Фотогальваническая ячейка третьего поколения

Третья поколение фотогальванических элементов — это солнечные элементы, которые потенциально способны преодолеть предел Шокли-Киссера с эффективностью мощности 31-41% для одиночных запрещенных солнечных элементов. Это включает в себя ряд альтернатив к ячейкам из полупроводниковых pn-переходов («первое поколение») и тонкопленочных ячеек («второе поколение»). Обычные системы третьего поколения включают в себя многослойные («тандемные») ячейки, изготовленные из аморфного кремния или арсенида галлия, в то время как более теоретические разработки включают в себя преобразование частоты (т.е. изменение частот света, которые ячейка не может использовать для освещения частот, которые могут использование — таким образом, увеличение мощности), эффекты «горячих» носителей и другие методы выброса нескольких носителей.

Новые фотовольтаики 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
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.

технологии
Солнечные батареи можно рассматривать как видимые световые копии радиоприемников. Приемник состоит из трех основных частей; антенну, которая преобразует радиоволны (свет) в волнообразные движения электронов в материале антенны, электронный клапан, который захватывает электроны, когда они выходят из конца антенны, и тюнер, который усиливает электроны выбранной частоты. Можно построить солнечный элемент, идентичный радио, систему, известную как оптическая прямая, но на сегодняшний день они не были практичными.

Большинство солнечного рынка электроэнергии состоят из кремниевых устройств. В кремниевых ячейках кремний действует как антенна (или донор электронов, технически), так и электронный клапан. Кремний широко доступен, относительно недорог и имеет запретную зону, которая идеально подходит для сбора солнечной энергии. С другой стороны, энергетически и экономически дорого производить кремний навалом, и были предприняты большие усилия для сокращения требуемой величины. Кроме того, он механически хрупкий, что обычно требует использования листа прочного стекла в качестве механической поддержки и защиты от элементов. Только стекло является значительной частью стоимости типичного солнечного модуля.

Согласно пределу Шокли-Киссера, большая часть теоретической эффективности ячейки обусловлена ​​разницей в энергии между запрещенной зоной и солнечным фотоном. Любой фотон с большей энергией, чем запрещенная зона, может вызвать фотовозбуждение, но любая энергия выше энергии запрещенной зоны теряется. Рассмотрим спектр Солнца; только небольшая часть света, достигающего земли, является синей, но эти фотоны имеют в три раза энергию красного света. Ширина полосы кремния составляет 1,1 эВ, около красного, поэтому в этом случае энергия синего света теряется в кремниевой ячейке. Если запрещенная зона настроена выше, скажем, синей, эта энергия теперь захватывается, но только ценой отказа от фотонов с более низкой энергией.

Можно значительно улучшить одноконтактную ячейку, уложив тонкие слои материала с изменяющимися зазорами друг на друга — подход «тандемные клетки» или «многоразрядный». Традиционные методы подготовки кремния не поддаются этому подходу. Вместо них использовались тонкие пленки аморфного кремния, в частности продукты Uni-Solar, но другие проблемы мешают им сопоставлять производительность традиционных ячеек. Большинство тандем-клеточных структур основаны на более высокопроизводительных полупроводниках, в частности арсениде галлия (GaAs). Для экспериментальных примеров трехслойные ячейки GaAs достигали 41,6% -ной эффективности. В сентябре 2013 года четырехслойная ячейка достигла 44,7% эффективности.

Численный анализ показывает, что «идеальный» однослойный солнечный элемент должен иметь запрещенную полосу 1,13 эВ, почти точно такую ​​же, как у кремния. Такая ячейка может иметь максимальную теоретическую эффективность преобразования энергии 33,7% — солнечная энергия ниже красного (в инфракрасном диапазоне) теряется, а дополнительная энергия более высоких цветов также теряется. Для двухслойной ячейки один уровень должен быть настроен на 1,64 эВ, а другой — на 0,94 эВ, теоретическая производительность — 44%. Трехслойная ячейка должна быть настроена на 1,83, 1,16 и 0,71 эВ с КПД 48%. Теоретическая «бесконечнослойная» ячейка имела бы теоретическую эффективность 68,2% для рассеянного света.

В то время как новые солнечные технологии, которые были обнаружены в центре вокруг нанотехнологий, в настоящее время используется несколько различных методов материала.

Метка третьего поколения включает в себя несколько технологий, хотя включает в себя не полупроводниковые технологии (в том числе полимеры и биомиметики), квантовые точки, тандемные / многоэлементные ячейки, промежуточные солнечные элементы, ячейки с горячими носителями, технологии преобразования фотонов и понижающего преобразования, а также солнечные термические технологии, такие как термофотоника, которая является одной технологией, обозначенной Зеленом как третье поколение.

Он также включает:

Кремниевые наноструктуры
Изменение спектра излучения (концентрации), достигающего 300-500 солнц и эффективности 32% (уже достигнутого в Соле 3g клеток) до + 50%.
Использование избыточной тепловой генерации (вызванной ультрафиолетовым излучением) для увеличения напряжения или сбора носителей.
Использование инфракрасного спектра для производства электроэнергии ночью.

Четвертое поколение: гибридный
Следующее поколение солнечных элементов основано на неорганических органических веществах, что обеспечивает улучшенную эффективность преобразования энергии по сравнению с текущими солнечными батареями третьего поколения (3Gen), одновременно увеличивая базовую стоимость. Они сочетают в одном слое низкую стоимость и гибкость проводящих полимерных пленок (органических) со стабильностью жизни наноструктур (неорганических) и с использованием свойств этих новых гибридных активных материалов (органических / неорганических) для Performance помимо 3Gen-устройств.