Tunnfilmssolceller

Upp till 85 % av solcellerna på marknaden idag är kristallina solcellsmoduler. Experter försäkrar dock att tunnfilmstekniken för produktion av solceller visar sig vara mer effektiv och därför den mest lovande av de redan kända kristallmodulerna.

Den största fördelen med tunnfilmsteknik är dess låga kostnad, vilket är anledningen till att den har alla möjligheter att bli ledande under de kommande åren. Modulerna i den nya basen gör solpaneler flexibla, i ordets bokstavliga bemärkelse. De är lätta och flexibla, vilket gör att du kan placera sådana batterier på bokstavligen vilken yta som helst, inklusive ytan av kläder.

Flexibla solceller är baserade på polymerfilmer, amorft kisel, aluminium, kadmiumtellurid och andra halvledare, som redan används vid tillverkning av bärbara laddare för mobiltelefoner, bärbara datorer, surfplattor, videokameror och andra prylar, i form av små hopfällbara solceller. Men om mer kraft krävs måste modulens yta vara större.

De första proverna av tunnfilmssolceller gjordes med amorft kisel avsatt på ett substrat, och effektiviteten var endast 4 till 5 %, och livslängden var inte lång. Nästa steg av samma teknik var att öka effektiviteten till 8% och förlänga livslängden, den blev jämförbar med sina kristallföregångare. Slutligen hade den tredje generationen av tunnfilmsmoduler redan en effektivitet på 12 %, vilket redan är ett betydande framsteg och konkurrenskraft.

Indiumkopparseleniden och kadmiumtellurid som används här har gjort det möjligt att skapa flexibla solceller och bärbara laddare med en verkningsgrad på upp till 10 %, och detta är redan en betydande prestation, med tanke på att fysiker kämpar för varje ytterligare procentuell effektivitet. Låt oss nu titta närmare på hur tunna filmbatterier tillverkas.

När det gäller kadmiumtellurid började det studeras som ett ljusabsorberande material redan på 1970-talet, då det var nödvändigt att hitta det bästa alternativet för användning i rymden. Än idag är kadmiumtellurid fortfarande det mest lovande för solceller. Frågan om kadmiumtoxicitet är dock öppen under en tid.

Som ett resultat av forskningen visade det sig att faran är minimal, nivån av kadmium som släpps ut i atmosfären är inte farlig. Verkningsgraden är 11 %, medan priset per watt är en tredjedel lägre än för kiselanaloger.

Nu för kopparindiumselenid. En betydande mängd indium används idag för att skapa platta bildskärmar, så indium ersätts ändå av gallium, som har samma egenskaper för solenergi… Filmbatterier på denna grund uppnår en verkningsgrad på 20 %.

Nyligen har polymerpaneler börjat utvecklas.Här fungerar organiska halvledare som ljusabsorberande material: kolfullerener, polyfenylen, kopparftalocyanin, etc. Solcellens tjocklek är 100 nm, men verkningsgraden är bara 5 till 6 %. Men samtidigt är produktionskostnaderna ganska låga, filmer är prisvärda, lätta och helt miljövänliga. Av denna anledning är hartspaneler populära där miljövänlighet och mekanisk flexibilitet är viktigt.

Så effektiviteten hos tunnfilmssolceller som tillverkas idag:

• Enkristall - från 17 till 22%;

• Polykristall - från 12 till 18%;

• Amorft kisel - 5 till 6%;

• Kadmiumtellurid - från 10 till 12%;

• Kopparindiumselenid - från 15 till 20%;

• Organiska polymerer - 5 till 6%.

Vad kännetecknar tunnfilmsbatterier? Först och främst är det värt att notera modulernas höga prestanda även i diffust ljus, vilket ger upp till 15% mer kraft under året jämfört med kristallanaloger. Därefter kommer tillverkningskostnadsfördelen. I högeffektsystem, från 10 kW, visar tunnfilmsmoduler större effektivitet, även om det behövs 2,5 gånger mer yta.

Därmed kan vi nämna förutsättningarna när tunnfilmsmoduler får en berättigad fördel. I regioner med mestadels molnigt väder kommer tunnfilmsbatterier att fungera effektivt (diffust ljus). För regioner med varmt klimat är tunna filmer mer effektiva (de fungerar lika effektivt vid höga temperaturer som vid låga temperaturer). Möjlighet att använda som dekorativa designlösningar för efterbehandling av fasader på byggnader. Transparens upp till 20 % är möjlig, vilket återigen spelar designerna i händerna.

Under tiden, 2008, föreslog det amerikanska företaget Solyndra att placera tunnfilmsbatterier på cylindrar, där ett lager av fotocell appliceras på ett glasrör som placeras inuti ett annat rör utrustat med elektriska kontakter. Materialen som används är koppar, selen, gallium, indium.

Den cylindriska designen gör att mer ljus kan absorberas, och en uppsättning med 40 cylindrar passar per meter med två paneler. Höjdpunkten här är att den vita takbeläggningen bidrar till den höga effektiviteten hos en sådan lösning, för då fungerar även de reflekterade strålarna och tillför 20% av sin energi. Dessutom är de cylindriska seten motståndskraftiga även mot starka vindar med vindbyar på upp till 55 m/s.

De flesta solceller som tillverkas idag innehåller bara en pn-övergång, och fotoner med energi mindre än bandgapet deltar helt enkelt inte i genereringen. Sedan kom forskare på ett sätt att övervinna denna begränsning, kaskadelement av en flerskiktsstruktur utvecklades, där varje lager har sin egen bandbredd, det vill säga varje lager har en separat pn-övergång med ett individuellt värde på energin hos den absorberade fotoner.

Det övre skiktet är bildat av en legering baserad på hydrerat amorft kisel, det andra - en liknande legering med tillsats av germanium (10-15%), det tredje - med tillsats av 40 till 50% germanium. Således har varje efterföljande skikt ett gap som är smalare än det föregående skiktet, och de oabsorberade fotonerna i de övre skikten absorberas av de underliggande skikten av filmen.

I detta tillvägagångssätt halveras kostnaden för genererad energi jämfört med traditionella kristallina kiselceller. Som ett resultat uppnåddes en verkningsgrad på 31 % med en tre-pass film, och en fem-pass film lovar hela 43 %.

Nyligen har specialister från Moscow State University utvecklat solceller av rulltyp baserade på en polymer applicerad på ett flexibelt substrat av organiskt material. Effektiviteten visade sig vara endast 4%, men sådana batterier kan fungera även vid + 80 ° C i 10 000 timmar. Dessa studier har ännu inte avslutats.

Schweiziska forskare uppnådde en effektivitet på 20,4 % på polymerbasis, och indium, koppar, selen och gallium användes som halvledare. Idag är detta rekord för grundämnen på en tunn polymerfilm.

I Japan uppnådde de 19,7 % effektivitet i liknande (indium, selen, koppar) sputterdeponerade halvledare. Och i Japan började man producera solcellstyg, tygsolpaneler utvecklades med hjälp av cylindriska element med cirka 1,2 millimeter i diameter fästa på tyget. I början av 2015 planerade de att starta produktionen av kläder och solskydd utifrån detta.

Det är uppenbart att tunnfilmssolpaneler äntligen kommer att bli allmänt tillgängliga för befolkningen inom en snar framtid.Det är inte för inte som det bedrivs så mycket forskning runt om i världen för att sänka kostnaderna.