Исследование солнечных элементов

В настоящее время многие исследовательские группы активно работают в области фотовольтаики в университетах и ​​исследовательских институтах по всему миру. Это исследование можно разделить на три области: сделать современные солнечные батареи более дешевыми и / или более эффективными, чтобы эффективно конкурировать с другими источниками энергии; разработка новых технологий, основанных на новых архитектурных проектах солнечных элементов; и разработка новых материалов для использования в качестве более эффективных преобразователей энергии из световой энергии в электрический ток или поглотители света и носители заряда.

Обработка кремния
Одним из способов снижения затрат является разработка более дешевых методов получения кремния, который является достаточно чистым. Кремний является очень распространенным элементом, но обычно он связан с диоксидом кремния или кварцевым песком. Обработка диоксида кремния (SiO2) для получения кремния — очень высокоэнергетический процесс — при текущей эффективности требуется, чтобы обычный солнечный элемент потреблял столько энергии, сколько использовался для получения содержащегося в нем кремния от одного до двух лет. Более энергоэффективные методы синтеза полезны не только для солнечной промышленности, но и для отраслей, окружающих кремниевую технологию в целом.

Текущее промышленное производство кремния происходит за счет реакции между углеродом (древесным углем) и диоксидом кремния при температуре около 1700 ° C. В этом процессе, известном как карботермическое восстановление, каждая тонна кремния (металлургическая сорта, около 98% чистой) производится с выбросом около 1,5 тонн двуокиси углерода.

Твердый кремнезем может быть непосредственно превращен (восстановлен) в чистый кремний путем электролиза в ванне с расплавленной солью при довольно мягкой температуре (от 800 до 900 ° С). Хотя этот новый процесс в принципе тот же, что и Кембриджский процесс FFC, который был впервые обнаружен в конце 1996 года, интересным лабораторным исследованием является то, что такой электролитический кремний находится в форме пористого кремния, который легко превращается в мелкий порошок с размером частиц от нескольких микрометров, и поэтому могут предложить новые возможности для развития технологий солнечных элементов.

Другим подходом также является уменьшение количества используемого кремния и, следовательно, его стоимость, путем микрообработки пластин в очень тонкие, практически прозрачные слои, которые можно использовать в качестве прозрачных архитектурных покрытий. Этот метод включает в себя использование кремниевой пластины, обычно толщиной от 1 до 2 мм, и создание множества параллельных поперечных срезов на пластине, создающих большое количество полосок, которые имеют толщину 50 микрометров и ширину, равную толщине оригинальная пластина. Эти срезы поворачиваются на 90 градусов, так что поверхности, соответствующие граням исходной пластины, становятся краями щепок. Результат состоит в том, чтобы преобразовать, например, пластину диаметром 150 мм, толщиной 2 мм, имеющую площадь поверхности облученного кремния около 175 см2 на сторону, примерно до 1000 лент, имеющих размеры 100 мм × 2 мм × 0,1 мм, что дает общую открытая площадь поверхности кремния около 2000 см2 на сторону. В результате этого вращения электрическое легирование и контакты, которые были на лицевой стороне пластины, расположены по краям ленты, а не спереди и сзади, как в случае обычных пластинчатых элементов. Это имеет интересный эффект, заключающийся в том, что клетка чувствительна как спереди, так и сзади клетки (свойство, известное как бифациальность). Используя этот метод, одной кремниевой пластины достаточно, чтобы построить панель на 140 ватт по сравнению с примерно 60 пластинами, необходимыми для обычных модулей с одинаковой выходной мощностью.

Нанокристаллические солнечные элементы
Эти структуры используют одни и те же тонкопленочные светопоглощающие материалы, но перекрываются как чрезвычайно тонкий поглотитель на подложке из проводящего полимера или мезопористого оксида металла, имеющего очень большую площадь поверхности, чтобы увеличить внутренние отражения (и, следовательно, увеличить вероятность поглощения света). Использование нанокристаллов позволяет проектировать архитектуры по шкале длин нанометров, типичной длины диффузии экситонов. В частности, однонанокристаллические («канальные») устройства, массив одиночных p-n-переходов между электродами и разделенные периодом около диффузионной длины, представляют собой новую архитектуру для солнечных элементов и потенциально высокую эффективность.

