Vékonyrétegű napelemek

Ma a piacon lévő napelemek 85%-a kristályos napelem modul. A szakértők azonban biztosítják, hogy a napelemek gyártására szolgáló vékonyréteg-technológia hatékonyabbnak bizonyul, és ezért a legígéretesebbnek bizonyul a már ismert kristálymodulok közül.

A vékonyréteg-technológia fő előnye az alacsony költség, ezért minden esélye megvan arra, hogy a következő években vezető szerepet töltsön be. Az új alap moduljai rugalmassá teszik a napelemeket, a szó szó szoros értelmében. Könnyűek és rugalmasak, ami lehetővé teszi, hogy az ilyen elemeket szó szerint bármilyen felületre helyezze, beleértve a ruházat felületét is.

A rugalmas napelemek polimer fóliákon, amorf szilíciumon, alumíniumon, kadmium-telluridon és más félvezetőkön alapulnak, amelyeket már használnak mobiltelefonok, laptopok, táblagépek, videokamerák és egyéb eszközök hordozható töltőinek gyártásában, kisméretű összecsukható formában. napelemek. De ha nagyobb teljesítményre van szükség, akkor a modul területének nagyobbnak kell lennie.

A vékonyrétegű napelemek első mintái hordozóra lerakott amorf szilíciummal készültek, a hatásfoka mindössze 4-5 százalék volt, az élettartamuk pedig nem volt hosszú. Ugyanennek a technológiának a következő lépése a hatásfok 8%-ra történő növelése és az élettartam meghosszabbítása volt, összehasonlíthatóvá vált kristály elődjeivel. Végül a vékonyréteg-modulok harmadik generációjának hatékonysága már 12%-os volt, ami már jelentős előrelépés és versenyképesség.

Az itt használt indium-réz-szelenid és kadmium-tellurid flexibilis napelemek és akár 10%-os hatásfokú hordozható töltők létrehozását tette lehetővé, és ez már jelentős eredmény, tekintve, hogy a fizikusok minden további százalékos hatékonyságért küzdenek. Most pedig nézzük meg közelebbről, hogyan készülnek a vékonyfilmes akkumulátorok.

Ami a kadmium-telluridot illeti, fényelnyelő anyagként kezdték tanulmányozni az 1970-es években, amikor meg kellett találni a legjobb megoldást az űrben való használatra. A mai napig a kadmium-tellurid a legígéretesebb a napelemek számára. A kadmium toxicitásának kérdése azonban egy ideig nyitott marad.

A kutatás eredményeként kiderült, hogy a veszély minimális, a légkörbe kerülő kadmium szintje nem veszélyes. A hatásfok 11%, míg a wattonkénti ára harmadával alacsonyabb, mint a szilíciumanalógoké.

Most a réz-indium-szelenidről. Napjainkban jelentős mennyiségű indiumot használnak fel lapos monitorok készítésére, így az indiumot ennek ellenére gallium váltja fel, amely ugyanazokkal a tulajdonságokkal rendelkezik napenergia… A filmakkumulátorok ezen az alapon 20%-os hatásfokot érnek el.

A közelmúltban elkezdték fejleszteni a polimer paneleket.Itt szerves félvezetők szolgálnak fényelnyelő anyagokként: szén fullerének, polifenilén, réz-ftalocianin stb. A napelem vastagsága 100 nm, de a hatásfoka csak 5-6%. Ugyanakkor a gyártási költségek meglehetősen alacsonyak, a fóliák megfizethetőek, könnyűek és teljesen környezetbarátak. Emiatt a műgyanta panelek népszerűek ott, ahol a környezetbarátság és a mechanikai rugalmasság fontos.

Tehát a ma gyártott vékonyfilmes napelemek hatékonysága:

• Egykristály - 17-22%;

• polikristály - 12-18%;

• amorf szilícium - 5-6%;

• kadmium-tellurid - 10-12%;

• réz-indium-szelenid - 15-20%;

• Szerves polimerek - 5-6%.

Mik a vékonyfilm akkumulátorok jellemzői? Mindenekelőtt érdemes megjegyezni a modulok nagy teljesítményét még szórt fényben is, amely akár 15%-kal nagyobb teljesítményt ad az év során a kristályanalógokhoz képest. Ezután következik a gyártási költségelőny. A nagy teljesítményű rendszerekben 10 kW-tól a vékonyréteg-modulok nagyobb hatékonyságot mutatnak, bár 2,5-szer nagyobb területre van szükség.

