Реальное применение тонкопленочных солнечных батарей

Солнечные электростанции пока не используются повсеместно, на то есть ряд причин, описанных в этой статье (откроется в новом окне). Тонкопленочные солнечные батареи в ряду новейших технологий пока не стали модными и не используются повсеместно, т.к. имеют больше недостатков, чем достоинств, но рассмотрим обе стороны.

В чем разница

Принципиальная разница состоит в используемых материалах. Для достижения отличительных параметров тонкопленочных солнечных батарей нужно использовать полупроводники из селенида меди-индия, а также теллурида кадмия. Принцип действия точно такой же, как в поликристаллических и монокристаллических фотоэлементах с той разницей, что наносить указанные полупроводники можно на пленку. Пленка гнется и скручивается в отличие от классических солнечных панелей.

Достоинства

1. Полупрозрачность. Классические (поликристаллические и монокристаллические) солнечные панели полностью непрозрачные. Аморфные тонкопленочные батареи могут быть выполнены таким образом, чтобы заменить окно в доме, пропуская часть света, а часть преобразовывая в электричество.
2. Легкость. Батареи выполненные на пленке легче классических в несколько раз, что дает больше свободы в монтаже, упрощает операции с ними.
3. Гибкость. Тонкопленочные батареи теоретически можно изгибать в любой плоскости без потери работоспособности.
4. Ударопрочность. Пленка не разбивается от падения при монтаже, от града и остается работоспособной в самых экстремальных условиях.

Недостатки

1. Низкий КПД. Если не рассматривать лабораторные образцы, а оценивать реальные показатели выпускаемых моделей, то на выходе получим КПД не выше 4%, что в три раза меньше такого же у поликристаллического фотоэлемента.

Важно. При использовании полупрозрачных фотоэлементов коэффициент снижается до смешных 2% и от одного окна вы вряд ли сможете даже зарядить свой смартфон.

Сравнение цен пленочной и кремниевой солнечной панели

Мифы и реальность

Пока технология изготовления пленочных солнечных батарей не составляет реальной конкуренции поли/монокристаллическим аналогам. Прежде всего из-за дороговизны используемых материалов. Тем не менее, на ТВ, в сети и среди розничных продавцов бытует несколько мифов о чудо свойствах этой технологии.

• Тонкопленочные солнечные батареи могут работать в пасмурную погоду. Отчасти это правда, но правда и в том, что любые солнечные панели работают в пасмурную погоду, выдавая при этом меньшую силу тока или вольтаж, в зависимости от модели. Пленочные так же точно снижают свою производительность.
• Пленочные батареи не снижают производительность при нагреве. Это откровенное вранье. Снижение производительности гораздо сильнее поли/монокристаллических аналогов. Поэтому при монтаже таких панелей следует обязательно предусмотреть возможность вентиляции их задних стенок.
• Дешевле. На самом деле дороже (см. недостаток 2)
• Могут принимать любую форму. Здесь правда, только вот толку, как показывает практика, от этого никакого. Панели располагаются в плоскости для достижения максимального эффекта.
• Можно свернуть в трубочку и тогда свет будет поступать на них почти весь день. Действительно такое «сенсационное» изобретение приносит прирост в производительности меньше, чем использование той же площади аналогичных батарей в плоском виде.

Схема работы цилиндрического модуля

Область применения

Как показывает практика, использовать гибкие солнечные панели целесообразно только в походных условиях. Гораздо проще развернуть холст с пленочными солнечными панелями на крыше палатки или трейлера, чем возить с собой жесткую конструкцию, на сборку которой нужно время. Популярны также переносные электростанции для зарядки телефонов и фонарей во время путешествия.

Ввиду низкого КПД сфера применения солнечных батарей очень ограничена. Применение в качестве стационарной солнечной электростанции возможно, но только при наличии больших свободных площадей.

Видео о пленочных батареях

Типичный рекламный сюжет, где диктор рассказывает чудеса о пленочных солнечных батареях, предполагая КПД в 10%, забывая, что таких результатов пока смогли добиться только в лабораторных условиях, но никак не в промышленных образцах. Ролик будет интересен тем, кто хочет знать, как реклама пытается обмануть нас.