Тонкопленочная обработка
Тонкопленочные фотогальванические элементы могут использовать менее 1% дорогостоящего сырья (кремний или другие поглотители света) по сравнению с солнечными батареями на основе пластины, что приводит к значительному снижению цен на пик мощности Ватт. Многие исследовательские группы по всему миру активно изучают различные тонкопленочные подходы и / или материалы.

Одной из особенно перспективных технологий являются тонкие пленки из кристаллического кремния на стеклянных подложках. Эта технология сочетает в себе преимущества кристаллического кремния в качестве материала солнечных элементов (изобилие, нетоксичность, высокую эффективность, долговременную стабильность) с экономией затрат при использовании тонкопленочного подхода.

Еще одним интересным аспектом тонкопленочных солнечных элементов является возможность осаждения клеток на все виды материалов, включая гибкие подложки (например, ПЭТ), что открывает новые возможности для новых применений.

Метаморфический многоцелевой солнечный элемент
По состоянию на декабрь 2014 года мировой рекорд эффективности солнечных батарей на 46% был достигнут за счет использования многоконтактных концентрационных солнечных элементов, разработанных на основе совместной работы Soitec, CEA-Leti, France совместно с Fraunhofer ISE, Германия.

Национальная лаборатория по возобновляемым источникам энергии (NREL) выиграла один из R & D Magazine R & D 100 Awards для своей фотогальванической ячейки Metamorphic Multijunction, ультралегкой и гибкой ячейки, которая преобразует солнечную энергию с рекордной эффективностью.

Ультралегкий, высокоэффективный солнечный элемент был разработан в NREL и коммерциализирован компанией Emcore Corp. в Альбукерке, Н.М., в партнерстве с дирекцией космических аппаратов исследовательских лабораторий ВВС на авиабазе Киртланд в Альбукерке.

Он представляет собой новый класс солнечных элементов с явными преимуществами в производительности, инженерном дизайне, эксплуатации и стоимости. В течение десятилетий в обычных ячейках присутствовали пластины полупроводниковых материалов с аналогичной кристаллической структурой. Их производительность и экономическая эффективность ограничены ростом ячеек в вертикальной конфигурации. Между тем, клетки жесткие, тяжелые и толстые с нижним слоем из германия.

В новом методе ячейка выращивается вверх дном. Эти слои используют высокоэнергетические материалы с кристаллами чрезвычайно высокого качества, особенно в верхних слоях ячейки, где производится большая часть энергии. Не все слои следуют за решеткой даже четного атомного расстояния. Вместо этого, ячейка включает в себя полный диапазон атомного расстояния, что позволяет увеличить поглощение и использование солнечного света. Толстый слой жесткого германия удаляется, снижая стоимость клетки и 94% ее веса. Благодаря повороту традиционного подхода к клеткам на голове, это ультралегкая и гибкая ячейка, которая также преобразует солнечную энергию с рекордной эффективностью (40,8% при концентрации 326 солнц).

Переработка полимеров
Изобретение проводящих полимеров (для которых Алан Хегер, Алан Г. МакДиармид и Хидеки Ширакава были награждены Нобелевской премией) могут привести к созданию гораздо более дешевых ячеек, которые основаны на недорогих пластиках. Однако органические солнечные элементы обычно страдают от деградации при воздействии УФ-излучения и, следовательно, имеют время жизни, которое слишком мало, чтобы быть жизнеспособным. Связки в полимерах всегда подвержены разрушению при излучении с более короткой длиной волны. Кроме того, сопряженные системы двойной связи в полимерах, несущих заряд, легче реагируют с светом и кислородом. Поэтому большинство проводящих полимеров, будучи высоконасыщенными и реакционноспособными, очень чувствительны к атмосферной влаге и окислению, что затрудняет коммерческое применение.

