Солнечный элемент или фотоэлектрический элемент ( PV-элемент ) — это электронное устройство, которое преобразует энергию света непосредственно в электричество посредством фотоэлектрического эффекта . [1] Это разновидность фотоэлектрического элемента, устройства, электрические характеристики которого (такие как ток , напряжение или сопротивление ) изменяются при воздействии света. Отдельные солнечные элементы часто являются электрическими строительными блоками фотоэлектрических модулей , известных в просторечии как «солнечные панели». Почти все коммерческие фотоэлектрические элементы состоят из кристаллического кремния , с долей рынка 95%. Тонкопленочные солнечные элементы на основе теллурида кадмия составляют остальную часть. [2] Обычный однопереходный кремниевый солнечный элемент может вырабатывать максимальное напряжение холостого хода приблизительно от 0,5 до 0,6 вольт . [3]
Фотоэлектрические элементы могут работать при солнечном или искусственном освещении. Помимо производства энергии, они могут использоваться в качестве фотодетекторов (например, инфракрасных детекторов ), обнаруживая свет или другое электромагнитное излучение вблизи видимого диапазона или измеряя интенсивность света.
Для работы фотоэлектрического элемента необходимы три основных атрибута:
Напротив, солнечный тепловой коллектор поставляет тепло , поглощая солнечный свет , с целью либо прямого нагрева, либо косвенного производства электроэнергии из тепла. «Фотоэлектролитический элемент» ( фотоэлектрохимический элемент ), с другой стороны, относится либо к типу фотоэлектрического элемента (подобно разработанному Эдмоном Беккерелем и современным солнечным элементам, сенсибилизированным красителем ), либо к устройству, которое расщепляет воду непосредственно на водород и кислород, используя только солнечное освещение.
Фотоэлектрические элементы и солнечные коллекторы — это два способа производства солнечной энергии .
Сборки солнечных элементов используются для создания солнечных модулей , которые генерируют электроэнергию из солнечного света , в отличие от «солнечного теплового модуля» или «солнечной панели горячего водоснабжения». Солнечная батарея генерирует солнечную энергию, используя солнечную энергию .
Применение солнечных элементов в качестве альтернативного источника энергии для транспортных средств является растущей отраслью. Электромобили, работающие от солнечной энергии и/или солнечного света, обычно называют солнечными автомобилями. [ требуется цитата ] Эти транспортные средства используют солнечные панели для преобразования поглощенного света в электрическую энергию, которая затем хранится в батареях . [ требуется цитата ] Существует множество входных факторов, которые влияют на выходную мощность солнечных элементов, таких как температура , свойства материалов, погодные условия, солнечное излучение и многое другое. [4]
Первый случай использования фотоэлектрических ячеек в транспортных средствах произошел примерно в середине второй половины 1900-х годов. В попытке повысить известность и осведомленность о транспорте на солнечных батареях Ганс Толструп решил организовать первое издание World Solar Challenge в 1987 году. [ необходима цитата ] Это была гонка на 3000 км по австралийской глубинке, в которой участвовали участники из отраслевых исследовательских групп и ведущих университетов со всего мира. [ необходима цитата ] Компания General Motors в итоге выиграла это мероприятие со значительным отрывом со своим автомобилем Sunraycer , который достиг скорости более 40 миль в час. [ необходима цитата ] Вопреки распространенному мнению, автомобили на солнечных батареях являются одними из старейших транспортных средств на альтернативной энергии. [5]
Современные солнечные транспортные средства получают энергию от Солнца с помощью солнечных панелей , которые представляют собой совокупность солнечных элементов, работающих в тандеме для достижения общей цели. [6] Эти твердотельные устройства используют квантово- механические переходы для преобразования заданного количества солнечной энергии в электрическую. [6] Полученное в результате электричество затем хранится в аккумуляторе транспортного средства для работы двигателя транспортного средства . [6] Аккумуляторы в транспортных средствах на солнечных батареях отличаются от аккумуляторов в стандартных автомобилях с ДВС, поскольку они сконструированы таким образом, чтобы передавать больше мощности электрическим компонентам транспортного средства в течение более длительного времени. [ необходима ссылка ]
Несколько солнечных элементов в интегрированной группе, все ориентированные в одной плоскости, составляют солнечную фотоэлектрическую панель или модуль . Фотоэлектрические модули часто имеют лист стекла на стороне, обращенной к солнцу, что позволяет свету проходить, защищая полупроводниковые пластины . Солнечные элементы обычно соединяются последовательно, создавая добавочное напряжение. Параллельное соединение элементов дает более высокий ток.
Однако проблемы в параллельных ячейках, такие как эффекты тени, могут вывести из строя более слабую (менее освещенную) параллельную цепочку (несколько последовательно соединенных ячеек), что приведет к существенной потере мощности и возможному повреждению из-за обратного смещения, приложенного к затененным ячейкам их освещенными партнерами. [ необходима ссылка ]
Хотя модули могут быть соединены между собой для создания массива с желаемым пиковым напряжением постоянного тока и нагрузочной способностью по току, что может быть сделано с использованием или без использования независимых MPPT ( трекеров максимальной точки мощности ) или, в зависимости от каждого модуля, с использованием или без использования электронных устройств на уровне модуля (MLPE), таких как микроинверторы или оптимизаторы постоянного тока . Шунтирующие диоды могут уменьшить потери мощности затенения в массивах с последовательно/параллельно соединенными ячейками.
К 2020 году стоимость одного ватта для систем коммунального масштаба в Соединенных Штатах снизилась до 0,94 долл. США. [9]
Фотоэлектрический эффект был впервые 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 «Влияние света на селен при прохождении электрического тока» в выпуске Nature от 20 февраля 1873 года . В 1883 году Чарльз Фриттс построил первый твердотельный фотоэлектрический элемент, покрыв полупроводниковый селен тонким слоем золота для формирования переходов; устройство имело эффективность всего около 1%. [10] Другие вехи включают в себя:
Солнечные элементы впервые были использованы в важном приложении, когда они были предложены и запущены на спутнике Vanguard в 1958 году в качестве альтернативного источника питания для основного источника питания батареи . Добавляя элементы к внешней стороне корпуса, время миссии можно было продлить без серьезных изменений в космическом корабле или его энергосистемах. В 1959 году Соединенные Штаты запустили Explorer 6 , оснащенный большими солнечными батареями в форме крыла, которые стали обычной чертой спутников. Эти батареи 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 в солнечной системе, поскольку они обеспечивали наилучшее соотношение мощности к весу . Однако этот успех стал возможен, поскольку в космическом применении стоимость энергосистемы могла быть высокой, поскольку у пользователей космоса было мало других вариантов питания, и они были готовы платить за наилучшие возможные элементы. Космический рынок энергии стимулировал разработку более высоких КПД солнечных элементов вплоть до того момента, когда программа Национального научного фонда «Исследования, применяемые к национальным потребностям» начала продвигать разработку солнечных элементов для наземного применения.
В начале 1990-х годов технология, используемая для космических солнечных батарей, отличалась от кремниевой технологии, используемой для наземных панелей, и в космических аппаратах стали использоваться полупроводниковые материалы III-V на основе арсенида галлия , которые затем эволюционировали в современные многопереходные фотоэлектрические элементы III-V, используемые на космических аппаратах.
