Солнечных батарей solar cell

Исследования солнечных батарей — Solar cell research

В настоящее время в университетах и исследовательских учреждениях по всему миру работает множество исследовательских групп, работающих в области фотовольтаики . Это исследование можно разделить на три области: сделать современные солнечные элементы более дешевыми и / или более эффективными, чтобы эффективно конкурировать с другими источниками энергии; разработка новых технологий на основе новых архитектурных решений солнечных элементов; и разработка новых материалов, служащих более эффективными преобразователями энергии света в электрический ток или поглотители света и носители заряда.

Содержание

Обработка кремния

Одним из способов снижения стоимости является разработка более дешевых методов получения достаточно чистого кремния. Кремний — очень распространенный элемент, но обычно он связан с кремнеземом или кварцевым песком . Обработка диоксида кремния (SiO ₂ ) для производства кремния — это процесс с очень высокой энергоемкостью: при нынешней эффективности обычный солнечный элемент может вырабатывать столько энергии, сколько было использовано для производства содержащегося в нем кремния. Более энергоэффективные методы синтеза полезны не только для солнечной энергетики, но и для отраслей, связанных с кремниевой технологией в целом.

В настоящее время промышленное производство кремния осуществляется путем реакции между углеродом (древесным углем) и кремнеземом при температуре около 1700 ° C. В этом процессе, известном как карботермическое восстановление, каждая тонна кремния (металлургического сорта, чистота около 98%) производится с выбросом около 1,5 тонн диоксида углерода.

Твердый кремнезем можно напрямую преобразовать (восстановить) в чистый кремний путем электролиза в ванне с расплавом соли при довольно умеренной температуре (от 800 до 900 ° C). Хотя этот новый процесс в принципе аналогичен Кембриджскому процессу FFC, который был впервые открыт в конце 1996 года, интересным лабораторным открытием является то, что такой электролитический кремний находится в форме пористого кремния, который легко превращается в мелкий порошок с размером частиц размером несколько микрометров, и поэтому может предложить новые возможности для развития технологий солнечных элементов.

Другой подход состоит в том, чтобы уменьшить количество используемого кремния и, следовательно, снизить стоимость, путем микрообработки пластин в очень тонкие, практически прозрачные слои, которые можно использовать в качестве прозрачных архитектурных покрытий. Методика включает взятие кремниевой пластины, обычно толщиной от 1 до 2 мм, и создание множества параллельных поперечных срезов по пластине, создание большого количества пластин толщиной 50 микрометров и шириной, равной толщине пластины. оригинальная вафля. Эти ломтики поворачиваются на 90 градусов, так что поверхности, соответствующие граням исходной пластины, становятся краями лент. Результатом является преобразование, например, пластины диаметром 150 мм и толщиной 2 мм, имеющей площадь открытой поверхности кремния около 175 см 2 на каждую сторону, в около 1000 лент, имеющих размеры 100 мм × 2 мм × 0,1 мм, что дает общая открытая площадь поверхности кремния около 2000 см 2 на каждую сторону. В результате этого вращения электрическое легирование и контакты, которые были на лицевой стороне пластины, располагаются по краям ленты, а не спереди и сзади, как в случае обычных ячеек пластины. Это имеет интересный эффект, заключающийся в том, что клетка становится чувствительной как с передней, так и с задней стороны клетки (свойство, известное как двусторонность). Используя этот метод, одной кремниевой пластины достаточно для создания панели мощностью 140 Вт, по сравнению с примерно 60 пластинами, необходимыми для обычных модулей той же выходной мощности.

Нанокристаллические солнечные элементы

В этих структурах используются некоторые из тех же тонкопленочных светопоглощающих материалов, но они накладываются в виде чрезвычайно тонкого поглотителя на несущую матрицу из проводящего полимера или мезопористого оксида металла с очень большой площадью поверхности для увеличения внутреннего отражения (и, следовательно, увеличения вероятности поглощения света). Использование нанокристаллов позволяет проектировать архитектуры в масштабе нанометров, что является типичной длиной диффузии экситонов. В частности, монокристаллические («канальные») устройства, массив одиночных p-n-переходов между электродами, разделенных периодом, равным длине диффузии, представляют собой новую архитектуру солнечных элементов и потенциально высокую эффективность.

