Õhukese kilega päikesepatareid

Kuni 85% praegu turul olevatest päikesepatareidest on kristalsed päikesemoodulid. Eksperdid kinnitavad aga, et päikesepatareide tootmise õhukese kile tehnoloogia osutub tõhusamaks ja seega ka kõige lootustandvamaks juba tuntud kristallmoodulitest.

Õhukese kiletehnoloogia peamine eelis on selle madal hind, mistõttu on sellel lähiaastatel kõik võimalused tõusta liidriks. Uue aluse moodulid muudavad päikesepaneelid selle sõna otseses mõttes paindlikuks. Need on kerged ja paindlikud, mis võimaldab selliseid patareisid asetada sõna otseses mõttes igale pinnale, sealhulgas riiete pinnale.

Paindlikud päikesepatareid põhinevad polümeerkiledel, amorfsel ränil, alumiiniumil, kaadmiumtelluriidil ja muudel pooljuhtidel, mida juba kasutatakse mobiiltelefonide, sülearvutite, tahvelarvutite, videokaamerate ja muude vidinate kaasaskantavate laadijate tootmisel väikeste kokkupandavate seadmete kujul. päikesepatareid. Kuid kui on vaja rohkem võimsust, peab mooduli pindala olema suurem.

Esimesed õhukese kilega päikesepatareide näidised valmistati substraadile sadestatud amorfse räniga ja efektiivsus oli vaid 4–5% ning kasutusiga ei olnud pikk. Sama tehnoloogia järgmiseks sammuks oli efektiivsuse tõstmine 8%-ni ja kasutusea pikendamine, see sai võrreldavaks oma kristallide eelkäijatega. Lõpuks oli õhukese kilega moodulite kolmanda põlvkonna efektiivsus juba 12%, mis on juba märkimisväärne edasiminek ja konkurentsivõime.

Siin kasutatud indiumseleniid ja kaadmiumtelluriid on võimaldanud luua paindlikke päikesepatareisid ja kaasaskantavaid laadijaid, mille kasutegur ulatub kuni 10% ja see on juba märkimisväärne saavutus, kui arvestada, et füüsikud võitlevad iga täiendava efektiivsuse protsendi eest. Vaatame nüüd lähemalt, kuidas õhukesi kilepatareisid tehakse.

Mis puudutab kaadmiumtelluriidi, siis seda hakati valgust neelava materjalina uurima juba 1970. aastatel, kui oli vaja leida parim variant kosmoses kasutamiseks. Tänaseni on päikesepatareide jaoks kõige lootustandvam kaadmiumtelluriid. Kaadmiumi toksilisuse küsimus jääb siiski mõneks ajaks lahtiseks.

Uurimistöö tulemusena selgus, et oht on minimaalne, atmosfääri sattunud kaadmiumi tase ei ole ohtlik. Kasutegur on 11%, samas kui vati hind on kolmandiku võrra madalam kui räni analoogidel.

Nüüd vask-indium seleniidi jaoks. Tänapäeval kasutatakse lameekraanmonitoride loomiseks märkimisväärses koguses indiumit, mistõttu indium asendatakse siiski galliumiga, millel on samad omadused. päikeseenergia… Selle põhjal saavutavad kileakud 20% efektiivsuse.

Viimasel ajal on hakatud välja töötama polümeerpaneele.Siin toimivad valgust neelavate materjalidena orgaanilised pooljuhid: süsinikfulereenid, polüfenüleen, vaskftalotsüaniin jne. Päikesepatarei paksus on 100 nm, kuid kasutegur on vaid 5 kuni 6%. Kuid samas on tootmiskulud üsna madalad, kiled taskukohased, kerged ja täiesti keskkonnasõbralikud. Sel põhjusel on vaikpaneelid populaarsed seal, kus on olulised keskkonnasõbralikkus ja mehaaniline paindlikkus.

Seega täna toodetavate õhukese kilega päikesepatareide efektiivsus:

• monokristall - 17 kuni 22%;

• polükristall - 12-18%;

• Amorfne räni - 5-6%;

• kaadmiumtelluriid - 10-12%;

• vask-indium seleniid - 15 kuni 20%;

• Orgaanilised polümeerid - 5 kuni 6%.