Источник

Тонкопленочные солнечные батареи

До 85% солнечных батарей, выпускаемых сегодня на рынок, являются кристаллическими солнечными модулями. Однако специалисты уверяют, что тонкопленочная технология производства солнечных батарей оказывается более эффективной и поэтому наиболее перспективной, чем уже привычные кристаллические модули.

Основное преимущество тонкопленочной технологи — низкая себестоимость, именно по этой причине она имеет все шансы на то, чтобы стать лидером уже в ближайшие годы. Модули на новой базе позволяют сделать солнечные батареи гибкими, в буквальном смысле этого слова. Они получаются легкими и эластичными, что позволяет размещать такие батареи буквально на любых поверхностях, включая поверхность одежды.

В основе гибких солнечных элементов — полимерные пленки, аморфный кремний, алюминий, теллурид кадмия и прочие полупроводники, которые уже применяются при производстве портативных зарядных устройств для сотовых телефонов, ноутбуков, планшетов, видеокамер и других гаджетов, в виде складных солнечных батарей небольшого размера. Но если потребуется больше энергии, то и площадь модуля должна будет быть больше.

Самые первые образцы тонкопленочных солнечных элементов изготавливались с применением наносимого на подложку аморфного кремния, и КПД получался всего от 4 до 5%, а срок службы не был долгим. Следующим шагом все той же технологии стало повышение КПД до 8% и продление срока службы, он стал сравним с кристаллическими предшественниками. И наконец, третье поколение тонкопленочных модулей обладало уже КПД в 12%, а это уже значительное продвижение и конкурентоспособность.

Примененные здесь селенид меди-индия и теллурид кадмия, позволили создать гибкие солнечные батареи и портативные зарядные устройства с КПД до 10%, а это уже значительное достижение, если учесть, что физики ведут борьбу за каждый дополнительный процент КПД. Теперь остановимся более подробно на том, как делают тонкопленочные батареи.

Что касается теллурида кадмия, то в качестве светопоглощающего материала его начали исследовать еще в 70-е, когда нужно было подобрать лучший вариант для использования в космосе. И по сей день именно теллурид кадмия остается наиболее перспективным для солнечных батарей. Однако вопрос о токсичности кадмия оставался некоторое время открытым.

В результате исследований было показано, что опасность минимальна, уровень кадмия, высвобождаемого в атмосферу не опасен. КПД же составил 11%, при этом стоимость одного ватта получилась на треть ниже, чем у кремниевых аналогов.

Теперь про селенид меди-индия. Значительная часть индия сегодня уходит на создание плоских мониторов, поэтому индий все же заменяют на галлий, обладающий теми же свойствами для солнечной энергетики. Пленочные же батареи на данной основе достигают КПД в 20%.

Недавно начали разрабатывать полимерные панели. Здесь светопоглощающими материалами служат органические полупроводники: углеродные фуллерены, полифенилен, фталоцианин меди и т. д. Толщина солнечного элемента получается 100 нм, однако КПД составляет всего от 5 до 6%. Но при этом стоимость производства довольно низка, пленки доступны, легки, и полностью экологичны. По этой причине полимерные панели популярны там, где важны экологичность при утилизации и механическая эластичность.

Итак, КПД тонкопленочных солнечных элементов, выпускаемых сегодня:

Монокристалл — от 17 до 22%;

Поликристалл — от 12 до 18%;

Аморфный кремний — от 5 до 6%;

Теллурид кадмия — от 10 до 12%;

Селенид меди-индия — от 15 до 20%;

Органические полимеры — от 5 до 6%.

В чем же заключаются особенности тонкопленочных батарей? В первую очередь стоит отметить высокую производительность модулей даже при рассеянном свете, что дает до 15% больше мощности в течение года по сравнению с кристаллическими аналогами. Далее идет преимущество в стоимости производства. В мощных системах, от 10 кВт, именно тонкопленочные модули показывают большую эффективность, хотя площадь требуется в 2,5 раза больше.

Таким образом, можно назвать условия, когда тонкопленочные модули приобретают оправданное преимущество. В регионах с преимущественно пасмурной погодой именно тонкопленочные батареи будут эффективно работать (рассеянный свет). Для регионов с жарким климатом тонкие пленки оказываются более эффективными (при высокой температуре они так же эффективно работают, как и при невысокой). Возможность использования в качестве декоративных дизайнерских решений при отделке фасадов зданий. Возможна прозрачность до 20%, что опять же на руку дизайнерам.

