Тонкопленочный солнечный элемент представляет собой солнечный элемент второго поколения, который создается путем осаждения одного или нескольких тонких слоев или тонкой пленки (TF) фотогальванического материала на подложку, такой как стекло, пластик или металл. Тонкопленочные солнечные элементы коммерчески используются в нескольких технологиях, включая теллурид кадмия (CdTe), дизеленид меди индий-галлий (CIGS) и аморфный тонкопленочный кремний (a-Si, TF-Si).

Толщина пленки варьируется от нескольких нанометров (нм) до десятков микрометров (мкм), что намного тоньше конкурирующей технологии тонкопленочных пленок, традиционного кристаллического кремниевого солнечного элемента первого поколения (c-Si) первого поколения, который использует пластины до 200 мкм. Это позволяет тонкопленочным ячейкам быть гибкими и иметь меньший вес. Он используется в строительстве интегрированных фотогальванических элементов и в виде полупрозрачного, фотовольтаического материала для остекления, который можно ламинировать на окнах. Другие коммерческие приложения используют жесткие тонкопленочные солнечные панели (зажатые между двумя стеклами) на некоторых крупнейших в мире фотоэлектрических электростанциях.

Тонкопленочная технология всегда была дешевле, но менее эффективной, чем традиционная технология c-Si. Однако за эти годы он значительно улучшился. Эффективность лабораторных ячеек для CdTe и CIGS сейчас превышает 21 процент, превосходящий мультикристаллический кремний, доминирующий материал, используемый в настоящее время в большинстве солнечных фотоэлектрических систем. 23,24. Ускоренное тестирование жизни тонкопленочных модулей в лабораторных условиях показало несколько более быстрое ухудшение по сравнению с обычно PV, в то время как обычно ожидается 20-летний период жизни. Несмотря на эти улучшения, доля рынка тонкой пленки за последние два десятилетия не достигла более 20 процентов и в последние годы сокращается примерно до 9 процентов мировых фотогальванических установок в 2013 году. 18,19

Другие тонкопленочные технологии, которые все еще находятся на ранней стадии продолжающихся исследований или с ограниченной коммерческой доступностью, часто классифицируются как фотовольтаические фотоэлементы нового или третьего поколения и включают органические, сенсибилизированные красителем и полимерные солнечные элементы, а также квантовые точки, медь сульфид олова цинка, нанокристалл, микроморф и перовскитовые солнечные элементы.

Типы
Многие из фотоэлектрических материалов изготавливаются с различными методами осаждения на различных подложках. Тонкопленочные солнечные элементы обычно классифицируются в соответствии с используемым фотоэлектрическим материалом:

Аморфный кремний (a-Si) и другой тонкопленочный кремний (TF-Si)
Теллурид кадмия (CdTe)
Медный индий галлий и селен (СНГ или СИГС)
Солнечные элементы сенсибилизированы красителем (DSC) и другими органическими солнечными элементами.

история
Тонкие пленочные клетки хорошо известны с конца 1970-х годов, когда на рынке появились солнечные калькуляторы с небольшой полосой аморфного кремния.

Он теперь доступен в очень больших модулях, используемых в сложных интегрированных зданиях и системах зарядки транспортных средств.

Хотя ожидается, что тонкопленочная технология достигнет значительных успехов на рынке и превзойдет доминирующую традиционную технологию кристаллического кремния (c-Si) в долгосрочной перспективе, доля рынка снижается уже несколько лет. В то время как в 2010 году, когда наблюдался дефицит обычных PV-модулей, тонкопленочные составляли 15 процентов от общего рынка, он снизился до 8 процентов в 2014 году и, как ожидается, стабилизируется на уровне 7 процентов с 2015 года, ожидается, что ожидается аморфный кремний потерять половину своей доли рынка к концу десятилетия.

материалы
Тонкопленочные технологии уменьшают количество активного материала в ячейке. Большинство сэндвич-активных веществ между двумя стеклами. Поскольку кремниевые солнечные панели используют только одно стекло из стекла, тонкопленочные панели примерно в два раза тяжелее кристаллических кремниевых панелей, хотя они имеют меньшее экологическое воздействие (определяется из анализа жизненного цикла). Большинство пленочных панелей имеют на 2-3 процентных пункта более низкую эффективность преобразования, чем кристаллический кремний. Тельдурид кадмия (CdTe), селенид галлия меди (CIGS) и аморфный кремний (a-Si) представляют собой три тонкопленочные технологии, часто используемые для наружного применения.

