Производство солнечных батарей: пошагово.

Всё большей популярности набирает потребление энергии солнца, что неизменно влечет за собой увеличение спроса на оборудование, которое преобразует солнечное излучение в электроэнергию. Самым распространенным методом получения таковой считается фотовольтаика. Разумеется, одной из причин есть то, что производство солнечных батарей базируется на использовании кремния. Этот химический элемент – второй по численности на земном шаре.

Сейчас на рынке солнечных батарей функционируют огромные мировые компании, которые имеют многомиллионные обороты и многолетний опыт. Технологии, положенные в основу производства, из года в год совершенствуются. Вы с легкостью найдете солнечную батарею, которая вам нужна. Будь то устройство для автомобиля, микрокалькулятора или освещения дома. Если приобрести одиночный фотоэлемент, вы заметите, что у них очень маленькая мощность. Потому чаще их соединяют в солнечный модуль. Давайте разбираться, как.

Технология изготовления солнечных панелей.

Она делится на этапы, разберем каждый из них:

Конечно же, первое, с чего начинается абсолютно любое производство, и не только солнечных панелей, это с подготовки сырья (материала). Как говорилось ранее, в основном панели делают из кремния, а если быть точнее, то из кварцевого песка определенной породы. Технология подготовки материала включает два процесса:

1. Высокотемпературное плавление.
2. Синтез с добавлением разнообразных химических элементов.

После прохождения этих процессов можно достигнуть очищения кремния до 99,99 %.

Чаще всего для производства солнечных панелей берут поликристаллический или монокристаллический кремний. И хоть технология производства у них разная, тем не менее получение поликристаллического кремния считается более экономной. Поэтому, выбираю солнечную батарею из такого сырья, вы заплатите за нее меньше.

После очистки кремния, его режут тонкими пластинами, которые потом пройдут тестирование. Производится оно путем замера электропараметров с помощью световой вспышки ксеноновой лампы очень высокой мощности. По окончанию испытаний пластин, их отправляют на следующий этап.

• На втором этапе пластины спаивают в секции, после чего из них формируют блоки на стекле. Чтобы перенести эти секции на стекло, используются держатели из вакуума. С их помощью исключается механическое воздействие на готовый солнечный элемент. Обычно секции состоят из 10 элементов, а блоки из 4 секций, реже – из 6.
• Блоки, которые получили на втором этапе, ламинируются с помощью этиленвинилацетатной пленки и специального защитного покрытия. Компьютерное управление позволяет проследить за температурой, давлением и уровнем вакуума, а также запрограммировать условия для ламинирования.
• Это последний этап производства солнечных панелей. Заключается он в монтировании алюминиевой рамы и соединительной коробки. Специальный клей-герметик обеспечивает надежное соединение модуля и коробки. Потом солнечные батареи тестируют, измеряя ток короткого замыкания, напряжение точки максимальной мощности  и напряжение холостого хода.

Оборудование для производства солнечных батарей.

В производстве солнечных панелей используют только лучшее оборудование. Благодаря высокому качеству оборудования достигается минимальная погрешность при тестировании и измерении показателей. Также это гарантирует более длительный срок эксплуатации, что в свою очередь снижает затраты на покупку нового оборудования. Низкое же качество влечет за собой нарушения в технологии производства.

Основное оборудование, которое используют при изготовлении  солнечных панелей:

• Инструмент для резки ячеек. Ячейки режутся с помощью волоконного лазера. Размеры можно задать с помощью различных программ.
• Ламинатор. Название говорит само за себя.С его помощью ламинируют солнечные элементы. Имеет специальные контроллеры для поддержки выбранных параметров. Ламинаторы работают в двух режимах: ручном и автоматизированном.
• Столик для перемещения. Очень сложно обойтись без данного предмета. Именно на нем производят такие операции, как обрезка краев, укладка соединительной коробки и многие другие. Столешница имеет закрепленные шарики, с помощью которого можно открыть и переместить модуль, не боясь его повредить.
• Машинка для очистки стекла. Ее используют при очистке стеклянных подложек. Стекло сначала очищают при помощи моющего средства, позже ополаскивают деионизированной водой два раза. Уже после подложки сушатся с помощью холодного и горячего воздуха.

Производители солнечных батарей.

Изготовление солнечных панелей из кремния – довольно перспективный и прибыльный бизнес. Спрос на солнечные панели растет каждый год. Соответственно, растут объемы продаж.

Безусловно, первое место по производству солнечных батарей занимают китайцы. Их главный козырь – очень низкая стоимость. Естественно, многие компании по всему миру не выдерживают напора и конкуренции китайских компаний. Это стало следствием закрытия, например, четырех немецких брендов за последние пару лет. Это такие гиганты, как Solon, Solarhybrid, Q-Cells и SolarMillennium. Вслед за ними закрыла свой филиал в Германии американская компания FirstSolar, а вслед за ней и компании Siemens, Bosch.

И это неудивительно. Китайские солнечные панели стоят в два раза дешевле своих заграничных аналогов.

Топ компаний-производителей солнечных панелей:

• YingliGreenEnergy. YGE за время своего существования установила солнечных батарей больше, чем на 2 ГВт.
• FirstSolar. Несмотря на то, что компании пришлось закрыть свой завод в Германии, она не сдала свои позиции в топе. Профилем ее являются тонкопленочные панели, которых они выпустили более, чем на 4 ГВт.
• SuntechPower Ко. Производитель выпустил на рынок около 13 миллионов батарей.

Российские популярные производители батарей:

• Завод «Солнечный ветер».
• Завод «Хевел».
• Завод «Телеком-СТВ».
• «Рязанский завод металлокерамических приборов».
• «Термотрон-завод».

Страны СНГ также не пасут задних. Например, в Астане тоже запустили завод, выпускающий солнечные батареи из кремния. Для Казахстана это пионер в подобной отрасли. В качестве материалов там планируется использование кремния, которое находится в Казахстане. Оборудование, закупленное для производства, отвечает всем стандартам и отличается высоким качеством.

Высокие темпы строительства заводов свидетельствуют о высоком спросе на солнечные батареи. Потому в ближайшем будущем можно ожидать повсеместное использования солнечных модулей. И это, однозначно, положительно повлияет на нашу атмосферу, избавив ее от загрязнений и истощений запасов топлива.

новые технологии и особенности производства солнечных батарей

В этой статье мы расскажем о видах современных солнечных батарей и новейших технологиях производства фотоэлементов, предлагаемых ведущими производителями. Также перечислим некоторые наиболее новые популярные солнечные панели, с использованием этих инноваций, которые уже доступны к продаже.

Солнечные батареи с использованием новейших инноваций

Большинство производителей панелей предлагают ряд моделей, это могут быть монокристаллические и поликристаллические варианты продукции с различной номинальной мощностью. За последние несколько лет эффективность панелей существенно возросла благодаря многим достижениям в технологии и материалах, из которых делают солнечные батареи.

На текущий момент можно отметить 8 основных технологий, при производстве высокоэффективных солнечных батарей:

• PERC (Passivated Emitter Rear Cell) — диэлектрический слой на обратной стороне ячейки;
• Bifacial — Двухсторонние;
• Multi Busbar — Многолинейные;
• Split panels – Половинчатые;
• Dual Glass — Безрамочные, с двойным стеклом;
• Shingled Cells — Безразрывные элементы;
• IBC (Interdigitated Back Contact cells) — переплетеные контакты сзади ячейки;
• HJT (Heterojunction cells) — гетероструктурные ячейки.

Пять основных типов солнечных панелей с использованием новейших технологий солнечных фотоэлементов в 2020 году:

Применяя инновационные решения, в производстве солнечных модулей, постоянно происходят различные улучшения эффективности, уменьшения влияния затенения и повышения надежности, при этом несколько производителей в настоящее время дают гарантию производительности до 30 лет.

Учитывая все новые доступные варианты выбора современных солнечных батарей, стоит провести некоторые исследования, прежде чем инвестировать в солнечную установку. В нашей полной обзорной статье о солнечных панелях мы расскажем, как выбрать надежную солнечную панель и на что обратить внимание.

Технология PERC, в чем особенность?

Профессор Мартин Грин, директор Австралийского центра передовой фотогальваники UNSW, изобрел концепцию PERC, которая в настоящее время широко используется многими ведущими производителями солнечных батарей во всем мире.

За последние два года PERC стал предпочтительной технологией для многих производителей как моно, так и поликристаллических ячеек. PERC буквально расшифровывается как «Пассивированный Эммитер Сзади Ячейки». Представляет собой более продвинутую архитектуру ячейки, использующую дополнительные слои на задней стороне ячейки для поглощения большего количества световых фотонов и увеличения «квантовой эффективности». Особенностью технологии PERC является алюминиевый задний слой Al-BSF — Local Aluminium Back Surface Field (см. Диаграмму ниже). Еще были разработаны несколько других вариантов, таких как PERT (Passivated Emitter Rear Totally Diffused) и PERL (Passivated Emitter and Rear Locally-diffused), но они пока не получили широкого применения.

LeTID — потенциальная проблема PERC

Обычные клетки PERC P-типа могут страдать от так называемого LeTID или деградации, вызванной светом и повышенной температурой. Явление LeTID похоже на хорошо известную деградацию, вызванную LID или светом, когда панель может потерять 2-3% от номинальной мощности в первый год воздействия УФ-излучения и от 0,5% до 0,8% в год после. К сожалению, потери из-за LeTID могут быть выше — до 6% в первые 2 года. Если эта потеря не будет полностью учтена производителем, это может привести к снижению производительности и потенциальным претензиям по гарантии.

К счастью, кремниевые элементы N-типа, не страдают от воздействия LeTID. Кроме того, некоторые производители поли и моно PERC ячееек P-типа, разработали процессы уменьшения или устранения LeTID. Некоторые производители заявили о применении технологии анти-LeTID на своей продукции и утверждают, что уменьшили или устранили эффекты LeTID.

Multi Busbar — Многолинейные солнечные элементы

Busbar или токоведущие шины представляют собой тонкие провода или ленты, которые проходят по каждой ячейке и переносят электроны (ток) от солнечных элементов. Поскольку фотоэлементы становятся более эффективными, они, в свою очередь, генерируют больше тока, и за последние годы большинство производителей перешли с 3 шин на 5 или 6 шин. Некоторые производители, сделали еще один шаг вперед и разработали многопроволочные системы, использующие до 12 очень тонких круглых проводов, а не плоских шин. Выгода заключается в том, что сборные шины фактически затеняют часть ячейки и поэтому могут немного снизить производительность, поэтому их необходимо тщательно проектировать. Несколько тонких шин обеспечивают более низкое сопротивление и более короткий путь перемещения электронов, что приводит к более высокой производительности.

Маленькие дорожки ( тонкие шины) на каждой ячейке передают ток на 5 ленточных шин:

Если в ячейке возникли микротрещины из-за ударов или высоких нагрузок, большее количество шин помогает снизить вероятность того, что трещина перерастет в горячую точку, поскольку они обеспечивают альтернативные пути прохождения тока.

В модулях LG Neon 2 впервые использовались 12 маленьких круглых проводных шин, LG называет свою технологию «Cello», которая означает соединение элементов, с низкими электрические потерями. Многопроволочная технология Cello снижает электрическое сопротивление, тем самым уменьшаются потери напряжения, а уменьшение площади и применение закругленных шин дает лучшее оптическое поглощение света, тем самым повышается эффективность.

Trina Solar вместе со многими другими производителями недавно начали предлагать тонкие круглые шинные ячейки под названием multi-bus (MBB) в качестве опции для ряда модулей на 2019 год. Как объяснялось ранее, еще одним преимуществом наличия большего количества шин является то, что при микротрещинах возникновение в ячейке из-за внешних напряжений, меньше вероятность того, что это создаст горячую точку, так как электроны имеют много альтернативных шин для протекания тока. Это показано на рисунке:

Split panels – Новые половинчатые солнечные батареи

Еще одно недавнее новшество — использование ячеек с половинным размером вместо квадратных ячеек полного размера и перемещение распределительной коробки в центр модуля. Тем самым разделяя солнечную панель на 2 меньшие панели по 50% площади, каждая из которых работает параллельно. Это имеет множество преимуществ, в том числе повышение производительности благодаря снижению резистивных потерь через шины (токосъемники). Поскольку каждая ячейка имеет половинный размер, она производит половину тока при одном и том же напряжении, что означает, что ширина шины может быть уменьшена наполовину, уменьшая затенение и потери ячейки. Снижение тока также приводит к снижению температуры в ячейке, что, в свою очередь, уменьшает потенциальное образование и серьезность горячих точек из-за локального затенения, загрязнения или повреждения ячейки.

Кроме того, более короткое расстояние до центра панели сверху и снизу повышает эффективность в целом, повышая выходную мощность панели аналогичного размера до 20 Вт. Другое преимущество заключается в том, что при частичном затенении верхней или нижней части панели, затененная часть не влияет на выработку электроэнергии от другой половины солнечной батареи.

Bifacial — Двухсторонние солнечные батареи

Технология двухсторонних солнечных батарей была известна уже нескольких лет, но сейчас начинает становиться популярной, поскольку стоимость производства монокристаллических элементов очень высокого качества продолжает снижаться. Двухсторонние элементы поглощают свет с обеих сторон панели и в таких условиях могут производить до 27% больше энергии, чем традиционные односторонние панели. В двухсторонних солнечных панелях обычно применяют стекло на передней стороне, а сзади, для герметизации ячеек — прозрачный полимерный слой. Он позволяет отраженному свету проникать с задней стороны панели. Двухсторонние модули также могут иметь стеклянный задний слой, который имеет больший срок службы и может значительно снизить риск отказа, поэтому некоторые производители теперь предлагают 30-летнюю гарантию на свою продукцию.

Традиционно двухсторонние солнечные панели использовались только в наземных установках, где солнечный свет легко отражался от окружающих поверхностей, в частности заснеженных районов. Хотя было доказано, что они хорошо работают и при монтаже на светлые поверхности, что позволяет увеличить выработку до 10%.