В последние годы исследования перешли к проектированию и производству легких, гибких и высокоэффективных солнечных элементов. Наземная технология солнечных элементов обычно использует фотоэлектрические элементы, которые ламинируются слоем стекла для прочности и защиты. Космические приложения для солнечных элементов требуют, чтобы элементы и массивы были как высокоэффективными, так и чрезвычайно легкими. Некоторые новые технологии, реализованные на спутниках, представляют собой многопереходные фотоэлектрические элементы, которые состоят из различных p–n-переходов с различной шириной запрещенной зоны для использования более широкого спектра солнечной энергии. Кроме того, большие спутники требуют использования больших солнечных батарей для производства электроэнергии. Эти солнечные батареи необходимо разбить, чтобы они соответствовали геометрическим ограничениям ракеты-носителя, на которой перемещается спутник, перед выводом на орбиту. Исторически солнечные элементы на спутниках состояли из нескольких небольших наземных панелей, сложенных вместе. Эти небольшие панели будут разворачиваться в большую панель после того, как спутник будет развернут на своей орбите. Новые спутники нацелены на использование гибких сворачиваемых солнечных батарей, которые очень легкие и могут быть упакованы в очень небольшой объем. Меньший размер и вес этих гибких массивов радикально снижает общую стоимость запуска спутника из-за прямой зависимости между массой полезной нагрузки и стоимостью запуска ракеты-носителя. [20]
В 2020 году Военно-морская исследовательская лаборатория США провела первое испытание генерации 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 наилучшие возможные ячейки, не оставляя никаких причин для инвестирования в более дешевые, менее эффективные решения. Цена в значительной степени определялась полупроводниковой промышленностью ; их переход к интегральным схемам в 1960-х годах привел к доступности более крупных булей по более низким относительным ценам. По мере того, как их цена падала, цена полученных ячеек также падала. Эти эффекты снизили стоимость ячеек в 1971 году до примерно 100 долларов за ватт. [23]
В конце 1969 года Эллиот Берман присоединился к целевой группе Exxon , которая искала проекты на 30 лет вперед, и в апреле 1973 года он основал Solar Power Corporation (SPC), дочернюю компанию Exxon, полностью принадлежащую ей в то время. [24] [25] [26] Группа пришла к выводу, что к 2000 году электроэнергия станет намного дороже, и посчитала, что это повышение 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 устранила этапы полировки пластин и покрытия их антибликовым слоем, полагаясь на грубо распиленную поверхность пластин. 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» ячейки. [27] Солнечные ячейки можно было изготавливать с использованием отходов с рынка электроники. К 1973 году они анонсировали продукт, и SPC убедила Tideland Signal использовать свои панели для питания навигационных буев , первоначально для Береговой охраны США. [25]
Исследования в области солнечной энергии для наземных применений стали заметными благодаря Отделу передовых исследований и разработок в области солнечной энергии Национального научного фонда США в рамках программы «Исследования, применяемые к национальным нуждам», которая длилась с 1969 по 1977 год [28] и финансировала исследования по разработке солнечной энергии для наземных электроэнергетических систем. Конференция 1973 года, «Конференция Черри-Хилл», изложила технологические цели, необходимые для достижения этой цели, и наметила амбициозный проект по их достижению, положив начало прикладной исследовательской программе, которая будет продолжаться в течение нескольких десятилетий. [29] В конечном итоге программа была передана Администрации энергетических исследований и разработок (ERDA), [30] которая позже была объединена с Министерством энергетики США .
После нефтяного кризиса 1973 года нефтяные компании использовали свои более высокие прибыли для запуска (или покупки) солнечных компаний и на протяжении десятилетий были крупнейшими производителями. Exxon, ARCO, Shell, Amoco (позже купленная BP) и Mobil имели крупные солнечные подразделения в 1970-х и 1980-х годах. Технологические компании также участвовали, включая General Electric, Motorola, IBM, Tyco и RCA. [31]
С поправкой на инфляцию, в середине 1970-х годов стоимость солнечного модуля составляла 96 долларов за ватт. Улучшения процесса и очень большой рост производства снизили эту цифру более чем на 99%, до 30 центов за ватт в 2018 году [34] и до 20 центов за ватт в 2020 году. [35] Закон Свенсона — это наблюдение, похожее на закон Мура , который гласит, что цены на солнечные элементы падают на 20% при каждом удвоении мощности отрасли. Он был представлен в статье в британской еженедельной газете The Economist в конце 2012 года. [36] Тогда баланс затрат на систему был выше, чем на панели. Крупные коммерческие массивы могли быть построены, по состоянию на 2018 год, по цене ниже 1 доллара за ватт, полностью введенные 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 становилось доступным на рынке излишков; оригинальные панели ARCO Solar использовали ячейки диаметром от 2 до 4 дюймов (от 50 до 100 мм). Панели в 1990-х и начале 2000-х годов обычно использовали пластины диаметром 125 мм; с 2008 года почти все новые панели используют ячейки диаметром 156 мм. Широкое внедрение 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-х годах поликремниевые («поли») ячейки стали все более популярными. Эти ячейки предлагают меньшую эффективность, чем их монокремниевые («моно») аналоги, но они выращиваются в больших чанах, что снижает стоимость. К середине 2000-х годов поли доминировал на рынке недорогих панелей, но в последнее время моно снова стал широко использоваться.
Производители ячеек на основе пластин отреагировали на высокие цены на кремний в 2004–2008 годах быстрым сокращением потребления кремния. В 2008 году, по словам Джефа Поортманса, директора органического и солнечного департамента IMEC , современные ячейки используют 8–9 граммов (0,28–0,32 унции) кремния на ватт вырабатываемой энергии, при толщине пластины около 200 микрон . Кристаллические кремниевые панели доминируют на мировых рынках и в основном производятся в Китае и на Тайване. К концу 2011 года падение европейского спроса привело к резкому снижению цен на кристаллические солнечные модули до примерно 1,09 долл. США [37] за ватт, что резко ниже, чем в 2010 году. Цены продолжали падать в 2012 году, достигнув 0,62 долл. США/ватт к 4 кварталу 2012 года. [38]
Солнечные фотоэлектрические системы наиболее быстро развиваются в Азии, при этом на Китай и Японию в настоящее время приходится половина мирового развертывания . [39] Глобальная установленная мощность фотоэлектрических систем достигла по меньшей мере 301 гигаватт в 2016 году и выросла до 1,3% поставок мировой электроэнергии к 2016 году. [40]
Ожидалось, что электроэнергия от фотоэлектрических установок будет конкурентоспособной по сравнению с оптовыми ценами на электроэнергию по всей Европе, а срок окупаемости кристаллических кремниевых модулей может быть сокращен до менее чем 0,5 года к 2020 году. [41]
Снижение затрат считается одним из важнейших факторов быстрого роста возобновляемой энергетики: стоимость солнечной фотоэлектрической электроэнергии упала примерно на 85% в период с 2010 года (когда солнечная и ветровая энергия составляла 1,7% от мирового производства электроэнергии) по 2021 год (когда они составляли 8,7%). [42] В 2019 году на долю солнечных батарей приходилось примерно 3% мирового производства электроэнергии. [43]
Специальные тарифы на подачу электроэнергии для солнечной энергии различаются в зависимости от страны и внутри стран. Такие тарифы стимулируют развитие проектов солнечной энергетики. Широко распространенный сетевой паритет , точка, в которой фотоэлектрическое электричество равно или дешевле сетевой электроэнергии без субсидий, вероятно, потребует прогресса на всех трех фронтах. Сторонники солнечной энергии надеются достичь сетевого паритета сначала в районах с обильным солнцем и высокими затратами на электроэнергию, таких как Калифорния и Япония . [44] В 2007 году BP заявила о сетевом паритете для Гавайев и других островов, которые в противном случае используют дизельное топливо для производства электроэнергии. Джордж Буш-младший установил 2015 год в качестве даты сетевого паритета в США. [45] [46] Ассоциация фотоэлектриков сообщила в 2012 году, что Австралия достигла сетевого паритета (без учета льготных тарифов). [47]
Цена солнечных панелей неуклонно падала в течение 40 лет, прерванная в 2004 году, когда высокие субсидии в Германии резко увеличили спрос там и значительно увеличили цену очищенного кремния (который используется в компьютерных чипах, а также в солнечных панелях). Рецессия 2008 года и начало китайского производства привели к возобновлению снижения цен. За четыре года после января 2008 года цены на солнечные модули в Германии упали с €3 до €1 за пиковый ватт. За это же время производственные мощности резко возросли с годовым ростом более чем на 50%. Китай увеличил долю рынка с 8% в 2008 году до более 55% в последнем квартале 2010 года. [48] В декабре 2012 года цена китайских солнечных панелей упала до $0,60/Wp (кристаллические модули). [49] (Сокращение Wp означает пиковую мощность ватта или максимальную мощность при оптимальных условиях. [50] )
По состоянию на конец 2016 года сообщалось, что спотовые цены на собранные солнечные панели (не ячейки) упали до рекордно низкого уровня в 0,36 долл. США/Вт. Второй по величине поставщик, Canadian Solar Inc., сообщил о расходах в размере 0,37 долл. США/Вт в третьем квартале 2016 года, упав на 0,02 долл. США по сравнению с предыдущим кварталом, и, следовательно, вероятно, все еще оставался по крайней мере безубыточным. Многие производители ожидали, что расходы снизятся примерно до 0,30 долл. США к концу 2017 года. [51] Также сообщалось, что новые солнечные установки были дешевле угольных тепловых электростанций в некоторых регионах мира, и ожидалось, что это будет иметь место в большинстве стран мира в течение десятилетия. [52]
Солнечный элемент изготавливается из полупроводниковых материалов , таких как кремний , которые были изготовлены в виде p–n-перехода . Такие переходы изготавливаются путем легирования одной стороны устройства p-типа, а другой n-типа, например, в случае кремния путем введения небольших концентраций бора или фосфора соответственно.
