Слънчеви клетки с тънък филм

До 85% от слънчевите клетки на пазара днес са кристални слънчеви модули. Експертите обаче уверяват, че тънкослойната технология за производство на слънчеви клетки се оказва по-ефективна и следователно най-обещаваща от вече познатите кристални модули.

Основното предимство на тънкослойната технология е нейната ниска цена, поради което тя има всички шансове да стане лидер през следващите години. Модулите на новата база правят слънчевите панели гъвкави, в буквалния смисъл на думата. Те са леки и еластични, което ви позволява да поставяте такива батерии на буквално всяка повърхност, включително повърхността на облеклото.

Гъвкавите слънчеви клетки се основават на полимерни филми, аморфен силиций, алуминий, кадмиев телурид и други полупроводници, които вече се използват при производството на преносими зарядни устройства за мобилни телефони, лаптопи, таблети, видеокамери и други приспособления, под формата на малки сгъваеми слънчеви клетки. Но ако се изисква повече енергия, тогава площта на модула ще трябва да бъде по -голяма.

Първите проби от тънкослойни слънчеви клетки са направени с аморфен силиций, нанесен върху субстрат, а ефективността е само 4 до 5%, а експлоатационният живот не е дълъг. Следващата стъпка на същата технология беше да увеличи ефективността до 8% и да удължи експлоатационния живот, тя стана сравнима с нейните кристални предшественици. И накрая, третото поколение тънкослойни модули вече имаше ефективност от 12%, което вече е значителен напредък и конкурентоспособност.

Използваните тук индиев меден селенид и кадмиев телурид направиха възможно създаването на гъвкави слънчеви клетки и преносими зарядни устройства с ефективност до 10%и това вече е значително постижение, като се има предвид, че физиците се борят за всеки допълнителен процент ефективност. Сега нека разгледаме по-отблизо как се правят тънкослойни батерии.

Що се отнася до кадмиевия телурид, той започва да се изследва като светлопоглъщащ материал още през 70-те години, когато е необходимо да се намери най-добрият вариант за използване в космоса. И до днес кадмиевият телурид остава най -обещаващият за слънчевите клетки. Въпросът за токсичността на кадмий обаче остава отворен за известно време.

В резултат на изследванията беше показано, че опасността е минимална, нивото на кадмий, отделяно в атмосферата, не е опасно. Ефективността е 11%, докато цената на един ват е с една трета по -ниска от тази на силиконовите аналози.

Сега за медно-индиевия селенид. Значителна част от индия днес се изразходва за създаване на плоски монитори, така че въпреки това индийът се заменя с галий, който има същите свойства за слънчева енергия… Филмовите батерии на тази основа постигат ефективност от 20%.

Напоследък започнаха да се разработват полимерни панели. Тук органичните полупроводници служат като поглъщащи светлината материали: въглеродни фулерени, полифенилен, меден фталоцианин и др. Дебелината на слънчевата клетка е 100 nm, но ефективността е само 5 до 6%. Но в същото време производствените разходи са доста ниски, филмите са достъпни, леки и напълно екологични. Поради тази причина смолните панели са популярни там, където екологичността и механичната гъвкавост са важни.

И така, ефективността на тънкослойните слънчеви клетки, произведени днес:

• Монокристал — от 17 до 22%;

• Поликристал — от 12 до 18%;

• Аморфен силиций — 5 до 6%;

• Кадмиев телурид — от 10 до 12%;

• Медно -индиев селенид — от 15 до 20%;

• Органични полимери — 5 до 6%.

Какви са характеристиките на тънкослойните батерии? На първо място, заслужава да се отбележи високата производителност на модулите дори при разсеяна светлина, която дава до 15% повече мощност през годината в сравнение с кристалните аналози. Следва предимството на производствените разходи. При системи с висока мощност, от 10 kW, тънкослойните модули показват по-голяма ефективност, въпреки че площта е необходима 2,5 пъти повече.

По този начин можем да назовем условията, когато тънкослойните модули придобият оправдано предимство. В региони с предимно облачно време, тънкослойните батерии ще работят ефективно (разсеяна светлина). За региони с горещ климат тънките филми са по -ефективни (те работят също толкова ефективно при високи температури, както и при ниски температури). Възможност за използване като декоративни дизайнерски решения за довършване на фасадите на сгради. Прозрачност до 20% е възможна, което отново играе в ръцете на дизайнерите.

Междувременно, през 2008 г., американската компания Solyndra предложи да се поставят тънкослойни батерии върху цилиндри, където слой от фотоклетка се нанася върху стъклена тръба, която се поставя вътре в друга тръба, оборудвана с електрически контакти. Използваните материали са мед, селен, галий, индий.

Цилиндричният дизайн позволява поглъщане на повече светлина, а комплект от 40 цилиндъра се побира на метър от два панела. Акцентът тук е, че бялото покривно покритие допринася за високата ефективност на подобно решение, защото тогава отразените лъчи също работят, добавяйки 20% от енергията им. В допълнение, цилиндричните комплекти са устойчиви дори на силни ветрове с пориви до 55 m / s.

Повечето слънчеви клетки, произведени днес, съдържат само един pn преход, а фотоните с енергия, по -малка от лентовата междина, просто не участват в генерирането. Тогава учените измислиха начин да преодолеят това ограничение, бяха разработени каскадни елементи на многослойна структура, където всеки слой има своя собствена ширина на лентата, тоест всеки слой има отделен pn преход с индивидуална стойност на енергията на погълната фотони.

Горният слой е образуван от сплав на основата на хидрогениран аморфен силиций, вторият — подобна сплав с добавяне на германий (10-15%), третият — с добавяне на 40 до 50% германий. По този начин всеки следващ слой има пролука, по -тясна от тази на предходния слой, а неусвоените фотони в горните слоеве се абсорбират от подлежащите слоеве на филма.

При този подход цената на генерираната енергия се намалява наполовина в сравнение с традиционните кристални силициеви клетки. В резултат на това е постигната ефективност от 31% при филм с три прехода, а филм с пет прехода обещава всички 43%.

Наскоро специалисти от Московския държавен университет са разработили слънчеви клетки от ролков тип на базата на полимер, нанесен върху гъвкав субстрат от органичен материал. Ефективността се оказа само 4%, но такива батерии могат да работят дори при + 80 ° С за 10 000 часа. Тези проучвания все още не са завършени.

Швейцарски учени постигнаха ефективност от 20,4% върху полимерна основа, а индий, мед, селен и галий бяха използвани като полупроводници. Днес това е рекорд за елементи върху тънък полимерен филм.

В Япония те постигнаха 19.7% ефективност по подобен начин (индий, селен, мед), нанесени полупроводници чрез разпръскване. И в Япония те започнаха да произвеждат слънчева тъкан, платнени слънчеви панели бяха разработени с помощта на цилиндрични елементи с диаметър около 1,2 милиметра, прикрепени към тъканта. В началото на 2015 г. те планираха да започнат производството на облекла и сенници на тази основа.

Очевидно е, че тънкослойните слънчеви панели най-накрая ще станат общодостъпни за населението в близко бъдеще.Не напразно се провеждат толкова много изследвания по целия свят с цел намаляване на разходите.