Двухсторонние модули поглощают отраженный солнечный свет обратной стороной панели:

Dual Glass – Солнечные батареи с двойным стеклом

Многие производители в настоящее время производят так называемые стеклянные или двойные стеклянные солнечные панели, которые не следует путать с двухсторонними. Задний традиционный белый EVA (пластиковый) слой заменяют стеклом. Таким образом получается сэндвич стекло-стекло, которое не реагирует и не портится со временем и не страдает от ультрафиолетового излучения. Из-за более длительного срока службы стеклянных панелей некоторые производители предлагают 30-летнюю гарантию производительности.

Безрамочные солнечные батареи

Многие двойные стеклянные панели являются безрамными (без алюминиевой рамы), что может усложнить монтаж панелей, так как требуются специальные системы креплений. Тем не менее, бескаркасные модули имеют ряд преимуществ, особенно в отношении очистки: отсутствует рама, которая создает ступеньку, об нее задерживается пыль и грязь. Соответственно, без ступеньки получается плоская поверхность, которую проще мыть и способствующая самоочищению с помощью дождя и ветра, что приводит к большей производительности. Однако без прочности алюминиевой рамы двойные стеклянные панели, хотя и более долговечные, не такие жесткие и могут изгибаться, особенно при горизонтальном монтаже.

Умные панели и оптимизаторы мощности

Технология, которая становится все более популярной — это добавление в солнечную панель оптимизаторов мощности постоянного тока. Оптимизаторы наряду с микроинверторами, обычно известны как MLPE (Module Level Power Electronics), которые состоят из небольших блоков преобразования энергии, прикрепленных непосредственно к солнечным батареям. Оптимизаторы предназначены для подачи оптимального напряжения для максимальной выработки электроэнергии. Если панель затенена, загрязнена или не работает, что приводит к низкому напряжению или току, оптимизаторы могут обойти или компенсировать плохую работу панели, чтобы обеспечить оптимальное напряжение для инвертора.

Оптимизаторы мощности от таких компаний, как Tigo и SolarEdge, были доступны в качестве дополнительного компонента в течение многих лет, но теперь и SolarEdge, и Tigo разрабатывают панели со встроенными оптимизаторами в распределительной коробке на задней панели. SolarEdge отличается от Tigo тем, что оптимизаторы SolarEdge должны использоваться вместе с инверторами SolarEdge, а оптимизаторы Tigo могут быть подключены к любым существующим панелям в качестве дополнительного оптимизатора.

Большим преимуществом «дополнительных» оптимизаторов, таких как Tigo и SolarEdge, является возможность контролировать производительность каждой солнечной панели в отдельности, что также может помочь выявить любые неисправности и проблемы в солнечной батарее. Микроинверторы также предлагают это преимущество перед обычными сетевыми инверторами.

Maxim Integrated пошли еще дальше и разработали чипы для оптимизации подмодулей. Эти интеллектуальные чипы от Maxim Integrated выходят за рамки традиционного дополнительного оптимизатора и разделяют панель на 3 ряда ячеек, что позволяет панели работать при оптимальном напряжении MPPT при частичном затенении или загрязнении. Стоит отметить, что некоторые установщики сообщают о том, что клиенты сталкиваются с проблемами помех RFI (ТВ и радио), используя эту новую технологию, однако чипы Maxim следующего поколения, как утверждается, решили проблему.

Shingled Cells — Безразрывные солнечные элементы

Безразрывные ячейки — это новая технология, в которой для солнечных панелей используются перекрывающиеся узкие ячейки, которые группируются горизонтально или вертикально по всему модулю. Безразрывная ячейка изготавливается путем лазерной резки нормального полноразмерного элемента на 5 или 6 полос и наслоения их друг с другом, с использованием специального клея. Небольшое перекрытие каждой полосы ячеек скрывает одну шину, которая соединяет полосы ячеек. Применение такого новшества позволяет покрывать большую площадь поверхности панели, ведь так не требуются располагать соединительные шины поверх элемента, которые частично затеняют ячейку. Таким образом увеличивается эффективность панели так же, как ячейки IBC, описанные ниже.

Другое преимущество состоит в том, что длинные безразрывные ячейки обычно соединяются параллельно, что значительно снижает эффект затенения — каждая длинная ячейка эффективно работает независимо. Кроме того, ячеистые ячейки относительно дешевы в изготовлении, поэтому они могут быть очень экономически эффективным вариантом, особенно если частичное затенение является проблемой.

Seraphim был одним из первых производителей, выпустивших ячейки с гибкой ячейкой с высокопроизводительными панелями Eclipse. Серия SunPower P — это новейшее дополнение к линейке SunPower, предлагающее более дешевый вариант, прежде всего для крупномасштабных станций. Другие производители, производящие безразрывные солнечные панели Yingli Solar и Znshine.

Прочность солнечных ячеек

Наряду с многочисленными усовершенствованиями элементов для повышения эффективности, существуют также новые технологии для повышения надежности и производительности в течение ожидаемого 25-летнего срока службы солнечного модуля. Солнечные панели могут подвергаться экстремальным нагрузкам из-за сильного ветра, вибраций, сильной жары и морозов, вызывающих расширение и сжатие. Это может привести к появлению микротрещин, горячих точек и деградации PID (Potential induced degradation) элементов, что приводит к снижению производительности и ускорению отказа.

Производители, такие как Winaico и LG energy, разработали чрезвычайно прочные алюминиевые рамы, чтобы помочь уменьшить нагрузку на элементы и модули. Win Win Technology, материнская компания Winaico, сделала еще один шаг вперед и разработала так называемую технологию «HeatCap», которая, по сути, представляет собой упрочняющую структуру элемента, которая помогает предотвращать образование микротрещин и горячих точек, когда элементы находятся в условиях экстремальных нагрузок. Эта технология также имеет дополнительное преимущество улучшенной производительности при более высоких температурах ячейки.

Солнечные элементы IBC — высокая прочность и долговечность

IBC не только более эффективны, но и прочность намного выше, чем у обычных элементов, так как задние слои укрепляют весь элемент и помогают предотвратить микротрещины, которые в конечном итоге могут привести к выходу из строя. Sunpower использует высококачественный задний слой IBC из твердой меди на своей запатентованной ячейке Maxeon вместе с высокоотражающей металлической зеркальной поверхностью, чтобы отражать любой свет, который проходит обратно в ячейку. Задняя сторона ячейки IBC Maxeon, показанная ниже, чрезвычайно устойчива к нагрузкам и изгибам, в отличие от обычных ячеек, которые по сравнению с ними относительно хрупкие.

Высокоэффективные солнечные элементы N-типа

В то время как PERC и Bifacial появились в солнечном мире, самой эффективной и надежной технологией по-прежнему остается монокристаллическая ячейка N-типа. В первом типе солнечных элементов, разработанном в 1954 году лабораториями Bell, использовалась кремниевая пластина N-типа, но со временем более экономичный кремний P-типа стал доминирующим типом элементов: в 2017 году более 80% мирового рынка с использованием P-типа клетки. Поскольку большой объем и низкая стоимость являются основным движущим фактором, стоящим за P-типом, ожидается, что N-тип станет более популярным, так как производственные затраты снижаются, а эффективность увеличивается.

Гетероструктурная технология HJT

Технология HJT используется несколькими производителями солнечных батарей. В настоящее время и российская компания Хевел производит серийные панели с использованием гетеропереходных элементов, а так же Panasonic и ряд других компаний. Группа компаний REC недавно анонсировала новые панели серии Alpha, в которых используются ячейки HJC с 16 микро шинами для достижения впечатляющей эффективности в 21,7%. Вслед за первоначальной разработкой HJC, проделанной UNSW и Sanyo, Panasonic создала эффективную серию панелей ‘HIT’ и уже много лет является лидером в технологии ячеек HJT.

Солнечные элементы HJT используют основу из обычного кристаллического кремния с дополнительными тонкопленочными слоями аморфного кремния по обе стороны ячейки, образуя так называемый гетеропереход. В отличие от обычных P-N-соединительных ячеек, многослойные гетеропереходные ячейки могут значительно повысить эффективность. В лабораторных испытаниях достигается эффективность до 26,5% в сочетании с технологией IBC.

В Panasonic разработали ячейку HIT, с использованием высокопроизводительной кремниевой основы N-типа для производства солнечных батарей с КПД более 20,0% и превосходными характеристиками при высоких температурах. Кремниевые элементы N-типа также обеспечивают исключительную долговременную производительность, гарантирующую 90,76% остаточной мощности через 25 лет, что является вторым по величине из доступных после SunPower.

HJT лидер при высоких температурах

Наиболее впечатляющей характеристикой ячеек Panasonic HIT является невероятно низкий температурный коэффициент, который на 40% меньше, чем у обычных поли и монокристаллических ячеек. Выходная мощность панелей приводится при температуре на элементах 25 градусов Цельсия, при стандартных условиях STC (Standard Test Conditions), и каждый градус выше немного снижает выходную мощность.

Температурный коэффициент влияет на снижение мощности при увеличении температуры на солнечных элементах.

В обычных поли и моноэлементах это значение составляет от 0,38% до 0,42% на градус C, что может привести к снижению общей производительности на 20% или более в очень жаркие безветренные дни. Для сравнения, у HIT от Panasonic очень низкий температурный коэффициент 0,26% на градус, что является самым низким показателем среди всех производимых сегодня элементов.

На температуру панели и ячейки также влияют цвет крыши, угол наклона и скорость ветра, поэтому установка плоских панелей на очень темной крыше обычно снижает производительность панели по сравнению с крышами более светлого цвета.

Уникальные панели Panasonic HIT доступны только в Японии и Северной Америке и, к сожалению, в настоящее время недоступны в России, но не стоит расстраиваться на этот счет, ведь стоимость таких панелей пока очень высока и благо существуют альтернативные варианты.

Купить солнечные батареи по новым технологиям, можно у нас в магазине, пройди по ссылке: https://mywatt.ru/solnechnie_batarei/

Кто и как производит солнечные панели?

Неизменный рост потребления энергии солнечного света способствует увеличению спроса на оборудование, с помощью которого эту энергию можно накапливать и использовать для дальнейших нужд. Наиболее популярным способом получения электроэнергии является солнечная фотовольтаика. В первую очередь объясняется это тем, что производство солнечных батарей основано на использовании кремния – химического элемента, занимающего второе место по содержанию в земной коре.

Рынок солнечных батарей на сегодняшний день представляют крупнейшие мировые компании с многомиллионными оборотами и многолетним опытом. В основе производства солнечных панелей лежат различные технологии, которые постоянно совершенствуются. В зависимости от ваших нужд вы можете найти солнечные батареи, размеры которых позволяют встроить их в микрокалькулятор, или панели, которые без проблем разместятся на крыше здания или автомобиля. Как правило, одиночные фотоэлементы вырабатывают очень небольшое количество мощности, поэтому используются технологии, позволяющие соединять их в так называемые солнечные модули. О том, кто и как это делает и пойдет речь дальше.

Технологический процесс изготовления солнечных панелей

1 этап

Первое с чего начинается любое производство, в том числе и производство солнечных батарей – это подготовка сырья. Как мы уже упоминали выше, основным сырьем в данном случае служит кремний, а точнее кварцевый песок определенных пород. Технология подготовки сырья состоит из 2 процессов:

1. Этап высокотемпературного плавления.
2. Этап синтеза, сопровождающийся добавлением различных химических веществ.

Путем этих процессов достигают максимальной степени очистки кремния до 99,99%. Для изготовления солнечных батарей чаще всего используют монокристаллический и поликристаллический кремний. Технологии их производства различны, но процесс получения поликристаллического кремния менее затратный. Поэтому солнечные батареи, изготовленные из этого вида кремния, обходятся потребителям дешевле.

После того, как кремний прошел очистку, его разрезают на тонкие пластины, которые, в свою очередь, тщательно тестируют, производя замер электрических параметров посредством световых вспышек ксеноновых ламп высокой мощности. После проведенных испытаний пластины сортируют и отправляют на следующий этап производства.

2 этап

Второй этап технологии представляет собой процесс пайки пластин в секции, с последующим формированием из этих секций блоков на стекле. Для переноса готовых секций на поверхность стекла используют вакуумные держатели. Это необходимо для того, чтобы исключить возможность механического воздействия на готовые солнечные элементы. Секции, как правило, формируют из 9 или 10 солнечных элементов, а блоки – из 4 или 6 секций.

3 этап

3 этап – это этап ламинирования. Спаянные блоки фотоэлектрических пластин ламинируют этиленвинилацетатной пленкой и специальным защитным покрытием. Использование компьютерного управления позволяет следить за уровнем температуры, вакуума и давления. А также программировать требуемые условия ламинирования в случае использования разных материалов.

4 этап

На последнем этапе изготовления блоков солнечных батарей монтируется алюминиевая рама и соединительная коробка. Для надежного соединения коробки и модуля используется специальный герметик-клей. После чего солнечные батареи проходят тестирование, где измеряют показатели тока короткого замыкания, тока и напряжения точки максимальной мощности и напряжения холостого хода. Для получения необходимых значений силы тока и напряжения возможно объединение не только солнечных элементов, но и готовых солнечных блоков между собой.

Какое оборудование необходимо?

При производстве солнечных панелей необходимо использовать только качественное оборудование. Это обеспечивает минимальные погрешности при измерении различных показателей в процессе тестирования солнечных элементов и состоящих из них блоков. Надежность оборудования предполагает более долгий срок эксплуатации, следовательно, минимизируются расходы на замену вышедшего из строя оборудования. При низком качестве возможны нарушения технологии изготовления.

