- Wprowadzenie
Ze względu na szybki rozwój, wymagania dotyczące komfortu, większą mobilność i rosnącą populację na świecie, zużycie energii rośnie z roku na rok ogromnie. W obecnym scenariuszu paliwa kopalne, takie jak węgiel, ropa i gaz, odgrywają wiodącą rolę w zaspokajaniu zapotrzebowania na energię. Zanieczyszczenie środowiska jest dziś również poważnym problemem ze względu na ogromne zużycie paliw kopalnych. Aby zmniejszyć zanieczyszczenie i chronić środowisko, technologie energii odnawialnej mają duży potencjał, aby zaspokoić globalne zapotrzebowanie na energię. Wiadomo, że wśród odnawialnych źródeł energii energia słoneczna jest najbardziej obiecującym i niezawodnym źródłem energii w większości krajów, rząd zachęca do budowy elektrowni opartych na energii słonecznej. Aby przekształcić energię słoneczną w formy energii przydatne dla potrzeb człowieka, istnieje kilka ścieżek termodynamicznych. Ogólnie rzecz biorąc, ciepło, energia kinetyczna,
Fotowoltaika (PV) to bezpośrednia konwersja promieniowania na energię elektryczną. Systemy fotowoltaiczne zawierają ogniwa, które przekształcają światło słoneczne w energię elektryczną. Wewnątrz każdej komórki znajdują się warstwy materiału półprzewodnikowego. Światło padające na ogniwo tworzy pole elektryczne w poprzek warstw, powodując przepływ energii elektrycznej. Intensywność światła określa ilość energii elektrycznej generowanej przez każdą komórkę. Badania nad ogniwami słonecznymi opartymi na półprzewodnikach (III – V i II – VI) prowadzono od 1960 r. W tym czasie opracowano nową technologię polikrystalicznego Si (pc-Si) i cienkowarstwowego ogniwa słonecznego w celu obniżenia kosztów materiałowych. i energii, ale zwiększają zdolność produkcyjną. PV jest obecnie technicznie i komercyjnie dojrzałą technologią zdolną do wytwarzania i dostarczania krótko- i średnioterminowej energii elektrycznej przy użyciu energii słonecznej. Jednak obecne instalacje fotowoltaiczne są nadal małe i zapewniają tylko 0,1% całkowitej światowej produkcji energii elektrycznej, ale w niektórych raportach rynkowych wskazano, że instalacje PV rosną w średnim rocznym tempie 40%. Technologia PV zredukowała swoje koszty jednostkowe do około jednej trzeciej tego, co było 5 lat temu, dzięki ciągłemu postępowi technicznemu i badaniom nad zwiększeniem wydajności, PV z pewnością będzie nadal rosło w szybkim tempie i ostatecznie stanie się ważnym dostawcą energii w regionie. świat. Z raportu na temat fotowoltaicznej energii słonecznej, która wzmocni świat, przewiduje się, że PV dostarczy około 345 GW około 4% do 2020 r. I 1081 GW do 2030 r.
We wpisie przedstawiono aktualny światowy stan technologii PV, materiały do ogniw słonecznych, takie jak materiały krystaliczne, cienkowarstwowe ogniwa słoneczne, organiczne ogniwa słoneczne, hybrydowe ogniwa słoneczne, Zbadano ogniwa słoneczne, ogniwa słoneczne oparte na nanotechnologii oraz wpływ ogniw słonecznych na środowisko.
- Światowy status technologii fotowoltaicznej
Globalne dane dotyczące produkcji ogniw słonecznych w 2010 r. Wahają się od 18 GW do 27 GW. Od 2000 roku całkowita produkcja PV wzrosła prawie o dwa rzędy wielkości, przy rocznych stopach wzrostu między 40% a 90%. W latach 2008-2011 ceny systemów fotowoltaicznych spadły o 40%. Do tej pory donoszono, że światowe zużycie energii elektrycznej będzie rosło w tempie 2,4% rocznie do 2030 roku. Wraz z rozwojem technologii materiałowej PV, zużycie energii słonecznej na całym świecie również gwałtownie rośnie z roku na rok. Monokrystaliczne i materiały silikonowe pokrywają 80% Rynek fotowoltaiczny, podczas gdy materiały cienkowarstwowe szybko gonią. Poza tym wciąż istnieją nowe technologie, takie jak polimerowe / organiczne i hybrydowe ogniwa słonecznena etapach badawczych. Produkcja PV w latach 2000-2010 według krajów, tj. USA, Japonii, Europy i innych, według raportu Komisji Europejskiej JRC jest podana w.
