Celule solare cu peliculă subțire

Până la 85% din celulele solare de pe piață astăzi sunt module solare cristaline. Cu toate acestea, experții asigură că tehnologia cu peliculă subțire pentru producția de celule solare se dovedește a fi mai eficientă și, prin urmare, cea mai promițătoare dintre modulele de cristal deja cunoscute.

Principalul avantaj al tehnologiei cu peliculă subțire este costul redus, motiv pentru care are toate șansele să devină lider în următorii ani. Modulele noii baze fac panourile solare flexibile, în sensul literal al cuvântului. Sunt ușoare și flexibile, ceea ce vă permite să plasați astfel de baterii pe orice suprafață, inclusiv pe suprafața îmbrăcămintei.

Celulele solare flexibile se bazează pe folii polimerice, siliciu amorf, aluminiu, telurura de cadmiu și alți semiconductori, care sunt deja folosite în producția de încărcătoare portabile pentru telefoane mobile, laptopuri, tablete, camere video și alte gadget-uri, sub formă de mici pliabile. celule solare. Dar dacă este necesară mai multă putere, atunci aria modulului va trebui să fie mai mare.

Primele mostre de celule solare cu peliculă subțire au fost realizate cu siliciu amorf depus pe un substrat, iar eficiența a fost de numai 4 până la 5%, iar durata de viață nu a fost lungă. Următorul pas al aceleiași tehnologii a fost creșterea eficienței la 8% și extinderea duratei de viață, a devenit comparabilă cu predecesorii săi de cristal. În cele din urmă, a treia generație de module cu peliculă subțire avea deja o eficiență de 12%, ceea ce reprezintă deja un avans semnificativ și competitivitate.

Selenura de cupru indiu și telurura de cadmiu folosite aici au făcut posibilă crearea de celule solare flexibile și încărcătoare portabile cu o eficiență de până la 10%, iar aceasta este deja o realizare semnificativă, având în vedere că fizicienii luptă pentru fiecare procent suplimentar de eficiență. Acum să aruncăm o privire mai atentă asupra modului în care sunt fabricate bateriile cu film subțire.

În ceea ce privește telurura de cadmiu, aceasta a început să fie studiată ca material care absoarbe lumina încă din anii 1970, când a fost necesar să se găsească cea mai bună opțiune de utilizare în spațiu. Până în prezent, telurura de cadmiu rămâne cea mai promițătoare pentru celulele solare. Cu toate acestea, problema toxicității cadmiului rămâne deschisă de ceva timp.

În urma cercetărilor, s-a arătat că pericolul este minim, nivelul de cadmiu eliberat în atmosferă nu este periculos. Eficiența este de 11%, în timp ce prețul pe watt este cu o treime mai mic decât cel al analogilor de siliciu.

Acum pentru seleniura de indiu de cupru. O cantitate semnificativă de indiu este folosită astăzi pentru a crea monitoare cu ecran plat, astfel încât indiul este totuși înlocuit cu galiu, care are aceleași proprietăți pentru energie solara… Bateriile de film pe această bază ating o eficiență de 20%.

Recent, panourile polimerice au început să fie dezvoltate.Aici, semiconductorii organici servesc ca materiale de absorbție a luminii: fulerene de carbon, polifenilenă, ftalocianină de cupru etc. Grosimea celulei solare este de 100 nm, dar eficiența este de doar 5 până la 6%. Dar, în același timp, costurile de producție sunt destul de mici, filmele sunt accesibile, ușoare și complet ecologice. Din acest motiv, panourile din rășină sunt populare acolo unde respectarea mediului și flexibilitatea mecanică sunt importante.

Deci, eficiența celulelor solare cu peliculă subțire fabricate astăzi:

• Monocristal - de la 17 la 22%;

• Policristal - de la 12 la 18%;

• Siliciu amorf - 5 până la 6%;

• Telurura de cadmiu - de la 10 la 12%;

• Selenura de cupru-indiu - de la 15 la 20%;

• Polimeri organici - 5 până la 6%.