Основное оборудование, используемое в процессе производства солнечных панелей:

1. Стол для перемещения. Незаменим при осуществлении различных действий с солнечными модулями. Обрезка краев, укладка, установка соединительной коробки – эти и многие другие операции производят исключительно на данном столе. Закрепленные на столешнице неметаллические шарики позволяют без каких-либо усилий перемещать модуль, не повреждая его при этом.
2. Ламинатор для солнечных батарей. Как понятно из названия, данное оборудование применяется при ламинации солнечных элементов. Все необходимые параметры поддерживаются специальными контроллерами. Имеется возможность выбора как полностью автоматизированного режима работы, так и ручного управления.
3. Инструмент для резки ячеек (рисунок справа). Разрезание ячеек осуществляется волоконным лазером. Размеры задаются программно.
4. Машина для очистки стекла. Оборудование используется для очистки стеклянных подложек. Процесс происходит в несколько этапов. Сначала стекло очищают с использованием моющего средства, для чего применяют нейлоновые щетки, а затем споласкивают деионизированной водой в 2 этапа. Затем стеклянные подложки сушат холодным и горячим воздухом.

Кто поставляет нам солнечные батареи?

Солнечные панели – дело очень перспективное, а главное прибыльное. Количество покупаемых солнечных батарей увеличивается с каждым годом. Что обеспечивает постоянный рост объемов продаж, в котором заинтересован любой завод по производству солнечных батарей, а их по всему миру немало.

На первом месте стоят, конечно, китайские компании. Низкая стоимость солнечных батарей, которые китайцы экспортируют по всему миру, привела к появлению множества проблем у других крупнейших компаний. За последние 2-3 года о закрытии производства солнечных панелей объявили, по меньшей мере, 4 немецких бренда. Началось все с банкротства компании Solon, после которой закрылись Solarhybrid, Q-Cells и Solar Millennium. Американская компания First Solar также заявила о закрытии своего завода во Франкфурте-на-Одере. Свое производство панелей свернули и такие гиганты как Siemens и Bosch. Хотя, учитывая, что китайские солнечные батареи стоят, к примеру, почти в 2 раза дешевле немецких аналогов, удивляться здесь нечему.

Первые места в топе компаний, производящих солнечные панели, занимают:

• Yingli Green Energy (YGE) является ведущим производителем солнечных батарей. За 2012 год ее прибыль составила более 120 млн. $. Всего она установила солнечных модулей более чем на 2 ГВт. Среди ее продукции панели из монокристаллического кремния мощностью 245-265 Вт и поликристаллические кремниевые батареи мощностью 175-290 Вт.
• First Solar. Хоть эта компания и закрыла свой завод в Германии, в числе крупнейших она все-таки осталась. Ее профиль – это тонкопленочные панели, мощность которых за 2012 год составила около 3,8 ГВт.
• Suntech Power Ко. Производственные мощности этого китайского гиганта составляют примерно 1800 МВт в год. Около 13 млн солнечных батарей в 80 странах мира – это результат труда этой компании.

Среди российских заводов следует выделить:

• «Солнечный ветер»
• ООО «Хевел» в Новочебоксарске
• «Телеком-СТВ» в Зеленограде
• ОАО «Рязанский завод металлокерамических приборов»
• ЗАО «Термотрон-завод» и другие.

Более полный перечень фирм, изготавливающих и поставляющих оборудование и изделия для солнечной энергетики, вы найдете в нашем Каталоге производителей и поставщиков.

Не отстают и страны СНГ. Так, например, завод по производству солнечных батарей еще в прошлом году был запущен в Астане. Это первое предприятия подобного рода в Казахстане. В качестве сырья планируется использовать 100% казахского кремния, а оборудование, установленное на заводе, отвечает всем последним требованиям и полностью автоматизировано. Запуск аналогичного завода есть и в планах у Узбекистана. Инициатором строительства выступила крупнейшая китайская компания Suntech Power Holdings Co, такое же предложение поступило и от российского нефтяного гиганта «ЛУКОЙЛ».

При таких темпах строительства, следует ожидать повсеместного использования солнечных модулей. Но это и неплохо. Экологичный энергетический источник, дающий бесплатную энергию, сможет решить множество проблем, связанных с загрязнением окружающей среды и истощением запасов природного топлива.

Статью подготовила Абдуллина Регина

Видео о процессе изготовления солнечных панелей:

Производство и применение солнечных батарей

Основная идея солнечных батарей

 

Принцип действия солнечной батареи заключается в прямом преобразовании света от Солнца в электрический ток. И при этом происходит генерация постоянного тока. Эта энергия может быть использована напрямую разными нагрузками постоянного тока или может запасаться в аккумуляторных батареях для использования в будущем при необходимости. Использование солнечных батарей – отличная бизнес-идея. Но к сожалению, в России солнечная энергетика практически не развита из-за отсутствия политики поддержки в этой области. И поэтому большое количество крыш и других открытых солнцу территорий не приносят электричества и прибыли. Заняться освоением данной сферы – выгодное решение.

В первую очередь, нужно связаться с владельцами и лицами, которые заинтересованы в получении дополнительной прибыли с арендуемых крыш и других подходящих поверхностей.

Хозяевам предоставляется специально разработанный бизнес план с полным расчётом всех расходов на монтаж солнечных батарей и прибыли, получаемой в форме электроэнергии.

В бизнес-плане стоит учитывать также расчёты солнечной активности, скорости ветра, метеорологической ситуации региона. Риск такого бизнеса совсем мал.

Солнечная энергетика будет успешной, потому что зависит только от активности солнца, которого на ближайшие годы уж точно хватит. В будущем можно рассчитывать и на поддержку со стороны государства, потому что солнечная энергетика – эта отрасль будущего. Альтернативные источники энергии пользуются все большей популярностью, они незаменимы в частных домах, на тех объектах, где часто происходят сбои в поставке электрической энергии. Надежное, качественное и проверенное временем оборудование даст возможность производить солнечные батареи и расширить возможности и горизонты для своего бизнеса.

 

 

 

Производство солнечных батарей

 

На сегодня есть несколько основных технологий производства солнечных батарей, которые основаны на применении какого-либо материала при создании пластины. Базируется это на разном поглощении различными материалами солнечного излучения.

Наибольшей популярностью среди используемых материалов пользуются поли- и монокристаллический кремний, CdTe, GaAs, аморфный кремний и другие. В зависимости от выбранного материала используется определенная технология, отличающаяся стадиями производства и комплексом оборудования.

Чаще всего как сырье применяется поли- и монокристаллический кремний. КПД пластин из данного материала колеблется в диапазоне от 12 до 19%. Данные пластины довольно хрупкие, им необходима дополнительная защита, но они намного дешевле, чем пластины из других материалов. Тонкопленочная технология базируется на применении таких материалов: GaAs, аморфный кремний и CdTe. КПД этих пластин тоже не выше 20%, хотя в будущем есть планы повышения его до 22%. В зависимости от подложки, которая используется, эти батареи могут гнуться, герметичны, устойчивы к механическим воздействиям. Но и их стоимость превышает стоимость кремниевых систем.

Сегодня производство солнечных батарей в масштабе промышленности наиболее рентабельно осуществлять по кремниевой технологии, эта технология производства – самая изученная и дающая самый большой выход. Цепочка производства на основе мультикристаллического кремния включает в себя такие стадии:

 

 

 

 

• Подготовка пластины из кремния, очистка и промывка ее после резки;
• Структурирование всей поверхности пластины, создание топологии на поверхности, ее травление;
• Нанесение фосфора, легирование;
• Вжигание, диффузия фосфора;
• Создание P-n-перехода, изолирование, удаление лишних слоев;
• Нанесение антиотражающего слоя;
• Металлизация;
• Сушка;
• Создание контактов на лицевой стороне пластины;
• Выравнивание пластины;
• Проверка и тестирование.

 

 

 

 

Применение солнечных батарей

 

С недавнего времени солнечные батареи пользуются популярностью во всем мире. Применение солнечных батарей в микроэлектронике: (как зарядное устройство) для обеспечения электричеством аккумуляторов разной бытовой электроники — плееров, калькуляторов, фонариков и других, для подзарядки электромобилей. Например в автомобиле Skoda Superb в одной из комплектаций можно установить солнечную батарею на крышу автомобиля — и тогда в жаркие дни, салон автомобиля будет проветриваться встроенным вентилятором, работающим от этой батареии, пока автомобиль находится на стоянке. Применение солнечных батарей для энергообеспечения зданий – большие батареи работают как солнечные коллекторы, особенно популярны в субтропических и тропических регионах с большим числом солнечных дней.

Пользуются большим спросом в Средиземноморских странах, там их размещают на крышах домов. Очень много применяют солнечные батареи на крышах домов в Турции. Новые здания Испании оборудованы солнечными водонагревателями. Применение солнечных батарей в космосе: является один из главных способов получения электроэнергии на космических аппаратах, они длительное время работают без расхода материалов, и при этом экологически безопасные.

 

 

 

 

Солнечные батареи в России

 

В России солнечные батареи уже не новинка, существуют заводы по их производству в Москве, Краснодаре, Зеленограде, Новочебоксарске и Брянске. Их используют как в электронике, так и в быту и других сфера жизнедеятельности. Но они всё ещё слабодоступны из-за высокой стоимости: базовый элемент солнечной батареи – это дорогой монокристаллический кремний, и поэтому цена киловатт-часа этой электроэнергии больше, чем полученной из каких-либо других источников.

 

 

 

 

Производство солнечных батарей — видео

 

 

 

 

Производство солнечных батарей В этом видео показан технологический процесс производства и сборки солнечных батарей

 

 

 

 

Оборудование для производства солнечных панелей

Ни для кого не секрет, что вопросы экономного расходования энергетических ресурсов, а также поиска и внедрения возможностей для выработки и использования энергии от альтернативных источников (ветра, солнца, воды) сегодня является перспективным направлением, поддерживаемым государством. Это в нашей стране направление разработки и использования энергии солнца и ветра – направление относительно новое, для многих не совсем понятное и поэтому кажущееся неоправданно дорогим, в цивилизованных странах это уже давно стало «делом привычным» и даже вполне естественным.

Тем не менее, в нашей стране также отмечаются шаги вперед, и наиболее активно сегодня развивается отрасль, предоставляющая возможности использовать энергию солнца, перерабатывая его в электроэнергию и направляя на нужды человека. Конечно, для этого необходимо специализированное оборудование – так называемые солнечные панели. Более известны они как солнечные батареи – это специальные устройства, которые преобразовывают солнечную энергию, производя при этом электроэнергию, без которой жизнь современного человека вряд ли будет столь же уютной и комфортной.

Наши соотечественники потихоньку научилась ценить энергоресурсы и с каждым годом все большее количество людей приходит к пониманию целесообразности установки солнечных панелей на своем производственном участке, доме, даче и т.п. соответственно, растет спрос на эти самые солнечные панели. Для его удовлетворения необходимо успевать производить солнечные батареи (панели), удовлетворяющие потребностям потенциального клиента. Основными преимуществами в пользу использования солнечных панелей можно назвать:

• экологичность;
• энергонезависимость;
• колоссальную экономию;
• быстрые сроки окупаемости затрат на приобретение и установку панелей.

Специализированное оборудование для производства солнечных панелей готова предложить всем заинтересованным лицам компания ZEMAT. Эта фирма работает на рынке России и успешно сотрудничает со многими странами СНГ, предоставляя высококачественное и высокопроизводительное оборудование для производства солнечных панелей.

В пользу предлагаемого оборудования для производства солнечных панелей можно привести такие аргументы:

• приемлемые цены;
• высокая производительность и эффективность в работе;
• применение новейших технологий;
• высокое качество используемых материалов для изготовления станков;
• сервисное обслуживание от производителя на любом этапе эксплуатации и т.п.

Производство солнечных батарей – перспективная и пока еще незаполненная отрасль экономики, в которой вы можете занять свой достойное место, а компания ZEMAT и предлагаемой ей оборудование производства солнечных панелей помогут вам в этом.

Новая технология изготовления солнечных батарей.

Под давлением: Новая технология может удешевить и упростить изготовление  гибких солнечных батарей больших размеров.

Совершенно новая технология химического процесса под высоким давлением, позволяет производить огромные листы тонкопленочных кремниевых полупроводников при низких температурах в менее простых реакторах по сравнению с текущими технологиями, их размерами и стоимостью.

«Мы разработали новый подход к созданию тонкопленочных проводников большой площади без использования плазмы» сказал Джон Беддинг, профессор химии, физики, материаловедения и инженерии в Университете штата Пенсильвания. «Наша новая технология может упростить и удешевить изготовление гибких полупроводников большой площадью, которые используются в плоских панельных мониторах и в солнечных батареях, которые являются коммерчески важными полупроводниками».

Тонкопленочные кремниевые полупроводниковые приборы, как правило, изготавливаются с помощью способа химического осаждения, в котором силан — газ, состоящий из кремния и водорода — подвергается химической реакции, добавляя атомы кремния и водорода в тонком слое, чтобы покрыть поверхность. В данный момент для создания функционирующего производства полупроводников химической реакцией, нанесение кремния на поверхность должно происходить при достаточно низкой температуре, чтоб атомы водорода наносились на покрытие, а не испарялись подобно пару в кипящей воде. С учетом современных технологий, эта низкая температура достигается за счет создания плазмы — состояние вещества похожего на газ, состоящий из ионов и свободных электронов в большом объеме газа при низком давлении. Эти дорогостоящие реакторы настолько большие и тяжелые, что возникают большие трудности в их транспортировки. Для генерации плазмы, они требуют очень большие объемы газа.

«С нашим новым методом, путем химического процесса под высоким давлением мы можем создать низкотемпературные реакции в намного меньших местах и с намного меньшим объемом газа”, сказал Бэддинг.

“Уменьшенное необходимое пространство позволяет нам, впервые, создавать полупроводники на многократных, сложенных поверхностях одновременно, а не на просто единственной поверхности. Чтобы максимизировать площадь поверхности, скатанные гибкие поверхности для солнечных батарей могут использоваться в очень простом и намного более компактном реакторе. Область получающегося скатанного полупроводника, после дальнейшей размотки, может приблизиться или даже превысить квадратный километр”. Исследование финансировалось Национальным научным фондом (грант № DMR-1107894)

Источник: www.technology.org

Вопросы экологии производства солнечных модулей

В прессе и социальных сетях периодически встречаются статьи и комментарии о вреде производства солнечных модулей для окружающей среды.

