PV элементы

PV элементы

 

Информация о фотогальванических элементах

В настоящее время разрабатываются различные технологии получения тонких пленок, которые сократят количество (или массу) светопоглащающего материала, необходимого для создания солнечных батарей. Это может привести к сокращению расходов на массивный материал (для получения кремниевых тонких пленок), но в то же время будет способствовать снижению эффективности преобразования энергии. Хотя большинство многоуровневых тонких пленок являются более эффективными, чем объемнее кремниевые пластины.

CdTe (Теллурид Кадмия)

Теллурид Кадмия является эффективным светопоглащающим материалом для изготовления тонкопленочных солнечных батарей. По сравнению с другими материалами,  CdTe легче хранить и он хорошо подходит для крупномасштабного производства. Несмотря на широкое обсуждение токсичности солнечных батарей на основе CdTe , это единственная технология (за исключением аморфного кремния), которая может доставляться в больших масштабах. Существует завод в штате Огайо (США) на 40 мегаватт и завод в Германии на 10 мегаватт.

Ощущение токсичности CdTe основано на токсичности элементарного кадмия, тяжелого метала, который является кумулятивным ядом. Научные исследования, в частности ученых из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) в США показали, что уровень высвобождения кадмия в атмосферу ниже в случае использования солнечных батарей на основе CdTe, чем кремниевых фотоэлементов и других тонкопленочных технологий.

Селенид меди-индия

Материалы на основе CuInSe2, которые представляют интерес для применения в фотоэлектрических процессах, включают в себя ряд элементов из  I, III и VI групп периодической таблицы. Эти полупроводники являются особенно привлекательными для применения в разработке тонкопленочных солнечных батарей, благодаря их высокому коэффициенту оптического поглощения и универсальным оптическим и электрическим характеристикам, которые можно адаптировать и настраивать на потребности конкретного устройства. CIS – это сокращение для общего числа пленок на основе селенида меди-индия (CuInSe2), CIGS, упомянутое ниже, является разновидностью CIS. CIS пленки (без Ga) на 14% эффективнее. Однако, производственные траты на солнечные батареи, включающие CIS высоки в сравнении с аморфными кремниевыми солнечными батареями. Но продолжительная работа в данном направлении ведет к более рентабельному процессу производства.

Когда галлий заменяет некоторые элементы индия в составе CIS, материал в таких случаях имеет название CIGS, или диселенид галлия/индия меди. Твердая смесь полупроводников CuInSe2 и CuGaSe2 часто сокращается  химической формулой CuInxGa(1-x)Se2. В отличие от традиционных кремниевых солнечных батарей, которые могут быть смоделированы с помощью обычного p-n перехода (электронно-дырочного перехода), эти панели имеют более сложную модель гетероперехода.  Лучший результат тонкопленочной солнечной батареи на декабрь 2005 года составлял 19.5 % с поглощающим слоем CIGS. Более высокой эффективности до 30% можно достигнуть, используя оптические приборы, которые концентрируют  падающий свет. Использование галлия увеличивает оптическую запрещенную зону слоя CIGS, в отличие от чистого CIS, таким образом повышая напряжение разомкнутой сети.

С другой стороны, галлий добавляется с целью заменить индий настолько, насколько возможно, благодаря наличию у него похожих свойств. Около 70% индия, производящегося в настоящее время, используются в изготовлении мониторов с плоским экраном. Некоторые инвесторы в сфере солнечных технологий опасаются, что производство CIGS панелей будет ограничено доступными запасами индия. Для производства 2 ГВт CIGS панелей (равных приблизительному количеству кремниевых панелей, произведенных в 2006)  понадобится около 10% индия добытого в 2004. Для сравнения, в 2006 году на изготовление кремниевых солнечных панелей использовалось до 33% мирового запаса чистого кремния. Эффективность преобразования зависит от гибкой металлической фольги, сообщил Abu Shama в ходе 4ой Всемирной Конференции по Фотоэлектрическим Преобразованиям Энергии (IEEE) в 2006 году в Гавайи, США. Др. Jehad AbuShama так же указал мировой рекорд по производительности в 15.0% и 10.2% для CIS, и для измененных солнечных панелей CGS, соответственно.

