРСИЯ
Ученые провели исследование, чтобы выяснить, насколько эффективно солнечные панели изготавливаются из нанокремния и гибридов нанокремния/графита. [181] Методика эксперимента состоит из
1. Восстановление фотоэлементов из фотоэлектрического модуля с истекшим сроком эксплуатации . Это запатентованный метод, при котором солнечные панели разбираются и каждый материал очищается отдельно.
2. Очистка сломанных фотоэлектрических элементов . 40 г сломанных фотоэлектрических элементов помещали в стеклянную бутылку емкостью 500 мл, содержащую 20% КОН (оксид калия). Термическую обработку этого водного раствора проводили при 80°С в течение 0,5 часа. Весь металлический Al и другие примеси растворялись в 20% растворе КОН, а твердый кремний ФВ выпадал в виде осадка. Твердый ПВ сушили в вакууме и получали 32 г очищенного от примесей ПВ переработанного кремния.
3. Преобразование очищенного фотоэлектрического переработанного кремния в нанокремний и гибридное производство нанокремния/графита . Использовалась крупномасштабная планетарная шаровая мельница (классическая линия PULVERISETTE P5 5/4). Переработанные фотоэлектрические элементы/кремний без примесей были загружены в измельчающий контейнер из нержавеющей стали вместе с пятью шариками из закаленной стали (диаметром 25,4 мм). Образец измельчали при скорости вращения 160 об/мин в течение 15 ч при комнатной температуре в атмосфере аргона 300 кПа. Во время высокоэнергетического шарового помола размер частиц уменьшался до нанометрового уровня (<100 нм). Тот же процесс использовался для получения гибрида PV nano-Si/графит, за исключением коммерческого графитового порошка (Продукт-282863, Sigma-Aldrich, порошок <20 мкм, синтетический), к которому добавляли восемь закаленных стальных шариков. Смесь измельчали при скорости вращения 160 об/мин в течение 20 ч при комнатной температуре в атмосфере аргона 300 кПа. Был получен гибрид PV nano-Si/графит с массовым соотношением 5 мас.% PV nano-Si и 95 мас.% графита.
Полученный фотоэлектрический нано-Si/графитовый электрод продемонстрировал превосходную циклическую стабильность с сохранением высокой емкости даже после длительных 600 циклов. Эти результаты доказали, что кремний можно легко преобразовать в гибриды нано-Si/графита и использовать в фотоэлектрических модулях, которые могут работать с той же эффективностью, что и модуль c-Si.
ВЫЗОВЫ
На рынке представлено множество различных фотоэлектрических модулей разного состава. Таким образом, трудно иметь общий процесс разрушения фотоэлектрических элементов. Кроме того, переработчики должны осуществлять контроль качества, что невозможно, если необходимо перерабатывать разные фотоэлектрические модули. Существуют также различные применения чистого кремния за пределами солнечной промышленности, и у переработчиков может возникнуть соблазн продать его там, если они получат более высокую ценность продукта. [183]
Другие вопросы, на которые необходимо ответить: [184]
Первый завод по переработке солнечных панелей открылся в Руссе, Франция, в 2018 году. Он должен был перерабатывать 1300 тонн отходов солнечных панелей в год и может увеличить свою мощность до 4000 тонн. [185] [186] [187] Если переработка определяется только рыночными ценами, а не экологическими нормами, экономические стимулы для переработки остаются неопределенными, и по состоянию на 2021 год воздействие на окружающую среду различных типов разработанных методов переработки все еще необходимо оценить. быть количественной. [43]
Портал возобновляемой энергетики
{{cite book}}: |journal=игнорируется ( помощь ){{cite book}}: |journal=игнорируется ( помощь )