Всякое производство чего бы то ни было — это вмешательство в первозданную природу, и в этом смысле вредно. Нас, однако, интересуют сравнительные оценки ущерба, ведь рассуждая о вреде производства солнечных модулей комментаторы, вероятно, подразумевают какой-то особый, серьезный вред.

В данной статье мы будем рассматривать только производство кремниевых солнечных модулей, поскольку на эти устройства приходится 95% годовых объемов рынка солнечной энергетики, а погружение в тонкоплёночные технологии, которые на мировом рынке не играют практически никакой роли, потребует расширения этой статьи. Здесь мы также не будем касаться вопросов углеродного следа производства солнечных панелей, поскольку они хорошо изучены, и мы уже уделяли им достаточно внимания (см. статьи «О расходе энергии для разных технологий генерации и их углеродном следе» и «Энергетическая окупаемость солнечной энергетики»).

Начну с того, что производство солнечных модулей состоит из ряда последовательных этапов, представляющих собой отдельные технологические процессы. Вот, например, на картинке от Солар Системс эти этапы изображены:

В мире найдётся не так много компаний, который выполняют все эти операции «под одной крышей». Собственно, непосредственно к процессам производства солнечных модулей можно отнести только плавку слитков, нарезку пластин, изготовление солнечных элементов (solar cells) и сборку самих панелей. И именно этими процессами как правило ограничиваются компании-производители солнечных батарей, а многие из них довольствуются одним-двумя процессами.

Производство сырья, из которого плавят слитки, то есть поликристаллического кремния (поликремния) — это не специфический, т.е. присущий не только солнечной энергетике процесс, поскольку поликремний широко применяется в электронике (полупроводники). И как раз этот самый процесс — производства поликремния — является самым вредным во всей цепочке. Этим процессом в мире занимается сегодня относительно небольшой круг компаний (см. статью «О рынке поликристаллического кремния – ключевого сырья для солнечной энергетики»).

Технология производства в двух словах такова. Из кварца получают металлургический кремний, а из него более чистый поликристаллический кремний (poly-Si). В процессе преобразования металлургического кремния в поликристаллический выделяется побочный продукт тетрахлорид кремния, негорючее вещество, но очень вредное. Процесс включает в себя реакцию соляной кислоты с металлургическим кремнием для получения трихлорсилана. Трихлорсилан затем реагирует с водородом, в результате чего получается поликремний вместе с жидким кремниевым тетрахлоридом.

В конце 2000-х — начале 2010-х годов в Китае не было надлежащих стандартов по обращению с тетрахлоридом кремния, что приводило к загрязнению окружающей среды данным побочным продуктом (и не только им). В настоящее время во всех странах, где производится поликремний (КНР, США, Норвегия, Германия, Южная Корея …) соответствующие стандарты приняты, и основные производители перерабатывают эти отходы, чтобы производить больше поликремния. Для получения поликремния из тетрахлорида кремния требуется меньше энергии, чем при его выделении из сырого диоксида кремния, таким образом утилизация этих отходов — достаточно выгодное предприятие, хотя и требующее дополнительных инвестиций. Сегодня все крупнейшие производители поликремния переходят на промышленные процессы замкнутого цикла (closed-loop), что обеспечивает значительное снижение воздействия на окружающую среду.

Дальнейший процесс производства солнечных элементов (ячеек) из поликремния состоит из множества этапов. На следующей картинке этот процесс изображен более детально (показано производство монокристаллических солнечных элементов, включая производства поликремния).

Некоторые из указанных операций также требуют использования химических веществ разных классов опасности.

«Процесс изготовления фотоэлементов включает в себя использование ряда опасных материалов, большинство из которых используются для очистки поверхности полупроводников. Сюда относятся соляная кислота, серная кислота, азотная кислота, фтористый водород, 1,1,1 трихлорэтан и ацетон», — отмечает Союз обеспокоенных ученых (UCS).

В 2011 году случился скандал, вызванный тем, что на заводе, принадлежащем китайской JinkoSolar (сегодня это производитель солнечных модулей номер один в мире), произошёл сброс в реку плавиковой кислоты, которая используется при производстве кремниевых солнечных элементов (это не единственное и не основное её применение). Погибла рыба, погибли свиньи у фермеров, курс акций компании на бирже упал на 40%… В 2017 JinkoSolar получила первый в Китае C2C (Cradle-to-Cradle) сертификат, подтверждающий приверженность компании высоким стандартам по охране окружающей среды, здоровья и безопасности своей продукции, а также продвижению лучших экологических и устойчивых практик в солнечной энергетике. Компания также входит в число лидеров экологического рейтинга, составляемого американской НКО Silicon Valley Toxics Coalition.

Отношение к охране окружающей среды и экологии в Китае сегодня совсем не такое, каким оно было ещё пять лет назад. Во всех секторах экономики, в том числе, разумеется, в солнечной индустрии, внедряются самые жесткие стандарты. Мы это видим, скажем, и по китайской угольной энергетике, где нынче внедрены самые жесткие в мире(!) стандарты выбросов.

Значительная часть процессов производства солнечных модулей относится к химическому производству. Даже в названии одного из ведущих производителей поликристаллического кремния, Wacker Chemie, присутствует слово «химия». Являются ли предприятия химической промышленности вредными? Вопрос, так сказать, детский. Эти предприятия необходимы в рамках сложившейся системы народного хозяйства, а их влияние на окружающую среду регулируется и управляется соответствующими нормами и системами надзора.

Как и в сотнях других секторов промышленности, в производстве солнечных модулей используются определенные химические вещества. Практически во всех странах, где есть производство солнечных модулей, действуют соответствующие стандарты, нормы, правила по обращению с этими веществами. Мы здесь не можем оценить содержание этих норм и эффективность их применения для каждой юрисдикции. Да, принято считать, что в Европе по сравнению с Юго-Восточной Азией и нормы строже, и надзор эффективнее. В то же время следует отметить, что в мире в целом сегодня отмечается тенденция к ужесточению стандартов, касающихся защиты окружающей среды, а также отслеживанию экологического следа того или иного продукта по всей производственной цепочке. Про КНР мы уже сказали выше.

Промышленная деятельность в солнечной индустрии является чрезвычайно наукоемкой. Идёт постоянный процесс НИОКР, постоянное совершенствование, направленное на снижение материалоемкости. Например, на графике мы видим, как снижается потребления кремния на ватт солнечного элемента:

В этом смысле в отрасли также отмечается постоянное снижение удельного экологического следа. Ватт, произведенный сегодня, содержит в себе гораздо меньше вреда для окружающей среды, чем это было вчера.

Подведём итоги. Гринпис в одной из своих давнишних работ по экологии фотоэлектрической солнечной индустрии в КНР отмечал, что «препятствия, которые лежат между Китаем и чистым производством, связаны не с технологиями, а с желанием (волей)». Нет никакого «особо вредного» производства солнечных модулей, но случаются недостатки регулирования.

Читайте дальше: Утилизация солнечных модулей (панелей). Проблемы, регулирование, практика.

Основы солнечной фотоэлектрической технологии | NREL

Солнечные элементы, также называемые фотоэлектрическими элементами, преобразуют солнечный свет непосредственно в электричество.

Фотоэлектрические системы (часто сокращенно PV) получили свое название от процесса преобразования свет (фотоны) в электричество (напряжение), что называется фотоэлектрическим эффектом . Это явление было впервые использовано в 1954 году учеными Bell Laboratories, которые создал рабочий солнечный элемент из кремния, который генерировал электрический ток при воздействии солнечных лучей.Солнечные батареи вскоре стали использоваться для питания космических спутников. и более мелкие предметы, такие как калькуляторы и часы. Сегодня электричество от солнечных батарей стал конкурентоспособным по стоимости во многих регионах, и в настоящее время развертываются фотоэлектрические системы. в больших масштабах, чтобы помочь электросети.

Кремниевые солнечные элементы

Подавляющее большинство современных солнечных элементов изготовлено из кремния и предлагает как разумные цены, так и хорошую эффективность (скорость, с которой солнечные батареи ячейка преобразует солнечный свет в электричество).Эти ячейки обычно собираются в более крупные модули, которые можно устанавливать на крышах жилых или коммерческих зданий или развернуты на наземных стойках для создания огромных систем полезного действия.

Тонкопленочные солнечные элементы

Другая широко используемая фотоэлектрическая технология известна как тонкопленочные солнечные элементы, потому что они сделаны из очень тонких слоев полупроводникового материала, такого как кадмий. теллурид меди или диселенид галлия индия.Толщина этих слоев клеток составляет всего несколько микрометров, то есть несколько миллионных долей метра.

Тонкопленочные солнечные элементы могут быть гибкими и легкими, что делает их идеальными для портативных устройств. приложения — например, в солдатском рюкзаке — или для использования в других продуктах, таких как окна которые производят электричество от солнца. Некоторые типы тонкопленочных солнечных элементов также приносят пользу. от производственных технологий, которые требуют меньше энергии и легче масштабируются чем технологии производства кремниевых солнечных элементов.

III-V Солнечные элементы

Третий тип фотоэлектрической технологии назван в честь элементов, из которых они состоят. Солнечные элементы III-V в основном состоят из элементов III группы, например галлия и индия, а также элементов группы III. V — например, мышьяк и сурьма — периодической таблицы. Эти солнечные элементы обычно намного дороже в производстве, чем другие технологии.Но они преобразуют солнечный свет в электричество с гораздо более высокой эффективностью. Из-за этого эти солнечные элементы часто используется на спутниках, беспилотных летательных аппаратах и ​​других приложениях, требующих высокое соотношение мощности к весу.

Солнечные элементы нового поколения

Исследователи солнечных элементов из NREL и других организаций также разрабатывают множество новых фотоэлектрических технологии, такие как солнечные элементы из органических материалов, квантовые точки и гибридные органо-неорганические материалы (также известные как перовскиты).Эти технологии следующего поколения могут предложить более низкие затраты, большая простота изготовления или другие преимущества. Дальнейшие исследования покажут, обещания могут быть реализованы.

Исследование надежности и интеграции сетей

Исследования в области фотоэлектрической энергии — это больше, чем просто создание высокоэффективных и недорогих солнечных элементов. Домовладельцы и предприятия должны быть уверены, что устанавливаемые ими солнечные панели будут не ухудшатся в производительности и продолжат надежно вырабатывать электроэнергию в течение многих лет.Коммунальные предприятия и государственные регулирующие органы хотят знать, как добавить солнечные фотоэлектрические системы в электрическую сеть, не нарушая баланс между спросом и предложением электроэнергии.

Материаловеды, экономические аналитики, инженеры-электрики и многие другие NREL работает над решением этих проблем и обеспечением чистой солнечной фотоэлектрической энергии. и надежный источник энергии.

---

Дополнительные ресурсы

Для получения дополнительной информации о солнечной фотоэлектрической энергии посетите следующие ресурсы:

Основы солнечной фотоэлектрической технологии
U.S. Управление энергоэффективности и возобновляемых источников энергии Министерства энергетики

Energy Kids: Solar Photovoltaic
Управление энергетической информации США

Energy Saver: Использование солнечной энергии дома
Министерство энергетики США

Фотоэлектрические исследования в NREL

Технологии фотоэлектрических солнечных элементов: анализ современного состояния

1.

Шокли, В. и Кайссер, Х. Дж. Подробный баланс эффективности солнечных элементов с переходом p – n . J. Appl. Phys. 32 , 510–519 (1961).

CAS Статья Google Scholar

2.

Наяк, П. К., Бискерт, Дж. И Кахен, Д. Оценка возможностей и ограничений для солнечных батарей. Adv. Матер. 23 , 2870–2876 (2011). Это исследование вводит эксплуатационные потери как параметр для сравнения и анализа технологий солнечных элементов .

CAS Статья Google Scholar

3.

Наяк, П. К. и Кахен, Д. Обновленная оценка возможностей и ограничений для солнечных элементов. Adv. Матер. 26 , 1622–1628 (2014).

CAS Статья Google Scholar

4.

Рау, У., Бланк, Б., Мюллер, Т. К. М. и Кирхартц, Т. Потенциал эффективности фотоэлектрических материалов и устройств, выявленный с помощью детального анализа баланса. Phys. Rev. Appl. 7 , 044016 (2017). Это исследование представляет концепцию определения фотоэлектрического зазора солнечного элемента на основе EQE элемента .

Артикул Google Scholar

5.

Wang, Y. et al. Оптические промежутки органических солнечных элементов как эталон для сравнения потерь напряжения. Adv. Energy Mater. 8 , 1801352 (2018).

Артикул Google Scholar

6.

Маркварт Т. Термодинамика оптических свойств. J. Opt. А 10 , 015008 (2008).

Артикул Google Scholar

7.

Херст, Л. К. и Экинс-Даукс, Н. Дж. Фундаментальные потери в солнечных элементах. Прог. Фотовольт. 19 , 286–293 (2011). В этой статье представлены аналитические выражения для фундаментальных потерь в солнечных элементах .

Артикул Google Scholar

8.

Миллер О. Д., Яблонович Э. и Курц С. Р. Сильная внутренняя и внешняя люминесценция при приближении солнечных элементов к пределу Шокли – Кейсера. IEEE J. Photovolt. 2 , 303–311 (2012).

Артикул Google Scholar

9.

Рау У. Связь взаимности между фотоэлектрической квантовой эффективностью и электролюминесцентным излучением солнечных элементов. Phys. Ред. B 76 , 085303 (2007).

Артикул Google Scholar

10.

Green, M. A. et al. Таблицы эффективности солнечных элементов (версия 53). Прог. Фотовольт. 27 , 3–12 (2019). В этой статье представлены параметры солнечных элементов для современных элементов .

Артикул Google Scholar

11.

Шнитцер И., Яблонович Э., Кано К. и Гмиттер Т. Дж. Сверхвысокая квантовая эффективность спонтанного излучения, 99.7% внутри и 72% снаружи из двойных гетероструктур AlGaAs / GaAs / AlGaAs. Заявл. Phys. Lett. 62 , 131–133 (1993).