В процессе работы фотоны солнечного света попадают в солнечный элемент и поглощаются полупроводником. Когда фотоны поглощаются, электроны возбуждаются из валентной зоны в зону проводимости ( или из занятых в незанятые молекулярные орбитали в случае органического солнечного элемента ), создавая пары электрон-дырка . Если пары электрон-дырка создаются вблизи стыка между материалами p-типа и n-типа, локальное электрическое поле разносит их по противоположным электродам, создавая избыток электронов с одной стороны и избыток дырок с другой. Когда солнечный элемент не подключен (или внешняя электрическая нагрузка очень высока), электроны и дырки в конечном итоге восстановят равновесие, диффундируя обратно через стык против поля и рекомбинируя друг с другом, выделяя тепло, но если нагрузка достаточно мала, то равновесие легче восстановить, если избыточные электроны будут проходить по внешней цепи, выполняя полезную работу по пути.
Массив солнечных элементов преобразует солнечную энергию в полезное количество постоянного тока (DC). Инвертор может преобразовать энергию в переменный ток (AC).
Наиболее известный солнечный элемент сконфигурирован как p–n-переход большой площади , изготовленный из кремния. Другие возможные типы солнечных элементов — это органические солнечные элементы, сенсибилизированные красителем солнечные элементы, перовскитные солнечные элементы, квантовые точечные солнечные элементы и т. д. Освещенная сторона солнечного элемента обычно имеет прозрачную проводящую пленку , позволяющую свету проникать в активный материал и собирать генерируемые носители заряда. Обычно для этой цели используются пленки с высокой пропускаемостью и высокой электропроводностью, такие как оксид индия и олова , проводящие полимеры или проводящие сети нанопроводов. [53]
Эффективность солнечной батареи можно разделить на эффективность отражения, термодинамическую эффективность, эффективность разделения носителей заряда и эффективность проводимости. Общая эффективность является произведением этих отдельных показателей.
Эффективность преобразования энергии солнечного элемента — это параметр, который определяется долей падающей мощности, преобразованной в электричество. [54]
Солнечный элемент имеет кривую эффективности, зависящую от напряжения, температурные коэффициенты и допустимые углы тени.
Из-за сложности непосредственного измерения этих параметров, заменяются другие параметры: термодинамическая эффективность, квантовая эффективность , интегрированная квантовая эффективность , отношение V OC и фактор заполнения. Потери на отражение являются частью квантовой эффективности под « внешней квантовой эффективностью ». Потери на рекомбинацию составляют другую часть квантовой эффективности, отношения V OC и фактора заполнения. Резистивные потери в основном классифицируются под фактором заполнения, но также составляют незначительные части квантовой эффективности, отношения V OC .
Коэффициент заполнения — это 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. Ячейки класса B обычно имели коэффициент заполнения 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, вырабатываемого ячейкой, рассеивается на внутренние потери.
Кристаллические кремниевые устройства с одним p–n-переходом в настоящее время приближаются к теоретическому пределу энергетической эффективности в 33,16% [56] , отмеченному как предел Шокли-Квайссера в 1961 году. В крайнем случае, при бесконечном числе слоев, соответствующий предел составляет 86% при использовании концентрированного солнечного света. [57]
В 2014 году три компании побили рекорд в 25,6% для кремниевых солнечных элементов. Panasonic был самым эффективным. Компания переместила передние контакты на заднюю часть панели, устранив затененные области. Кроме того, они нанесли тонкие кремниевые пленки на переднюю и заднюю часть пластины (высококачественного кремния), чтобы устранить дефекты на поверхности пластины или около нее. [58]
В 2015 году 4-переходный солнечный элемент GaInP/GaAs//GaInAsP/GaInAs достиг нового лабораторного рекорда эффективности 46,1% (коэффициент концентрации солнечного света = 312) в рамках франко-немецкого сотрудничества между Институтом Фраунгофера по системам солнечной энергетики (Fraunhofer ISE) , CEA-LETI и SOITEC. [59]
В сентябре 2015 года Fraunhofer ISE объявила о достижении эффективности выше 20% для эпитаксиальных пластинчатых ячеек. Работа по оптимизации производственной цепочки химического осаждения паров при атмосферном давлении (APCVD) была выполнена в сотрудничестве с NexWafe GmbH, компанией, отделившейся от 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 Института физики им. Фраунгофера объявили о создании солнечного элемента с тремя переходами GaInP/GaAs/Si и двумя выводами, эффективность которого без концентрации достигала 30,2%. [63]
В 2017 году группа исследователей из Национальной лаборатории возобновляемой энергии (NREL), EPFL и CSEM ( Швейцария ) сообщили о рекордной эффективности одного солнца в 32,8% для двухпереходных солнечных элементов GaInP/GaAs. Кроме того, двухпереходное устройство было механически соединено с солнечным элементом Si, чтобы достичь рекордной эффективности одного солнца в 35,9% для трехпереходных солнечных элементов. [64]
Солнечные элементы обычно называются по названию полупроводникового материала, из которого они сделаны. Эти материалы должны обладать определенными характеристиками, чтобы поглощать солнечный свет . Некоторые элементы предназначены для обработки солнечного света, который достигает поверхности Земли, в то время как другие оптимизированы для использования в космосе . Солнечные элементы могут быть изготовлены из одного слоя светопоглощающего материала ( однопереходные ) или использовать несколько физических конфигураций ( многопереходные ) для использования 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 — изготавливаются из кристаллического кремния , коммерчески преобладающей технологии фотоэлектрических систем, которая включает такие материалы, как поликремний и монокристаллический кремний . Элементы второго поколения — это тонкопленочные солнечные элементы , которые включают аморфный кремний , элементы CdTe и CIGS и имеют коммерческое значение в масштабах фотоэлектрических электростанций коммунального масштаба , в строительстве интегрированных фотоэлектрических систем или в небольших автономных энергосистемах . Третье поколение солнечных элементов включает ряд тонкопленочных технологий, часто описываемых как новая фотоэлектрическая система — 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. Несмотря на то, что их эффективность была низкой, а стабильность поглощающего материала часто была слишком короткой для коммерческого применения, проводятся исследования этих технологий, поскольку они обещают достичь цели производства недорогих, высокоэффективных солнечных элементов. [66] По состоянию на 2016 год наиболее популярными и эффективными солнечными элементами были те, которые были изготовлены из тонких пластин кремния, которые также являются старейшей технологией солнечных элементов. [67]
Безусловно, наиболее распространенным объемным материалом для солнечных элементов является кристаллический кремний (c-Si), также известный как «кремний солнечного качества». [68] Объемный кремний разделяется на несколько категорий в зависимости от кристалличности и размера кристалла в полученном слитке , ленте или пластине . Эти элементы полностью основаны на концепции p–n-перехода . Солнечные элементы из c-Si изготавливаются из пластин толщиной от 160 до 240 микрометров.
Монокристаллические кремниевые (моно-Si) солнечные элементы имеют монокристаллическую структуру, которая позволяет электронам двигаться более свободно, чем в многокристаллической конфигурации. Следовательно, монокристаллические солнечные панели обеспечивают более высокую эффективность, чем их многокристаллические аналоги. [69] Углы ячеек выглядят обрезанными, как восьмиугольник, поскольку материал пластины вырезается из цилиндрических слитков, которые обычно выращиваются методом Чохральского . Солнечные панели, использующие моно-Si элементы, демонстрируют характерный рисунок из маленьких белых ромбов.
