Какво представляват тънкослойните слънчеви панели

1. Какво представляват тънкослойните слънчеви панели?

За разлика от слънчевите клетки от първо поколение, направени от единичен или мултикристален силиций, тънкослойните слънчеви панели се произвеждат с помощта на един или няколко слоя фотоволтаични елементи върху повърхност, състояща се от различни стъкла, пластмаса или метал за преобразуване слънчева светлина в електричество. А най-често използваните за тънкослойна слънчева технология са кадмиев телурид (CdTe), медно-индиев галиев селенид (CIGS), аморфен силиций (a-Si) и галиев арсенид (GaAs).

2 Структурата на тънкослойните слънчеви панели

Тънкослойните слънчеви панели се състоят от голям брой тънкослойни слънчеви клетки и използват светлинна енергия (фотони) от Слънцето, за да генерират електричество чрез фотоволтаичния ефект Той също така включва слоеве, заден лист и съединителна кутия, всички те работят заедно, за да осигурят нормалната работа на слънчевите панели.

Какво представляват тънкослойните слънчеви клетки?

Тънкослойните слънчеви клетки са електронни устройства, които преобразуват слънчевата светлина в електрическа енергия чрез фотоволтаичния ефект. Тънкослойните клетки имат тенденция да използват много по-малко материал - активната област на клетката обикновено е с дебелина само от 1 до 10 микрометра. Освен това тънкослойните клетки обикновено могат да бъдат произведени в процес на голяма площ, който може да бъде автоматизиран, непрекъснат производствен процес.

Нещо повече, тънкослойните слънчеви панели използват тънък слой от прозрачен проводящ оксид, като например калаен оксид, за да работят. Докато тънкослойните клетки са направени от много малки кристални зърна от полупроводникови материали за по-добро създаване на електрическо поле с интерфейс, наречен хетеропреход. Generalloy, този вид тънкослойни устройства могат да бъдат направени като единична единица - тоест монолитно - като слой след слой се отлагат последователно върху някакъв субстрат, включително отлагане на антирефлексно покритие и прозрачен проводящ оксид.

Какво е слоеве?

Обикновено тънкослойният слънчев панел има много тънък (по-малко от 0,1 микрона) слой отгоре, наречен слой "прозорец", за да абсорбира светлинна енергия само от високоенергийния край на спектъра. Той трябва да е достатъчно тънък и да има достатъчно широка ширина на лентата (2,8 eV или повече), за да пропуска цялата налична светлина през интерфейса (хетеропреход) към абсорбиращия слой. Поглъщащият слой под прозореца, обикновено легиран p-тип, оборудван с висока абсорбция (способност да абсорбира фотони) за висок ток и подходяща ширина на лентата, за да осигури добро напрежение.

Какво е backsheet?

Като полимер или комбинация от полимери с различни добавки, backsheet е предназначен да осигури бариера между слънчевите клетки и външната среда. От което можем да видим, че задният лист е критичен компонент за издръжливостта, ефективността и дълголетието на слънчевия панел.

Какво е съединителна кутия?

Като електрическа кутия, използвана за съхраняване и защита на електрически връзки, съединителната кутия е специално проектирана да осигури безопасна и сигурна среда за електрически връзки, така че да се предотврати случаен контакт с живи проводници и да се опрости бъдеща поддръжка или ремонти. Обикновено фотоволтаичната съединителна кутия е прикрепена към гърба на слънчевия панел и функционира като негов изходен интерфейс. Външните връзки за повечето фотоволтаични модули използват MC4 конектори, за да улеснят лесните устойчиви на атмосферни влияния връзки към останалата част от системата. Може да се използва и USB захранващ интерфейс.

3 История на развитието на тънкослойните слънчеви панели

Историята на тънкослойните слънчеви панели датира от 70-те години на миналия век, когато изследователите започнаха първото си изследване върху използването на тънък филм (a-Si) от полупроводници за овладяване на слънчевата енергия, по това време интересът към тънкослойната технология за търговска употреба аерокосмическите приложения насърчават развитието на тънкослойни слънчеви устройства от аморфен силиций.

През 80-те години напредъкът в технологиите улесни разширяването на съществуващите тънкослойни материали в нови, като кадмиев телурид (CdTe) и медно-индиев галиев селенид (CIGS), който има по-висока ефективност на преобразуване и по-ниски производствени разходи.

1990-те и 2000-те години бяха време на значителен напредък в изследването на нови соларни материали от трето поколение – материали с потенциал за преодоляване на теоретичните граници на ефективност за традиционните твърдотелни материали. Бяха разработени много нови продукти като чувствителни към багрило слънчеви клетки, слънчеви клетки с квантови точки.