CAS Статья Google Scholar

12.

Грин, М. А. Радиационная эффективность современных фотоэлектрических элементов. Прог. Фотовольт. 20 , 472–476 (2012).

CAS Статья Google Scholar

13.

Sheng, X. et al. Архитектура устройств для улучшенной рециркуляции фотонов в тонкопленочных многопереходных солнечных элементах. Adv. Energy Mater. 5 , 1400919 (2015).

Артикул Google Scholar

14.

Гейс, Дж. Ф., Штайнер, М. А., Гарсия, И., Курц, С. Р. и Фридман, Д. Дж. Повышенная эффективность внешнего излучения для однопереходных солнечных элементов GaInP с эффективностью 20,8%. Заявл. Phys. Lett. 103 , 041118 (2013).

Артикул Google Scholar

15.

Steiner, M. A. et al. Упорядочение CuPt в сплавах с высокой запрещенной зоной Ga _x In _{1- x} P на релаксированных ступенчатых марках GaAsP. J. Appl. Phys. 106 , 063525 (2009).

Артикул Google Scholar

16.

Грин М.А. и др. Таблицы эффективности солнечных элементов (версия 49). Прог. Фотовольт. 25 , 3–13 (2017).

Артикул Google Scholar

17.

Ванласс, М. Системы и методы для усовершенствованных сверхвысокопроизводительных солнечных элементов InP. Патент США US95B2 (2014).

18.

Грин, М. А., Эмери, К., Хисикава, Ю., Варта, В. и Данлоп, Е. Д. Таблицы эффективности солнечных элементов (версия 42). Прог. Фотовольт. 21 , 827–837 (2013).

Артикул Google Scholar

19.

Yoshikawa, K. et al. Кремниевый солнечный элемент на гетеропереходе с встречно-штыревыми тыловыми контактами для эффективности фотопреобразования более 26%. Nat. Энергетика 2 , 17032 (2017). В этом исследовании представлен эффективный (PCE = 26,6%) c-Si солнечный элемент с архитектурой IBC – SHJ.

CAS Статья Google Scholar

20.

Грин М.А. и др. Таблицы эффективности солнечных элементов (версия 52). Прог. Фотовольт. 26 , 427–436 (2018).

Артикул Google Scholar

21.

Taguchi, M. et al. Солнечный элемент HIT на тонкой кремниевой пластине с рекордной эффективностью 24,7%. IEEE J. Photovolt. 4 , 96–99 (2014).

Артикул Google Scholar

22.

Рихтер А., Хермл М. и Глунц С. В. Переоценка предельной эффективности солнечных элементов из кристаллического кремния. IEEE J. Photovolt. 3 , 1184–1191 (2013).

Артикул Google Scholar

23.

Trupke, T., Zhao, J., Wang, A., Corkish, R. & Green, M.A. Очень эффективное излучение света массивным кристаллическим кремнием. Заявл. Phys. Lett. 82 , 2996–44107 (2003).

CAS Статья Google Scholar

24.

Ян, Ю. М.и другие. Разработка высокоэффективного мультикристаллического кремния для фотоэлектрической промышленности. Прог. Фотовольт. 23 , 340–351 (2015).

CAS Статья Google Scholar

25.

Макдональд Д. и Герлигс Л. Дж. Рекомбинационная активность межузельного железа и точечных дефектов других переходных металлов в кристаллическом кремнии p- и n-типа. Заявл. Phys. Lett. 85 , 4061–4063 (2004).

CAS Статья Google Scholar

26.

Benick, J. et al. Высокоэффективные кремниевые солнечные элементы HP mc n-типа. IEEE J. Photovolt. 7 , 1171–1175 (2017).

Артикул Google Scholar

27.

Кирилэ А. и др. Модификация поверхности тонких пленок Cu (In, Ga) Se ₂ под действием калия для высокоэффективных солнечных элементов. Nat.Матер. 12 , 1107–1111 (2013).

Артикул Google Scholar

28.

Чантана, Дж., Като, Т., Сугимото, Х. и Минемото, Т. Тонкопленочный Cu (In, Ga) (Se, S) _{2 Солнечный элемент на основе} с (Cd, Zn) S буферный слой и Zn _{1- x} Mg _x O оконный слой. Прог. Фотовольт. 25 , 431–440 (2017).

CAS Статья Google Scholar

29.

Kato, T., Wu, J.-L., Hirai, Y., Sugimoto, H. & Bermudez, V. Рекордная эффективность тонкопленочных поликристаллических солнечных элементов до 22,9%, достигаемая обработкой Cs Cu (In, Ga) (Se, S) ₂ . IEEE J. Photovolt. 9 , 325–330 (2018).

Артикул Google Scholar

30.

Общество электронных устройств IEEE. Информационный бюллетень IEEE Electron Devices Society: основные моменты конференции IEEE Photovoltaic Specialists 2017. IEEE https://eds.ieee.org/images/files/newsletters/newsletter_oct17.pdf (2017).

31.

Poplawsky, J. D. et al. Структурная и композиционная зависимость фотоактивности слоя сплава CdTe _x Se _{1− x} в солнечных элементах на основе CdTe. Nat. Commun. 7 , 12537 (2016).

CAS Статья Google Scholar

32.

Паудель, Н.Р., Поплавски, Дж. Д., Мур, К. Л. и Ян, Ю. Текущее усовершенствование солнечных элементов на основе CdTe. IEEE J. Photovolt. 5 , 1492–1496 (2015).

Артикул Google Scholar

33.

Zhao, Y. et al. Монокристаллические солнечные элементы из CdTe с напряжением холостого хода более 1 В и КПД 17%. Nat. Энергетика 1 , 16067 (2016).

CAS Статья Google Scholar

34.

Gloeckler, M., Sankin, I. & Zhao, Z. Солнечные элементы с CdTe на пороге до 20% эффективности. IEEE J. Photovolt. 3 , 1389–1393 (2013).

Артикул Google Scholar

35.

Локанк М., Эггерт Р. и Редлингер М. Доступность индия: в настоящее время, в среднесрочной и долгосрочной перспективе. NREL https://www.nrel.gov/docs/fy16osti/62409.pdf (2015).

36.

Гокмен Т., Гунаван, О., Тодоров, Т. К., Митци, Д. Б. Зазор и ограничение эффективности в солнечных элементах с кестеритом. Заявл. Phys. Lett. 103 , 103506 (2013).

Артикул Google Scholar

37.

Ng, T. M. et al. Оптоэлектронные и спектральные характеристики монокристаллов Cu ₂ ZnSnS ₄ , выращенных методом переноса пара. J. Mater. Chem. А 5 , 1192–1200 (2017).

CAS Статья Google Scholar

38.

Yan, C. et al. Эффективность сульфидного кестерита выше 11% Cu ₂ Zn _x Cd _{1− x} SnS _{4 Солнечный элемент} : эффекты легирования кадмия. ACS Energy Lett. 2 , 930–936 (2017).

CAS Статья Google Scholar

39.

Кроник, Л., Cahen, D. & Schock, H. W. Влияние натрия на поликристаллический Cu (In, Ga) Se ₂ и его характеристики солнечного элемента. Adv. Матер. 10 , 31–36 (1998).

CAS Статья Google Scholar

40.

Наяк, П. К., Гарсия-Бельмонте, Г., Кан, А., Бискерт, Дж. И Кахен, Д. Пределы эффективности фотоэлектрических систем и материальный беспорядок. Energy Environ. Sci. 5 , 6022 (2012).

CAS Статья Google Scholar

41.

Ким С., Парк Дж. С. и Уолш А. Идентификация дефектов-убийц в тонкопленочных солнечных элементах кестерита. ACS Energy Lett. 3 , 496–500 (2018).

CAS Статья Google Scholar

42.

Снайт, Х. Дж. Текущее состояние и будущие перспективы перовскитной фотоэлектрической энергии. Nat. Матер. 17 , 372–376 (2018). Это недавний обзор галогенидных перовскитных материалов для оптоэлектронных приложений. .

CAS Статья Google Scholar

43.

Stranks, S. D. et al. Диффузионная длина электронных дырок более 1 микрометра в металлоорганическом тригалогенидном перовскитном поглотителе. Наука 342 , 341–344 (2013).

CAS Статья Google Scholar

44.

Edri, E. et al. Выяснение разделения носителей заряда и рабочего механизма CH ₃ NH ₃ PbI _{3− x} Cl _x перовскитных солнечных элементов. Nat. Commun. 5 , 3461 (2014).

Артикул Google Scholar

45.

Ceratti, D. R. et al. Самовосстановление внутри APbBr _{3 кристалла галогенидного перовскита} . Adv. Матер. 30 , 1706273 (2018).

Артикул Google Scholar

46.

Брандт, Р. Э., Стеванович, В., Джинли, Д. С. и Буонассиси, Т. Идентификация дефектоустойчивых полупроводников с высоким временем жизни неосновных носителей заряда: помимо гибридных перовскитов галогенида свинца. MRS Commun. 5 , 265–275 (2015).

CAS Статья Google Scholar

47.

Закутаев А. и др. Устойчивые к дефектам полупроводники для преобразования солнечной энергии. J. Phys. Chem. Lett. 5 , 1117–1125 (2014).

CAS Статья Google Scholar

48.

De Wolf, S. et al. Металлоорганические галогенидные перовскиты: острый край оптического поглощения и его связь с фотоэлектрическими характеристиками. J. Phys. Chem. Lett. 5 , 1035–1039 (2014).

Артикул Google Scholar

49.

Sutter-Fella, C. M. et al. Хвосты полосы и глубокие дефектные состояния в CH ₃ NH ₃ Pb (I _{1− x} Br _x ) ₃ перовскиты, выявленные с помощью субзонного фототока. ACS Energy Lett. 2 , 709–715 (2017).

CAS Статья Google Scholar

50.

Braly, I. L. et al. Гибридные перовскитные пленки приближаются к пределу излучения с квантовой эффективностью фотолюминесценции более 90%. Nat. Фотоника 12 , 355–361 (2018).

CAS Статья Google Scholar

51.

Tiedje, T. Предел рекомбинации хвоста полосы для выходного напряжения солнечных элементов из аморфного кремния. Заявл. Phys. Lett. 40 , 627–629 (1982). Эта статья демонстрирует влияние хвостовых состояний на эффективность солнечных элементов .

CAS Статья Google Scholar

52.

Liu, M. et al. Гибридные органические и неорганические чернила выравнивают энергетический ландшафт в твердых телах с коллоидными квантовыми точками. Nat. Матер. 16 , 258–263 (2017).

CAS Статья Google Scholar

53.

Swarnkar, A. et al. Индуцированная квантовыми точками фазовая стабилизация перовскита α-CsPbI ₃ для высокоэффективной фотовольтаики. Наука 354 , 92–95 (2016).

CAS Статья Google Scholar

54.

Sanehira, E. M. et al. Повышенная мобильность CsPbI _{3 матрицы квантовых точек} для высоковольтных фотоэлектрических элементов с рекордной эффективностью. Sci. Adv. 3 , eaao4204 (2017).

Артикул Google Scholar

55.

Mori, S. et al. Разработка органических фотоэлектрических модулей с инвертированной структурой устройства. Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 1737 , 26–31 (2015).

Артикул Google Scholar

56.

Yan, C. et al. Акцепторы нефуллеренов для органических солнечных элементов. Nat. Rev. Mater. 3 , 18003 (2018).

CAS Статья Google Scholar

57.

Маркус Р. А. Реакции переноса электрона в химии. Теория и эксперимент. Ред. Мод. Phys. 65 , 599–610 (1993).

CAS Статья Google Scholar

58.

Benduhn, J. et al. Собственные безызлучательные потери напряжения в органических солнечных элементах на основе фуллеренов. Nat. Энергетика 2 , 17053 (2017).

CAS Статья Google Scholar

59.

Nayak, P. K. et al. Влияние структурного порядка на параметры солнечного элемента, как показано на модели перехода SiC-органика. Energy Environ. Sci. 6 , 3272 (2013).

CAS Статья Google Scholar

60.

Qian, D. et al. Правила проектирования для минимизации потерь напряжения в высокоэффективных органических солнечных элементах. Nat. Матер. 17 , 703–709 (2018).

CAS Статья Google Scholar

61.

Чен, К. и Бредас, Дж. Л. Потери напряжения в органических солнечных элементах: понимание вклада внутримолекулярных колебаний в безызлучательные рекомбинации. Adv. Energy Mater. 8 , 1702227 (2018).

Артикул Google Scholar

62.

Jean, J. et al. Предел эффективности излучения с хвостовой частью полосы превышает 30% для солнечных элементов с квантовыми точками. ACS Energy Lett. 2 , 2616–2624 (2017).

CAS Статья Google Scholar

63.

Venkateshvaran, D. et al. Приближение беспорядочного транспорта в высокоподвижных сопряженных полимерах. Природа 515 , 384–388 (2014).

CAS Статья Google Scholar

64.

Грин М. А. Точность аналитических выражений для коэффициентов заполнения солнечных элементов. Солнечные элементы 7 , 337–340 (1982).

CAS Статья Google Scholar

65.

Oxford PV. Перовскитный солнечный элемент Oxford PV обеспечивает эффективность 28%. Oxford PV https: // www.oxfordpv.com/news/oxford-pv-perovskite-solar-cell-achieves-28-efficiency (2018).

66.

Хаксел Г. Б., Хедрик Дж. Б. и Оррис Г. Дж. Редкоземельные элементы: важнейшие ресурсы для высоких технологий: информационный бюллетень Геологической службы США 087–02. USGS https://pubs.usgs.gov/fs/2002/fs087-02/ (обновлено 17 мая 2005 г.).

67.

Chuangchote, S. et al. Обзор состояния окружающей среды, здоровья и безопасности фотоэлектрических установок CdTe на протяжении всего их жизненного цикла. First Solar http://www.firstsolar.com/-/media/First-Solar/Sustainability-Documents/Sustainability-Peer-Reviews/Thai-EHS-Peer-Review_EN.ashx (2012).