Эпитаксиальные пластины кристаллического кремния могут быть выращены на монокристаллической кремниевой «затравочной» пластине методом химического осаждения из паровой фазы (CVD), а затем отделены как самоподдерживающиеся пластины некоторой стандартной толщины (например, 250 мкм), которые можно манипулировать вручную, и напрямую заменять ячейки пластин, вырезанные из слитков монокристаллического кремния. Солнечные элементы, изготовленные с помощью этой « безрезьбовой » технологии, могут иметь эффективность, приближающуюся к эффективности ячеек, вырезанных из пластин, но при значительно более низкой стоимости, если CVD может быть выполнено 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 гетеропереходные солнечные элементы, выращенные эпитаксиально на монокристаллических кремниевых пластинах n-типа, достигли эффективности 22,5% при общей площади элемента 243,4 см2 . [72]
Поликристаллические кремниевые или мультикристаллические кремниевые (мульти-Si) ячейки изготавливаются из литых квадратных слитков — больших блоков расплавленного кремния, тщательно охлажденных и затвердевших. Они состоят из мелких кристаллов, что придает материалу его типичный эффект металлических чешуек . Поликремниевые ячейки являются наиболее распространенным типом, используемым в фотоэлектричестве, и они менее дороги, но и менее эффективны, чем ячейки из монокристаллического кремния.
Ленточный кремний — это тип поликристаллического кремния, он формируется путем вытягивания плоских тонких пленок из расплавленного кремния и приводит к поликристаллической структуре. Эти ячейки дешевле в производстве, чем multi-Si, из-за значительного сокращения отходов кремния, поскольку этот подход не требует распиливания слитков . [ 73 ] Однако они также менее эффективны.
Эта форма была разработана в 2000-х годах и введена в коммерческую эксплуатацию около 2009 года. Также называемая литой моно, эта конструкция использует поликристаллические литейные камеры с небольшими «семенами» мономатериала. Результатом является объемный моноподобный материал, который является поликристаллическим вокруг внешних сторон. При нарезке для обработки внутренние секции представляют собой высокоэффективные моноподобные ячейки (но квадратные, а не «обрезанные»), в то время как внешние края продаются как обычные поли. Этот метод производства приводит к моноподобным ячейкам по ценам полиподобных. [74]
Тонкопленочные технологии уменьшают количество активного материала в ячейке. Большинство конструкций размещают активный материал между двумя стеклянными панелями. Поскольку кремниевые солнечные панели используют только одну стеклянную панель, тонкопленочные панели примерно в два раза тяжелее кристаллических кремниевых панелей, хотя они оказывают меньшее экологическое воздействие (определено с помощью анализа жизненного цикла ). [75] [76]
Теллурид кадмия — единственный тонкопленочный материал, который на сегодняшний день может соперничать с кристаллическим кремнием по стоимости/ватт. Однако кадмий очень токсичен, а запасы теллура ( анион : «теллурид») ограничены. Кадмий , присутствующий в ячейках, был бы токсичен, если бы выделился. Однако выделение невозможно при нормальной работе ячеек и маловероятно при пожарах на крышах жилых домов. [77] Квадратный метр CdTe содержит примерно такое же количество Cd, как и одна никель-кадмиевая батарея C-элемента , в более стабильной и менее растворимой форме. [77]
Селенид галлия-индия меди (CIGS) — это материал с прямой запрещенной зоной . Он имеет самую высокую эффективность (~20%) среди всех коммерчески значимых тонкопленочных материалов (см. CIGS solar cell ). Традиционные методы изготовления включают вакуумные процессы, включая совместное испарение и распыление. Недавние разработки IBM и Nanosolar пытаются снизить стоимость, используя невакуумные процессы растворения. [78]
Тонкопленочные ячейки из кремния в основном наносятся методом химического осаждения из паровой фазы (обычно плазменно-усиленного, PE-CVD) из силана и водорода . В зависимости от параметров осаждения, это может дать 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 является наиболее развитой технологией тонких пленок на сегодняшний день. Аморфный кремниевый (a-Si) солнечный элемент изготовлен из некристаллического или микрокристаллического кремния. Аморфный кремний имеет большую ширину запрещенной зоны (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. Производство тонкопленочных солнечных элементов a-Si использует стекло в качестве подложки и наносит очень тонкий слой кремния методом плазменно-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, как c-Si, а nc-Si и a-Si могут быть выгодно объединены в тонкие слои, создавая слоистую ячейку, называемую тандемной ячейкой. Верхняя ячейка в a-Si поглощает видимый свет и оставляет инфракрасную часть спектра для нижней ячейки в nc-Si.
Полупроводниковый материал арсенид галлия (GaAs) также используется для монокристаллических тонкопленочных солнечных элементов. Хотя элементы GaAs очень дороги [ требуется ссылка ] , они удерживают мировой рекорд по эффективности для однопереходных солнечных элементов — 28,8%. [81] Обычно изготавливаются на кристаллической кремниевой пластине [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 путем изготовления нанопроводов — еще один потенциальный путь к снижению стоимости. [83] GaAs чаще используется в многопереходных фотоэлектрических элементах для концентрированной фотоэлектричества (CPV, HCPV) и для солнечных панелей на космических аппаратах , поскольку промышленность отдает предпочтение эффективности, а не стоимости для космической солнечной энергии . На основании предыдущей литературы и некоторого теоретического анализа, существует несколько причин, по которым GaAs имеет такую высокую эффективность преобразования энергии. 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 довольно высокой температуре. В-третьих, GaAs имеет широкий спектр вариантов конструкции. 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 элементы состоят из нескольких тонких пленок, каждая из которых по сути является солнечным элементом, выращенным поверх другой, обычно с использованием эпитаксии из паровой фазы металлоорганических соединений . Каждый слой имеет различную энергию запрещенной зоны, что позволяет ему поглощать электромагнитное излучение в разной части спектра. Многопереходные элементы изначально были разработаны для специальных применений, таких как спутники и исследование космоса , но теперь все чаще используются в наземных концентраторных фотоэлектрических элементах (CPV), новой технологии, которая использует линзы и изогнутые зеркала для концентрации солнечного света на небольших, высокоэффективных многопереходных солнечных элементах. Концентрируя солнечный свет до тысячи раз, высококонцентрированные фотоэлектрические элементы (HCPV) имеют потенциал превзойти обычные солнечные фотоэлектрические элементы в будущем. [84] : 21, 26
Тандемные солнечные элементы на основе монолитных, последовательно соединенных p–n-переходов галлия, индия, фосфида (GaInP), арсенида галлия (GaAs) и германия (Ge) увеличивают продажи, несмотря на давление затрат. [85] В период с декабря 2006 года по декабрь 2007 года стоимость металлического галлия 4N выросла с примерно 350 долларов за кг до 680 долларов за кг. Кроме того, цены на металлический германий существенно выросли до 1000–1200 долларов за кг в этом году. 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 отрасли производства подложек. [ необходима цитата ]
Например, ячейка с тремя переходами может состоять из полупроводников: GaAs , Ge и GaInP.