Обработка наночастиц
Экспериментальные не кремниевые солнечные панели могут быть изготовлены из квантовых гетероструктур, например. углеродных нанотрубок или квантовых точек, встроенных в проводящие полимеры или мезопористые оксиды металлов. Кроме того, тонкие пленки многих из этих материалов на обычных кремниевых солнечных элементах могут увеличить эффективность оптической связи в кремниевой ячейке, тем самым повышая общую эффективность. Изменяя размер квантовых точек, ячейки могут быть настроены на поглощение различных длин волн. Несмотря на то, что исследования все еще находятся в зачаточном состоянии, квантовочитаемые фотовольтаики могут достигать до 42% эффективности преобразования энергии из-за множественной генерации экситонов (MEG).

Исследователи MIT нашли способ использования вируса для повышения эффективности солнечных элементов на треть.

Прозрачные проводники
Многие новые солнечные элементы используют прозрачные тонкие пленки, которые также являются проводниками электрического заряда. В настоящее время доминирующие проводящие тонкие пленки, используемые в исследованиях, представляют собой прозрачные проводящие оксиды (сокращенно «ТСО») и включают оксид олова, легированный фтором (SnO2: F или «FTO»), легированный оксид цинка (например, ZnO: Al) и оксид индия-олова (сокращенно «ИТО»). Эти проводящие пленки также используются в ЖК-индустрии для плоских дисплеев. Двойная функция TCO позволяет свету проходить через окно подложки к активному светопоглощающему материалу ниже, а также служит в качестве омического контакта для транспортировки фотогенерированных носителей заряда от этого светопоглощающего материала. Существующие материалы ТШО эффективны для исследований, но, возможно, еще не оптимизированы для крупномасштабного производства фотовольтаики. Они требуют очень особых условий осаждения в высоком вакууме, иногда они могут испытывать плохую механическую прочность, и большинство из них имеют плохой коэффициент пропускания в инфракрасной части спектра (например: тонкие пленки ITO также могут использоваться в качестве инфракрасных фильтров в окнах самолетов). Эти факторы делают крупномасштабное производство более дорогостоящим.

Относительно новая область появилась с использованием сетей углеродных нанотрубок в качестве прозрачного проводника для органических солнечных элементов. Сети Nanotube являются гибкими и могут быть нанесены на поверхности различными способами. При некоторой обработке пленки нанотрубок могут быть очень прозрачными в инфракрасном диапазоне, что, возможно, позволяет создавать эффективные солнечные элементы с низкой полосой пропускания. Нанотрубные сети представляют собой проводники p-типа, тогда как традиционные прозрачные проводники являются исключительно n-типом. Наличие прозрачного проводника p-типа может привести к новым конструкциям ячеек, которые упрощают производство и повышают эффективность.

Солнечные элементы на основе кремниевой пластины
Несмотря на многочисленные попытки создания лучших солнечных батарей с использованием новых и экзотических материалов, реальность такова, что на рынке фотоэлектрических систем по-прежнему доминируют солнечные элементы на основе кремниевых пластин (солнечные элементы первого поколения). Это означает, что большинство производителей солнечных элементов в настоящее время оснащены для производства солнечных батарей такого типа. Следовательно, во всем мире проводится большое количество исследований по производству солнечных элементов на основе кремниевых пластин при меньших затратах и ​​повышении эффективности конверсии без чрезмерного увеличения себестоимости продукции. Конечной целью как на основе платформ, так и альтернативных фотоэлектрических концепций является производство солнечного электричества по стоимости, сопоставимой с нынешним доминирующим на рынке углем, природным газом и ядерной энергией, чтобы сделать его ведущим источником первичной энергии. Для достижения этой цели может потребоваться снизить стоимость установленных солнечных систем с сегодняшнего дня около 1,80 долл. США (для объемных технологий Si) до примерно 0,50 долл. США за ваттную мощность. Поскольку значительная часть конечной стоимости традиционного объемного кремниевого модуля связана с высокой стоимостью исходного поликремния солярного сорта (около пика 0,4 долл. / Ватт), существует существенный стимул для того, чтобы сделать солнечные элементы Si более тонкими (экономия материала) или сделать солнечные элементы от более дешевого модернизированного металлургического кремния (так называемый «грязный Si»).

