Tenkovrstvové solárne články

Až 85 % solárnych článkov na dnešnom trhu tvoria kryštalické solárne moduly. Odborníci však ubezpečujú, že tenkovrstvová technológia na výrobu solárnych článkov sa ukazuje ako efektívnejšia a teda najsľubnejšia z už známych kryštálových modulov.

Hlavnou výhodou tenkovrstvovej technológie je jej nízka cena, a preto má v najbližších rokoch šancu stať sa lídrom. Moduly novej základne robia solárne panely flexibilnými v doslovnom zmysle slova. Sú ľahké a flexibilné, čo umožňuje umiestniť takéto batérie doslova na akýkoľvek povrch, vrátane povrchu oblečenia.

Flexibilné solárne články sú založené na polymérových fóliách, amorfnom kremíku, hliníku, teluride kadmia a iných polovodičoch, ktoré sa už používajú pri výrobe prenosných nabíjačiek pre mobilné telefóny, notebooky, tablety, videokamery a iné zariadenia vo forme malých skladacích solárne články. Ak je však potrebný väčší výkon, potom bude musieť byť plocha modulu väčšia.

Prvé vzorky tenkovrstvových solárnych článkov boli vyrobené s amorfným kremíkom naneseným na substráte a účinnosť bola len 4 až 5 % a životnosť nebola dlhá. Ďalším krokom rovnakej technológie bolo zvýšenie účinnosti na 8% a predĺženie životnosti, stala sa porovnateľnou so svojimi krištáľovými predchodcami. Napokon tretia generácia tenkovrstvových modulov už mala účinnosť 12 %, čo je už výrazný pokrok a konkurencieschopnosť.

Tu použitý selenid indium-meď a telurid kadmia umožnili vytvárať flexibilné solárne články a prenosné nabíjačky s účinnosťou až 10 %, a to je už významný úspech, ak vezmeme do úvahy, že fyzici bojujú o každé ďalšie percento účinnosti. Teraz sa pozrime bližšie na to, ako sa vyrábajú tenkovrstvové batérie.

Čo sa týka teluridu kadmia, ten sa začal skúmať ako materiál pohlcujúci svetlo už v 70. rokoch minulého storočia, keď bolo potrebné nájsť najlepšiu možnosť využitia vo vesmíre. Najsľubnejším pre solárne články zostáva dodnes telurid kadmia. Otázka toxicity kadmia však zostáva ešte nejaký čas otvorená.

Výsledkom výskumu sa ukázalo, že nebezpečenstvo je minimálne, hladina kadmia uvoľneného do atmosféry nie je nebezpečná. Účinnosť je 11%, pričom cena za watt je o tretinu nižšia ako u silikónových analógov.

Teraz pre selenid meďnatý a indium. Značné množstvo india sa dnes používa na výrobu plochých monitorov, takže indium je napriek tomu nahradené gáliom, ktoré má rovnaké vlastnosti ako napr. solárna energia… Filmové batérie na tomto základe dosahujú účinnosť 20 %.

Nedávno sa začali vyvíjať polymérové ​​panely.Organické polovodiče tu slúžia ako materiály absorbujúce svetlo: uhlíkové fullerény, polyfenylén, ftalocyanín medi atď. Hrúbka solárneho článku je 100 nm, ale účinnosť je len 5 až 6 %. Ale zároveň sú výrobné náklady dosť nízke, fólie sú cenovo dostupné, ľahké a úplne ekologické. Z tohto dôvodu sú živicové panely obľúbené tam, kde je dôležitá šetrnosť k životnému prostrediu a mechanická flexibilita.

Účinnosť dnes vyrábaných tenkovrstvových solárnych článkov:

• monokryštál - od 17 do 22%;

• Polykryštál - od 12 do 18%;

• amorfný kremík - 5 až 6%;

• Telurid kadmia - od 10 do 12%;

• selenid meďnatý - od 15 do 20%;

• Organické polyméry — 5 až 6 %.