68.

CHEOPS. Первые результаты относительно воздействия на окружающую среду тандемных фотоэлектрических модулей перовскит / кремний. CHEOPS https://www.cheops-project.eu/news-in-brief/first-results-regarding-the-environmental-impact-of-perovskitesilicon-tandem-pv-modules (2017).

69.

Meng, L. et al. Органические и обработанные на растворе тандемные солнечные элементы с 17.КПД 3%. Наука 361 , eaat2612 (2018).

Артикул Google Scholar

70.

Экинс-Даукс, Н. Дж. И Херст, Л. К. в 24-й Европейской конференции по фотоэлектрической солнечной энергии . 457–461 (WIP-Мюнхен, 2009 г.).

71.

Грин, М. А., Эмери, К., Хисикава, Ю., Варта, В. и Данлоп, Е. Д. Таблицы эффективности солнечных элементов (версия 40). Прог. Фотовольт. 20 , 606–614 (2012).

Артикул Google Scholar

72.

Грин, М. А., Эмери, К., Хисикава, Ю., Варта, В. и Данлоп, Е. Д. Таблицы эффективности солнечных элементов (версия 47). Прог. Фотовольт. 24 , 3–11 (2016).

Артикул Google Scholar

73.

Адачи, Д., Эрнандес, Дж. Л. и Ямамото, К. Влияние рекомбинации носителей на коэффициент заполнения для солнечного элемента из кристаллического кремния с гетеропереходом большой площади с 25.КПД 1%. Заявл. Phys. Lett. 107 , 233506 (2015).

Артикул Google Scholar

74.

Green, M. A. et al. Таблицы эффективности солнечных элементов (версия 50). Прог. Фотовольт. 25 , 668–676 (2017).

Артикул Google Scholar

75.

Кодзима А., Тешима К., Шираи Ю. и Миясака Т. Металлоорганические перовскиты на основе галогенидов металлов в качестве сенсибилизаторов видимого света для фотоэлектрических элементов. J. Am. Chem. Soc. 131 , 6050–6051 (2009).

CAS Статья Google Scholar

76.

Kim, H.-S. и другие. Твердотельный субмикронный тонкопленочный мезоскопический солнечный элемент, сенсибилизированный перовскитом иодидом свинца, с эффективностью более 9%. Sci. Отчет 2 , 591 (2012).

Артикул Google Scholar

77.

Ли, М. М., Тойшер, Дж., Миясака, Т., Мураками, Т. Н. и Снайт, Х. Дж. Эффективные гибридные солнечные элементы на основе мезо-надстройки металлоорганических галогенидных перовскитов. Наука 338 , 643–647 (2012).

CAS Статья Google Scholar

78.

Gong, W. et al. Влияние энергетического беспорядка на излучение электролюминесценции в полимерно-фуллереновых солнечных элементах. Phys. Ред. B 86 , 024201 (2012).

Артикул Google Scholar

79.

Liu, J. et al. Быстрое разделение заряда в нефуллереновом органическом солнечном элементе с небольшой движущей силой. Nat. Энергетика 1 , 16089 (2016).

CAS Статья Google Scholar

80.

Грин, М. А., Эмери, К., Хисикава, Ю., Варта, В. и Данлоп, Е. Д. Таблицы эффективности солнечных элементов (версия 44). Прог. Фотовольт. 22 , 701–710 (2014).

Артикул Google Scholar

81.

Green, M. A. et al. Таблицы эффективности солнечных элементов (версия 51). Прог. Фотовольт. 26 , 3–12 (2018).

Артикул Google Scholar

82.

Грин, М. А., Эмери, К., Хисикава, Ю., Варта, В. и Данлоп, Е. Д. Таблицы эффективности солнечных элементов (версия 45). Прог. Фотовольт. 23 , 1–9 (2015).

Артикул Google Scholar

Текущие и будущие инновации в технологиях солнечных элементов — PreScouter

Солнечная энергия, третий по величине возобновляемый источник энергии после гидроэнергетики и ветра, стала чистой, устойчивой и мощной альтернативой ископаемым видам топлива. Солнечный свет, падающий на Землю, более чем в 10 000 раз превышает общее потребление энергии в мире, и стремительно развиваются технологии, позволяющие получить как можно больше солнечной энергии.С момента появления первых коммерческих кремниевых (Si) солнечных панелей, созданных Bell Laboratories в 1954 году, наиболее распространенные технологии сегодня используют различные формы солнечных элементов на основе Si и преобразуют до 20% солнечного света в электричество.

Согласно анализу рынка МЭА, производство солнечных фотоэлектрических элементов (PV) — процесса преобразования солнечного света в электричество — достигло 720 ТВтч в 2019 году с 585 ТВтч в 2018 году и, как ожидается, вырастет до 1940 ТВтч к 2025 году. Текущий максимум мировая мощность солнечной энергии составляет 592 ГВт, что составляет 2.2% в мировом производстве электроэнергии.

Какие современные и будущие инновационные материалы?

Типичный солнечный элемент состоит из полупроводниковых материалов, таких как кремний p- и n-типа, со слоистым p-n переходом, подключенным к внешней цепи. Освещение панелей солнечным светом вызывает выброс электронов из кремния. Выброшенные электроны под действием внутреннего электрического поля создают поток через p-n-переход и внешнюю цепь, в результате чего возникает ток (электричество).В условиях стремительно растущего рынка и развития творческих приложений НИОКР в области инновационных материалов для солнечной энергии достигли своего пика, чтобы достичь максимальной эффективности преобразования солнечной энергии в электричество при низких затратах. Три типа хорошо изученных на сегодняшний день полупроводниковых материалов — это кристаллический Si, тонкие пленки и перовскитные солнечные элементы (PSC) нового поколения.

Кристаллический кремний

Кристаллический кремний (c-Si) — наиболее часто используемый полупроводниковый материал в солнечных панелях, занимающий более 90% мирового рынка фотоэлектрических систем, хотя эффективность значительно ниже теоретического предела (~ 30%).Появляются солнечные батареи из альтернативных недорогих и высокоэффективных материалов.

Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL) ведет разработку высокоэффективных кристаллических фотоэлектрических элементов, которые включают многопереходные материалы III-V (с целевой эффективностью> 30%) и гибридные тандемные солнечные элементы III-V / Si. Их солнечные элементы III-V с шестью переходами достигли эффективности 47,1% при концентрированном свете. Более того, двусторонняя технология на основе кремния может собирать солнечную энергию с обеих сторон панели, что на 11% больше эффективности по сравнению со стандартными панелями.

Двусторонние модули Lumos Solar GSX. Источник: Solar Power World.

Тонкие пленки

Тонкопленочные солнечные элементы второго поколения кажутся одной из самых многообещающих фотоэлектрических технологий благодаря своей узкой конструкции (в 350 раз меньше светопоглощающих слоев по сравнению со стандартными Si-панелями), легкому весу, гибкости и простоте установки. Обычно в их конструкции используются четыре типа материалов: теллурид кадмия (CdTe), аморфный кремний, селенид меди-индия-галлия (CIGS) и арсенид галлия (GaAs).В то время как CdTe вызывает опасения по поводу токсичности из-за кадмия, солнечные элементы CIGS оказываются более многообещающими высокоэффективными и экономичными вариантами как для жилых, так и для коммерческих установок с эффективностью до 21%.

Гибкий тонкий солнечный элемент CIGSe (Cu (In, Ga) (Se) 2) производства Solarion AG. Источник: Википедия.

Ascent Solar — один из ведущих игроков в производстве высокопроизводительных модулей CIGS, с их сверхлегкими и экстремальными технологиями CIGS, которые используются в космическом, аэрокосмическом, государственном и государственном секторах.

Перовскитовые солнечные элементы

Среди солнечных элементов следующего поколения гибридные металлогалогенные перовскитные солнечные элементы (PSC) привлекли большое внимание из-за их низкой цены, более тонкой конструкции, низкотемпературной обработки и отличных светопоглощающих свойств (хорошие характеристики при низких и низких температурах). рассеянный свет). PSC могут быть гибкими, легкими и полупрозрачными. Примечательно, что тонкие пленки из перовскита также могут быть напечатаны, что приводит к масштабируемому высокопроизводительному производству, а недавний PSC с печатью с рулона на рулон достиг 12.КПД 2%, самый высокий среди печатных PSC.

Примечательно, что комбинированные материалы из перовскита и Si-PV показали рекордную эффективность до 28% в лабораторных условиях, как продемонстрировала Oxford PV. В то время как стабильность и долговечность оставались серьезной проблемой, недавняя недорогая система герметизации стеклопластиковой стопкой позволила PSC выдерживать стандартные условия эксплуатации. Хотя PSC все еще не коммерциализированы, они обладают значительными экономическими и эффективными преимуществами, которые определяют будущее рынка солнечной энергии.

Источник: Oxford PV.

В чем заключаются прорывные технологии интегративных солнечных элементов?

Помимо инновационных материалов, появляются также творческие методы получения максимальной солнечной энергии. Например, швейцарский стартап Insolight использует интегрированные линзы в качестве оптических усилителей в защитном стекле панелей, чтобы концентрировать световые лучи в 200 раз при достижении эффективности 30%.

Другой недавней разработкой является разработка прототипов термоизлучательных фотоэлектрических устройств или реверсивных солнечных панелей, которые могут генерировать электроэнергию в ночное время, используя тепло, излучаемое панелями в оптически связанный глубокий космос, который служит радиатором.

Графический аннотация, показывающая, как работает концепция обратных солнечных панелей. Источник: Cell.

Интересно, что наряду с инновационными материалами, интеграционные приложения, отличные от стандартных крышных установок, также растут и в настоящее время находятся в зачаточном состоянии. Например, солнечная дистилляция может собирать солнечную энергию, используя рассеянное тепло от панелей для очистки воды, если имеется встроенная мембранная перегонная установка.

Другой преобразующей технологией будущего могут стать солнечные краски, которые включают водород для солнечной краски (генерирует энергию от фотоэлектрического расщепления воды), квантовые точки (фотоэлектрическая краска) и краски на основе перовскита.

Кроме того, прозрачные солнечные окна представляют собой весьма инновационное применение, и компания Ubiquitous Energy достигла 10% эффективности преобразования солнечной энергии в электричество благодаря своим прозрачным материалам. Демонстрацию из Университета штата Мичиган, пионера этой технологии, можно увидеть в этом видео:

В связи с быстрым развитием недорогих высокопроизводительных полупроводниковых материалов, компактных тонких пленок и легко устанавливаемых технологий ожидается, что в ближайшие пять лет рынок солнечной энергии будет бурно развиваться.Несмотря на спад, вызванный пандемией, ожидаемое снижение затрат на солнечные установки с 15% до 35% к 2024 году обнадеживает и может сделать эту возобновляемую энергию более доступной.

Если у вас есть какие-либо вопросы или вы хотите узнать, можем ли мы помочь вашему бизнесу с его инновационными проблемами, свяжитесь с нами здесь или напишите нам по адресу [email protected].

Об авторе

Туфан Мухопадхьяй

Туфан в душе химик-синтетик с 10-летним опытом исследований в области органической и металлоорганической химии.Он специализируется на химическом катализе и разработке методов органических реакций. Хотя он страстно желает разрабатывать более экологичные и устойчивые процессы фармацевтического синтеза, ему нравится учиться и писать об инновационных технологиях. Будущие интересы Tufan лежат в области фармацевтики, устойчивого развития и хранения возобновляемой энергии. Ему нравится сообщать науку через обучение, руководство и письмо.

Фотогальваника и электричество — U.S. Управление энергетической информации (EIA)

Фотоэлектрические элементы преобразуют солнечный свет в электричество

Фотоэлектрический элемент, обычно называемый солнечным элементом, представляет собой немеханическое устройство, которое преобразует солнечный свет непосредственно в электричество. Некоторые фотоэлементы могут преобразовывать искусственный свет в электричество.

Фотоны переносят солнечную энергию

Солнечный свет состоит из фотонов или частиц солнечной энергии. Эти фотоны содержат разное количество энергии, которое соответствует разным длинам волн солнечного спектра.

Фотоэлемент изготовлен из полупроводникового материала. Когда фотоны попадают в фотоэлектрическую ячейку, они могут отражаться от нее, проходить через ячейку или поглощаться полупроводниковым материалом. Только поглощенные фотоны дают энергию для выработки электричества. Когда полупроводниковый материал поглощает достаточно солнечного света (солнечной энергии), электроны вытесняются из атомов материала. Специальная обработка поверхности материала во время производства делает переднюю поверхность ячейки более восприимчивой к смещенным или свободным электронам, так что электроны естественным образом мигрируют на поверхность ячейки.

Поток электроэнергии

Движение электронов, каждый из которых несет отрицательный заряд, к передней поверхности элемента создает дисбаланс электрического заряда между передней и задней поверхностями элемента. Этот дисбаланс, в свою очередь, создает потенциал напряжения, подобный отрицательному и положительному полюсу батареи. Электрические проводники на ячейке поглощают электроны. Когда проводники соединены в электрической цепи с внешней нагрузкой, такой как батарея, в цепи течет электричество.

Эффективность фотоэлектрических систем зависит от типа фотоэлектрической технологии

Эффективность, с которой фотоэлементы преобразуют солнечный свет в электричество, зависит от типа полупроводникового материала и технологии фотоэлементов. Эффективность имеющихся в продаже фотоэлектрических модулей в среднем составляла менее 10% в середине 1980-х годов, увеличилась примерно до 15% к 2015 году и сейчас приближается к 20% для современных модулей. Экспериментальные фотоэлементы и фотоэлементы для нишевых рынков, таких как космические спутники, достигли почти 50% эффективности.

Как работают фотоэлектрические системы

Фотоэлектрическая ячейка является основным строительным блоком фотоэлектрической системы. Размер отдельных ячеек может варьироваться от примерно 0,5 дюйма до примерно 4 дюймов в поперечнике. Однако одна ячейка производит только 1 или 2 Вт, что достаточно для небольших нужд, например, для питания калькуляторов или наручных часов.