Теллурид кадмия
Кадмий теллурид (CdTe) является преобладающей тонкопленочной технологией. Имея около 5 процентов мирового производства PV, на его долю приходится более половины рынка тонких пленок. Лабораторная эффективность ячейки также значительно возросла в последние годы и находится на одном уровне с тонкой пленкой CIGS и близка к эффективности многокристаллического кремния по состоянию на 2013. 24-25 Кроме того, CdTe имеет самое низкое время окупаемости энергии всей массы -производственные технологии PV и могут быть короткими, как восемь месяцев, в благоприятных местах. 31. Известным производителем является американская компания First Solar, базирующаяся в Темпе, штат Аризона, которая производит CdTe-панели с эффективностью около 14 процентов при сообщаемом стоимость 0,59 долл. США за ватт.

Хотя токсичность кадмия не может быть такой большой проблемой, а экологические проблемы полностью решены с помощью утилизации модулей CdTe в конце их срока службы, все еще существуют неопределенности, и общественное мнение скептически относится к этой технологии. Использование редких материалов также может стать ограничивающим фактором индустриальной масштабируемости тонкопленочной технологии CdTe. Редкость теллура, из которой теллурид представляет собой анионную форму, сравнима с таковой платины в земной коре и существенно влияет на стоимость модуля.

Селенид меди индий галлия
В солнечном элементе селенида меди индийского галлия или в ячейке CIGS используется поглотитель из меди, индия, галлия, селенида (CIGS), в то время как галлиевые варианты полупроводникового материала сокращены CIS. Это одна из трех основных тонкопленочных технологий, две другие — теллурид кадмия и аморфный кремний, с лабораторной эффективностью выше 20 процентов и долей 2 процента на общем рынке PV в 2013 году. Известный производитель цилиндрических CIGS- панели были теперь банкротом компании Solyndra в Фремонте, штат Калифорния. Традиционные методы изготовления включают в себя вакуумные процессы, включая совместное испарение и распыление. В 2008 году IBM и Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd. (TOK) объявили, что они разработали новый, невакуумный, основанный на решениях процесс производства клеток CIGS и нацелены на повышение эффективности на 15% и более.

Для характеристики этих клеток использовалась гиперспектральная визуализация. Исследователи из ИРДЭП (Институт исследований и разработок в области фотогальванической энергии) совместно с Photon и т. Д. Смогли определить расщепление уровня квазиферми с отображением фотолюминесценции, в то время как данные электролюминесценции использовались для получения внешней квантовой эффективности (EQE) , Кроме того, в эксперименте по картографированию на основе светового луча (LBIC) EQE микрокристаллического солнечного элемента CIGS можно было определить в любой точке поля зрения.

По состоянию на сентябрь 2014 года текущий показатель эффективности конверсии для лабораторной ячейки CIGS составляет 21,7%.

кремний
Доминируют три основных модуля на основе кремния:

аморфные кремниевые ячейки
аморфные / микрокристаллические тандемные клетки (микроморф)
тонкопленочный поликристаллический кремний на стекле.

Аморфный кремний
Аморфный кремний (a-Si) представляет собой некристаллическую, аллотропическую форму кремния и самую хорошо разработанную технологию тонкой пленки. Тонкопленочный кремний является альтернативой традиционному пластинчатому (или объемному) кристаллическому кремнию. Хотя халькогенидные клетки CdTe и CIS тонкопленочные пленки были разработаны в лаборатории с большим успехом, интерес к кремниевым тонкопленочным ячейкам по-прежнему вызывает интерес для промышленности. У устройств на основе кремния меньше проблем, чем у их конкурентов CdTe и CIS, таких как проблемы токсичности и влажности с клетками CdTe и низкие производственные урожаи СНГ из-за материальной сложности. Кроме того, из-за политической стойкости к использованию не «зеленых» материалов в производстве солнечной энергии нет стигмы в использовании стандартного кремния.