Тонкопленочная обработка

Тонкопленочные фотоэлектрические элементы могут использовать менее 1% дорогостоящего сырья (кремний или другие поглотители света) по сравнению с солнечными элементами на основе пластин, что приводит к значительному падению цены на пиковую мощность ватт. По всему миру существует множество исследовательских групп, активно исследующих различные подходы к использованию тонких пленок и / или материалы.

Одна из наиболее перспективных технологий — тонкие пленки кристаллического кремния на стеклянных подложках. Эта технология сочетает в себе преимущества кристаллического кремния как материала солнечных элементов (изобилие, нетоксичность, высокая эффективность, долговременная стабильность) с экономией средств за счет использования тонкопленочного подхода.

Еще одним интересным аспектом тонкопленочных солнечных элементов является возможность размещения элементов на всех типах материалов, включая гибкие подложки ( например, ПЭТ ), что открывает новые возможности для новых приложений.

Метаморфический многопереходный солнечный элемент

По состоянию на декабрь 2014 года мировой рекорд эффективности солнечных элементов в 46% был достигнут за счет использования солнечных элементов — концентраторов с несколькими переходами , разработанных совместными усилиями Soitec , CEA-Leti , Франция, и Fraunhofer ISE , Германия.

Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL) выиграла один из R & D Magazine «s R & D 100 Награды для его Метаморфических многопереходного фотоэлемента , ультра-легкой и гибкой ячейки , которая преобразует солнечная энергия с рекордной эффективностью.

Сверхлегкий и высокоэффективный солнечный элемент был разработан в NREL и коммерциализируется компанией Emcore Corp. из Альбукерке, штат Нью-Мексико , в партнерстве с Управлением космических аппаратов исследовательских лабораторий ВВС на базе ВВС Киртланд в Альбукерке.

Он представляет собой новый класс солнечных элементов с явными преимуществами в производительности, инженерном дизайне, эксплуатации и стоимости. На протяжении десятилетий в обычных ячейках использовались пластины из полупроводниковых материалов с аналогичной кристаллической структурой. Их производительность и экономическая эффективность ограничиваются ростом ячеек в вертикальном положении. Между тем, клетки жесткие, тяжелые и толстые, с нижним слоем из германия .

В новом методе клетка выращивается в перевернутом виде. В этих слоях используются высокоэнергетические материалы с кристаллами чрезвычайно высокого качества, особенно в верхних слоях ячейки, где вырабатывается большая часть энергии. Не все слои следуют шаблону решетки с равномерным межатомным расстоянием. Вместо этого ячейка включает в себя полный диапазон атомных расстояний, что позволяет лучше поглощать и использовать солнечный свет. Толстый жесткий слой германия удаляется, что снижает стоимость элемента и 94% его веса. Перевернув традиционный подход к элементам с ног на голову, мы получили сверхлегкий и гибкий элемент, который также преобразует солнечную энергию с рекордной эффективностью (40,8% при концентрации 326 солнечных лучей).

Обработка полимеров

Изобретение проводящих полимеров (за которое Алан Хигер , Алан Г. МакДиармид и Хидеки Ширакава были удостоены Нобелевской премии ) может привести к разработке гораздо более дешевых элементов на основе недорогих пластмасс. Однако органические солнечные элементы обычно страдают от деградации под воздействием ультрафиолетового излучения и, следовательно, имеют слишком короткий срок службы, чтобы быть жизнеспособными. Связи в полимерах всегда подвержены разрыву при излучении с более короткими длинами волн. Кроме того, системы сопряженных двойных связей в полимерах, несущих заряд, легче реагируют со светом и кислородом . Таким образом, большинство проводящих полимеров, будучи сильно ненасыщенными и реактивными, очень чувствительны к атмосферной влажности и окислению, что затрудняет их коммерческое использование.