Фотоэлементы

электрически соединены в корпусном, водонепроницаемом фотоэлектрическом модуле или панели. Фотоэлектрические модули различаются по размеру и количеству электроэнергии, которую они могут производить.Вырабатывающая мощность фотоэлектрического модуля увеличивается с увеличением количества ячеек в модуле или площади поверхности модуля. Фотоэлектрические модули могут быть соединены в группы, чтобы сформировать фотоэлектрический массив. Массив фотоэлектрических модулей может состоять из двух или сотен фотоэлектрических модулей. Количество фотоэлектрических модулей, подключенных к фотоэлектрической матрице, определяет общее количество электроэнергии, которое может генерировать массив.

Фотоэлектрические элементы вырабатывают электричество постоянного тока (DC). Это электричество постоянного тока можно использовать для зарядки батарей, которые, в свою очередь, приводят в действие устройства, использующие электричество постоянного тока.Почти вся электроэнергия поставляется в виде переменного тока (AC) в системах передачи и распределения электроэнергии. Устройства, называемые инверторами , используются на фотоэлектрических модулях или в массивах для преобразования электричества постоянного тока в электричество переменного тока.

фотоэлементов и модулей производят наибольшее количество электроэнергии, когда они обращены прямо к солнцу. Фотоэлектрические модули и массивы могут использовать системы слежения, которые перемещают модули так, чтобы они постоянно смотрели на солнце, но эти системы дороги. Большинство фотоэлектрических систем имеют модули в фиксированном положении, при этом модули обращены прямо на юг (в северном полушарии — прямо на север в южном полушарии) и под углом, который оптимизирует физические и экономические характеристики системы.

Солнечные фотоэлектрические элементы сгруппированы в панели (модули), и панели могут быть сгруппированы в массивы разного размера для выработки небольшого или большого количества электроэнергии, например, для питания водяных насосов для воды для скота, для электроснабжения домов или коммунальных услуг. -масштабное производство электроэнергии.

Источник: Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (защищено авторским правом)

Применение фотоэлектрических систем

Самые маленькие калькуляторы мощности и наручные часы для фотоэлектрических систем.Более крупные системы могут обеспечивать электричеством перекачку воды, питание коммуникационного оборудования, электроснабжение одного дома или предприятия или формировать большие массивы, которые поставляют электричество тысячам потребителей электроэнергии.

• Фотоэлектрические системы могут поставлять электроэнергию в местах, где отсутствуют системы распределения электроэнергии (линии электропередач), а также они могут поставлять электроэнергию в электросеть.
Массивы
• PV могут быть установлены быстро и могут быть любого размера.
• Воздействие фотоэлектрических систем, установленных на зданиях, на окружающую среду минимально.

Источник: Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (защищено авторским правом)

Источник: Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (защищено авторским правом)

История фотовольтаики

Первый практический фотоэлектрический элемент был разработан в 1954 году исследователями Bell Telephone. Начиная с конца 1950-х годов, фотоэлементы использовались для питания U.С. Космические спутники. К концу 1970-х фотоэлектрические панели обеспечивали электроэнергией удаленные или внесетевые места, где не было линий электропередач. С 2004 года большинство фотоэлектрических систем в Соединенных Штатах Америки подключено к сети — они подключены к электросети — и установлены на / или рядом с домами и зданиями, а также на объектах энергоснабжения коммунальных предприятий. Технологический прогресс, снижение затрат на фотоэлектрические системы, а также различные финансовые стимулы и государственная политика помогли значительно расширить использование фотоэлектрических систем с середины 1990-х годов.Сотни тысяч подключенных к сети фотоэлектрических систем сейчас установлены в Соединенных Штатах.

Управление энергетической информации США (EIA) оценивает, что производство солнечной электроэнергии на фотоэлектрических электростанциях коммунального масштаба увеличилось с 76 миллионов киловатт-часов (кВтч) в 2008 году до примерно 88 миллиардов кВтч в 2020 году. По оценкам EIA, около 42 миллиардов кВтч вырабатывались малыми предприятиями. -масштабируйте подключенные к сети фотоэлектрические системы в 2020 году по сравнению с 11 млрд кВтч в 2014 году. Электростанции коммунального масштаба имеют мощность производства электроэнергии не менее 1000 киловатт (или один мегаватт (МВт), а малые системы вырабатывают менее одного мегаватта) вместимость.Большинство небольших фотоэлектрических систем расположены на зданиях и иногда называются крышными фотоэлектрическими системами .

Последнее обновление: 26 марта 2021 г.

самых эффективных домашних солнечных панелей в наличии

Сколько солнечных панелей мне понадобится для дома?

Количество панелей, которые вам понадобятся для вашего дома, будет зависеть от нескольких факторов. Самый простой способ сделать это — посмотреть на счет за электроэнергию, чтобы узнать о почасовом потреблении энергии в вашем доме, умножить это на количество часов пикового солнечного света для вашего дома (в среднем от 3 до 4 часов) и разделить на 300, что является средней мощностью для солнечные батареи (правда, их может быть от 150 до 370).

Часовое потребление энергии x пиковые часы солнечного света / 300 = количество панелей. Обычно это 17-42 панели.

Один простой способ ответить на вопрос «Сколько солнечных панелей мне нужно?» — позволить местному установщику солнечных батарей проверить ваш дом и дать вам расценки на размер системы (включая количество и мощность панелей), стоимость, а также расчетный годовой год и срок службы. экономия. Позвольте нашим консультантам по солнечной энергии подобрать для вас идеального установщика SunPower в вашем регионе. Подробнее об определении количества панелей читайте в нашем блоге.

Какой тип солнечной панели лучше всего?

Существует несколько типов солнечных батарей, но почти все домашние солнечные панели используют кристаллический кремний (монокристаллический или поликристаллический). Основное отличие — чистота кремния.

Монокристаллический кремний получают из монокристалла, а поликристаллический кремний получают путем плавления фрагментов кремния вместе. В монокристаллических панелях меньше примесей, поэтому электроны с меньшей вероятностью заблокируются перед тем, как уйти в электричество, поэтому эти панели «более эффективны» или лучше при превращении солнечного света в электричество.

SunPower производит монокристаллические солнечные панели с наивысшей эффективностью. Наша X22 имеет рекордную эффективность до 22,8%, что делает ее самой производительной панелью на рынке сегодня. Эффективность поликристаллических панелей обычно составляет от 15 до 17 процентов.

Подробнее о типах солнечных батарей читайте в нашем блоге.

Почему важны высокоэффективные солнечные панели?

Больше мощности при меньшем пространстве. Высокий рейтинг эффективности гарантирует, что ваша солнечная система будет вырабатывать больше электроэнергии с меньшим количеством панелей на вашей крыше.Меньшее количество панелей при большей мощности отлично подходят для крыш меньшего размера, а также для сохранения привлекательности бордюра на крышах большего размера. Кроме того, с меньшим количеством высокоэффективных панелей у вас будет место для расширения солнечной системы, если вы приобретете электромобиль или добавите к своему дому. Прямо сейчас SunPower производит солнечные панели с эффективностью более 22 процентов, что является самой высокой эффективностью на сегодняшний день.

Использование меньшего количества материалов на ватт также отлично подходит для поддержания жизни нашей планеты. Фактически, это двойная выгода, потому что для построения системы требуется меньше энергии, а больше солнечной энергии вырабатывается более быстрыми темпами.

Подробнее об эффективности солнечных батарей читайте в нашем блоге.

Изнашиваются ли солнечные панели со временем?

Короче да. Ваша крыша — не очень гостеприимное место, поэтому обычные солнечные батареи со временем теряют мощность из-за коррозии и поломки. Для экономии средств эти солнечные панели обычно изготавливаются из менее прочной конструкции и материалов. В наших запатентованных солнечных элементах Maxeon® используется металлический фундамент для поддержки кремниевых и резервных соединений, что делает их почти непроницаемыми для коррозии и поломок.

Plus, всесторонние сторонние исследования оценивают панели SunPower №1 по долговечности и доказывают, что они разрушаются медленнее, чем обычные солнечные батареи. Вот почему мы предлагаем лучшую в отрасли гарантию и прогнозируем, что срок службы наших панелей составит более 40 лет.

Не отказывайтесь от слов. Наши солнечные элементы используются в суровых условиях, например, на луноходе НАСА, путешествующем по полярной ледяной шапке, и могут противостоять соленой воде на лодках, работающих на солнечной энергии. Кроме того, они привели в действие единственный самолет на солнечных батареях, который летал по всему миру.

8 технологий солнечных панелей для повышения эффективности

Вы рассматриваете возможность использования солнечной энергии в своем доме, но сомневаетесь, стоит ли она того? Возможно, вы слышали, что лучшие солнечные панели на рынке достигают эффективности «всего» 23%.

Исследователи разработали множество технологий, повышающих эффективность фотоэлектрических систем. К счастью для потребителей, заботящихся об энергии, они становятся стандартными функциями для многих брендов солнечных панелей, продающих солнечные элементы как первого, так и второго поколения.

Технологии солнечных панелей для повышения эффективности

Вот краткий обзор основных достижений фотоэлектрической технологии в области эффективности на сегодняшний день, а также взгляд в будущее фотоэлектрической энергетики.

1. Задний элемент пассивированного эмиттера (PERC)

Как тонкопленочная технология, разработанная в 80-х годах, PERC представляет собой дополнительную технологию, направленную на повышение эффективности солнечных элементов первого поколения.

В этой технологии на заднюю часть кристаллического кремниевого элемента наносятся два слоя.Они усиливают движение электронов в клетке. Они также отражают свет, который прошел через элемент в первый раз, на поверхность, чтобы его можно было преобразовать в полезное электричество.

PERC обеспечивает повышение эффективности на 1%, что, по общему признанию, в лучшем случае скромно.

Кроме того, солнечные элементы PERC подвержены определенному типу деградации, называемому «деградация, вызванная светом и повышенной температурой» (LeTID), что со временем снижает эффективность.

Одно исследование показало, что за 2–3 года PERC может потерять до 20% эффективности.

Надеюсь, дальнейшие разработки исправят проблему снижения эффективности с помощью PERC. А пока проверьте свою гарантию, чтобы узнать, покрывается ли ваша система с усовершенствованным PERC покрытием от потери питания. Ищите 83 +% / 25 лет. гарантия мощности или выше. (То есть через 25 лет ваша солнечная система вырабатывает более 83% своей первоначальной выходной мощности.)

2. Технология гетероперехода (HJT)

Стремясь повысить эффективность и выходную мощность фотоэлементов, Sanyo (позже Panasonic) в 1980-х годах разработала технологии гетероперехода (HJT).После истечения срока действия патента в 2010 году многие солнечные компании провели исследования HJT для повышения эффективности панелей. Они хотели интегрировать этот прогресс в свои собственные продукты.

Многие панели с высочайшей эффективностью, представленные сегодня на рынке, такие как серия Alpha от REC Group, используют эту технологию.

В HJT тонкопленочный слой аморфного Si (a-SI) — без регулярной кристаллической структуры — добавляется на обеих сторонах моно-Si или поли-Si. Эти дополнительные слои фотоэлектрического материала могут улавливать солнечную энергию, которую не поглотила кремниевая пластина.Тогда больше солнечной энергии можно будет преобразовать в электричество.

Тонкие пленки легко производить и они дешевле, чем солнечные элементы первого поколения. Сами по себе они не очень эффективны и составляют около 12%. Но когда они используются в HJT, общая эффективность фотоэлектрических систем увеличивается — часто до 21% или более.

Это сопоставимо с лучшими солнечными панелями на рынке сегодня.

HJT требует меньшего количества этапов производства, чем другие технологии, используемые для повышения эффективности, и поэтому дешевле, чем многие из них, включая PERC.

Тот факт, что аморфный Si хорошо работает при нагревании, в то время как панели из кристаллического кремния нет, является основным фактором в их способности повышать эффективность в HJT. PERC, напротив, страдает от разложения света и тепла.

3. Технология полуэлементов

Знаете ли вы, что 20-30% затенения могут снизить выходную мощность одного модуля до 40%? Это потеря энергии для вас.

Затенение определенной панели и потеря мощности из-за нее — проблема с солнечной энергией.Это не то же самое, что затенение нескольких панелей. Для решения этой проблемы требуется что-то вроде микроинвертора.

Обходные диоды

значительно помогают решить проблему эффективности или потери мощности из-за затенения в одной ячейке, но это не повредит дополнительной безопасности. Это обеспечивает технология половинных ячеек.

В основе технологии полуэлементов лежит принцип, согласно которому большее количество фотоэлементов означает меньшее сопротивление потоку электронов в цепи. Так, например, типичный модуль на 60 ячеек будет иметь 120 полуячеек, каждая из которых разделена на две части, с только половиной сопротивления.

Это означает меньшее сопротивление электрическому току, движущемуся в вашем массиве, и, следовательно, немного большую эффективность.

Технология Half-Cell может повысить общую эффективность панели до 2-3%.

Последние достижения в области повышения эффективности солнечных панелей

Поиск способов повышения эффективности и выходной мощности фотоэлектрических массивов при одновременном снижении затрат продолжался с тех пор, как солнечная энергия стала жизнеспособным вариантом возобновляемой энергии.

По мере того, как наш климатический кризис усиливается, исследование технологий, не оказывающих неблагоприятного воздействия на окружающую среду, также становится приоритетной задачей.

Итак, неудивительно, что сегодня на рынке появляется широкий спектр фотоэлектрических приложений.

Вот несколько солнечных батарей, которые домовладельцы могут приобрести прямо сейчас, отдельно или в сочетании с другими солнечными усовершенствованиями. Они открывают большие перспективы в использовании лучистой энергии для производства электричества.

4. Двусторонние солнечные панели

Обычные кристаллические панели из моно-Si или поли-Si подвергают воздействию солнечного света только одну сторону. Бифасия буквально раскрывает обе стороны.Исследования двусторонних лиц начались в 1960-х годах, но продолжались только в 2010-х.