През 2010-те и началото на 2020-те иновациите в тънкослойната слънчева технология включват усилия за разширяване на слънчевата технология от трето поколение към нови приложения и за намаляване на производствените разходи. През 2004 г. Националната лаборатория за възобновяема енергия (NREL) постигна световен рекорд за ефективност от 19,9% за тънкослоен модул CIGS. През 2022 г. гъвкавите органични тънкослойни слънчеви клетки бяха интегрирани в тъканта.

В днешно време гъвкавите органични тънкослойни слънчеви клетки, интегрирани в производството, ги правят по-добър избор от традиционните силициеви панели. И тънкослойната технология обхваща приблизително 19% от общия брой на САЩ пазарен дял през същата година, включително 30% от производството в мащаб на комунални услуги.

4. Видовете слънчеви панели

Има няколко вида материали, използвани за производството на тънкослойни слънчеви клетки, въз основа на техните суровини, те могат да бъдат разделени на четири вида 

l Тънкослойните панели с кадмиев телурид (CdTe) са вид слънчев панел, който използва тънък слой от кадмиев телурид, нанесен върху субстратен материал, като стъкло или неръждаема стомана, като полупроводников материал. Освен че са леки и лесни за инсталиране, те също имат високо производство на енергия при условия на слаба светлина, което означава, че могат да генерират електричество дори при облачно или облачно време. Изчислено е, че тънкослойните слънчеви панели CdTe са постигнали ефективност от 19% при стандартни условия за изпитване (STC), но единичните слънчеви клетки са постигнали ефективност от 22,1%. Има обаче някои опасения относно токсичността на кадмия, тъй като той е тежък метал, който може да причини щети на околната среда, ако не бъде изхвърлен правилно.

l Тънкослойните панели от меден индиев галиев селенид (CIGS) се произвеждат чрез поставяне на слой от молибден (Mo) електрод върху субстрата чрез процес на разпръскване В сравнение с други фотоволтаични технологии, те имат висока ефективност и могат да постигнат теоретична ефективност от 33% в бъдеще. В допълнение, те са по-малко склонни към напукване или счупване и лесни за работа. Въпреки тези предимства обаче, цената е относително по-скъпа, отколкото за други технологии, което може да попречи на по-нататъшното им развитие.

l Тънкослойните панели от аморфен силиций (a-Si) се произвеждат чрез обработка на стъклени плочи или гъвкави субстрати, заедно с p-i-n или n-i-p конфигурация. Предимствата на a-Si тънкослойните панели включват тяхната гъвкавост и лека конструкция, което ги прави идеални за използване в преносими приложения, като къмпинг или захранване на дистанционни сензори. Въпреки това, тъй като проводящото стъкло за тези панели е скъпо и процесът е бавен, цената му е сравнително скъпа от близо $0,69/W.

l Тънкослойните панели с галиев арсенид (GaAs) са по-сложни, отколкото при обикновените тънкослойни слънчеви клетки в производствения процес. Заслужава да се отбележи, че те постигат висока ефективност до 39,2% и са по-устойчиви на топлина и влага. Въпреки това времето за производство, цената на материалите и материалите с висок растеж го правят по-малко жизнеспособен избор.

5. Приложенията на тънкослойните слънчеви панели

Като нововъзникващ клас алтернативи на силициевите фотоволтаици, тънкослойните слънчеви панели се използват главно в следните области.

l Интегрирани в сградата фотоволтаици (BIPV)

Тъй като тънкослойните фотоволтаични панели могат да бъдат до 90% по-леки от силициевите панели, едно приложение, което започва да става широко популярно в световен мащаб, е BIPV, при което слънчевите панели се закрепват към покривни керемиди, прозорец, слаби конструкции и т.н. Освен това,  някои видове фотоволтаични фотоволтаични тънки филми могат да бъдат направени полупрозрачни, което помага да се запази естетиката на домовете и сградите, като същевременно позволява възможността за генериране на слънчева енергия.

l Космически приложения

Благодарение на предимствата на леко тегло, висока ефективност, широк температурен диапазон на работа и дори устойчивост на повреда срещу радиация, тънкослойните слънчеви панели, особено CIGS и GaAs слънчеви панели, са идеални за космически приложения.

l Превозни средства и морски приложения

Едно често срещано приложение на тънкослойни слънчеви панели е инсталирането на гъвкави фотоволтаични модули върху покривите на превозни средства (особено RV или автобуси) и палубите на лодки и други плавателни съдове, които могат да се използват за захранване с електричество, като в същото време запазват естетиката.

l Преносими приложения

Неговата преносимост и размер му осигуриха устойчиво развитие в сектора на малката самозахранваща се електроника и интернет на нещата (IoT), който се очаква да нарасне значително през следващите години. И с напредъка си, той може да бъде допълнително приложен на отдалечени места със сгъваеми слънчеви панели, слънчеви захранващи банки, лаптопи със слънчево захранване и т.н.