Обработка наночастиц

Экспериментальные несиликоновые солнечные панели могут быть изготовлены из квантовых гетероструктур , например углеродных нанотрубок или квантовых точек , внедренных в проводящие полимеры или мезопористые оксиды металлов. Кроме того, тонкие пленки из многих из этих материалов на обычных кремниевых солнечных элементах могут повысить эффективность оптической связи с кремниевым элементом, тем самым повышая общую эффективность. Изменяя размер квантовых точек, клетки можно настраивать на поглощение волн различной длины. Хотя исследования все еще находятся в зачаточном состоянии, фотоэлектрические элементы, модифицированные с помощью квантовых точек, могут достичь эффективности преобразования энергии до 42% за счет генерации множественных экситонов (MEG).

Исследователи Массачусетского технологического института нашли способ с помощью вируса повысить эффективность солнечных элементов на треть.

Прозрачные проводники

Во многих новых солнечных элементах используются прозрачные тонкие пленки, которые также являются проводниками электрического заряда. Преобладающими проводящими тонкими пленками, используемыми в настоящее время в исследованиях, являются прозрачные проводящие оксиды (сокращенно «TCO»), включая оксид олова, легированный фтором (SnO ₂ : F или «FTO»), легированный оксид цинка (например: ZnO: Al), и оксид индия и олова (сокращенно «ITO»). Эти проводящие пленки также используются в ЖК-индустрии для плоских дисплеев. Двойная функция TCO позволяет свету проходить через окно подложки к активному светопоглощающему материалу под ним, а также служит омическим контактом для транспортировки фотогенерированных носителей заряда от этого светопоглощающего материала. Существующие материалы TCO эффективны для исследований, но, возможно, еще не оптимизированы для крупномасштабного фотоэлектрического производства. Для них требуются особые условия осаждения в высоком вакууме, иногда они могут иметь низкую механическую прочность и большинство из них имеют плохой коэффициент пропускания в инфракрасной части спектра (например, тонкие пленки ITO также могут использоваться в качестве инфракрасных фильтров в иллюминаторах самолетов). Эти факторы делают крупномасштабное производство более дорогостоящим.

Возникла относительно новая область использования сетей углеродных нанотрубок в качестве прозрачного проводника для органических солнечных элементов . Сети нанотрубок являются гибкими и могут наноситься на поверхность различными способами. При некоторой обработке пленки из нанотрубок могут быть очень прозрачными в инфракрасном диапазоне, что, возможно, позволит создать эффективные солнечные элементы с малой шириной запрещенной зоны. Сети из нанотрубок представляют собой проводники p-типа, тогда как традиционные прозрачные проводники исключительно n-типа . Наличие прозрачного проводника p-типа может привести к созданию новых конструкций ячеек, которые упростят производство и улучшат эффективность.

Солнечные элементы на основе кремниевых пластин

Несмотря на многочисленные попытки создать более совершенные солнечные элементы с использованием новых и экзотических материалов, реальность такова, что на рынке фотоэлектрической энергии по-прежнему доминируют солнечные элементы на основе кремниевых пластин (солнечные элементы первого поколения). Это означает, что большинство производителей солнечных элементов в настоящее время оснащены оборудованием для производства этого типа солнечных элементов. Следовательно, во всем мире проводится большое количество исследований для производства солнечных элементов на основе кремниевых пластин с меньшими затратами и повышения эффективности преобразования без чрезмерного увеличения стоимости производства. Конечная цель как для концептуальных фотоэлектрических систем, так и для альтернативных фотоэлектрических систем состоит в том, чтобы производить солнечную электроэнергию по стоимости, сопоставимой с доминирующими в настоящее время на рынке углем, природным газом и ядерной энергией, чтобы сделать ее ведущим источником первичной энергии. Для достижения этого может потребоваться снизить стоимость установленных солнечных систем с нынешних примерно 1,80 доллара США (для технологий с объемным кремнием) до примерно 0,50 доллара США за пиковую мощность ватта. Поскольку основная часть окончательной стоимости традиционного модуля объемного кремния связана с высокой стоимостью исходного поликремния солнечного качества (около 0,4 долл. США / пиковый ватт), существует значительная потребность в уменьшении толщины кремниевых солнечных элементов (экономия материала) или производстве солнечные элементы из более дешевого модернизированного металлургического кремния (так называемого «грязного Si»).