2[86] Трехпереходные солнечные элементы GaAs использовались в качестве источника питания четырехкратных победителей World Solar Challenge из Голландии Nuna в 2003, 2005 и 2007 годах, а также голландских солнечных автомобилей Solutra (2005) , Twente One (2007) и 21Revolution (2009). [ требуется ссылка ] Многопереходные устройства на основе GaAs являются самыми эффективными солнечными элементами на сегодняшний день. 15 октября 2012 года метаморфные элементы с тройным переходом достигли рекордного уровня в 44%. [87] В 2022 году исследователи из Института систем солнечной энергетики Фраунгофера ISE во Фрайбурге, Германия, продемонстрировали рекордную эффективность солнечного элемента в 47,6% при 665-кратной концентрации солнечного света с четырехпереходным концентраторным солнечным элементом. [88] [89]
В 2016 году был описан новый подход к производству гибридных фотоэлектрических пластин, сочетающих высокую эффективность многопереходных солнечных элементов III-V с экономией и богатым опытом, связанным с кремнием. Технические сложности, связанные с выращиванием материала III-V на кремнии при требуемых высоких температурах, предмет изучения в течение примерно 30 лет, избегаются эпитаксиальным ростом кремния на GaAs при низкой температуре с помощью плазменно-усиленного химического осаждения из паровой фазы (PECVD). [90]
Однопереходные солнечные элементы на основе Si широко изучались в течение десятилетий и достигают своей практической эффективности ~26% в условиях 1 солнца. [91] Увеличение этой эффективности может потребовать добавления большего количества ячеек с шириной запрещенной зоны более 1,1 эВ к ячейке Si, что позволит преобразовывать коротковолновые фотоны для генерации дополнительного напряжения. Двухпереходный солнечный элемент с шириной запрещенной зоны 1,6–1,8 эВ в качестве верхнего элемента может снизить потери на термализацию, обеспечить высокую внешнюю излучательную эффективность и достичь теоретической эффективности более 45%. [92] Тандемный элемент может быть изготовлен путем выращивания ячеек GaInP и Si. Выращивание их по отдельности может преодолеть 4%-ное несоответствие постоянной решетки между Si и наиболее распространенными слоями III–V, которое препятствует прямой интеграции в одну ячейку. Поэтому две ячейки разделены прозрачным стеклянным слайдом, поэтому несоответствие решетки не вызывает напряжения в системе. Это создает ячейку с четырьмя электрическими контактами и двумя переходами, которые продемонстрировали эффективность 18,1%. При коэффициенте заполнения (FF) 76,2% нижняя ячейка Si достигает эффективности 11,7% (± 0,4) в тандемном устройстве, что приводит к совокупной эффективности тандемной ячейки 29,8%. [93] Эта эффективность превышает теоретический предел 29,4% [94] и рекордное экспериментальное значение эффективности солнечной ячейки Si 1-sun, а также выше, чем рекордно эффективное устройство 1-sun GaAs. Однако использование подложки GaAs дорого и непрактично. Поэтому исследователи пытаются создать ячейку с двумя электрическими контактными точками и одним соединением, 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 раствором гибридный органо-неорганический материал на основе галогенида олова или свинца. Эффективность возросла с менее 5% при их первом использовании в 2009 году до 25,5% в 2020 году, что делает их очень быстро развивающейся технологией и горячей темой в области солнечных элементов. [95] Исследователи из Университета Рочестера сообщили в 2023 году, что значительное дальнейшее улучшение эффективности элемента может быть достигнуто за счет использования эффекта Перселла . [96]
Перовскитные солнечные элементы, как ожидается, также будут чрезвычайно дешевы в масштабировании, 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 изучают способы решения этой проблемы. [97] Показано, что энергетическая и экологическая устойчивость перовскитных солнечных элементов и тандемного перовскита зависят от структур. [98] [99] [100] Фотонные фронтальные контакты для управления светом могут улучшить производительность перовскитных элементов за счет улучшенного широкополосного поглощения, обеспечивая при этом лучшую эксплуатационную стабильность благодаря защите от вредного высокоэнергетического (выше видимого) излучения. [101] Включение токсичного элемента свинца в наиболее эффективные перовскитные солнечные элементы является потенциальной проблемой для коммерциализации. [102]
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. [103] Позже говорят, что Россия была первой, кто применил двусторонние солнечные элементы в своей космической программе в 1970-х годах. [ требуется 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 США и Испании 1977 года, полученных Луке, был предложен практичный двусторонний элемент с передней поверхностью в качестве анода и задней поверхностью в качестве катода; в ранее сообщенных предложениях и попытках обе поверхности были анодными, а соединение между элементами было сложным и дорогим. [104] [105] [106] В 1980 году Андрес Куевас, аспирант в команде Луке, экспериментально продемонстрировал 50%-ное увеличение выходной мощности двусторонних солнечных элементов по сравнению с идентично ориентированными и наклоненными односторонними элементами, когда был предоставлен белый фон. [107] В 1981 году в Малаге была основана компания Isofoton для производства разработанных двусторонних элементов, что стало первой промышленной реализацией этой технологии фотоэлектрических элементов. При первоначальной производственной мощности 300 кВт/год двусторонних солнечных элементов ранними вехами производства Isofoton стали электростанция мощностью 20 кВт в Сан-Агустин-де-Гвадаликс , построенная в 1986 году для компании Iberdrola , и автономная установка к 1988 году также мощностью 20 кВт в деревне Ното-Гуйе-Диама ( Сенегал ), финансируемая испанскими программами международной помощи и сотрудничества .
Из-за снижения стоимости производства компании снова начали производить коммерческие двусторонние модули с 2010 года. К 2017 году в Северной Америке было не менее восьми сертифицированных производителей фотоэлектрических систем, поставляющих двусторонние модули. Международная технологическая дорожная карта для фотоэлектрики (ITRPV) предсказала, что доля двусторонних технологий на мировом рынке увеличится с менее чем 5% в 2016 году до 30% в 2027 году. [108]
В связи со значительным интересом к двусторонним технологиям недавнее исследование изучило производительность и оптимизацию двусторонних солнечных модулей по всему миру. [109] [110] Результаты показывают, что по всему миру двусторонние модули, установленные на земле, могут обеспечить только ~10% прироста годовой выработки электроэнергии по сравнению с односторонними аналогами при коэффициенте альбедо грунта 25% (типично для бетона и растительного покрова). Однако прирост может быть увеличен до ~30%, если поднять модуль на 1 м над землей и повысить коэффициент альбедо грунта до 50%. Сан и др. также вывели набор эмпирических уравнений, которые могут аналитически оптимизировать двусторонние солнечные модули. [109] Кроме того, есть доказательства того, что двусторонние панели работают лучше традиционных панелей в снежных условиях, поскольку двусторонние на двухосных трекерах вырабатывали на 14% больше электроэнергии в год, чем их односторонние аналоги, и на 40% в пиковые зимние месяцы. [111]
Онлайн-инструмент моделирования доступен для моделирования производительности двусторонних модулей в любом произвольном месте по всему миру. Он также может оптимизировать двусторонние модули как функцию угла наклона, азимутального угла и высоты над землей. [112]
Промежуточная зона фотовольтаики в исследовании солнечных элементов обеспечивает методы для превышения предела Шокли-Квайссера на эффективность элемента. Она вводит энергетический уровень промежуточной зоны (IB) между валентной зоной и зоной проводимости. Теоретически, введение IB позволяет двум фотонам с энергией меньше ширины запрещенной зоны возбудить электрон из валентной зоны в зону проводимости . Это увеличивает индуцированный фототок и, следовательно, эффективность. [113]
Luque и Marti впервые вывели теоретический предел для IB-устройства с одним уровнем энергии в середине запрещенной зоны, используя детальный баланс . Они предположили, что носители не собираются в IB и что устройство находится под полной концентрацией. Они обнаружили, что максимальная эффективность составляет 63,2% для 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%. [114] Изучаются несколько способов реализации полупроводников IB с такой оптимальной конфигурацией 3-запрещенных зон, а именно с помощью материаловедения (контролируемое включение примесей глубоких уровней или сильно несоответствующих сплавов) и наноструктурирования (квантовые точки в гетерокристаллах-хозяевах). [115]
В 2014 году исследователи из Калифорнийского института наносистем обнаружили, что использование кестерита и перовскита повышает эффективность преобразования электроэнергии для солнечных элементов. [116]
В декабре 2022 года сообщалось, что исследователи Массачусетского технологического института разработали сверхлегкие тканевые солнечные элементы. Эти элементы весят в сто раз меньше традиционных панелей, при этом вырабатывая в 18 раз больше энергии на килограмм. Эти элементы тоньше человеческого волоса и могут быть ламинированы на различные поверхности, такие как паруса лодок, палатки, брезент или крылья дронов, чтобы расширить их функциональность. Используя материалы на основе чернил и масштабируемые методы, исследователи покрывают структуру солнечных элементов печатными электронными чернилами, завершая модуль электродами, напечатанными методом трафаретной печати . Испытанные на высокопрочной ткани, элементы вырабатывают 370 Вт на килограмм, что является улучшением по сравнению с обычными солнечными элементами. [117]
Повышение частоты фотонов — это процесс использования двух низкоэнергетических ( например , инфракрасных) фотонов для получения одного фотона с более высокой энергией; понижение частоты — это процесс использования одного высокоэнергетического фотона ( например , ультрафиолетового) для получения двух низкоэнергетических фотонов. Любой из этих методов может быть использован для производства более эффективных солнечных элементов, позволяя более эффективно использовать солнечные фотоны. Однако сложность заключается в том, что эффективность преобразования существующих люминофоров, демонстрирующих повышение или понижение частоты, низкая и, как правило, узкополосная.