Между тем, еще в 2008 году американская компания Solyndra предложила размещать тонкопленочные батареи на цилиндрах, когда слой фотоэлемента наносится на стеклянную трубку, которая размещается внутри другой трубки, оснащенной электрическими контактами. Применяемые материалы — медь, селен, галлий, индий.

Цилиндрическое исполнение позволяет поглощать больше света, и набор из 40 цилиндров умещается на панели размером метр на два. Изюминка здесь в том, что белое покрытие крыши способствует высокой эффективности такого решения, ведь тогда отраженные лучи тоже работают, добавляя свои 20% энергии. К тому же цилиндрические наборы устойчивы даже к сильному ветру с порывами до 55 м/с.

Большинство солнечных элементов, производимых сегодня, содержат всего один p-n переход, и фотоны с энергией меньшей, чем ширина запрещенной зоны, просто не участвуют в генерации. Тогда ученые придумали путь преодоления этого ограничения, были разработаны каскадные элементы многослойной структуры, где каждый слой обладает своей шириной запрещенной зоны, то есть каждый слой имеет индивидуальный p-n переход с индивидуальным значением энергии поглощаемых фотонов.

Верхний слой формируют из сплава на основе гидрогенизированного аморфного кремния, второй — аналогичный сплав с добавлением германия (10-15%), третий — с добавлением от 40 до 50% германия. Таким образом, каждый следующий слой имеет запрещенную зону уже, чем у предыдущего слоя, и не поглощенные фотоны в верхних слоях, поглощаются нижележащими слоями пленки.

При таком подходе стоимость генерируемой энергии снижается вдвое по сравнению с традиционными кристаллическими кремниевыми элементами. В результате достигнут КПД 31% на трехпереходной пленке, а пятипереходная сулит все 43%.

Недавно специалисты из МГУ разработали солнечные батареи рулонного типа на основе полимера, нанесенного на подложку из гибкого органического материала. КПД получился всего 4%, зато работать такие батареи могут даже при + 80°С в течение 10000 часов. Эти исследования еще не завершены.

Швейцарские ученые достигли на полимерной подложке КПД 20,4%, а в качестве полупроводников использовали индий, медь, селен и галлий. Сегодня это рекорд для элементов на тонкой полимерной пленке.

В Японии достигли аналогичным образом (индий, селен, медь) 19,7% КПД, наносили полупроводники методом напыления. А еще в Японии занялись изготовлением солнечной ткани, тканевые солнечные панели разработали, применив цилиндрические элементы диаметром около 1,2 миллиметра, прикрепленные к ткани. В начале 2015 они планировали начать производство одежды и тентов на этой основе.

Судя по всему, именно тонкопленочные солнечные батареи станут наконец общедоступными для широких слоев населения в ближайшем будущем. Не зря же с целью снижения себестоимости ведется столько исследований по всему миру.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Тонкопленочные солнечные батареи

Солнечные технологии в энергетике не стоят на месте. В свете того, что полезные ископаемые истощаются, особенно те из них, которые идут на выработку электроэнергии, требуются новые, альтернативные источники пополнения запасов электроэнергии. Такая ситуация, лишний раз, подстегивает ученых всего мирового сообщества активнее действовать. Практически, каждый год происходят модернизации и усовершенствования существующих источников энергии. Разрабатываются абсолютно новые материалы, например гелий-теллур. Одним из последних изобретений в этой области являются тонкопленочные солнечные батареи.

Такие тонкоплёночные технологии призваны максимально снизить материальные затраты на изготовление солнечных модулей. Так как подобные разработки появились сравнительно недавно, результаты их испытания и выявление недостатков и достоинств до конца не изучены. Но те опытные образцы, которые отлично работают в настоящее время, показывают впечатляющие результаты.

Тонкопленочные источники: материалы для изготовления

Тонкопленочные солнечные батареи могут быть выполнены из следующих материалов:

• аморфный кремний,
• сульфид кадмия,
• индий,
• галлий,
• кристаллический кремний.

Производных данных материалов очень много и все они используются в производстве батарей. Из-за большого объема сульфидов и оксидов изучение их способностей в области солнечной энергетики затруднено, но работы ведутся во всех направлениях.