Care sunt caracteristicile bateriilor cu film subțire? În primul rând, este de remarcat performanța ridicată a modulelor chiar și în lumină difuză, care oferă până la 15% mai multă putere pe parcursul anului în comparație cu analogii de cristal. Urmează avantajul costurilor de producție. În sistemele de mare putere, de la 10 kW, modulele cu peliculă subțire prezintă o eficiență mai mare, deși este nevoie de o suprafață de 2,5 ori mai mare.

Astfel, putem numi condițiile în care modulele cu peliculă subțire obțin un avantaj justificat. În regiunile cu vreme preponderent înnorată, bateriile cu film subțire vor funcționa eficient (lumină difuză). Pentru regiunile cu climă caldă, peliculele subțiri sunt mai eficiente (funcționează la fel de eficient la temperaturi ridicate ca și la temperaturi scăzute). Posibilitate de utilizare ca solutii de design decorativ pentru finisarea fatadelor cladirilor. Transparența de până la 20% este posibilă, ceea ce joacă din nou în mâinile designerilor.

Între timp, în 2008, compania americană Solyndra a propus amplasarea bateriilor cu peliculă subțire pe cilindri, unde un strat de fotocelulă este aplicat unui tub de sticlă care este plasat în interiorul unui alt tub echipat cu contacte electrice. Materialele folosite sunt cupru, seleniu, galiu, indiu.

Designul cilindric permite absorbția mai multă lumină, iar un set de 40 de cilindri se potrivește pe metru de două panouri. Punctul culminant aici este că acoperirea albă a acoperișului contribuie la eficiența ridicată a unei astfel de soluții, deoarece atunci funcționează și razele reflectate, adăugând 20% din energia lor. În plus, seturile cilindrice sunt rezistente chiar și la vânturi puternice cu rafale de până la 55 m/s.

Majoritatea celulelor solare fabricate astăzi conțin o singură joncțiune pn, iar fotonii cu energie mai mică decât banda interzisă pur și simplu nu participă la generare. Apoi oamenii de știință au venit cu o modalitate de a depăși această limitare, au fost dezvoltate elemente în cascadă ale unei structuri multistrat, în care fiecare strat are propria lățime de bandă, adică fiecare strat are o joncțiune pn separată cu o valoare individuală a energiei absorbite. fotonii.

Stratul superior este format dintr-un aliaj pe bază de siliciu amorf hidrogenat, al doilea - un aliaj similar cu adaos de germaniu (10-15%), al treilea - cu adaos de 40 până la 50% germaniu. Astfel, fiecare strat succesiv are un decalaj mai îngust decât cel al stratului anterior, iar fotonii neabsorbiți din straturile superioare sunt absorbiți de straturile subiacente ale filmului.

În această abordare, costul energiei generate este redus la jumătate în comparație cu celulele tradiționale de siliciu cristalin. Ca rezultat, o eficiență de 31% a fost atinsă cu un film cu trei treceri, iar un film cu cinci treceri promite totul de 43%.

Recent, specialiștii de la Universitatea de Stat din Moscova au dezvoltat celule solare tip rulou bazate pe un polimer aplicat pe un substrat flexibil de material organic. Eficiența sa dovedit a fi de numai 4%, dar astfel de baterii pot funcționa chiar și la + 80 ° C timp de 10.000 de ore. Aceste studii nu au fost încă finalizate.

Oamenii de știință elvețieni au atins o eficiență de 20,4% pe bază de polimer, iar indiul, cuprul, seleniul și galiul au fost folosite ca semiconductori. Astăzi, acesta este un record pentru elemente pe o peliculă subțire de polimer.

În Japonia, au atins o eficiență de 19,7% în semiconductori depuși prin pulverizare similară (indiu, seleniu, cupru). Și în Japonia au început să producă țesături solare, panouri solare din pânză au fost dezvoltate folosind elemente cilindrice de aproximativ 1,2 milimetri în diametru atașate de țesătură. La începutul anului 2015, au plănuit să înceapă producția de îmbrăcăminte și umbrele de soare pe această bază.

Este evident că panourile solare cu peliculă subțire vor deveni în sfârșit disponibile pentru populație în viitorul apropiat.Nu degeaba se fac atât de multe cercetări în întreaga lume pentru a reduce costurile.