Джерело: www.energy.gov
Коли світло проникає на фотоелемент (PV), який також називають сонячною батареєю, це світло може відбиватися, поглинатися або проходити крізь клітинку. Фотоелемент складається з напівпровідникового матеріалу; «напів» означає, що він може проводити електрику краще, ніж ізолятор, але не так добре, як метал. У фотоелектричних елементах використовується кілька різних напівпровідникових матеріалів.
Коли напівпровідник піддається впливу світла, він поглинає енергію світла і передає її негативно зарядженим частинкам у матеріалі, званому електронами. Ця додаткова енергія дозволяє електронам проходити крізь матеріал у вигляді електричного струму. Цей струм витягується через провідні металеві контакти-подібні до сітки лінії на сонячних батареях-і потім може використовуватися для живлення вашого будинку та решти електричної мережі.
Ефективність фотоелектричної батареї - це просто кількість електричної енергії, що виходить з осередку, у порівнянні з енергією світла, що світить на неї, що вказує на те, наскільки ефективна клітина при перетворенні енергії з однієї форми в іншу. Кількість електроенергії, виробленої з фотоелектричних елементів, залежить від характеристик (таких як інтенсивність та довжина хвиль) доступного світла та кількох характеристик продуктивності осередку.
Важливою властивістю напівпровідників для фотоелектричних променів є зазор, який вказує, які довжини хвиль світла матеріал може поглинути і перетворити на електричну енергію. Якщо ширина зазору напівпровідника відповідає довжинам хвиль світла, що світить на фотоелементі, то ця клітина може ефективно використовувати всю доступну енергію.
Нижче ви дізнаєтесь про найпоширеніші напівпровідникові матеріали для фотоелементів.
КРЕМІН
Кремній, на сьогоднішній день, є найпоширенішим напівпровідниковим матеріалом, який використовується в сонячних батареях, що становить приблизно 95% проданих сьогодні модулів. Це також другий за поширеністю матеріал на Землі (після кисню) і найпоширеніший напівпровідник, що використовується в комп'ютерних чіпах. Осередки кристалічного кремнію складаються з атомів кремнію, з'єднаних між собою для утворення кристалічної решітки. Ця решітка забезпечує організовану структуру, що робить перетворення світла в електрику більш ефективним.
Сонячні батареї з кремнію в даний час забезпечують поєднання високої ефективності, низької вартості та тривалого терміну служби. Очікується, що модулі прослужать 25 і більше років, але після цього часу вони все ще вироблять більше 80% своєї початкової потужності.
Тонкоплівкові фотоволтаїки
Тонкоплівковий сонячний елемент виготовляється шляхом осадження одного або декількох тонких шарів фотоелектричного матеріалу на опорний матеріал, такий як скло, пластик або метал. На сьогоднішній день на ринку є два основних типи тонкоплівкових фотоелектричних напівпровідників: кадмієвий телурид (CdTe) та мідний дилієнід галію (CIGS). Обидва матеріали можна наносити безпосередньо на передню або задню поверхню модуля.
CdTe-другий за поширеністю після кремнію фотоелектричний матеріал, а клітини CdTe можна виготовити за допомогою недорогих виробничих процесів. Хоча це робить їх економічно ефективною альтернативою, їх ефективність все ще не така висока, як кремній. Клітини CIGS мають оптимальні властивості для фотоелектричного матеріалу та високу ефективність у лабораторії, але складність поєднання чотирьох елементів робить перехід від лабораторії до виробництва складнішим. І CdTe, і CIGS вимагають більшого захисту, ніж кремній, щоб забезпечити тривалу роботу на відкритому повітрі.