Одним из методов повышения частоты является включение материалов, легированных лантаноидами ( Er3+, Ыб3+, Хо3+или их комбинации), используя их люминесценцию для преобразования инфракрасного излучения в видимый свет. Процесс апконверсии происходит, когда два инфракрасных фотона поглощаются редкоземельными ионами для генерации поглощаемого фотона (высокой энергии). Например, процесс апконверсии передачи энергии (ETU) состоит из последовательных процессов передачи между возбужденными ионами в ближнем инфракрасном диапазоне. Материал апконвертора может быть помещен под солнечным элементом для поглощения инфракрасного света, проходящего через кремний. Полезные ионы чаще всего находятся в трехвалентном состоянии. Er+
ионы были наиболее используемыми. Э-э3+
Ионы поглощают солнечное излучение около 1,54 мкм. Два Er3+
ионы, поглотившие это излучение, могут взаимодействовать друг с другом посредством процесса апконверсии. 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, фториндаты имеют низкую энергию фононов и были предложены в качестве подходящей матрицы, легированной Ho3+
ионы. [118]
Сенсибилизированные красителем солнечные элементы (DSSC) изготавливаются из недорогих материалов и не требуют сложного производственного оборудования, поэтому их можно изготавливать в режиме «сделай сам» . В больших количествах они должны быть значительно дешевле старых конструкций твердотельных элементов. DSSC можно проектировать в гибкие листы, и хотя их эффективность преобразования ниже, чем у лучших тонкопленочных элементов , их соотношение цена/производительность может быть достаточно высоким, чтобы позволить им конкурировать с ископаемым топливом, генерирующим электроэнергию .
Обычно рутениевый металлоорганический краситель (Ru-центрированный) используется в качестве монослоя поглощающего свет материала, который адсорбируется на тонкой пленке диоксида титана . Сенсибилизированный красителем солнечный элемент зависит от этого мезопористого слоя наночастиц диоксида титана (TiO 2 ) для значительного увеличения площади поверхности (200–300 м 2 /г TiO
2, по сравнению с приблизительно 10 м 2 /г плоского монокристалла), что позволяет использовать большее количество красителей на единицу площади солнечной ячейки (что в свою очередь увеличивает ток). Фотогенерированные электроны из поглощающего свет красителя передаются на n-тип TiO
2и отверстия поглощаются электролитом с другой стороны красителя. Цепь завершается окислительно-восстановительной парой в электролите, который может быть жидким или твердым. Этот тип ячеек позволяет более гибко использовать материалы и обычно изготавливается с помощью трафаретной печати или ультразвуковых сопел , с потенциалом для более низких затрат на обработку, чем те, которые используются для объемных солнечных ячеек. Однако красители в этих ячейках также страдают от деградации под воздействием тепла и ультрафиолетового света, а корпус ячейки трудно герметизировать из-за растворителей, используемых при сборке. По этой причине исследователи разработали твердотельные сенсибилизированные красителем солнечные ячейки, которые используют твердый электролит для предотвращения утечки. [119] Первая коммерческая поставка солнечных модулей DSSC состоялась в июле 2009 года от G24i Innovations. [120]
Солнечные элементы на основе квантовых точек (QDSC) основаны на ячейке Гратцеля, или архитектуре солнечных элементов, сенсибилизированных красителем , но используют полупроводниковые наночастицы с малой шириной запрещенной зоны , изготовленные с размерами кристаллитов, достаточно малыми для образования квантовых точек (например , CdS , CdSe , Sb 2С3, PbS и т. д.) вместо органических или металлоорганических красителей в качестве поглотителей света. Из-за токсичности, связанной с соединениями на основе Cd и Pb, также разрабатывается ряд «зеленых» сенсибилизирующих материалов для КТ (таких как CuInS 2 , CuInSe 2 и CuInSeS). [121] Квантование размера КТ позволяет настраивать ширину запрещенной зоны, просто изменяя размер частиц. Они также имеют высокие коэффициенты экстинкции и показали возможность генерации множественных экситонов . [122]
В QDSC мезопористый слой наночастиц диоксида титана образует основу ячейки, как и в DSSC. Этот TiO
2Затем слой можно сделать фотоактивным, покрыв полупроводниковыми квантовыми точками с помощью химического осаждения в ванне , электрофоретического осаждения или последовательной адсорбции и реакции ионного слоя. Затем электрическая цепь завершается с помощью жидкой или твердой окислительно-восстановительной пары . Эффективность QDSC увеличилась [123] до более чем 5%, показанных как для жидкостных [124], так и для твердотельных ячеек, [125] с сообщенной пиковой эффективностью 11,91%. [126] В попытке снизить производственные затраты исследовательская группа Prashant Kamat [127] продемонстрировала солнечную краску, изготовленную с TiO
2и CdSe, которые можно наносить с помощью одношагового метода на любую проводящую поверхность с эффективностью более 1%. [128] Однако поглощение квантовых точек (КТ) в КТСК слабое при комнатной температуре. [129] Плазмонные наночастицы можно использовать для решения проблемы слабого поглощения КТ (например, нанозвезд). [130] Другим решением является добавление внешнего источника инфракрасной накачки для возбуждения внутризонного и межзонного перехода КТ. [129]
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 PCBM .
Их можно обрабатывать из жидкого раствора, что дает возможность простого процесса рулонной печати, что потенциально приводит к недорогому, крупномасштабному производству. Кроме того, эти ячейки могут быть полезны для некоторых приложений, где важны механическая гибкость и одноразовость. Однако текущая эффективность ячеек очень низкая, а практических устройств по сути не существует.
Эффективность преобразования энергии, достигнутая на сегодняшний день с использованием проводящих полимеров, очень низкая по сравнению с неорганическими материалами. Однако Konarka Power Plastic достигла эффективности 8,3% [131] , а органические тандемные ячейки в 2012 году достигли 11,1%. [ необходима цитата ]
Активная область органического устройства состоит из двух материалов, одного донора электронов и одного акцептора электронов. Когда фотон преобразуется в пару электрон-дырка, как правило, в донорном материале, заряды, как правило, остаются связанными в форме экситона , разделяясь, когда экситон диффундирует к интерфейсу донор-акцептор, в отличие от большинства других типов солнечных элементов. Короткие длины диффузии экситона большинства полимерных систем, как правило, ограничивают эффективность таких устройств. Наноструктурированные интерфейсы, иногда в форме объемных гетеропереходов, могут улучшить производительность. [132]
В 2011 году исследователи Массачусетского технологического института и Мичиганского университета разработали солнечные элементы с энергетической эффективностью, близкой к 2%, и прозрачностью для человеческого глаза более 65%, что достигается путем избирательного поглощения ультрафиолетовой и ближней инфракрасной частей спектра с помощью низкомолекулярных соединений. [133] [134] Исследователи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе недавно разработали аналогичный полимерный солнечный элемент, следуя тому же подходу, который прозрачен на 70% и имеет эффективность преобразования энергии 4%. [135] [136] [137] Эти легкие, гибкие элементы можно производить оптом по низкой цене, и их можно использовать для создания окон, генерирующих энергию.