Millised on õhukese kile patareide omadused? Esiteks tasub ära märkida moodulite kõrget jõudlust ka hajutatud valguses, mis annab aasta jooksul kuni 15% rohkem võimsust võrreldes kristallanaloogidega. Järgmine on tootmiskulude eelis. Suure võimsusega süsteemides, alates 10 kW, näitavad õhukese kilega moodulid suuremat efektiivsust, kuigi vaja on 2,5 korda rohkem pinda.

Seega saame nimetada tingimusi, mil õhukese kilega moodulid saavad õigustatud eelise. Enamasti pilvise ilmaga piirkondades töötavad õhukesed akud tõhusalt (hajutatud valgus). Kuuma kliimaga piirkondades on õhukesed kiled tõhusamad (need töötavad sama tõhusalt kõrgel kui madalal temperatuuril). Võimalus kasutada dekoratiivsete kujunduslahendustena hoonete fassaadide viimistlemisel. Võimalik on läbipaistvus kuni 20%, mis mängib jällegi disainerite kätesse.

Vahepeal tegi Ameerika ettevõte Solyndra 2008. aastal ettepaneku paigutada õhukese kilega akud silindritele, kus klaastorule kantakse fotoelemendi kiht, mis asetatakse teise elektrikontaktidega varustatud toru sisse. Materjalidest kasutatakse vaske, seleeni, galliumi, indiumi.

Silindriline disain võimaldab neelata rohkem valgust ja kahe paneeli meetri kohta mahub 40 silindrist koosnev komplekt. Siin on esiletõst, et valge katusekate aitab kaasa sellise lahenduse kõrgele efektiivsusele, sest siis töötavad ka peegeldunud kiired, lisades 20% oma energiast. Lisaks on silindrilised komplektid vastupidavad isegi tugevatele tuultele, mille puhangud ulatuvad kuni 55 m / s.

Enamik tänapäeval toodetavaid päikesepatareisid sisaldavad ainult ühte pn-siirdet ja ribavahest väiksema energiaga footonid lihtsalt ei osale genereerimises. Seejärel leidsid teadlased viisi selle piirangu ületamiseks, töötati välja mitmekihilise struktuuri kaskaadelemendid, kus igal kihil on oma ribalaius, see tähendab, et igal kihil on eraldi pn-siirde neelduva energia individuaalse väärtusega. footonid.

Ülemine kiht on moodustatud sulamist, mis põhineb hüdrogeenitud amorfsel ränil, teine ​​- sarnane sulam, millele on lisatud germaaniumi (10-15%), kolmas - 40-50% germaaniumi lisamisega. Seega on igas järjestikuses kihis eelmise kihi omast kitsam vahe ja ülemiste kihtide neeldumata footonid neelavad kile all olevad kihid.

Selle lähenemisviisi puhul on toodetud energia maksumus poole väiksem võrreldes traditsiooniliste kristalse räni elementidega. Tulemusena saavutati kolmekäigulise kilega kasutegur 31% ja viiekäiguline kile lubab kõike 43%.

Hiljuti töötasid Moskva Riikliku Ülikooli spetsialistid välja rull-tüüpi päikesepatareid, mis põhinevad orgaanilisest materjalist elastsele substraadile kantud polümeeril. Tõhusus osutus vaid 4%, kuid sellised akud võivad töötada isegi + 80 ° C juures 10 000 tundi. Need uuringud ei ole veel lõppenud.

Šveitsi teadlased saavutasid polümeeri baasil 20,4% efektiivsuse ning pooljuhtidena kasutati indiumit, vaske, seleeni ja galliumi. Täna on see õhukese polümeerkilega elementide rekord.

Jaapanis saavutasid nad sarnastes (indium, seleen, vask) pihustussadestatud pooljuhtides efektiivsuse 19,7%. Ja Jaapanis hakati päikesekangast tootma, riidest päikesepaneelid töötati välja, kasutades kangale kinnitatud umbes 1,2-millimeetrise läbimõõduga silindrilisi elemente. 2015. aasta alguses plaanisid nad selle alusel alustada rõivaste ja päikesevarjude tootmist.

On ilmselge, et õhukese kilega päikesepaneelid muutuvad lähiajal lõpuks ka elanikkonnale üldiselt kättesaadavaks.Ega ilmaasjata tehakse maailmas nii palju uuringuid kulude vähendamise nimel.