Этот тип тонкопленочной ячейки в основном изготавливается с помощью технологии, называемой плазменным химическим осаждением из паровой фазы. Он использует газовую смесь силана (SiH4) и водорода для осаждения очень тонкого слоя только 1 мкм (мкм) кремния на подложке, такой как стекло, пластик или металл, который уже покрыт слоем прозрачной проводящей окись. Другие способы, применяемые для осаждения аморфного кремния на подложку, включают распыление и химические методы осаждения из паровой фазы.

a-Si привлекательна как материал солнечных элементов, потому что это обильный, нетоксичный материал. Он требует низкой температуры обработки и обеспечивает масштабируемое производство на гибкой недорогой подложке с небольшим количеством кремниевого материала. Из-за своей запрещенной зоны 1,7 эВ аморфный кремний также поглощает очень широкий диапазон спектра света, который включает инфракрасный и даже некоторый ультрафиолет и отлично работает при слабом свете. Это позволяет клетке генерировать энергию ранним утром или поздним днем, а также в пасмурные и дождливые дни, в отличие от кристаллических кремниевых клеток, которые значительно менее эффективны при экспонировании при диффузном и косвенном дневном свете.

Однако в течение первых шести месяцев работы эффективность ячейки a-Si значительно снижается на 10-30%. Это называется эффектом Staebler-Wronski (SWE) — типичная потеря электрической мощности из-за изменений фотопроводимости и темной проводимости, вызванных длительным воздействием солнечного света. Хотя эта деградация совершенно обратима при отжиге при или выше 150 ° C, обычные солнечные элементы c-Si не проявляют этого эффекта в первую очередь.

Его основной электронной структурой является контактный переход. Аморфная структура a-Si подразумевает высокий характерный беспорядок и оборванные связи, что делает его плохим проводником для носителей заряда. Эти оборванные связи действуют как центры рекомбинации, которые значительно сокращают время жизни носителя. Обычно используется штыревая структура, в отличие от структуры зажима. Это связано с тем, что подвижность электронов в a-Si: H примерно на 1 или 2 порядка больше, чем подвижность дырок, и, следовательно, скорость сбора электронов, движущихся от контакта n-p-типа, лучше, чем дырки, движущиеся от контакт p-to-n. Поэтому слой р-типа должен располагаться сверху, где интенсивность света сильнее, так что большинство носителей заряда, пересекающих переход, являются электронами.

Тандем-клетка с использованием a-Si / μc-Si
Слой аморфного кремния можно комбинировать со слоями других аллотропных форм кремния для создания многосоставного солнечного элемента. Когда объединены только два слоя (два pn-перехода), он называется тандем-ячейкой. Укладывая эти слои поверх другого, поглощается более широкий спектр спектров света, улучшая общую эффективность ячейки.

В микроморфном кремнии слой микрокристаллического кремния (μc-Si) объединяется с аморфным кремнием, создавая тандемную ячейку. Верхний слой a-Si поглощает видимый свет, оставляя инфракрасную часть до нижнего слоя μc-Si. Концепция микроморфной штабелированной ячейки была впервые внедрена и запатентована в Институте микротехнологий (IMT) Университета Невшателя в Швейцарии и получила лицензию TEL Solar. Новый оптический модуль мирового уровня, основанный на концепции микроморока с эффективностью модуля 12,24%, был независимо сертифицирован в июле 2014 года.

Поскольку все слои выполнены из кремния, они могут быть изготовлены с использованием PECVD. Зазор между а-Si составляет 1,7 эВ, а с-Si — 1,1 эВ. С-Si слой может поглощать красный и инфракрасный свет. Наилучшая эффективность может быть достигнута при переходе между a-Si и c-Si. Поскольку нанокристаллический кремний (nc-Si) имеет примерно такую ​​же запрещенную зону, как c-Si, nc-Si может заменить c-Si.

Тандем-клетка с использованием a-Si / pc-Si
Аморфный кремний можно также объединить с протокристаллическим кремнием (pc-Si) в тандемную ячейку. Протокристаллический кремний с низкой объемной долей нанокристаллического кремния оптимален для высокого напряжения разомкнутого контура. Эти типы кремния представляют собой висячие и скрученные связи, что приводит к глубоким дефектам (уровни энергии в запрещенной зоне), а также к деформации валентной зоны и зоны проводимости (ленточные хвосты).

