Источник: www.energy.gov
Когда свет падает на фотоэлектрический (PV) элемент, также называемый солнечным элементом, этот свет может отражаться, поглощаться или проходить прямо через элемент. Фотоэлемент состоит из полупроводникового материала; «полу» означает, что он может проводить электричество лучше, чем изолятор, но не так хорошо, как хороший проводник, как металл. В фотоэлементах используется несколько различных полупроводниковых материалов.
Когда полупроводник подвергается воздействию света, он поглощает энергию света и передает ее отрицательно заряженным частицам в материале, называемым электронами. Эта дополнительная энергия позволяет электронам проходить через материал в виде электрического тока. Этот ток выводится через проводящие металлические контакты - сетчатые линии на солнечных элементах - и затем может использоваться для питания вашего дома и остальной электросети.
Эффективность фотоэлемента - это просто количество электроэнергии, исходящей из элемента, по сравнению с энергией падающего на него света, что показывает, насколько эффективен элемент при преобразовании энергии из одной формы в другую. Количество электричества, производимого фотоэлементами, зависит от характеристик (таких как интенсивность и длина волны) доступного света и множества эксплуатационных характеристик элемента.
Важным свойством фотоэлектрических полупроводников является запрещенная зона, которая указывает, какие длины волн света материал может поглощать и преобразовывать в электрическую энергию. Если запрещенная зона полупроводника совпадает с длинами волн света, падающего на фотоэлемент, то этот элемент может эффективно использовать всю доступную энергию.
Узнайте больше о наиболее часто используемых полупроводниковых материалах для фотоэлементов.
КРЕМНИЙ
Кремний, безусловно, является наиболее распространенным полупроводниковым материалом, используемым в солнечных элементах, и составляет примерно 95% модулей, проданных сегодня. Это также второй по распространенности материал на Земле (после кислорода) и наиболее распространенный полупроводник, используемый в компьютерных микросхемах. Кристаллические кремниевые ячейки состоят из атомов кремния, соединенных друг с другом, чтобы сформировать кристаллическую решетку. Эта решетка обеспечивает организованную структуру, которая делает преобразование света в электричество более эффективным.
Солнечные элементы, сделанные из кремния, в настоящее время обеспечивают сочетание высокой эффективности, низкой стоимости и длительного срока службы. Ожидается, что модули прослужат 25 или более лет, и по истечении этого срока все еще будут вырабатывать более 80% своей первоначальной мощности.
ТОНКАЯ ФОТОЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ
Тонкопленочный солнечный элемент изготавливается путем нанесения одного или нескольких тонких слоев фотоэлектрического материала на поддерживающий материал, такой как стекло, пластик или металл. Сегодня на рынке представлены два основных типа тонкопленочных фотоэлектрических полупроводников: теллурид кадмия (CdTe) и диселенид галлия, индия (CIGS). Оба материала можно наносить непосредственно на переднюю или заднюю поверхность модуля.
CdTe является вторым по распространенности фотоэлектрическим материалом после кремния, и элементы CdTe могут быть изготовлены с использованием недорогих производственных процессов. Хотя это делает их рентабельной альтернативой, их эффективность по-прежнему не так высока, как у кремния. Ячейки CIGS обладают оптимальными свойствами для фотоэлектрического материала и высокой эффективностью в лаборатории, но сложность, связанная с объединением четырех элементов, делает переход от лаборатории к производству более сложным. И CdTe, и CIGS требуют большей защиты, чем кремний, чтобы обеспечить длительную работу на открытом воздухе.
ПЕРОВСКАЯ ФОТОЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА
Перовскитезные солнечные клетки представляют собой тип тонкопленочных клеток и названы в честь их характерной кристаллической структуры. Ячейки из перовскита состоят из слоев материалов, которые напечатаны, покрыты или нанесены вакуумным осаждением на нижележащий опорный слой, известный каксубстрат.Как правило, их легко собрать, и они могут достигать эффективности, аналогичной кристаллическому кремнию. В лаборатории эффективность перовскитных фотоэлементов повышается быстрее, чем у любого другого фотоэлектрического материала, с 3% в 2009 году до более 25% в 2020 году. Чтобы быть коммерчески жизнеспособными, перовскитные фотоэлементы должны стать достаточно стабильными, чтобы выдержать 20 лет работы на открытом воздухе, поэтому исследователи работают над тем, чтобы сделать их более долговечными и разрабатывают крупномасштабные и недорогие технологии производства.