У IBM есть процесс восстановления полупроводниковых пластин, в котором используется специальная техника удаления рисунка для перепрофилирования лома полупроводниковых пластин в форму, используемую для производства кремниевых солнечных панелей. Новый процесс недавно был награжден «Премией 2007 года за наиболее ценное предотвращение загрязнения» от Национального круглого стола по предотвращению загрязнения (NPPR).

Инфракрасные солнечные элементы

Исследователи из Национальной лаборатории Айдахо вместе с партнерами из Lightwave Power Inc. в Кембридже, Массачусетс, и Патриком Пинхеро из Университета Миссури разработали недорогой способ производства пластиковых листов, содержащих миллиарды наноантенн, которые собирают тепловую энергию, генерируемую солнцем и другими источниками. источников, который получил две награды Nano50 2007 года. Компания прекратила свою деятельность в 2010 году. Хотя методы преобразования энергии в полезную электроэнергию все еще нуждаются в разработке, в один прекрасный день листы могут быть изготовлены как легкие «оболочки», которые питают все, от гибридных автомобилей до компьютеров и iPod, с более высокой эффективностью, чем традиционные солнечные клетки. Наноантенны нацелены на средние инфракрасные лучи, которые Земля непрерывно излучает в виде тепла после поглощения солнечной энергии в течение дня; Кроме того, двусторонние пластины наноантенны могут собирать энергию из разных частей солнечного спектра. Напротив, традиционные солнечные элементы могут использовать только видимый свет, делая их бездействующими после наступления темноты.

УФ солнечные элементы

Японскому национальному институту передовых промышленных наук и технологий (AIST) удалось разработать прозрачный солнечный элемент, который использует ультрафиолетовый (УФ) свет для выработки электричества, но позволяет видимому свету проходить через него. Большинство обычных солнечных батарей используют видимый и инфракрасный свет для выработки электроэнергии. Используемая для замены обычного оконного стекла, площадь поверхности для установки может быть большой, что может привести к потенциальным применениям, в которых используются преимущества комбинированных функций выработки электроэнергии, освещения и регулирования температуры.

Эта прозрачная, УФ-поглощающая система была достигнута с использованием органической — неорганическая гетероструктуры , изготовленную из р-типа полупроводникового полимера ПЭДОТА: ПСС пленки , нанесенная на Nb , легированную ионами титанат стронций субстрат. PEDOT: PSS легко превращается в тонкие пленки из-за его стабильности на воздухе и растворимости в воде. Эти солнечные элементы активируются только в УФ-диапазоне и приводят к относительно высокому квантовому выходу 16% электрон / фотон . Дальнейшая работа в этой технологии включает замену подложки из титаната стронция пленкой из титаната стронция, нанесенной на стеклянную подложку, чтобы добиться недорогого производства с большой площадью.

С тех пор были открыты другие методы, позволяющие использовать длины волн УФ-излучения в производстве энергии на солнечных элементах. Некоторые компании сообщают об использовании нано- люминофоров в качестве прозрачного покрытия , чтобы включить ультрафиолетовый свет в видимый свет. Другие сообщили о расширении спектра поглощения одного спая фотогальванических элементов путем легирования широкого запрещенной зоны прозрачного полупроводника , такие как GaN с переходным металлом , такими как марганец .

Гибкие исследования солнечных батарей

Исследование гибких солнечных элементов — это технология исследовательского уровня, пример которой был создан в Массачусетском технологическом институте, в которой солнечные элементы производятся путем нанесения фотоэлектрического материала на гибкие подложки, такие как обычная бумага, с использованием технологии химического осаждения из паровой фазы . Технология производства солнечных батарей на бумаге была разработана группой исследователей из Массачусетского технологического института при поддержке Национального научного фонда и программы Eni-MIT Alliance Solar Frontiers.