В 2013 году исследователи объявили о полимерных ячейках с эффективностью около 3%. Они использовали блок-сополимеры , самоорганизующиеся органические материалы, которые выстраиваются в отдельные слои. Исследование было сосредоточено на P3HT-b-PFTBT, который разделяется на полосы шириной около 16 нанометров. [138] [139]
Адаптивные клетки изменяют 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. [140]
В 2014 году была разработана система, которая объединила адаптивную поверхность со стеклянной подложкой, которая перенаправляет поглощенный свет на поглотитель света на краях листа. Система также включает в себя массив фиксированных линз/зеркал для концентрации света на адаптивной поверхности. В течение дня концентрированный свет перемещается по поверхности ячейки. Эта поверхность переключается с отражающей на адаптивную, когда свет наиболее сконцентрирован, и обратно на отражающую после перемещения света. [140]
В течение последних лет исследователи пытались снизить цену солнечных элементов, одновременно максимизируя эффективность. Тонкопленочный солнечный элемент является экономически эффективным солнечным элементом второго поколения с гораздо меньшей толщиной за счет эффективности поглощения света. Были предприняты усилия по максимизации эффективности поглощения света при уменьшении толщины. Текстурирование поверхности является одним из методов, используемых для снижения оптических потерь для максимизации поглощения света. В настоящее время методы текстурирования поверхности на кремниевых фотоэлектриках привлекают большое внимание. Текстурирование поверхности может быть выполнено несколькими способами. Травление монокристаллической кремниевой подложки может создавать случайно распределенные квадратные пирамиды на поверхности с использованием анизотропных травителей. [141] Недавние исследования показывают, что пластины c-Si могут быть протравлены для формирования перевернутых пирамид в наномасштабе. Многокристаллические кремниевые солнечные элементы из-за более низкого кристаллографического качества менее эффективны, чем монокристаллические солнечные элементы, но солнечные элементы mc-Si по-прежнему широко используются из-за меньших производственных трудностей. Сообщается, что поликристаллические солнечные элементы могут быть текстурированы с целью получения эффективности преобразования солнечной энергии, сопоставимой с эффективностью монокристаллических кремниевых элементов, с помощью изотропного травления или методов фотолитографии. [142] [143] Падающие на текстурированную поверхность световые лучи не отражаются обратно в воздух, в отличие от лучей 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 из-за повышенного поглощения света. Этот эффект текстуры, а также взаимодействие с другими интерфейсами в фотоэлектрическом модуле являются сложной задачей оптического моделирования. Особенно эффективным методом моделирования и оптимизации является формализм OPTOS . [144] В 2012 году исследователи из Массачусетского технологического института сообщили, что пленки c-Si, текстурированные с помощью наномасштабных перевернутых пирамид, могут достичь поглощения света, сопоставимого с 30-кратно более толстым плоским c-Si. [145] В сочетании с антибликовым покрытием техника 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 чувствительных областей солнечных элементов от контакта с влагой, грязью, льдом и другими условиями, ожидаемыми как во время работы, так и при использовании на открытом воздухе. Инкапсулянты обычно изготавливаются из поливинилацетата или стекла. Большинство инкапсулянтов имеют однородную структуру и состав, что увеличивает сбор света из-за улавливания света от полного внутреннего отражения света внутри смолы. Были проведены исследования по структурированию инкапсулянта для обеспечения дальнейшего сбора света. Такие инкапсулянты включали шероховатые стеклянные поверхности, [146] дифракционные элементы, [147] призматические решетки, [148] воздушные призмы, [149] v-образные канавки, [150] диффузные элементы, а также многонаправленные волноводные решетки. [151] Призменные решетки показывают общее увеличение общего преобразования солнечной энергии на 5%. [149] Массивы вертикально выровненных широкополосных волноводов обеспечивают 10%-ное увеличение при нормальном падении, а также широкоугольное усиление сбора до 4%, [152] с оптимизированными структурами, дающими до 20%-ное увеличение тока короткого замыкания. [153] Активные покрытия, преобразующие инфракрасный свет в видимый свет, показали 30%-ное увеличение. [154] Покрытия из наночастиц, вызывающие плазмонное рассеяние света, увеличивают эффективность широкоугольного преобразования до 3%. Оптические структуры также были созданы в инкапсулирующих материалах для эффективной «маскировки» металлических передних контактов. [155] [156]
Разрабатываются новые механизмы самоочистки для солнечных панелей. Например, в 2019 году с помощью влажно-химически протравленных нанопроводов и гидрофобного покрытия на поверхности капли воды смогли удалить 98% частиц пыли, что может быть особенно актуально для применения в пустыне. [157] [158]
В марте 2022 года исследователи Массачусетского технологического института объявили о разработке безводной системы очистки солнечных панелей и зеркал для решения проблемы накопления пыли, которая может снизить выход солнечной энергии до 30 процентов за один месяц. Эта система использует электростатическое отталкивание для отрыва частиц пыли от поверхности панели, устраняя необходимость в воде или щетках. Электрический заряд, сообщаемый частицам пыли путем пропускания простого электрода над панелью, заставляет их отталкиваться зарядом, приложенным к самой панели. Систему можно автоматизировать с помощью простого электродвигателя и направляющих. [159]
Солнечные элементы используют некоторые из тех же методов обработки и производства, что и другие полупроводниковые приборы. Однако строгие требования к чистоте и контролю качества изготовления полупроводников для солнечных элементов более мягкие, что снижает затраты.
Поликристаллические кремниевые пластины изготавливаются путем резки проволочной пилой литого кремниевого бруска на пластины размером от 180 до 350 микрометров. Пластины обычно слегка легированы p-типом . Поверхностная диффузия легирующих примесей n-типа выполняется на передней стороне пластины. Это формирует p–n-переход на глубине нескольких сотен нанометров под поверхностью.
Затем обычно наносят антибликовые покрытия для увеличения количества света, попадающего в солнечный элемент. Нитрид кремния постепенно заменил диоксид титана в качестве предпочтительного материала из-за его превосходных качеств пассивации поверхности. Он предотвращает рекомбинацию носителей на поверхности элемента. Слой толщиной в несколько сотен нанометров наносится с использованием плазменно-усиленного химического осаждения из паровой фазы . Некоторые солнечные элементы имеют текстурированные передние поверхности, которые, как и антибликовые покрытия, увеличивают количество света, достигающего пластины. Такие поверхности были впервые нанесены на монокристаллический кремний, а затем несколько позже на поликристаллический кремний.
На задней поверхности выполнен металлический контакт по всей площади, а на передней поверхности с помощью серебряной пасты нанесен сетчатый металлический контакт, состоящий из тонких «пальцев» и более крупных «шин» . Это эволюция так называемого «мокрого» процесса нанесения электродов, впервые описанного в патенте США, поданном в 1981 году компанией Bayer AG . [160] Задний контакт формируется путем трафаретной печати металлической пасты, как правило, алюминия. Обычно этот контакт покрывает всю заднюю часть, хотя в некоторых конструкциях используется сетчатый рисунок. Затем пасту обжигают при температуре в несколько сотен градусов Цельсия для формирования металлических электродов в омическом контакте с кремнием. Некоторые компании используют дополнительный этап гальванизации 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 инкапсуляцию сзади.
Различные типы производства и переработки частично определяют, насколько они эффективны в снижении выбросов и положительном воздействии на окружающую среду. [43] Такие различия и эффективность могут быть количественно оценены [43] для производства наиболее оптимальных типов продукции для различных целей в различных регионах с течением времени.
Национальная лаборатория возобновляемой энергии тестирует и проверяет солнечные технологии. Три надежные группы сертифицируют солнечное оборудование: UL и IEEE (обе стандарты США) и IEC [ требуется ссылка ] .