ОРГАНИЧЕСКАЯ ФОТОВОЛЬТАИКА
Органические PV, или OPV, ячейки состоят из богатых углеродом (органических) соединений и могут быть адаптированы для улучшения определенной функции PV ячейки, такой как ширина запрещенной зоны, прозрачность или цвет. Элементы OPV в настоящее время примерно вдвое менее эффективны, чем элементы из кристаллического кремния, и имеют более короткий срок службы, но могут быть дешевле в производстве в больших объемах. Их также можно наносить на различные вспомогательные материалы, такие как гибкий пластик, благодаря чему ОПВ может использоваться в самых разных целях.
КВАНТОВЫЕ ТОЧКИ
Солнечные элементы с квантовыми точками проводят электричество через крошечные частицы различных полупроводниковых материалов шириной всего несколько нанометров, которые называются квантовыми точками. Квантовые точки предоставляют новый способ обработки полупроводниковых материалов, но между ними сложно создать электрическое соединение, поэтому в настоящее время они не очень эффективны. Однако их легко превратить в солнечные элементы. Их можно нанести на подложку с помощью метода центрифугирования, распыления или рулонных принтеров, подобных тем, которые используются для печати газет.
Квантовые точки бывают разных размеров, а их запрещенная зона настраивается, что позволяет им собирать свет, который трудно уловить, и сочетать их с другими полупроводниками, такими как перовскиты, для оптимизации производительности многопереходного солнечного элемента (подробнее об этом ниже).
МУЛЬТИПЕРЕХОДНАЯ ФОТОВОЛЬТАИКА
Еще одна стратегия повышения эффективности фотоэлементов - это наслоение нескольких полупроводников для создания многопереходных солнечных элементов. Эти ячейки по существу представляют собой стопки из различных полупроводниковых материалов, в отличие от ячеек с одним переходом, которые имеют только один полупроводник. Каждый слой имеет разную ширину запрещенной зоны, поэтому каждый из них поглощает отдельную часть солнечного спектра, используя больше солнечного света, чем однопереходные элементы. Многопереходные солнечные элементы могут достигать рекордного уровня эффективности, потому что свет, который не поглощается первым полупроводниковым слоем, улавливается слоем под ним.
В то время как все солнечные элементы с более чем одной запрещенной зоной являются многопереходными солнечными элементами, солнечный элемент с ровно двумя запрещенными зонами называется тандемным солнечным элементом. Многопереходные солнечные элементы, которые объединяют полупроводники из столбцов III и V периодической таблицы, называются многопереходными солнечными элементами III-V.
Многопереходные солнечные элементы продемонстрировали эффективность выше 45%, но они дороги и сложны в производстве, поэтому зарезервированы для освоения космоса. Военные используют солнечные элементы III-V в беспилотных летательных аппаратах, и исследователи изучают другие варианты их использования, где ключевым моментом является высокая эффективность.
КОНЦЕНТРАЦИОННАЯ ФОТОВЛЬТАИКА
Концентрация PV, также известная как CPV, фокусирует солнечный свет на солнечный элемент с помощью зеркала или линзы. За счет фокусирования солнечного света на небольшой площади требуется меньше фотоэлектрического материала. Фотоэлектрические материалы становятся более эффективными по мере того, как свет становится более концентрированным, поэтому наибольшая общая эффективность достигается с помощью ячеек и модулей CPV. Однако требуются более дорогие материалы, технологии производства и способность отслеживать движение солнца, поэтому демонстрация необходимого ценового преимущества перед современными кремниевыми модулями&# 39 становится сложной задачей.