Można to zobaczyć w że Chiny są liderem w produkcji ogniw słonecznych. Jednak kraje europejskie przodują w instalacjach fotowoltaicznych z 39 GW mocy wyjściowej do końca 2011 roku. W krajach europejskich instalacje PV w Niemczech, Hiszpanii i Francji mają odpowiednio 7,4 GW, 3,9 GW i 1,05 GW. W międzyczasie kraje rozwijające się z Azji i regionu Pacyfiku, takie jak Indie, Malezja, Tajwan, Korea, Tajlandia i inne, również wykazują dobrą poprawę w zakresie instalacji fotowoltaicznych, ponieważ ich rządy zapewniają pełne wsparcie w postaci zachęty finansowej do projektu energii odnawialnej. . Rząd Indii poważnie traktuje produkcję energii słonecznej i innych odnawialnych źródeł energii, ustanawiając krajową misję słoneczną mającą na celu uczynienie Indii liderem w dziedzinie energii słonecznej i obrał sobie za cel produkcję 500 GW energii z energii słonecznej do 2030 r. Wu i in. przeprowadził badania nad systemem PV podłączonym do sieci w Chinach i stwierdził, że technologia PV w Chinach szybko się rozwija. Z badania wynika również, że rząd Chin zapewnia specjalny fundusz grupie badawczo-rozwojowej w Chinach na fotowoltaikę słoneczną, a także opracowuje pewne zasady dotyczące instalacji PV.
3. Materiały na ogniwa słoneczne
Krótki przegląd materiałów do produkcji ogniw słonecznych znajdziecie w tym wpisie. Krzem jest wiodącą technologią w produkcji ogniw słonecznych ze względu na wysoką sprawność. Jednak ze względu na wysoki koszt większość badaczy próbuje znaleźć nową technologię w celu obniżenia kosztów materiałów potrzebnych do produkcji ogniw słonecznych i do dziś technologia cienkich warstw może być postrzegana jako odpowiedni substytut. Przyczyną niskiego kosztu technologii cienkowarstwowej jest to, że wykorzystuje ona mniej materiału, a warstwy są znacznie cieńsze w porównaniu z mono – i polikrystalicznym ogniwem słonecznym, co obniża koszty produkcji. Jednak wydajność ogniw słonecznych opartych na tej technologii jest nadal niska. Trzy materiały, którym poświęcono wiele uwagi w technologii cienkowarstwowej, to bezpostaciowy krzem, CdS / CdTe i CIS, ale naukowcy nieustannie dokładają starań, aby zwiększyć wydajność. Jednak wszystkie te materiały mają zły wpływ na środowisko. Inne rozwiązanie dla technologii cienkiej folii zostało opracowane przez naukowców przy użyciu polimeru lub materiału organicznego jako materiału ogniw słonecznych. Materiały polimerowe mają wiele zalet, takich jak niski koszt, lekkość i przyjazność dla środowiska. Jedynym problemem jest to, że ma bardzo niską sprawność w porównaniu do innych materiałów (zaledwie 4–5%).
- Materiały krystaliczne
Spośród wszystkich innych materiałów ogniw słonecznych, ogniwo słoneczne na bazie krzemu krystalicznego ma najwyższą sprawność w porównaniu z innymi. Co więcej, dostawy krzemu mogą być łatwo dostępne, ponieważ jest to drugi najłatwiejszy surowiec, jaki można znaleźć na ziemi. Krótki przegląd materiałów krystalicznych podano poniżej.
- Ogniwa monokrystaliczne
Ten rodzaj materiału był szeroko stosowany w tworzeniu ogniw PV ze względu na jego wysoką wydajność w porównaniu do ogniw polikrystalicznych o 15%. Wśród innych rodzajów materiałów do ogniw słonecznych, monokrystaliczne ogniwa słoneczne mają najwyższą sprawność, przekraczającą 20%, ale w przypadku komercjalizacji deklaracja wydajności producenta zwykle mieści się w zakresie od 15% do 17%.W procesie Czochralskiego krzem półprzewodnikowy o wysokiej czystości topiony jest w tyglu, zwykle wykonanym z kwarcu. Atomy domieszek zanieczyszczeń, takie jak bor lub fosfor, są dodawane do stopionego krzemu w precyzyjnych ilościach w celu domieszkowania krzemu, zmieniając go w ten sposób w krzem typu n lub p.
