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

Достоинства тонкопленочные солнечные батареи и недостатки, цена, характеристики

Установив солнечные устройства, в том числе тонкопленочные солнечные батареи, человек становится независимым от централизованной подачи электроэнергии и растущих постоянно тарифов, тем самым экономится бюджет.

Обзор

Сегодня батареи солнечные тонкопленочные помимо классической установки на крышах, можно использовать вместо остекления. Модули такие отличаются разнообразным цветовым решением, что позволяет зданиям придавать неповторимый внешний вид.

Вырабатывая тонкопленочными батареями энергия может быть использована для бытовых нужд.

Стекло закаленное, покрывающее фотоэлементы, имеет большую механическую прочность, чем обычное, и более безопасно. Поэтому верхние этажи домов во многих странах, а также лоджии и балконы остекляются именно им.

Помимо этого, оно обеспечивает достаточно хорошую прозрачность, гарантирующую высокую эффективность даже при рассеянном свете, т.е. они не только выглядят эстетично, но и экономят бюджет.

За непрозрачную батарею заплатить придется порядка 9 тысяч рублей, за цветную прозрачную частично (20%) -16 тысяч.

Но, в наши дни тонкопленочные солнечные батареи не получили такого широкого распространения, как их кристаллические братья. Причины кроются в их больших габаритах и низком КПД.

Тем не менее, специалисты считают, что будущее гелиоэнергетики именно за ними.

Они ссылаются на такие достоинства тонкопленочных батарей:

• низкая себестоимость;
• небольшая разница в КПД;
• постоянное повышение стоимости кристаллических аналогов.

К тому же технология тонких пленок считается наиболее надежной. Уже сегодня разработано несколько видов батарей тонкопленочных, называемых также «гибкими», для создания которых применяют:

• кремний аморфный;
• кадмия теллурид/сульфид;
• диселениды медно-индиевые и медно-гелиевые.

Основные преимущества

Этот вид солнечных панелей тонкопленочных имеет много отличий от аналогов кристаллических:

• малая толщина, не превышающая 1 микрона;
• отличная гибкость, позволяющая монтаж панели производить на всевозможные криволинейные поверхности, включая цилиндрические;
• сохранение параметров в рассеянном свете, что позволят увеличить общую выработку электроэнергии, в сравнении с поли- и монокристаллическими панелями, на 10, а в отдельных случаях на 15 процентов;
• небольшая себестоимость производственного процесса, следовательно, и невысокая стоимость готового изделия;
• высокоэффективное функционирование в энергосистемах мощностью более 10 кВт и в условиях высоких температур;
• значительные показатели оптического поглощения солнечного спектра, превышающий кристаллический более, чем в 20 раз;
• стабильность мощности выходной продолжительное время- надежность;
• безвредность для окружающей среды, поскольку в них низкая доля использования кремния – 1/000 от применяемого в кристаллических аналогах;
• короткий период окупаемости за счет большой энергоотдачи;
• небольшой вес, упрощающий монтаж;
• ударопрочность. При монтаже нередки падения, но пленка остается работоспособной.

Недостатки

К ним относят:

• большие размеры при одинаковой с кристаллическими панелями мощности (больше последних в 2,5 раза);
• в высоковольтных электросистемах присутствие контроллеров и инверторов является обязательным.

Применение

Использование данного типа тонкопленочных панелей солнечных достаточно разнообразно:

• в областях, где в течение года большое количество пасмурных дней;
• в гелиостанциях большой емкости;
• в регионах с жарким климатом.

Устройство

Триплексы из закаленного стекла, в которые помещают тонкопленочные солнечные батареи, являются для последних надежной защитой. Фотопленка находится под высокопрочным стеклом, которое отличается высокой прозрачностью и одновременно прозрачностью. Такое же решение применяется в области автомобилестроения, производства триплексов светодиодных, архитектуре, где зарекомендовало себя с лучшей стороны.

Рекомендуем:

• Работа солнечных батарей ночью и в пасмурную погоду
• Монокристаллические солнечные панели: сравнение с аналогами, достоинства, цена — ТОП-6
• Goal Zero Nomad 14 Plus: обзор солнечной панели, внешний вид, устройство, достоинства и цена

О технологии

Для изготовления тонкопленочной солнечной конструкции напыляют на гибкую подложку (обычно полимерную) полупроводниковые соединения.

Вначале пользовались для этого исключительно аморфным кремнием. Но, не устраивал низкий КПД фотоэлементов был– порядка 4-5%.

После появления селениды и теллуриды — инновационных материалов, удалось добиться более высокого показателя КПД — до 12%.

Материалы

Но наиболее перспективным на данное время считают тонкопленочные солнечные устройства, изготовленные на основе селенида медиа-галлий-индиевого. После поочередного или одновременного распыления этих материалов, фотоэлементы обрабатывают селеновыми парами.

Серьезную трудность представляет нанесение на всю поверхность (достаточно большую) равномерного покрытия.

Метод вакуумирования

Способ предусматривает использование вакуумных камер или электронных пушек для осаждения из пара диселендов.

В принципе, использовать можно любые подходы, например, ионное распыление, но все методы имеют свои сложности, такие как образование пленки как на подложке, так и на внутренней поверхности камеры. Другая сложность связана с поставками индия, активно применяемого для изготовления плоскопанельных мониторов.

У таких устройств КПД может превышать отметку 20%.

Хотя активно развиваются панели этого типа, их востребованность невелика и не превышает 2%.

Большую популярность завоевали пленки, в изготовлении которых используется кадмия теллурид, Их КПД 16% (против 18%). Большой популярностью пользуются батареи аморфно-кремниевое. Их КПД удалось увеличить до 10%.

Способ суспензии

В производстве тонкопленочных солнечных батарей ведущими специалистами используется несколько способов для нанесения диселенидов. Наиболее распространенным является применении суспензированных оксидов металла.

Изменяя концентрацию и вязкость суспензии получают, так называемые, «чернила», которые корректируются под конкретную технологию (от трафаретного нанесения до струйного осаждения).

В качестве подложки также могут выступать разные материалы — фольга металлизированная, стекло, даже пластик. КПД применения материала при этом очень большой – 90%, а производство во много раз дешевле вакуумирования.

Достоинством метода является равномерный и однородный слой напыления, а недостатком – низкий, в сравнении с вакуумированием, КПД – 16% (против 18%).

Стоимость

Недорого тонкопленочные солнечные батареи купить можно в интернет-магазинах, адреса которых приведены в таблице:

Видео: Cолнечные модули на базе тонкопленочной технологии

Автор и редактор обзоров по гаджетам и новой техники. Ведет работы по написанию свежих рейтингов к публикациям, проверки достоверности и актуальности информации уже опубликованных статей. Отвечает на вопросы в комментариях, пишет на авто темы.

Источник