Így megnevezhetjük azokat a feltételeket, amikor a vékonyréteg-modulok jogos előnyhöz jutnak. Azokon a területeken, ahol többnyire felhős az idő, a vékonyfilmes akkumulátorok hatékonyan működnek (szórt fény). A forró éghajlatú régiókban a vékony filmek hatékonyabbak (magas hőmérsékleten ugyanolyan hatékonyan működnek, mint alacsony hőmérsékleten). Dekoratív tervezési megoldásként használható épületek homlokzatának befejezéséhez. Akár 20%-os átlátszóság is lehetséges, ami ismét a tervezők kezére játszik.

Eközben 2008-ban az amerikai Solyndra cég javasolta a vékonyfilm akkumulátorok hengerekre helyezését, ahol egy fotocella réteget visznek fel egy üvegcsőre, amelyet egy másik elektromos érintkezőkkel ellátott csőbe helyeznek. A felhasznált anyagok réz, szelén, gallium, indium.

A hengeres kialakítás több fény elnyelését teszi lehetővé, és két panel méterenként 40 hengerből álló készlet fér el. A kiemelés itt az, hogy a fehér tetőbevonat hozzájárul az ilyen megoldások magas hatásfokához, mert akkor a visszavert sugarak is működnek, energiájuk 20%-át hozzáadva. Ezenkívül a hengeres készletek még az 55 m / s-ig terjedő széllökéseknek is ellenállnak.

A legtöbb ma gyártott napelem csak egy pn-átmenetet tartalmaz, és a sávrésnél kisebb energiájú fotonok egyszerűen nem vesznek részt a generálásban. Aztán a tudósok kitalálták a módját ennek a korlátnak a leküzdésére, kifejlesztettek egy többrétegű szerkezet kaszkád elemeit, ahol minden rétegnek saját sávszélessége van, azaz minden rétegnek külön pn átmenete van, az elnyelt energia egyedi értékével. fotonok.

A felső réteg hidrogénezett amorf szilícium alapú ötvözetből készül, a második - egy hasonló ötvözet germánium hozzáadásával (10-15%), a harmadik - 40-50% germánium hozzáadásával. Így minden egymást követő rétegben van egy szűkebb rés, mint az előző rétegé, és a felső rétegekben lévő el nem abszorbeált fotonokat a film alsó rétegei nyelték el.

Ebben a megközelítésben a megtermelt energia költsége felére csökken a hagyományos kristályos szilícium cellákhoz képest. Ennek eredményeként egy hárommenetes fóliával 31%-os hatásfokot értek el, az ötmenetes fólia pedig mind 43%-ot ígér.

A közelmúltban a Moszkvai Állami Egyetem szakemberei olyan tekercs típusú napelemeket fejlesztettek ki, amelyek szerves anyagból készült rugalmas hordozóra felvitt polimeren alapulnak. A hatékonyság csak 4% -nak bizonyult, de az ilyen akkumulátorok akár + 80 ° C-on is működhetnek 10 000 órán keresztül. Ezek a tanulmányok még nem fejeződtek be.

Svájci tudósok 20,4%-os hatékonyságot értek el polimer alapon, félvezetőként pedig indiumot, rezet, szelént és galliumot használtak. Ma ez rekordnak számít a vékony polimer fólián lévő elemek tekintetében.

Japánban 19,7%-os hatásfokot értek el hasonló (indium, szelén, réz) porlasztásos félvezetőkben. Japánban pedig elkezdték gyártani a napelemes szövetet, a szövethez erősített, körülbelül 1,2 milliméter átmérőjű hengeres elemek felhasználásával szövetből készült napelemeket fejlesztettek ki. 2015 elején tervezték, hogy ez alapján kezdik meg a ruha- és napernyők gyártását.

Nyilvánvaló, hogy a vékonyrétegű napelemek a közeljövőben végre általánosan elérhetővé válnak a lakosság számára, nem véletlenül folyik annyi kutatás világszerte a költségek csökkentése érdekében.