Ma to wpływ na elektryczne właściwości krzemu. Precyzyjnie zorientowany kryształ zaszczepiający osadzony na pręcie jest zanurzony w stopionym krzemie. Pręt kryształu zaszczepiającego jest powoli wyciągany do góry i jednocześnie obracany. Dzięki precyzyjnej kontroli gradientów temperatury, szybkości ciągnienia i prędkości obrotowej, możliwe jest wydobycie ze stopu dużego, monokrystalicznego, cylindrycznego wlewka. Występowania niepożądanych niestabilności w stopie można uniknąć poprzez badanie i wizualizację pól temperatury i prędkości podczas procesu wzrostu kryształów. Proces ten zwykle przeprowadza się w obojętnej atmosferze, takiej jak argon, lub w obojętnej komorze, takiej jak kwarc
- Komórki polikrystaliczne
Ogniwo polikrystaliczne jest odpowiednim materiałem do obniżenia kosztów opracowania modułu PV, jednak jego wydajność jest niska w porównaniu z komórkami monokrystalicznymi i innymi materiałami rozwijającymi się. Ogniwo jest wytwarzane przez stopienie krzemu i zestalenie go w celu zorientowania kryształów w ustalonym kierunku, w wyniku czego powstaje prostokątny wlewek krzemu polikrystalicznego, który ma być pokrojony w bloki, a na koniec w cienką płytkę. Technologia produkcji polikrystalicznej została opracowana przez Evergreen Solar.
- Arsenek galu (GaAs)
GaAs jest złożoną formą półprzewodnikową złożoną z galu (Ga) i arsenu (As), która ma podobną strukturę jak krzem. W porównaniu z krzemowymi ogniwami słonecznymi, GaAs ma wysoką sprawność, a grubość jest również mniejsza. Energia pasma wzbronionego dla GaA wynosi 1,43 eV. Efektywność ogniwa słonecznego GaAs można zwiększyć poprzez stopienie go z niektórymi materiałami, takimi jak Al, In, P i Sb.
GaAs jest zwykle używany do modułów fotowoltaicznych koncentratora i do zastosowań kosmicznych, ponieważ ma wysoką odporność termiczną. Ponadto GaAs jest lżejszy w porównaniu do krzemu poli- i monokrystalicznego. Jednak materiał i produkcja GaAs są kosztowne:(
- Cienkowarstwowe ogniwa słoneczne
W porównaniu z ogniwami słonecznymi opartymi na krystalicznym krzemie, technologia cienkich folii jest tańsza, ponieważ wykorzystuje niewiele materiałów (tańszy proces produkcyjny). Ponieważ wykorzystuje mniej materiału, ogniwo słoneczne wykonane w tej technologii jest bardzo cienkie – 35–250 nm.
- Krzem amorficzny
W technologii cienkowarstwowej krzem amorficzny jest bardzo popularny w porównaniu z innymi materiałami, takimi jak CIS / CIGS i CdS / cdTe ze względu na swoją wydajność. Krzem amorficzny jest niekrystaliczną formą krzemu o nieuporządkowanej strukturze i ma 40-krotnie wyższy współczynnik pochłaniania światła w porównaniu do krzemu monokrystalicznego. Zaletą jego losowej struktury jest duża przerwa energetyczna wynosząca 1,7 eV. Radue i inni w swojej pracy przeanalizowali degradację trzech technologii amorficznego krzemu, którymi są bezpostaciowy krzem jednozłączowy, amorficzny krzem trójzłączowy oraz amorficzny krzem trójzłączowy elastyczny, i stwierdzono, że każdy materiał ulega degradacji odpowiednio o 45%, 22% i 27%.