Поликристаллический кремний на стекле
Новая попытка сплавить преимущества объемного кремния с материалами тонкопленочных устройств — тонкопленочный поликристаллический кремний на стекле. Эти модули изготавливаются путем нанесения антиотражающего покрытия и легированного кремния на текстурированные стеклянные подложки с использованием плазменного химического осаждения из паровой фазы (PECVD). Текстура в стекле повышает эффективность ячейки примерно на 3% за счет уменьшения количества падающего света, отражающегося от солнечного элемента, и захвата света внутри солнечного элемента. Силиконовая пленка кристаллизуется на стадии отжига, температура 400-600 Цельсия, в результате чего образуется поликристаллический кремний.

Эти новые устройства показывают эффективность преобразования энергии в 8% и высокие производственные урожайности> 90%. Кристаллический кремний на стекле (CSG), где поликристаллический кремний составляет 1-2 микрометра, отмечен его стабильностью и долговечностью; использование тонкопленочных технологий также способствует экономии затрат на объемные фотоэлектрические элементы. Эти модули не требуют наличия прозрачного проводящего оксидного слоя. Это упрощает производственный процесс в два раза; не только этот шаг можно пропустить, но отсутствие этого слоя делает процесс построения схемы контактов намного проще. Обе эти упрощения еще более уменьшают стоимость производства. Несмотря на многочисленные преимущества перед альтернативным дизайном, оценки производственных затрат на единицу площади показывают, что эти устройства сопоставимы по стоимости с односоставными аморфными тонкопленочными ячейками.

Арсенид галлия
Полупроводниковый материал арсенид галлия (GaAs) также используется для однокристаллических тонкопленочных солнечных элементов. Хотя ячейки GaAs очень дороги, они имеют мировой рекорд для высокоэффективного односоставного солнечного элемента на 28,8%. GaAs чаще используется в многоэлементных солнечных элементах для солнечных панелей на космических аппаратах, так как промышленность способствует повышению эффективности за счет использования космической солнечной энергии (InGaP / (In) GaAs / Ge). Они также используются в фотоэлектрических концентраторах-концентраторах, новейшей технологии, наиболее подходящей для мест, которые получают много солнечного света, используя линзы для фокусировки солнечного света на гораздо меньшем, поэтому менее дорогостоящем солнечном элементе-концентраторе GaAs.

Новые фотовольтаики
Национальная лаборатория по возобновляемым источникам энергии (NREL) классифицирует ряд тонкопленочных технологий в качестве новых фотогальванических элементов — большинство из них до сих пор не применяются в коммерческих целях и находятся на стадии исследования или разработки. Многие используют органические материалы, часто металлоорганические соединения, а также неорганические вещества. Несмотря на то, что их эффективность была низкой, а стабильность материала поглотителя часто была слишком коротка для коммерческих применений, в эти технологии вкладывается много исследований, поскольку они обещают достичь цели производства недорогих, высокоэффективных солнечные батареи.

Новые фотовольтаики, часто называемые фотогальваническими ячейками третьего поколения, включают:

Медно-цинковый оловянно-сульфидный солнечный элемент (CZTS) и производные CZTSe и CZTSSe
Сенсибилизированный красителем солнечный элемент, также известный как «ячейка Гретцель»,
Органические солнечные элементы
Перовскитовый солнечный элемент
Полимерный солнечный элемент
Квантовая точка солнечного элемента

В частности, достижения в исследованиях перовскитных клеток получили огромное внимание общественности, так как эффективность их исследований в последнее время резко возросла выше 20 процентов. Они также предлагают широкий спектр недорогих приложений. Кроме того, еще одна новая технология — фотоэлектричество концентратора (CPV) — использует высокоэффективные многоэлементные солнечные элементы в сочетании с оптическими объективами и системой слежения.