Как утверждается, индий может быть переработан из списанных PV модулей. Программа утилизации в Германии является примером того, что подчеркивает индустриальная парадигма: «От колыбели к колыбели»

Селен позволяет добиться лучшей однородности слоя. Это благоприятно влияет на квантовую эффективность, и таким образом на коэффициент преобразования.

Nanosolar, Калифорнийская компания, в скором будущем будет производить около 400 мегаватт для солнечных батареей на основе CIGS в год. Если эта сумма будет достигнута, они станут одной из лидирующих компаний по производству солнечных батарей в мире.

Соединение арсенида галлия (GaAs)

Высокоэффективные панели были разработаны для особой сферы, такой как исследование космического пространства и разработки спутников. Эти объединенные панели состоят из множества тонких пленок, изготовленных с использованием молекулярно-лучевой эпитаксии. Панель тройного соединения, например, может состоять из полупроводников: GaAs, Ge, and GalnP2. Каждый тип полупроводника имеет характерную запрещенную энергетическую зону, которая, грубо говоря, заставляет  поглощать свет определенного цвета, или, если быть более точным, поглощать электромагнитное излучение  определенного спектра. Полупроводники тщательно подобраны для поглощения практически полного солнечного спектра, генерируя, таким образом, электричество из как можно большего количества солнечной энергии.

Объединенные устройства GaAs являются самыми эффективными солнечными панелями на сегодняшний день, достигая рекорда 40.7% производительности солнечной концентрации в лабораторных условиях. Эти устройства используют от 20 до 30 различных полупроводников, расположенных в последовательном порядке. В Американской Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии новая панель площадью 0.26685 cm² будет генерировать энергию в 2.6 В.

Исследователи подсчитали, что эта технология в итоге будет производить электричество стоимостью не более чем 8-10 центов/кВт. Это равняется сегодняшней цене на электричество. Таким образом, это достижение в конечном счете может привести к повышению потребительского спроса на солнечные батареи.

Эта технология сейчас используется в миссии вездехода на Марсе. Вездеходы пережили предсказываемый им жизненный срок и проработали на два года больше. Их успех, в охваченных пылью условиях марсианской среды, является стойким доказательством прочности и долговечности солнечных панелей этого типа.

На солнечные панели, изготовленные при помощи материалов, которые содержат арсенид галлия GaAs и германий Ge, быстро растет спрос. Только за прошедшие двенадцать месяцев (12/2006 - 12/2007), цена 4N металла галлия выросла с $350 за килограмм до $680 за килограмм. Вдобавок, в этом году существенно поднялась цена на металл германия до $1000-$1200 за килограмм. Хотя некоторые китайские производители этих материалов, возможно, смогут компенсировать подъем цен дешевой рабочей силой. Это относится к таким материалам как галлий (4N, 6N и 7N Ga), мышьяк (4N, 6N и 7N) и германий, пиролитический нитрид бора (pBN) для выращивания кристаллов, и оксид бора. Эти материалы имеют основополагающее значение для всей отрасли.

Светопоглощающая краска

Обычно рутениевая металлоорганическая краска (Ру-центрованная) используется в качестве монослоя светопоглащающего материала.  Сенсибилизированные красителем солнечные панели зависят от мезопористого слоя нано частиц диоксида титана, который увеличивает площадь поверхности (200-300 m²/g TiO2 на примерно 10 m²/g монокристаллического вещества). Фотогенерированные электроны из светопоглощающего красителя передаются на электронный TiO2, и электролиты посылаются сквозь отверстия на другую сторону краски. Цепь завершается окислительно-восстановительными парами в электролите, которые могут быть как жидкими, так и твердыми. Этот тип панели позволяет использовать материалы более гибко, и, как правило, производятся с помощью трафаретной печати, с потенциалом снижения цен на обработку, в отличие от массивных солнечных панелей. Однако краска на этих панелях претерпевает разрушение под воздействием высокой температуры и ультрафиолетового излучения. Оболочку панели тяжело запаковывать, в связи с растворителями, используемыми при сборке. Несмотря на вышесказанное, это новая популярная технология, с многообещающими коммерческими прогнозами на ближайшее десятилетие. 