- Tellurek kadmu (CdTe) i siarczek kadmu (CdS)
Materiał ten może zapewniać wysoką sprawność do 15% i jest również znany z tego, że zapewnia idealną przerwę energetyczną (1,45 eV), ponieważ współczynnik bezpośredniego pochłaniania jest wysoki. Proces produkcji ogniwa słonecznego CdS / CdTe polega na odparowaniu cienkiej warstwy CdS na przewodzącym podłożu szklanym, a następnie ponownym odparowaniu gruba warstwa CdTe i osadzenie metalowej warstwy kontaktowej w celu zakończenia początkowego procesu. Następnie ogniwo będzie przez krótki czas poddawane działaniu temperatury około 450 ° C1C, zwykle z przepływem CdCl2, który powoduje częściową krystalizację półprzewodników, a to pozwala na domieszkowanie miedzi w CdS w tym samym procesie (przepływ lub inne składniki na zewnętrznej granicy warstwy CdTe stanowią źródło tego domieszkowania). CdS / cdTe od dłuższego czasu jest również znane ze swojej stabilności. Jednak technologia ta boryka się z pewnymi problemami, takimi jak problemy związane ze środowiskiem i problemem z surowcem tellurkowym (Te). Z eksperymentów przeprowadzonych od lat 50. do 60. XX wieku wyciągnięto wniosek, że CdS domieszkowany miedzią będzie silnie fotoprzewodzący, ponieważ jest półprzewodnikiem typu n. kanał. Aby poprawić charakterystykę ogniw słonecznych CdTe, przeprowadzono eksperyment, który udowodnił, że chemiczna obróbka cieplna jest potrzebna do produkcji lepszych komórek. Widok przekroju heterozłączowego ogniwa słonecznego n-CdS / CdTe znajdziecie sobie w internecie na branżowych zachodnich stronach internetowych. Tu ma być sama esencja.
- Selenek miedziowo-indowo-galowy / selenek miedziowo-indowy
Materiał ten znajduje się nadal w fazie rozwoju, ponieważ jest to nowa technologia, która ma konkurować z innymi krzemowymi ogniwami słonecznymi. Odnotowano wydajność 13% dla modułów i 20% dla ogniw. Jej bezpośrednia przerwa wzbroniona może wynosić nawet 1,68 eV z niewielką modyfikacją zawartością siarki (S). Przeprowadzono eksperyment, aby ocenić wydajność i żywotność ogniw słonecznych CIGS. Eksperyment został przeprowadzony w pomieszczeniach (pod STC) i na zewnątrz przez 4 miesiące. Zaobserwowano, że wady modułu spowodują spadek poboru prądu. Przeprowadzono również eksperyment w celu zbadania wydajności CIS i innego materiału cienkowarstwowego. W wyniku przeprowadzonych eksperymentów CIS degraduje się tylko o 10% w porównaniu do innych cienkich materiałów po ekspozycji na zewnątrz 130 kWh / m2
- Ogniwa organiczne i polimerowe
Organiczne ogniwo słoneczne jest nową technologia i wciąż w fazie rozwoju, jak CIS / CIGS. Mimo że ma bardzo niską sprawność, która wynosi około 4-5%, ale inne zalety, takie jak elastyczność mechaniczna, możliwość jednorazowego użytku i opłacalność, spowodowały duże zainteresowanie tym materiałem. Przeprowadzono badanie eksperymentalne w celu oceny wydajności 15 polimerów do zastosowania w modułach PV w łodziach zasilanych energią PV. Eksperyment skupił się na właściwościach materiałowych polimerów, takich jak gęstość, wytrzymałość, grubość, stabilność UV, temperatura itp. Jakie wnioski? Ano takie, że niektóre polimery wykazują duży potencjał zastąpienia krzemowych modułów PV w przyszłości, biorąc pod uwagę koszty i redukcję wagi. Większość materiałów organicznych ma bardzo niskie napięcia w obwodzie otwartym. Najwyższe napięcie obwodu otwartego dla ogniwa organicznego zostało osiągnięte przez firmę Molecular Solar Ltd. 4 V. Z tego powodu zasugerowano, że w celu zwiększenia napięcia wyjściowego z materiału organicznego należy znaleźć i wyprodukować materiał o szerokim paśmie absorpcji.
- Hybrydowe ogniwo słoneczne
Generalnie idea hybrydy polega na połączeniu krzemu krystalicznego z krzemem niekrystalicznym. Wyższy stosunek wydajności do kosztów został oceniony przez Wu i in.[41] poprzez zastosowanie bezpostaciowego krzemu z krystalicznym krzemem. Jeden z największych producentów ogniw słonecznych z Japonii, Sanyo opracował hybrydowe ogniwo słoneczne o wydajności 21%. Nazywa się to HIT (połączenie złącza Hetero i ogniwa słonecznego z wewnętrznymi cienkimi warstwami folii). Podstawą tego ogniwa słonecznego jest płytka krzemowa CZ typu n, która pełni funkcję pochłaniacza światła. Sanyo planuje komercjalizację tego ogniwa słonecznego i produkcja roślinna jest w drodze.