Эффективности
Инкрементальные улучшения эффективности начались с изобретения первого в настоящее время кремниевого солнечного элемента в 1954 году. К 2010 году эти устойчивые улучшения привели к созданию модулей, способных преобразовывать от 12 до 18 процентов солнечной радиации в электричество. Улучшения эффективности продолжали ускоряться в период с 2010 года, как показано на сопроводительной диаграмме.

Клетки, изготовленные из более новых материалов, как правило, менее эффективны, чем объемный кремний, но менее дороги для производства. Их квантовая эффективность также ниже из-за уменьшения количества собранных носителей заряда на падающий фотон.

Производительность и потенциал тонкопленочных материалов высоки, достигая клеточной эффективности 12-20%; эффективность прототипа модуля 7-13%; и производственные модули в диапазоне 9%. Прототип тонкопленочной ячейки с лучшей эффективностью дает 20,4% (First Solar), что сопоставимо с лучшим стандартным прототипом солнечных элементов, составляющим 25,6% от Panasonic.

NREL однажды [когда?] Предсказал, что затраты упадут ниже $ 100 / м2 в объеме производства и могут позже упасть ниже $ 50 / м2.

Новый рекорд по эффективности солнечных батарей тонкой пленки в 22,3% был достигнут благодаря солнечной границе крупнейшего в мире поставщика солнечной энергии. В совместных исследованиях с Новой Организацией Развития Энергии и Промышленных Технологий (NEDO) Японии солнечная граница достигла 22,3% эффективности преобразования на ячейке 0,5 см2 с использованием своей технологии CIS. Это увеличение на 0,6 процентных пункта по сравнению с предыдущей тонкой пленкой в ​​отрасли на 21,7%.

абсорбция
Для увеличения количества света, попадающего в клетку, было использовано несколько методов, которые уменьшают количество, которое ускользает без поглощения. Наиболее очевидным методом является минимизация покрытия верхнего контакта поверхности ячейки, уменьшение площади, которая блокирует свет от попадания в ячейку.

Слабо поглощенный длинноволновый свет может быть наклонно связан с кремнием и несколько раз пересекает пленку для усиления поглощения.

Для увеличения поглощения были разработаны несколько методов, уменьшив количество отраженных фотонов от поверхности клетки. Дополнительное антибликовое покрытие может вызвать разрушительные помехи внутри ячейки путем модуляции показателя преломления поверхностного покрытия. Разрушающая помеха устраняет отражающую волну, в результате чего весь падающий свет проникает в ячейку.

Поверхностное текстурирование является еще одним вариантом увеличения поглощения, но увеличивает затраты. Прикладывая текстуру к поверхности активного материала, отраженный свет может быть снова преломлен в ударе по поверхности, что уменьшает коэффициент отражения. Например, текстура черного кремния путем реактивного ионного травления (RIE) является эффективным и экономичным подходом к увеличению поглощения тонкопленочные кремниевые солнечные элементы. Текстурированный задний отражатель может препятствовать прохождению света через заднюю часть ячейки.

В дополнение к текстурированию поверхности, схема плазменного светового захвата привлекла большое внимание к усилению фототока в тонкопленочных солнечных элементах. Этот метод использует коллективные колебания возбужденных свободных электронов в наночастицах благородных металлов, на которые влияют форма частиц, размер и диэлектрические свойства окружающей среды.

В дополнение к минимизации отражающих потерь, материал солнечного элемента может быть оптимизирован, чтобы иметь более высокую вероятность поглощения фотона, который достигает его. Методы термической обработки могут значительно улучшить качество кристаллов кремниевых элементов и тем самым повысить эффективность. Также могут быть выполнены слоистые тонкопленочные ячейки для создания многолучевого солнечного элемента. Полосовой зазор между слоями может быть спроектирован таким образом, чтобы наилучшим образом поглощать другой диапазон длин волн, так что вместе они могут поглощать больший спектр света.

Дальнейшее продвижение по геометрическим соображениям может способствовать размерности наноматериалов. Большие параллельные массивы нанопроволок позволяют длине длины поглощения вдоль длины проволоки при сохранении коротких расстояний диффузии неосновных носителей вдоль радиального направления. Добавление наночастиц между нанопроводами позволяет проводить проводимость. Естественная геометрия этих массивов образует текстурированную поверхность, которая захватывает больше света.