Aké sú vlastnosti tenkovrstvových batérií? V prvom rade stojí za zmienku vysoký výkon modulov aj pri rozptýlenom svetle, ktoré poskytuje až o 15 % viac energie počas roka v porovnaní s kryštálovými analógmi. Ďalej prichádza výhoda výrobných nákladov. Vo vysokovýkonných systémoch od 10 kW vykazujú tenkovrstvové moduly vyššiu účinnosť, hoci je potrebná 2,5-krát väčšia plocha.

Môžeme teda pomenovať podmienky, kedy tenkovrstvové moduly získavajú oprávnenú výhodu. V oblastiach s prevažne zamračeným počasím budú tenkovrstvové batérie fungovať efektívne (difúzne svetlo). Pre regióny s horúcim podnebím sú tenké vrstvy efektívnejšie (fungujú rovnako efektívne pri vysokých teplotách ako pri nízkych). Možnosť použitia ako dekoratívne dizajnové riešenia na dokončenie fasád budov. Transparentnosť je možná až 20 %, čo opäť hrá do karát dizajnérom.

Medzitým v roku 2008 americká spoločnosť Solyndra navrhla umiestniť tenkovrstvové batérie na valce, kde je vrstva fotočlánku nanesená na sklenenú trubicu, ktorá je umiestnená vo vnútri ďalšej trubice vybavenej elektrickými kontaktmi. Použité materiály sú meď, selén, gálium, indium.

Valcový dizajn umožňuje absorbovať viac svetla a sada 40 valcov sa zmestí na meter dvoch panelov. Vrcholom je, že biely strešný náter prispieva k vysokej účinnosti takéhoto riešenia, pretože potom fungujú aj odrazené lúče, ktoré dodávajú 20% svojej energie. Okrem toho sú valcové súpravy odolné aj proti silnému vetru s nárazmi do 55 m/s.

Väčšina dnes vyrábaných solárnych článkov obsahuje iba jeden pn prechod a fotóny s energiou menšou ako je pásmová medzera sa jednoducho nezúčastňujú na generovaní. Potom vedci prišli na spôsob, ako prekonať toto obmedzenie, boli vyvinuté kaskádové prvky viacvrstvovej štruktúry, kde každá vrstva má svoju vlastnú šírku pásma, to znamená, že každá vrstva má samostatné pn spojenie s individuálnou hodnotou energie absorbovanej fotóny.

Horná vrstva je vytvorená zo zliatiny na báze hydrogenovaného amorfného kremíka, druhá — podobná zliatina s prídavkom germánia (10-15 %), tretia — s prídavkom 40 až 50 % germánia. Každá nasledujúca vrstva má teda medzeru užšiu ako predchádzajúca vrstva a neabsorbované fotóny v horných vrstvách sú absorbované spodnými vrstvami filmu.

V tomto prístupe sú náklady na vyrobenú energiu polovičné v porovnaní s tradičnými kryštalickými kremíkovými článkami. Výsledkom bolo dosiahnutie účinnosti 31 % pri trojpriechodovom filme a päťpriechodový sľub všetkých 43 %.

Špecialisti z Moskovskej štátnej univerzity nedávno vyvinuli solárne články typu rolky na báze polyméru aplikovaného na pružný substrát z organického materiálu. Účinnosť sa ukázala byť iba 4%, ale takéto batérie môžu pracovať aj pri + 80 ° C počas 10 000 hodín. Tieto štúdie ešte nie sú ukončené.

Švajčiarski vedci dosiahli účinnosť 20,4 % na polymérnej báze a ako polovodiče boli použité indium, meď, selén a gálium. Dnes je to rekord pre prvky na tenkom polymérovom filme.

V Japonsku dosiahli 19,7 % účinnosť v podobných (indium, selén, meď) naprašovaných polovodičoch. A v Japonsku začali vyrábať solárne tkaniny, látkové solárne panely boli vyvinuté pomocou valcových prvkov s priemerom asi 1,2 milimetra pripevnených k tkanine. Začiatkom roka 2015 na tomto základe plánovali spustiť výrobu oblečenia a slnečníkov.

Je zrejmé, že tenkovrstvové solárne panely budú v blízkej budúcnosti konečne všeobecne dostupné pre obyvateľstvo.Nie nadarmo sa vo svete robí toľko výskumov s cieľom znížiť náklady.