Основы солнечных фотоэлектрических элементов

Когда свет падает на фотогальванический (PV) элемент, также называемый солнечным элементом, этот свет может отражаться, поглощаться или проходить прямо через элемент. Фотоэлемент состоит из полупроводникового материала; «полу» означает, что он может проводить электричество лучше, чем изолятор, но не так хорошо, как металл. В фотоэлементах используется несколько различных полупроводниковых материалов.

Когда полупроводник подвергается воздействию света, он поглощает энергию света и передает ее отрицательно заряженным частицам в материале, называемому электронами. Эта дополнительная энергия позволяет электронам течь через материал в виде электрического тока. Этот ток извлекается через проводящие металлические контакты — сеткообразные линии на солнечных элементах — и затем может использоваться для питания вашего дома и остальной части электросети.

Эффективность фотоэлектрической ячейки — это просто количество электроэнергии, выходящей из ячейки, по сравнению с энергией света, падающего на нее, что указывает на то, насколько эффективно ячейка преобразует энергию из одной формы в другую. Количество электроэнергии, вырабатываемой фотоэлементами, зависит от характеристик (таких как интенсивность и длина волны) доступного света и множества рабочих характеристик элемента.

Важным свойством фотоэлектрических полупроводников является ширина запрещенной зоны, которая указывает, какие длины волн света материал может поглощать и преобразовывать в электрическую энергию.Если ширина запрещенной зоны полупроводника соответствует длинам волн света, падающего на фотоэлектрическую ячейку, то эта ячейка может эффективно использовать всю доступную энергию.

Узнайте больше о наиболее часто используемых полупроводниковых материалах для фотоэлементов ниже.

Кремний

Кремний, безусловно, является наиболее распространенным полупроводниковым материалом, используемым в солнечных батареях, что составляет примерно 95% продаваемых сегодня модулей. Это также второй по распространенности материал на Земле (после кислорода) и самый распространенный полупроводник, используемый в компьютерных чипах. Элементы кристаллического кремния состоят из атомов кремния, соединенных друг с другом в кристаллическую решетку. Эта решетка обеспечивает организованную структуру, которая делает преобразование света в электричество более эффективным.

Солнечные элементы, изготовленные из кремния, в настоящее время обеспечивают сочетание высокой эффективности, низкой стоимости и длительного срока службы. Ожидается, что модули прослужат 25 и более лет, по истечении этого времени производя более 80% своей первоначальной мощности.

Тонкопленочные фотоэлектрические элементы

Тонкопленочный солнечный элемент изготавливается путем нанесения одного или нескольких тонких слоев фотоэлектрического материала на поддерживающий материал, такой как стекло, пластик или металл. Сегодня на рынке представлены два основных типа тонкопленочных фотоэлектрических полупроводников: теллурид кадмия (CdTe) и диселенид меди-индия-галлия (CIGS). Оба материала можно наносить непосредственно на переднюю или заднюю поверхность модуля.

CdTe является вторым наиболее распространенным фотоэлектрическим материалом после кремния, и элементы CdTe можно изготавливать с использованием недорогих производственных процессов. Хотя это делает их экономически эффективной альтернативой, их эффективность все еще не так высока, как у кремния. Ячейки CIGS обладают оптимальными свойствами для фотоэлектрического материала и высокой эффективностью в лаборатории, но сложность, связанная с объединением четырех элементов, делает переход от лаборатории к производству более сложным. И CdTe, и CIGS требуют большей защиты, чем кремний, чтобы обеспечить длительную работу на открытом воздухе.

Перовскит Фотогальваника

Перовскитные солнечные элементы представляют собой тип тонкопленочных элементов и названы в честь их характерной кристаллической структуры. Ячейки перовскита состоят из слоев материалов, которые печатаются, покрываются или наносятся вакуумным способом на нижележащий поддерживающий слой, известный как подложка. Как правило, они просты в сборке и могут достигать эффективности, аналогичной кристаллическому кремнию. В лаборатории эффективность перовскитных солнечных элементов повышалась быстрее, чем у любого другого фотоэлектрического материала, с 3% в 2009 году до более чем 25% в 2020 году. работают над тем, чтобы сделать их более долговечными и разрабатывают крупномасштабные и недорогие технологии производства.

Органическая фотогальваника

Органические клетки PV или OPV состоят из богатых углеродом (органических) соединений и могут быть адаптированы для улучшения определенных функций клеток PV, таких как ширина запрещенной зоны, прозрачность или цвет. Ячейки OPV в настоящее время примерно вдвое менее эффективны, чем ячейки из кристаллического кремния, и имеют более короткий срок службы, но могут быть менее дорогими в производстве в больших объемах. Их также можно наносить на различные вспомогательные материалы, такие как гибкий пластик, благодаря чему OPV можно использовать в самых разных целях.

Квантовые точки

Квантовые точки бывают разных размеров, а их ширина запрещенной зоны настраивается, что позволяет им собирать свет, который трудно улавливать, и сочетать их с другими полупроводниками, такими как перовскиты, для оптимизации производительности многопереходного солнечного элемента (подробнее об этом ниже).

Многопереходная фотогальваника

Еще одна стратегия повышения эффективности фотоэлектрических элементов заключается в наслоении нескольких полупроводников для создания многопереходных солнечных элементов. Эти ячейки, по сути, представляют собой стопки различных полупроводниковых материалов, в отличие от ячеек с одним переходом, которые имеют только один полупроводник. Каждый слой имеет разную ширину запрещенной зоны, поэтому каждый из них поглощает разную часть солнечного спектра, что позволяет лучше использовать солнечный свет, чем ячейки с одним переходом.Многопереходные солнечные элементы могут достигать рекордных уровней эффективности, потому что свет, который не поглощается первым слоем полупроводника, улавливается слоем под ним.

В то время как все солнечные элементы с более чем одной запрещенной зоной являются многопереходными солнечными элементами, солнечный элемент с ровно двумя запрещенными зонами называется тандемным солнечным элементом. Многопереходные солнечные элементы, объединяющие полупроводники из столбцов III и V в периодической таблице, называются многопереходными солнечными элементами III-V.

Многопереходные солнечные элементы продемонстрировали КПД выше 45%, но они дороги и сложны в производстве, поэтому их используют для освоения космоса. Военные используют солнечные элементы III-V в беспилотниках, и исследователи изучают другие способы их применения, где ключевым фактором является высокая эффективность.

Концентрация Фотогальваника

Концентрация PV, также известная как CPV, фокусирует солнечный свет на солнечный элемент с помощью зеркала или линзы. Фокусируя солнечный свет на небольшой площади, требуется меньше фотоэлектрического материала. Фотоэлектрические материалы становятся более эффективными по мере того, как свет становится более концентрированным, поэтому самая высокая общая эффективность достигается с помощью ячеек и модулей CPV. Однако требуются более дорогие материалы, технологии производства и возможность отслеживать движение солнца, поэтому демонстрация необходимого преимущества по стоимости по сравнению с современными кремниевыми модулями большого объема стала сложной задачей.

Узнайте больше об исследованиях в области фотоэлектричества в офисе технологий солнечной энергии, ознакомьтесь с этими информационными ресурсами солнечной энергии и узнайте больше о том, как работает солнечная энергия.