Производство, стоимость и рынок
Благодаря достижениям технологии обычного кристаллического кремния (c-Si) в последние годы и падению стоимости поликремниевого сырья, последовавшего после периода серьезного глобального дефицита, давление на производителей коммерческих тонкопленочных технологий, включая аморфные тонкие — кремний кремния (a-Si), теллурид кадмия (CdTe) и дизеленид галлия меди (CIGS), что приводит к банкротству нескольких компаний. С 2013 года производители тонкой пленки продолжают сталкиваться с ценовой конкуренцией со стороны китайских нефтеперерабатывающих заводов кремния и производителей традиционных солнечных панелей c-Si. Некоторые компании вместе с их патентами были проданы китайским фирмам по себестоимости.

Доля рынка
В 2013 году на тонкопленочные технологии приходилось около 9 процентов мирового развертывания, в то время как 91 процент занимал кристаллический кремний (моно-Si и мульти-Si). Имея 5% общего рынка, CdTe владеет более чем половиной тонкопленочного рынка, оставляя 2 процента для каждого CIGS и аморфного кремния. 18-19

Технология CIGS
Несколько известных производителей не выдержали давления, вызванного успехами в традиционной технологии c-Si последних лет. Компания Solyndra прекратила всю деятельность и подала заявку на банкротство главы 11 в 2011 году, а Nanosolar, также производитель CIGS, закрыла свои двери в 2013 году. Хотя обе компании производили солнечные элементы CIGS, было указано, что отказ не был вызван к технологии, а скорее из-за самих компаний, используя недостатки архитектуры, такие как, например, цилиндрические подложки Solyndra. В 2014 году корейская компания LG Electronics прекратила исследования по реорганизации CIGS своего солнечного бизнеса, и Samsung SDI решила прекратить производство CIGS, в то время как китайский производитель PV Hanergy, как ожидается, увеличит производственные мощности своих 15,5% эффективных 650 мм × 1650 мм CIGS- модули. Одним из крупнейших производителей фотогальваники CI (G) S является японская компания Solar Frontier с производственной мощностью в гигават-масштабе. (Также см. Список компаний CIGS).

Технология CdTe
Компания First Solar, ведущий производитель CdTe, строит несколько крупнейших в мире солнечных электростанций, таких как солнечная солнечная энергия Desert Sunlight и солнечная ферма Топаз, как в калифорнийской пустыне мощностью 550 МВт каждый, так и в 102-мегаваттный завод Nyngan Solar в Австралии, крупнейшая электростанция PV в Южном полушарии, введена в эксплуатацию в 2015 году.
В 2011 году GE объявила о планах потратить 600 миллионов долларов на новый завод по производству солнечных элементов CdTe и выйти на этот рынок, а в 2013 году First Solar купила тонкопленочный портфель интеллектуальной собственности GE CdTe и сформировала деловое партнерство. В 2012 году компания Abound Solar, производитель модулей теллурида кадмия, обанкротилась.

Технология a-Si
В 2012 году ECD solar, один из ведущих мировых производителей аморфного кремния (a-Si), подала заявку на банкротство в Мичигане, США. Швейцарский OC Oerlikon лишил свою солнечную дивизию, которая производила тандемные ячейки a-Si / μc-Si в Tokyo Electron Limited. В 2014 году японская электроника и полупроводниковая компания объявили о закрытии своей программы разработки микроморфных технологий. «Micromorph» было коммерческим названием солнечной тандемной ячейки, используя слой микрокристаллического кремния над аморфным слоем (a-Si / μ-Si).
Другие компании, которые покинули рынок аморфного кремниевого тонкопленочного рынка, включают в себя DuPont, BP, Flexcell, Inventux, Pramac, Schuco, Sencera, EPV Solar, NovaSolar (ранее OptiSolar) и Suntech Power, которые прекратили производство модулей Si-Si в 2010 году, чтобы сосредоточиться на традиционных кремниевые солнечные панели. В 2013 году Suntech подала заявление о банкротстве в Китае. В августе 2013 года спотовые цены на тонкопленочные a-Si и a-Si / μ-Si упали до 0,36 евро и 0,46 евро соответственно (около 0,50 доллара и 0,60 доллара США) на ватт.