Тонкоплёночные батареи уникальны тем, что имеют необычную в данной области особенность – вырабатывать электрическую энергию при отсутствии прямых солнечных лучей. Это означает, что в пасмурный или короткий зимний день, солнечные батареи на подобной основе могут вырабатывать до 15% энергии сверх положенной нормы. Это не только позволяет таким батареям обойти стандартные солнечные элементы, а полностью обогнать их в своем развитии. К тому же тонкоплёночные солнечные батареи открывают дорогу подобным модулям в уникальных туманных районах нашей планеты и в местах, где пасмурная погода составляет основной процент всех метеоусловий. К тому же тонкоплёночные солнечные элементы могут найти свое применение в местах с повышенной запыленностью и увеличенным наличием микрочастиц в воздухе.

Преимущества и недостатки солнечных устройств

Существенным недостатком уникальных батарей в том, что их площадь в 2-2,5 раза больше стандартных кремниевых поликристаллических модулей. Имея не очень высокий КПД, тонкоплёночные солнечные батареи не выгодно использовать в компактных системах. Благодаря этому недостатку, основное применение такого типа модулей лежит в области больших световых установок мощность более 10-15 кВт.

Плюсы

Что же заставляет людей использовать тонкоплёночные солнечные батареи в быту?

Есть несколько ответов на этот вопрос:

• доступность данного источника энергии,
• бесперебойная работа, особенно в солнечных странах,
• автономность, то есть применение в любом месте не зависимо от наличия сопутствующих факторов,
• абсолютная экологичность такого типа добычи энергии, по сравнению с устоявшимися источниками,
• постоянно уменьшающаяся стоимость комплектов подобных модулей, в связи с постоянными усовершенствованиями,
• неумолимо растущий КПД батарей, помогает им составлять конкуренцию стандартным источникам энергии,
• абсолютная доступность для любого человека, так как установка подобных устройств не требует никакого согласования, а в некоторых странах влечет за собой дополнительные государственные субсидии, поощряющие жителей пользоваться экологически чистыми источниками.

Многим может показаться, что установка солнечных модулей под силу исключительно состоятельным людям, но это далеко не так. Не приходится спорить, что начальный этап потребует немалых вложений на покупку и обустройство жилища такими источниками бесплатной энергии. Но, по прошествии некоторого времени, экономия начнет давать свои результаты, а если учесть фактор постоянного повышения стоимость электроэнергии, предстоящая выгода может превзойти все ожидания.

Экономия электроэнергии не заканчивается на электроприборах. Установив водяные коллекторы, которые помогут сэкономить до 70-80 % электричества на нагреве воды и отоплении, можно получить довольно достойные результаты работы. Установив солнечные батареи достаточной мощности, можно существенно пополнить семейный бюджет сэкономленными средствами в зимнее время. Дело в том, что в такие холодные времена достаточно большое количество энергии уходит на обогрев жилища. Применяя водяные коллекторы, любые солнечные батареи, даже тонкоплёночные, принесут свои плоды.

Минусы

Стоит упомянуть и о недостатках батарей, так как данный источник имеет их предостаточно.

К ним можно отнести:

• многие доступные солнечные батареи имеют небольшой уровень КПД,
• любые элементы подобного типа требуют постоянного наблюдения и ухода, чтобы не снижалась производительность всего комплекса,
• высокая температура снижает выработку электроэнергии, а при отсутствии охлаждающих элементов в комплектах установки модулей, этот вопрос становится достаточно актуальным,
• негативное влияние времени на мощность установок, так как со временем кристаллы перестаю выдавать первоначально заявленное количество энергии,
• высокая стоимость всей схемы.

Перспективы маломощных батарей

Тонкопленочные световые модули в последнее время совершенствуются многими исследовательскими лабораториями. К сожалению самый большой КПД таких элементов менее 15%. Основное применение этого направления лежит в области бытовых приборов, так как им вполне достаточно того количества энергии, которые вырабатывают подобные батареи.

Со временем, тонкопленочные элементы могут получить шанс встать в одну шеренгу с поликристаллическими солнечными батареями, но для этого у них должны быть свои, индивидуальные положительные моменты, например, сокращение сроков умирания батарей или неприхотливые условия эксплуатации. Если маломощные батарея смогут выровнять баланс затрачиваемых на их приобретение материальных средств и выдаваемого электричества, то у таких батарей может быть своя область применения, которая найдет своего потребителя.

Источник