Эффективность двусторонних панелей с отслеживанием солнечного излучения может увеличиваться до 40% по сравнению с моноличными панелями, но в большинстве случаев чаще наблюдается улучшение на 6–9%. (Отслеживание солнечной энергии включает в себя постоянную регулировку угла наклона фотоэлектрических панелей для улавливания большей части лучистой энергии в течение дня.)

У двусторонних лиц традиционно темный задний лист заменяется прозрачным материалом, обычно стеклом. Алюминиевая рама также часто отсутствует.

Двухсторонние солнечные панели против однофазных
Источник: lg.com

Двусторонние солнечные системы обычно монтируются на земле, чтобы позволить уже прошедшим световым лучам отражаться на задние фотоэлектрические панели.

В последние годы стоимость двусторонних панелей упала, став конкурентоспособными с монолицевыми панелями того же типа и качества. Сейчас они стоят примерно на 5-6 центов дороже за ватт, чем их обычные аналоги.

5. Фотовольтаика, встроенная в здание (BIPV)

Наиболее распространенным примером BIPV является солнечная черепица, впервые поступившая в продажу в 2005 году.Это солнечные батареи, которые заменяют битумную черепицу на вашей крыше. Каждый может легко произвести 60 Вт. Некоторые бренды вырабатывают до 100 Вт электроэнергии на гальку.

Технология BIPV в публичной библиотеке Тайбэя
Источник: Wikimedia / Littleha

Солнечная черепица может быть моно- или поли-Si. Тонкопленочные технологии также используются в BIPV.

В настоящее время солнечная черепица неэкономична, если вы не готовы заменить крышу. После налоговой скидки солнечная черепица может стоить 2,83 доллара за ватт.

6. Концентрационный фотоэлектрический элемент (CPV)

Используя оптические коллекторы, такие как линзы и зеркала, CPV концентрирует солнечный свет и фокусирует его на небольшом фотоэлектрическом элементе. Обычно солнечные батареи предназначены для использования в космосе или в военных целях и способны выдерживать высокие температуры. Для наивысшего КПД (пока около 30% в полевых условиях, но до 43% в лаборатории) используются многопереходные солнечные элементы.

Для того, чтобы эта система максимально эффективно использовала максимальное количество прямого излучения, необходимо двухосное устройство слежения за солнечным светом с активным охлаждением, чтобы избежать теплового повреждения материалов.Входящие световые лучи всегда должны оставаться перпендикулярно линзе.

Фотоэлектрическая система питания
Источник: Brücke-Osteuropa — через Wikimedia Commons

CPV не очень популярен для использования в жилых помещениях по многим причинам, несмотря на невероятную эффективность, которой он обладает.

Например, CPV стоит в 2,5–4 раза дороже в установке, чем традиционные кремниевые панели. Хорошо работает только в ясные солнечные дни, а трекерам нужно много места. Затраты на техническое обслуживание также высоки.

Исследования по повышению эффективности солнечных панелей [2021]

Солнечные панели третьего и четвертого поколений стремительно развиваются, поскольку ученые стремятся повысить эффективность кремниевых фотоэлементов, превышающую теоретический предел 33%.Они также надеются минимизировать затраты — как материальные, так и экологические.

Среди наиболее перспективных — широкий спектр многопереходных солнечных элементов и перовскитов.

7. Многопереходные солнечные элементы

Многопереходные солнечные элементы, также называемые пакетными, имеют большую эффективность, чем однопереходные. До сих пор эффективность около 45% часто достигается в лабораторных условиях.

Они кажутся ярким дополнением к революции в области чистой энергии и сегодня находят коммерческое применение в космических технологиях.Однако многофункциональные устройства по-прежнему очень дороги и еще не доступны для использования в жилых помещениях.

Многопереходные фотоэлементы основаны на том факте, что разные полупроводниковые материалы поглощают солнечное излучение на разных длинах волн. Однако, чтобы заставить их работать вместе, просто сложить два, три или более материала недостаточно. Зачастую они слишком различаются по конструкции.

На данный момент исследователи придумали два решения, как заставить работать сложенные ячейки.Во-первых, они могут создавать туннельные переходы через слои, в которые движутся электроны.

Или они могут использовать различные полупроводниковые материалы, которые могут легко химически связываться друг с другом. Энергия циркулирует через химические соединения, делая материалы электрически связанными.

Самый высокий КПД фотоэлементов с несколькими переходами в лаборатории на сегодняшний день достиг 47,1% при использовании шести многопереходных элементов.

8. Перовскитовые солнечные элементы

Перовскиты — общее название большой группы химических соединений со структурой, подобной природному веществу под названием титанат кальция.Их легко и недорого производить. Многие обладают прекрасными фотоэлектрическими способностями.

В 2012 году был создан первый тонкопленочный перовскит с КПД 10%. С тех пор быстрый прогресс позволил довести его до 25% в лабораторных условиях.

Тандемные элементы «Перовскит на кремнии» бьют рекорды с эффективностью 29,1%, и конца этому не видно. Прототип сохранял этот уровень эффективности в течение 300 часов. Учитывая, что современные перовскиты вообще не термостабильны, этот срок является необычным.

Конечно, перовскитам предстоит пройти долгий путь, прежде чем они смогут составить конкуренцию Si-элементам первого поколения, срок службы которых составляет более 25 лет с минимальной деградацией и потерей эффективности.

Заключение: технологии солнечных панелей, разработанные для повышения эффективности

В то время как солнечные элементы серьезно разрабатывались с 1950-х годов, в лаборатории также были опробованы несколько технологий, специально разработанных для повышения эффективности панелей. Многие из этих усовершенствований эффективности были внедрены в коммерческое производство спустя десятилетия.Сегодня они обычно используются на фотоэлементах первого и второго поколения.

За счет повышения эффективности с 1% до 10% + каждый, эти усовершенствования преобразуют больше лучистой энергии в полезную электроэнергию. Их можно использовать вместе или по отдельности.

Вот примеры некоторых из наиболее эффективных фотоэлектрических технологий для повышения эффективности:

Совсем недавно многопереходные солнечные элементы и перовскиты обладают большим потенциалом в достижении еще большей эффективности фотоэлектрических панелей.

Что нового в солнечной технологии на 2021 год?

С момента подписания закона о сокращении расходов 21 декабря ^st , 2020, перспективы солнечной энергетики никогда не выглядели лучше. Благодаря законопроекту о выделении более 35 миллиардов долларов сектору чистой энергии, потребители могут рассчитывать на значительные улучшения в солнечной технологии в течение 2021 года. Домовладельцы, желающие перейти на солнечную энергию в этом году, получат преимущества самых доступных цен, которые когда-либо появлялись на рынке, а также самые качественные и эффективные панели из когда-либо сделанных! Итак, давайте посмотрим, какие новые технологии мы можем ожидать в солнечной отрасли в 2021 году!

Самые эффективные панели на сегодняшний день…

В условиях более высокой конкуренции, чем когда-либо, компании, работающие в сфере солнечной энергетики, работают день и ночь, чтобы предоставить производителям конструкции для самых эффективных панелей, когда-либо появившихся на рынке.В 2015 году SunPower выпустила панель x-series-x22 с невероятной эффективностью — 22%. Эта единственная панель может преобразовывать чуть более солнечного света, который она получает, в электричество. Эта мощная панель была революционной в то время, но у нее были свои недостатки. Поскольку она была на несколько процентов эффективнее следующей по величине панели, она также была одной из самых дорогих солнечных панелей на рынке. С 2015 года компании и производители солнечных батарей стремятся преодолеть отметку в 22%.Oxford PV, компания, занимающаяся солнечными технологиями, разработала солнечные элементы, которые преобразуют более 28% получаемого солнечного света в электричество. Они обнаружили, что покрытие традиционных солнечных элементов тонким слоем кристаллического материала, называемого перовскитом, может увеличить выработку электроэнергии. Слой перовскита позволяет солнечным элементам поглощать большую часть солнечного спектра, чем традиционные кремниевые панели. Проблема в том, что они еще не выпустили на рынок всю панель, покрытую этим материалом. Однако компания надеется, что сможет производить и производить функционирующие панели, которые будут доступны компаниям, занимающимся установкой солнечных батарей по всему миру.Если эта технология окажется столь же успешной, как и ее первоначальные испытания, домовладельцы и предприятия, желающие перейти на солнечную энергию в 2021 году, смогут извлечь выгоду из самых эффективных панелей!

Перовскит (слева) и кремний (справа).

Самые доступные панели… , не секрет, что 2020 год был большим годом для солнечной индустрии! Благодаря процветанию во время изнурительной пандемии домовладельцы должны быть рады увидеть еще большее распространение солнечной энергии в 2021 году.По мере роста спроса на солнечную энергию сектор солнечной энергетики должен будет расти. Это означает, что десятки и даже сотни новых солнечных компаний охватят страну. Хотя это может быть не самой большой новостью для старых компаний, работающих в сфере солнечной энергетики, это отличная новость для домовладельцев, заинтересованных в использовании солнечной энергии. Постоянное усиление конкуренции приведет к падению цен на солнечную систему, что сделает 2021 год самым дешевым годом для перехода на солнечную энергию! Чтобы лучше понять падение цен на солнечную энергию из года в год, давайте взглянем на 2019 и 2020 годы.В 2019 году средняя стоимость ватта солнечной энергии составляла 1,41 доллара США. В прошлом году эта цифра упала до 1,33 доллара. Восемь центов могут показаться не очень большими, но когда вы подключаете эти данные к системе среднего размера 6000 ватт (8460 долларов в 2019 году по сравнению с 7980 долларов в 2018 году), с 2019 по 2020 год цена снижается почти на 500 долларов. снижалась каждый год в течение последнего десятилетия, а это означает, что в 2021 году обязательно произойдет значительное падение цен. Чтобы сделать ситуацию еще лучше, федеральные налоговые льготы были обновлены и будут оставаться на уровне 26% в течение следующих двух лет.Это означает, что 2021 год будет самым дешевым годом для перехода на солнечную энергию!

Что насчет резервного питания от солнечных батарей в 2021 году…

В связи с тем, что отключения электросети становятся все более распространенным явлением, десятки тысяч домовладельцев инвестируют в системы резервного питания от солнечных батарей, которые могут резервировать избыточную солнечную энергию для замены громоздких генераторов. К сожалению, эти резервные батареи дороги и неэффективны. Например, чтобы обеспечить электроэнергией средний дом во время отключения электроэнергии, домовладельцу потребуется приобрести несколько резервных аккумуляторов.Типичная солнечная батарея стоит от 5000 до 7000 долларов, что означает, что домовладельцу придется вложить 15000 долларов, чтобы получить эту дополнительную услугу. Хотя цены должны снижаться по мере роста спроса в обычных штатах, где отключено электричество, технологии еще предстоит пройти долгий путь, прежде чем она станет рентабельной. Ожидайте, что Tesla Powerwall станет все более популярной, а бренды, работающие в сфере солнечной энергетики, выпустят свои первые версии резервного питания от солнечной энергии.

Инновационные и футуристические солнечные устройства…

Теперь, когда у нас есть лучшее представление о том, как цены и эффективность солнечных панелей будут затронуты в 2021 году, давайте взглянем на некоторые из последних и величайших солнечных технологий, которые разрабатываются или будут вероятно, появится на рынке в ближайшие годы.

Solar Skin — Solar Skin — это развивающаяся технология, созданная двумя инженерами Массачусетского технологического института, которая позволяет домовладельцам настраивать внешний вид своих панелей. Вместо того, чтобы иметь эстетически неприятные черные панели на крышах, домовладельцы теперь могут сочетать свои панели с черепицей, добавлять узоры и даже включать искусство в свой солнечный дизайн!

Солнечная ткань — Впервые солнечная энергия станет частью нашей повседневной одежды. Благодаря тому, что каждое волокно поглощает энергию солнца, солнечная ткань позволяет владельцу вырабатывать электричество для зарядки телефона, согревания и доступа к электричеству в пути.

Portable Solar — Портативные солнечные панели не являются новой технологией ни по каким стандартам. Однако эти портативные панели становятся все более мощными и доступными для повседневного потребителя. Портативная солнечная энергия позволяет пользователям получать электричество вне сети.

Солнечные океанические фермы — Все мы знакомы с сегодняшними огромными солнечными фермами в пустыне, но большая часть общественности не знает, что солнечные океанские фермы находятся в разработке. Эти плавучие острова солнечных панелей смогут производить огромное количество энергии и играть большую роль в развитии возобновляемых источников энергии по всему миру.

Solar Car — По мере того, как солнечная энергия становится все более эффективной и компактной, некоторые компании, производящие электромобили, стремятся встраивать панели в крыши своих автомобилей. Некоторые компании пошли еще дальше и даже сделают солнечную батарею одной из основных характеристик своих автомобилей. Например, Aptera выпускает в 2021 году автомобиль, который будет использовать солнечную батарею, чтобы дать водителю дополнительные 40 миль пробега в день!

Солнечные шумозащитные экраны — Чтобы предотвратить неприятный транспортный шум, Министерство энергетики США пытается приспособить шумозащитные барьеры протяженностью 3000 миль на шоссе в качестве возобновляемого источника энергии.Новые конструкции будут включать солнечные панели в шумоизоляционные стены, которые, по прогнозам, будут производить достаточно электроэнергии для питания 37 000 домов.

Солнечная энергия в ночное время — Как мы все знаем, солнечные панели не могут вырабатывать электроэнергию в ночное время. Исследователи из Калифорнийского университета утверждают, что они обнаружили новый солнечный элемент, способный генерировать электричество в ночное время. Хотя он производит только около четверти энергии, производимой солнечным элементом в течение дня, он привносит в отрасль возможности изменения солнечной энергии.

Солнечная энергия в космосе — Исследователи работают над разработкой технологии, которая позволила бы передавать энергию, вырабатываемую солнечными панелями на спутниках, обратно на Землю с помощью микроволновой энергии. Первоначальные исследования показали, что этот метод использования солнечной энергии значительно более эффективен, чем наземные панели.