IBM имеет полупроводниковый процесс рекуперации пластин, который использует специализированную технику удаления образцов для переработки лома полупроводниковых пластин в форму, используемую для производства солнечных панелей на основе кремния. Новый процесс был недавно удостоен премии «Самая ценная профилактика загрязнения 2007 года» от Национального круглого стола по предотвращению загрязнения (NPPR).

Инфракрасные солнечные элементы
Исследователи из Национальной лаборатории Айдахо вместе с партнерами Lightwave Power Inc. в Кембридже, Массачусетс и Патриком Пинеро из Университета Миссури разработали недорогой способ производства пластиковых листов, содержащих миллиарды наноантеннанов, которые собирают тепловую энергию, вырабатываемую солнцем, и другие источники, которые получили две награды Nano50 2007 года. В 2010 году компания прекратила свою деятельность. Хотя методы преобразования энергии в полезную электроэнергию еще нужно разработать, листы могут быть изготовлены в виде легких «шкурок», которые питают все от гибридных автомобилей до компьютеров и iPod с большей эффективностью, чем традиционные солнечные клетки. Наноантеннас нацеливает средние инфракрасные лучи, которые Земля непрерывно излучает как тепло после поглощения энергии от солнца днем; также двухсторонние наноантеннальные листы могут собирать энергию из разных частей спектра Солнца. Напротив, традиционные солнечные элементы могут использовать только видимый свет, делая их бездействующими после наступления темноты.

УФ солнечные элементы
Японский национальный институт передовых промышленных наук и технологий (AIST) сумел разработать прозрачный солнечный элемент, который использует ультрафиолетовый (УФ) свет для выработки электроэнергии, но позволяет пропускать видимый свет через него. Большинство обычных солнечных батарей используют видимый и инфракрасный свет для выработки электроэнергии. Используемая для замены обычного оконного стекла площадь монтажной поверхности может быть большой, что приводит к потенциальным применениям, которые используют преимущества комбинированных функций выработки электроэнергии, освещения и контроля температуры.

Эта прозрачная УФ-поглощающая система была достигнута с использованием органически-неорганической гетероструктуры, изготовленной из полупроводникового полимера p-типа PEDOT: PSS, нанесенного на подложку титаната стронция титаната, легированного Nb. PEDOT: PSS легко изготавливается в тонкие пленки из-за его стабильности в воздухе и его растворимости в воде. Эти солнечные элементы активируются только в УФ-области и приводят к относительно высокому квантовому выходу 16% электронов / фотонов. Будущая работа в этой технологии предполагает замену субстрата титаната стронция пленкой титаната стронция, осажденной на стеклянный субстрат, для достижения дешевого крупномасштабного производства.

С тех пор были обнаружены другие способы включения ультрафиолетовых длин волн в выработку энергии солнечных элементов. Некоторые компании сообщают об использовании нанофосфоров в качестве прозрачного покрытия, чтобы превратить УФ-излучение в видимый свет. Другие сообщают о расширении диапазона поглощения односоставных фотогальванических элементов путем легирования прозрачного полупроводника с широкой зонной прозрачностью, такого как GaN, с переходным металлом, таким как марганец.

Гибкие исследования солнечных элементов
Гибкие исследования солнечных элементов — это исследовательская технология, пример которой был создан в Массачусетском технологическом институте, в котором солнечные элементы изготавливаются путем осаждения фотовольтаического материала на гибкие подложки, такие как обычная бумага, с использованием технологии химического осаждения из паровой фазы. Технология изготовления солнечных элементов на бумаге была разработана группой исследователей из Массачусетского технологического института при поддержке Национального научного фонда и Программы солнечных полетов Alliance Eni-MIT.