3D солнечные элементы

В стадии разработки находятся трехмерные солнечные элементы, которые улавливают почти весь падающий на них свет и могут повысить эффективность фотоэлектрических систем, одновременно уменьшая их размер, вес и механическую сложность. Новые трехмерные солнечные элементы, созданные в Технологическом научно-исследовательском институте Джорджии , улавливают фотоны солнечного света с помощью множества миниатюрных «башенных» структур, которые напоминают высотные здания в городской сети улиц. Solar3D, Inc. планирует коммерциализировать такие трехмерные элементы, но ее технология в настоящее время находится на рассмотрении.

Люминесцентный солнечный концентратор

Люминесцентные солнечные концентраторы преобразуют солнечный свет или другие источники света в предпочтительные частоты; они концентрируют выходную мощность для преобразования в желаемые формы энергии, такие как электричество. Они полагаются на люминесценцию , обычно флуоресценцию , в таких средах, как жидкости, стекло или пластмассы, обработанные подходящим покрытием или присадкой . Структуры сконфигурированы так, чтобы направлять выходной сигнал с большой входной области на небольшой преобразователь, где сконцентрированная энергия генерирует фотоэлектричество . Цель состоит в том, чтобы собрать свет на большой площади с небольшими затратами; Панели люминесцентных концентраторов можно дешево изготавливать из таких материалов, как стекло или пластик, в то время как фотоэлектрические элементы являются высокоточными, высокотехнологичными устройствами и, соответственно, дорогими в строительстве в больших размерах.

Исследования ведутся в таких университетах, как Radboud University Nijmegen и Delft University of Technology . Например, исследователи Массачусетского технологического института разработали подходы к преобразованию окон в концентраторы солнечного света для выработки электроэнергии. Они рисуют смесью красителей стекло или пластик. Красители поглощают солнечный свет и повторно излучают его в виде флуоресценции внутри стекла, где он ограничивается внутренним отражением , выходящим на края стекла, где он встречает солнечные элементы, оптимизированные для преобразования такого концентрированного солнечного света. Коэффициент концентрации составляет около 40, и оптическая конструкция дает солнечный концентратор, который, в отличие от концентраторов на основе линз, не обязательно должен быть точно направлен на солнце и может производить выходной сигнал даже при рассеянном свете. Covalent Solar работает над коммерциализацией процесса.

Метаматериалы

Метаматериалы — это гетерогенные материалы, в которых используется сочетание многих микроскопических элементов, что приводит к свойствам, не наблюдаемым в обычных твердых телах. Используя их, можно создать солнечные элементы, которые являются отличными поглотителями в узком диапазоне длин волн. Было продемонстрировано высокое поглощение в микроволновом режиме, но еще не в режиме длин волн 300-1100 нм.

Фотоэлектрический тепловой гибрид

Некоторые системы сочетают фотоэлектрические с тепловыми солнечными батареями с тем преимуществом, что тепловая солнечная часть отводит тепло и охлаждает фотоэлектрические элементы. Понижение температуры снижает сопротивление и повышает эффективность элемента.

Фотогальваника на основе пента

Фотовольтаика на основе пентацена, как утверждается, улучшает коэффициент энергоэффективности до 95%, эффективно удваивая эффективность наиболее эффективных современных технологий.

Промежуточная полоса

Фотовольтаика промежуточного диапазона в исследованиях солнечных элементов предоставляет методы для превышения предела Шокли – Кайссера по эффективности элемента. Он вводит уровень энергии промежуточной зоны (IB) между валентной зоной и зоной проводимости. Теоретически введение ИБ позволяет двум фотонам с энергией меньше ширины запрещенной зоны возбудить электрон из валентной зоны в зону проводимости . Это увеличивает наведенный фототок и, следовательно, эффективность.

Луке и Марти впервые вывели теоретический предел для устройства IB с одним средним энергетическим уровнем, используя подробный баланс . Они предположили, что в IB не собирались носители и что устройство находилось в полной концентрации. Они обнаружили, что максимальная эффективность составляет 63,2% для ширины запрещенной зоны 1,95 эВ с IB 0,71 эВ либо из валентной зоны, либо из зоны проводимости. При одном солнечном освещении предельный КПД составляет 47%.

Источник