- Ogniwo słoneczne światłoczułe
Ze względu na pewne problemy z wydajnością, kosztami produkcji i problemami środowiskowymi niektórych materiałów do ogniw słonecznych, naukowcy wpadli na pomysł stworzenia nowej technologii materiałowej zwanej ogniwem słonecznym uczulonym na barwnik. Podano zasadę działania sensybilizowanego barwnikiem ogniwa słonecznego. Ogólnie rzecz biorąc, ten rodzaj materiału ma pięć zasad działania, którymi są nośnik mechaniczny pokryty przezroczystymi przewodzącymi tlenkami, folia półprzewodnikowa, zwykle TiO2, sensybilizator zaadsorbowany na powierzchni półprzewodnika, elektrolit zawierający mediator redoks, przeciwelektrodę zdolną do regeneracji mediatora redoks np cenną platynę :). Ogniwo słoneczne podbarwione będzie dobrym konkurentem dla istniejącej technologii materiałowej w produkcji ogniw słonecznych
- Nowa technologia produkcji ogniw PV
Oprócz poszukiwania nowego materiału do poprawy wydajności ogniw słonecznych, odkryto nową technologię przetwarzania ogniw słonecznych PV. Nanotechnologia lub czasami określana jako „trzecia generacja PV ” Cel – zwiększenie wydajności konwersji ogniwa słonecznego, ponieważ pasmo energetyczne może być kontrolowane przez komponenty w nanoskali!. Nanorurki (CNT), kropki kwantowe (QD) i ogniwa słoneczne typu „gorący nośnik” (HC) to trzy urządzenia wykorzystywane w nanotechnologii do produkcji ogniw PV. Zalety korzystania z tej technologii to:
Poprawa właściwości mechanicznych materiału, niski koszt, ciężar (lekki) i dobre parametry elektryczne.
Nanorurki węglowe (CNT) są utworzone przez sześciokątny węgiel sieciowy. Jeden zespół badawczy wynalazł fotodiodowe ogniwo słoneczne z CNT i skutecznie poprawił wydajność i prąd wyjściowy tego ogniwa słonecznego. Chociaż sprawność ogniwa słonecznego jest nadal niska (3–4%), wiele badań zostanie przeprowadzonych w tej technologii w celu poprawy wydajności elektrycznej.
- Kropki kwantowe
Kropki kwantowe (QD) można opisać jako materiał zbudowany z wielu form materiału, co czyni je specjalnym układem półprzewodnikowym z możliwością kontroli pasma energetycznego. Wyjście napięciowe można zwiększyć wraz ze wzrostem wielkości energii przerwy wzbronionej, ale z drugiej strony mniejsza przerwa wzbroniona może również zwiększyć prąd wyjściowy. Jako rozwiązanie stosuje się QD, ponieważ mogą one zmieniać widma absorpcji i emisji światła. Aroutiounian (inni również). opracowali model matematyczny do obliczania fotoprądu dla ogniwa słonecznego opartego na QD. Na sprawność ogniw słonecznych opartych na QD łatwo wpływają ich defekty. W eksperymentach z powodzeniem zwiększono wydajność ogniwa słonecznego uczulanego kropkami kwantowymi poprzez zastosowanie CdSe z czapeczkami kwasu merkaptopropionowego (MPA) na folię TiO2 w roztworze wodnym i stwierdzono, że wartość pH 7.0 jest odpowiednią wartością, aby dodać maksymalną ilość CdSe QD do folii TiO2.
- Ogniwo słoneczne z gorącym nośnikiem
Gorący nośnik (HC) jest trudną metodą w porównaniu z CNT i QD, ponieważ wymaga selektywnych styków energii, aby przekształcić światło w energię elektryczną bez wytwarzania ciepła. Jego sprawność sięga 66%, czyli trzykrotnie wyższą niż dotychczasowe ogniwo silikonowe. Jednak do tej pory, ze względu na brak odpowiedniego materiału, który może zmniejszyć szybkość chłodzenia nośnika, HC nigdy nie został skomercjalizowany, ale pozostaje technologią eksperymentalną. Przedstawia schemat ogniwa słonecznego HC. Konig i in. w swoich badaniach omówili zasady, materiał i konstrukcję ogniwa słonecznego HC i doszli do wniosku, że materiały takie jak BBi, BiN, AlBi, BiP, Bi2S3, SiSn, BSb i InP są dobre jako materiał absorbujący gorący nośnik.