3D-солнечные элементы
Трехмерные солнечные элементы, которые захватывают почти весь свет, который поражает их, и могут повысить эффективность фотоэлектрических систем, уменьшая их размер, вес и механическую сложность. Новые трехмерные солнечные элементы, созданные в исследовательском институте Georgia Tech, захватывают фотоны от солнечного света, используя массив миниатюрных «башни», которые напоминают высотные здания в городской городской сетке. Solar3D, Inc. планирует коммерциализировать такие трехмерные ячейки, но ее технология в настоящее время находится на рассмотрении.

Люминесцентный солнечный концентратор
Люминесцентные солнечные концентраторы преобразуют солнечный свет или другие источники света в предпочтительные частоты; они концентрируют выход для преобразования в желаемые формы энергии, такие как электричество. Они полагаются на люминесценцию, обычно флуоресценцию, в средах, таких как жидкости, стекла или пластмассы, обработанные подходящим покрытием или легирующей примесью. Структуры сконфигурированы так, чтобы направлять вывод из большой области ввода на небольшой преобразователь, где концентрированная энергия генерирует фотоэлектричество. Целью является сбор света на большой площади по низкой цене; люминесцентные концентрационные панели могут быть сделаны дешевле из таких материалов, как стекла или пластмассы, в то время как фотогальванические элементы представляют собой высокоточные высокотехнологичные устройства и, соответственно, дорогостоящие конструкции в больших размерах.

Исследования ведутся в таких университетах, как Университет Радбуд Неймеген и Технологический университет Делфта. Например, в Массачусетском технологическом институте исследователи разработали подходы к конверсии окон в солнечные концентраторы для выработки электроэнергии. Они окрашивают смесь красителей на стекло из стекла или пластика. Красители поглощают солнечный свет и повторно излучают его как флуоресценцию в стекле, где он ограничен внутренним отражением, возникающим на краях стекла, где он сталкивается с солнечными батареями, оптимизированными для преобразования такого концентрированного солнечного света. Коэффициент концентрации составляет около 40, а оптическая конструкция дает солнечный концентратор, который, в отличие от концентраторов на основе линз, не обязательно должен быть точно направлен на солнце и может производить выход даже из рассеянного света. Covalent Solar работает над коммерциализацией процесса.

Metamaterials
Метаматериалы являются гетерогенными материалами, использующими сопоставление многих микроскопических элементов, что приводит к свойствам, не наблюдаемым в обычных твердых телах. Используя их, может появиться возможность создавать солнечные элементы, которые являются превосходными поглотителями в узком диапазоне длин волн. Было продемонстрировано высокое поглощение в микроволновом режиме, но еще не в режиме длин волн 300-1100 нм.

Фотоэлектрические тепловые гибриды
Некоторые системы сочетают фотогальванический с тепловой солнечной энергией, с тем преимуществом, что тепловая солнечная часть переносит тепло и охлаждает фотогальванические элементы. Сохранение температуры снижает сопротивление и повышает эффективность ячейки.

Penta-based фотогальваника
Утверждается, что фотоэлектрические фотонапряжения на основе пентацена способствуют повышению коэффициента энергоэффективности до 95%, эффективно удваивая эффективность сегодняшних наиболее эффективных методов.

Промежуточная полоса
Промежуточные фотоэлектрические фотоэлементы в исследованиях солнечных элементов обеспечивают методы для превышения предела Шокли-Клейссера по эффективности ячейки. Он вводит уровень промежуточной полосы (IB) энергии между валентными и зонами проводимости. Теоретически введение ИБ позволяет двум фотонам с энергией меньше запрещенной зоны возбуждать электрон от валентной зоны до зоны проводимости. Это увеличивает индуцированный фототок и, следовательно, эффективность.

Luque и Marti впервые получили теоретический предел для IB-устройства с одним средним уровнем энергии с использованием детального баланса. Они предположили, что в IB не были собраны носители и что устройство находилось в полной концентрации. Они обнаружили, что максимальная эффективность составляет 63,2% для запрещенной зоны 1,95 эВ с IB 0,71 эВ либо из валентной зоны, либо из зоны проводимости. При одном освещении солнцем предельная эффективность составляет 47%.