ПЕРОВСЬКІ ФОТОВОЛТАЇКИ
Перовскітеві сонячні осередки-це тип тонкоплівкових клітин і названі на честь їх характерної кристалічної структури. Осередки перовскіту побудовані з шарів матеріалів, які надруковані, покриті або вакуумно нанесені на нижній шар опори, відомий яксубстрат.Зазвичай їх легко збирати і вони можуть досягати ефективності, подібної до кристалічного кремнію. У лабораторії коефіцієнт корисної дії сонячних батарей з перовскітом покращився швидше, ніж будь -який інший фотоелектричний матеріал, з 3% у 2009 році до понад 25% у 2020 році. працюють над тим, щоб зробити їх більш міцними та розвивають масштабні недорогі технології виробництва.
ОРГАНІЧНІ ФОТОВОЛТАЇКИ
Органічні PV або OPV клітини складаються з багатих вуглецем (органічних) сполук і можуть бути адаптовані для посилення певних функцій PV елемента, таких як зазор, прозорість або колір. Клітини OPV наразі ефективні лише приблизно вдвічі, ніж клітини з кристалічним кремнієм, і мають менший термін служби, але можуть бути менш дорогими у виробництві у великих обсягах. Вони також можуть бути застосовані до різних допоміжних матеріалів, таких як гнучкий пластик, що робить OPV здатним обслуговувати найрізноманітніші види застосування.
КВАНТОВІ ТОЧКИ
Сонячні елементи з квантовими точками проводять електрику через крихітні частинки різних напівпровідникових матеріалів шириною всього кілька нанометрів, які називаються квантовими точками. Квантові точки - це новий спосіб обробки напівпровідникових матеріалів, але створити електричний зв’язок між ними важко, тому вони наразі не дуже ефективні. Однак з них легко зробити сонячні батареї. Їх можна наносити на підкладку методом прядильного покриття, розпилювачем або рулонними принтерами, такими як друкарські газети.
Квантові точки бувають різних розмірів, а їх пропускна здатність налаштовується, що дозволяє їм збирати світло, яке важко вловлювати, і поєднувати з іншими напівпровідниками, такими як перовскіти, для оптимізації роботи багатоперехідної сонячної батареї (докладніше про них нижче).
МНОГОФУНКЦІОНАЛЬНІ ФОТОВОЛТАЇКИ
Іншою стратегією підвищення ефективності фотоелектричних елементів є нашарування декількох напівпровідників для створення багатоперехідних сонячних елементів. Ці осередки є по суті стопками з різних напівпровідникових матеріалів, на відміну від осередків з одним переходом, які мають лише один напівпровідник. Кожен шар має різну ширину зазору, тому кожен поглинає різну частину сонячного спектру, використовуючи сонячне світло більше, ніж осередки з одним переходом. Багатоперехідні сонячні батареї можуть досягти рекордних рівнів ефективності, оскільки світло, яке не поглинається першим напівпровідниковим шаром, захоплюється шаром під ним.
Хоча всі сонячні батареї з більш ніж однією зазором є багатоперехідними сонячними елементами, сонячна батарея з рівно двома зазорами називається тандемною сонячною батареєю. Багатоперехідні сонячні батареї, які поєднують напівпровідники зі стовпців III і V у періодичній таблиці, називаються багатоперехідними сонячними елементами III-V.
Багатоконтактні сонячні батареї продемонстрували ефективність вище 45%, але вони дорогі і складні у виробництві, тому вони зарезервовані для дослідження космосу. Військові використовують сонячні батареї III-V у безпілотниках, і дослідники вивчають інші варіанти їх застосування, де ключова роль-висока ефективність.
КОНЦЕНТРАЦІЙНА ФОТОВОЛТАЇКА
Концентрація PV, також відома як CPV, фокусує сонячне світло на сонячній камері за допомогою дзеркала або лінзи. Зосереджуючи сонячне світло на невеликій площі, потрібно менше фотоелектричного матеріалу. Фотоелектричні матеріали стають ефективнішими, коли світло стає більш концентрованим, тому найбільша загальна ефективність досягається за допомогою елементів і модулів CPV. Однак потрібні більш дорогі матеріали, технологія виготовлення та здатність відстежувати рух Сонця, тому демонстрація необхідної економічної переваги перед сучасними' силіконовими модулями з великим об'ємом стала складною.