 

Органические/полимерные солнечные панели

 Органические солнечные панели и полимерные солнечные панели состоят из тонких пленок (обычно 100нм) органических полупроводников, таких как полимеры и низкомолекулярных соединений как полифенилен винилена, фталоцианина меди (синий и зеленый органический пигменты) и углеродных фуллеренов. Эффективность преобразования энергии, достигнутая на сегодня используя полупроводники, как полимеры, на 6% ниже производительности передовых солнечных панелей. Однако, эти панели могут быть полезны в некоторых областях, где важны механическая эластичность и утилизация.

Кремний

Кремниевые тонкие пленки в основном покрываются химическим осаждением паров (обычно плазмы (PE-CVD)) из газа силана и водорода. В зависимости от параметров осаждения, это может привести к образованию:

Аморфного кремния (a-Si or a-Si:H)

Поликристаллического или

нано кристаллического кремния(nc-Si or nc-Si:H).

Эти виды кремния являют собой неустойчивые и смешанные связи, которые могут привести к сильным дефектам (энергетических уровней в запрещенной зоне), а также изменению валентной зоны и зоны проводимости. Солнечные батареи, сделанные из этих материалов, обычно имеют более низкую эффективность преобразования энергии, чем сыпучий кремний, но и менее дорогие в производстве. Квантовая эффективность тонкопленочных солнечных панелей тоже ниже в связи с сокращением количества заряда на падающий фотон.

Аморфный кремний имеет более высокую защищенную зону (1.7 eV) чем кристаллический кремний (c-Si) (1.1 eV), что значит, он сильнее поглощает видимую часть солнечного спектра, чем инфракрасную. Так как nc-Si имеет схожую защищенную зону с c-Si, два материала могут быть соединены в тонкий слой, создавая слоистую панель, называемую тандемной. Верхний слой панели a-Si поглощает видимую часть солнечного спектра, оставляя  инфракрасную часть спектра нижнему слою нано кристаллического кремния.

В последнее время были разработаны решения по преодолению ограничений тонкопленочных кристаллических панелей. Схемы поглощения света устроены так, что поступающий свет под наклоном соединяется в кремнии и свет,  проходя через пленку несколько раз, повышает уровень поглощения. Методы термической обработки повышают кристалличность кремния и устраняют электронные эффекты. Как результат появление новой технологии – тонкопленочный кристаллический кремний на основе стекла (CSG). Эти солнечные устройства представляют собой баланс между низкой стоимостью тонкой пленки и высокой эффективностью рассыпчатого кремния.

Технология тонкопленочного кремния разрабатывается для изготовления интегрированных фотоэлементов (BIPV) в виде полупрозрачных солнечных элементов, которые можно было бы использовать как стеклопакет. Такие панели могут выполнять функцию тонировки, одновременно производя электричество. 

 Кремний

 Структура фотогальванического (солнечного) элемента на основе кремния и механизм его работы

До сегодняшнего дня наиболее распространенным  массивным материалом для солнечных элементов является кристаллический кремний (сокращенно группа к-Си), так же известный как «солнечный кремний». Массивный кремний разделен на составные категории согласно кристалличности и размеру кристаллов в получаемой слитке, ленте, пластине.

Монокристаллический кремний (к-Си): чаще всего получают с помощью метода Чохральского. Монокристаллические пластины, как правило, дорогие. Так как они срезаются с цилиндрических слитков, они не полностью покрывают площадь модуля солнечного элемента, при этом неся существенные траты чистого кремния. Поэтому у большинства к-Си панелей имеются недостающие участки по краям.

Поликристаллический кремний  (поли-Си): получают из квадратных слитков  - массивных блоков расплавленного кремния, тщательно остуженных и застывших. Эти пластины более доступные в производстве, чем монокристаллические пластины, но и менее эффективны.

Ленточный кремний: формируется путем вытягивания плоских тонких пленок из расплавленного кремния, имеющего поликристаллическую структуру. Эти элементы имеют более низкую эффективность, чем Поли-Си, но экономят на издержках производства благодаря значительному сокращению отходов кремния, так как этот подход не требует распиливания слитков.

 

Тонкие пленки