6. Тенденциите на развитие на тънкослойните слънчеви панели

С нарастващото приемане на слънчевата енергия в световен мащаб, прилагането на строги енергийни ограничения и нарастващите усилия на правителството за интегриране на зелени източници в мрежата, тънкослойните слънчеви панели се очаква да достигнат около 27,11 милиарда USD до 2030 г. със забележителен CAGR от 8,29% от 2022 до 2030 Увеличението се дължи на неговите предимства и R&D, тъй като те са изключително икономични и лесни за създаване, използват по-малко материали и произвеждат по-малко отпадъци. И Р&D за подобряване на издръжливостта и производителността на слънчевите клетки също ще създаде нови възможности за растеж на пазара.

Възможностите обаче идват заедно с предизвикателството. Високите нива на конкуренция, променящата се регулаторна среда, както и наличието на оскъдни финанси и ресурси означава, че в момента те може да не са в състояние да заемат значителна част от световния пазарен дял.

7 Инвестиционният анализ на тънкослойни слънчеви панели

Пазарът на тънкослойни слънчеви клетки изглежда се развива през последните години, което се дължи на няколко фактора.

l Анализ на типа продукт

През 2018 г. CdTe произвежда електроенергия на цена, която е значително по-ниска или равна на тази на конвенционалните източници на енергия от изкопаеми горива. Поради своите нетоксични, евтини експлоатационни и производствени разходи, в момента категорията на кадмиевия телурид доминира световния пазар на тънкослойни слънчеви клетки и се очаква, че ще продължи да расте с най-бърз темп през целия прогнозен период.

l Анализ на крайния потребител

Нарастващото развитие и изследвания за по-ниски разходи за инсталиране и поддръжка може да повиши нуждите на потребителите. През 2022 г. пазарът на комунални услуги доминираше световния пазар на тънкослойни соларни клетки и се прогнозира, че ще продължи да се развива с най-бързи темпове през целия прогнозен период . Тъй като тънкослойните слънчеви панели се разграждат с много по-бавни темпове, те предлагат потенциална алтернатива на традиционните c-Si слънчеви панели.

l Регионален анализ

Азиатско-тихоокеанският регион беше най-големият регион в света за тънкослойни слънчеви клетки през 2022 г. и се очаква той да продължи да се разширява с най-висок темп, което се дължи на много фактори. Например, като най-големият слънчев фотоволтаичен пазар в света, Китай ще повиши целта за възобновяема енергия от 20% на 35% до 2030 г. А слънчевите фотоволтаични инсталации в Китай използват предимно тънкослойна технология. Освен това Япония също декларира намерението си да използва само устойчива енергия в бъдеще.

8 Неща, които трябва да имате предвид при висококачествени тънкослойни слънчеви панели

Когато купувате слънчеви панели, трябва да имате предвид не само цената и качеството, но и други фактори.

l Ефективност: Високата ефективност може да преобразува повече от слънчевата енергия в електричество. Като цяло наличието на по-висока концентрация на носители на заряд може да увеличи ефективността на слънчевата клетка чрез увеличаване на проводимостта. Добавянето на концентратор към слънчева клетка не само помага за увеличаване на ефективността, но може също така да намали пространството, материалите и разходите, необходими за производството на клетката.

l Издръжливост и живот: Някои тънкослойни модули също имат проблеми с разграждането при различни условия. Сред всички материали, CdTe показва най-добра устойчивост на влошаване на производителността с температура. И за разлика от други тънкослойни материали, CdTe има тенденция да бъде доста издръжлив на условия на околната среда като температура и влага, но гъвкавите CdTe панели може да претърпят влошаване на производителността при приложени напрежения или деформации.

l Тегло: Отнася се за плътността на тънкослойния слънчев панел. Като цяло, тънкослойните слънчеви панели са леко утежнени, така че не трябва да се страхувате от прилагане на мъртва тежест върху вашия покрив. Независимо от това, теглото все още трябва да се има предвид при избора на такива, за да се гарантира, че няма да бъде претоварено за инсталиране.

l Температура: Това означава минималната и максималната температура, при която тънкослойният слънчев панел може да функционира. Като цяло се счита, че всички най-добри тънкослойни слънчеви панели имат минимална температура от -40°C и максимална температура от 80°C.