В специальном отчете МЭА за 2022 год подчеркивается доминирование Китая в цепочке поставок солнечных фотоэлектрических систем с инвестициями, превышающими 50 миллиардов долларов США, и созданием около 300 000 рабочих мест с 2011 года. Китай контролирует более 80% всех этапов производства солнечных панелей. Этот контроль резко сократил расходы, но также привел к таким проблемам, как дисбаланс спроса и предложения и ограничения производства поликремния . Тем не менее, стратегическая политика Китая снизила затраты на солнечные фотоэлектрические системы более чем на 80%, повысив глобальную доступность. В 2021 году экспорт солнечных фотоэлектрических систем из Китая составил более 30 миллиардов долларов США. [162]
Достижение глобальных энергетических и климатических целей требует значительного расширения производства солнечных фотоэлектрических систем, нацеленного на более чем 630 ГВт к 2030 году в соответствии с «Дорожной картой по достижению нулевых выбросов к 2050 году» МЭА. Доминирование Китая, контролирующего почти 95% ключевых компонентов солнечных фотоэлектрических систем и 40% мирового производства поликремния в Синьцзяне, создает риски дефицита поставок и скачков цен. Критический спрос на минералы, такие как серебро, может превысить 30% мирового производства 2020 года к 2030 году. [162]
В 2021 году доля Китая в производстве солнечных фотоэлектрических модулей достигла примерно 70%, что выше 50% в 2010 году. Другими ключевыми производителями являются Вьетнам (5%), Малайзия (4%), Корея (4%) и Таиланд (2%), при этом большая часть их производственных мощностей была разработана китайскими компаниями с целью экспорта, в частности в Соединенные Штаты. [162]
По состоянию на сентябрь 2018 года шестьдесят процентов солнечных фотоэлектрических модулей в мире были произведены в Китае. [163] По состоянию на май 2018 года крупнейшая фотоэлектрическая установка в мире находилась в пустыне Тэнгер в Китае. [164] В 2018 году Китай добавил больше фотоэлектрических установленных мощностей (в ГВт), чем следующие 9 стран вместе взятые. [165] В 2021 году доля Китая в производстве солнечных фотоэлектрических модулей достигла примерно 70%. [162]
В первой половине 2023 года производство фотоэлектрических модулей в Китае превысило 220 ГВт, что на 62% больше, чем за аналогичный период 2022 года. В 2022 году Китай сохранил свои позиции крупнейшего в мире производителя фотоэлектрических модулей, занимая доминирующую долю рынка в 77,8%. [166]
В 2022 году Вьетнам стал вторым по величине производителем фотоэлектрических модулей, уступая только Китаю, а его производственная мощность выросла до 24,1 ГВт, что на 47% больше, чем 16,4 ГВт, произведенных в 2021 году. На Вьетнам приходится 6,4% мирового производства фотоэлектрических модулей. [166]
В 2022 году Малайзия была третьим по величине производителем фотоэлектрических модулей с производственной мощностью 10,8 ГВт, что составляет 2,8% мирового производства. Это поставило ее позади Китая, который доминировал с 77,8%, и Вьетнама, чей вклад составил 6,4%. [166]
Производство солнечной энергии в США удвоилось с 2013 по 2019 год. [167] Это было вызвано, во-первых, падением цен на качественный кремний, [168] [169] [170], а затем просто глобальным падением стоимости фотоэлектрических модулей. [164] [171] В 2018 году США добавили 10,8 ГВт установленной солнечной фотоэлектрической энергии, увеличившись на 21%. [165]
Латинская Америка : Латинская Америка стала перспективным регионом для развития солнечной энергетики в последние годы, с более чем 10 ГВт установок в 2020 году. Солнечный рынок в Латинской Америке был обусловлен обильными солнечными ресурсами, падающими ценами, конкурентными аукционами и растущим спросом на электроэнергию. Некоторые из ведущих стран по солнечной энергетике в Латинской Америке - Бразилия, Мексика, Чили и Аргентина. Однако солнечный рынок в Латинской Америке также сталкивается с некоторыми проблемами, такими как политическая нестабильность, дефицит финансирования и узкие места в передаче электроэнергии. [ необходима цитата ]
Ближний Восток и Африка : Ближний Восток и Африка также пережили значительный рост в развертывании солнечной энергии в последние годы, с более чем 8 ГВт установок в 2020 году. Солнечный рынок на Ближнем Востоке и в Африке был обусловлен дешевой генерацией солнечной энергии, диверсификацией источников энергии, борьбой с изменением климата и электрификацией сельских районов. Некоторые из известных стран солнечной энергетики на Ближнем Востоке и в Африке - Саудовская Аравия, Объединенные Арабские Эмираты, Египет, Марокко и Южная Африка. Однако солнечный рынок на Ближнем Востоке и в Африке также сталкивается с рядом препятствий, включая социальные беспорядки, нормативную неопределенность и технические барьеры. [172]
Как и многие другие технологии генерации энергии, производство солнечных элементов, особенно его быстрое расширение, имеет множество экологических и цепочечных последствий. Глобальная добыча может адаптироваться и потенциально расшириться для получения необходимых минералов, которые различаются в зависимости от типа солнечного элемента. [173] [174] 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 жесткого ультрафиолетового света и снеговых нагрузок соответственно. [175] Обычно срок службы солнечных панелей составляет 25–30 лет, прежде чем они выводятся из эксплуатации. [176]
Международное агентство по возобновляемым источникам энергии подсчитало, что количество отходов электроники солнечных панелей , образовавшихся в 2016 году, составило 43 500–250 000 метрических тонн. По оценкам, это число существенно возрастет к 2030 году, достигнув предполагаемого объема отходов в 60–78 миллионов метрических тонн в 2050 году. [177]
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 свои выбросы углерода, сместив свое внимание с ископаемого топлива на возобновляемые источники энергии. Благодаря этому солнечная энергия станет основным источником производства электроэнергии во всем мире. Таким образом, будет множество солнечных панелей, подлежащих переработке после окончания их жизненного цикла. Фактически, многие исследователи по всему миру выразили свою обеспокоенность по поводу поиска способов использования кремниевых элементов после переработки. [178] [179] [180] [181]
Кроме того, эти элементы содержат опасные элементы/соединения, включая свинец (Pb), кадмий (Cd) или сульфид кадмия (CdS), селен (Se) и барий (Ba) в качестве легирующих добавок, помимо ценных веществ: кремния (Si), алюминия (Al), серебра (Ag) и меди (Cu). Вредные элементы/соединения, если их не утилизировать надлежащим образом, могут иметь серьезные вредные последствия для жизни человека и дикой природы. [182]
ПЕРЕРАБОТКА
Существуют различные способы переработки c-Si. В основном используются методы термического и химического разделения. Это происходит в два этапа [183]
КОНВЕРСИЯ
Ученые провели исследование, чтобы увидеть, насколько эффективно солнечные панели были изготовлены из нанокремния и гибридов нанокремния/графита. [182] Методы эксперимента состоят из
1. Восстановление фотоэлементов из отслуживших свой срок фотоэлектрических модулей . Это запатентованная технология, при которой солнечные панели разбираются, а каждый материал очищается отдельно.
2. Очистка сломанных фотоэлементов – 40 г сломанных фотоэлементов были помещены в стеклянную бутылку объемом 500 мл, содержащую 20% KOH (оксид калия). Термическая обработка этого водного раствора проводилась при 80 °C в течение 0,5 ч. Весь металлический Al и другие примеси были растворены в 20% растворе KOH, а твердый фотоэлемент был осажден в виде осадка. Твердый фотоэлемент был высушен в вакууме и было получено 32 г очищенного от примесей фотоэлементов переработанного кремния.
3. Преобразование очищенного фотоэлектрического переработанного кремния в нанокремний и производство гибрида нанокремний/графит - использовалась крупномасштабная планетарная шаровая мельница (PULVERISETTE P5 5/4 classic line). Очищенные от примесей фотоэлектрические переработанные элементы/кремний загружались в контейнер для измельчения из нержавеющей стали вместе с пятью закаленными стальными шарами (диаметром 25,4 мм). Образец измельчался со скоростью вращения 160 об/мин в течение 15 ч при комнатной температуре в атмосфере аргона 300 кПа. Во время высокоэнергетического шарового измельчения размер частиц уменьшался до нанометрового уровня (<100 нм). Тот же процесс использовался для производства гибрида фотоэлектрического нано-кремния/графита, за исключением коммерческого графитового порошка (Product-282863, Sigma-Aldrich, порошок <20 мкм, синтетический), который был добавлен с восемью закаленными стальными шарами. 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 весовым соотношением 5% масс. PV nano-Si и 95% масс. графита.
Полученный фотоэлектрический электрод nano-Si/графит показал отличную циклическую стабильность с сохранением высокой емкости даже после длительных 600 циклов. Эти результаты доказали, что кремний может быть легко преобразован в гибриды nano-Si/графит и собран в фотоэлектрические модули и может работать с той же эффективностью, что и модуль c-Si.
ВЫЗОВЫ
На рынке представлено множество различных фотоэлектрических модулей, имеющих разный состав. Поэтому сложно иметь общий процесс разборки фотоэлектрических ячеек. Кроме того, переработчики должны осуществлять контроль качества, что невозможно, если перерабатывать разные фотоэлектрические модули. Существуют также различные применения чистого Si за пределами солнечной промышленности, и переработчики могут поддаться искушению продавать его там, если они получат более высокую стоимость за продукт. [184]
Другие вопросы, на которые необходимо ответить: [185]
Первый завод по переработке солнечных панелей открылся в Руссе, Франция, в 2018 году. Он был рассчитан на переработку 1300 тонн отходов солнечных панелей в год и может увеличить свою мощность до 4000 тонн. [186] [187] [188] Если переработка будет обусловлена только рыночными ценами, а не экологическими нормами, экономические стимулы для переработки останутся неопределенными, и по состоянию на 2021 год воздействие на окружающую среду различных типов разработанных методов переработки все еще необходимо будет количественно оценить. [43]
{{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь )