Co jsou tenkovrstvé solární panely

1. Co jsou tenkovrstvé solární panely?

Na rozdíl od solárních článků první generace, které jsou vyrobeny z jedno- nebo multikrystalického křemíku, jsou tenkovrstvé solární panely vyráběny s použitím jedné nebo více vrstev fotovoltaických prvků na povrchu složeném z různých druhů skla, plastu nebo kovu pro přeměnu sluneční světlo na elektřinu. A nejběžněji používané pro tenkovrstvou solární technologii jsou telurid kadmia (CdTe), měď-indium-gallium selenid (CIGS), amorfní křemík (a-Si) a arsenid galia (GaAs).

2 Struktura tenkovrstvých solárních panelů

Tenkovrstvé solární panely se skládají z velkého počtu tenkovrstvých solárních článků a využívají světelnou energii (fotony) ze Slunce k výrobě elektřiny prostřednictvím fotovoltaického efektu. Zahrnuje také vrstvy, zadní vrstvu a spojovací krabici, všechny spolupracují, aby zajistily normální provoz solárních panelů.

Co jsou tenkovrstvé solární články?

Tenkovrstvé solární články jsou elektronická zařízení, která přeměňují sluneční světlo na elektrickou energii fotovoltaickým efektem. Tenkovrstvé články využívají mnohem méně materiálu – aktivní plocha článku je obvykle pouze 1 až 10 mikrometrů tlustá. Také tenkovrstvé články lze obvykle vyrábět velkoplošným procesem, což může být automatizovaný kontinuální výrobní proces.

A co víc, tenkovrstvé solární panely používají k práci tenkou vrstvu průhledného vodivého oxidu, jako je oxid cínu. Zatímco tenkovrstvé články jsou vyrobeny z mnoha drobných krystalických zrn polovodičových materiálů, aby se lépe vytvořilo elektrické pole s rozhraním, které se nazývá heteropřechod. Obecně lze tento druh tenkovrstvých zařízení vyrobit jako jeden celek - to znamená monoliticky - s vrstvou po vrstvě, která je postupně nanášena na nějaký substrát, včetně nanášení antireflexního povlaku a transparentního vodivého oxidu.

Co je to vrstvy?

Tenkovrstvý solární panel má obvykle navrchu velmi tenkou (méně než 0,1 mikronu) vrstvu nazývanou „okenní“ vrstva, která absorbuje světelnou energii pouze z vysokoenergetického konce spektra. Musí být dostatečně tenký a mít dostatečně široký bandgap (2,8 eV nebo více), aby propustilo veškeré dostupné světlo rozhraním (heteropřechodem) do absorbující vrstvy. Absorpční vrstva pod okénkem, obvykle dotovaná typu p, vybavená vysokou absorpcí (schopností absorbovat fotony) pro vysoký proud a vhodnou mezerou v pásmu pro zajištění dobrého napětí.

Co je zadní list?

Jako polymer nebo kombinace polymerů s různými přísadami je zadní vrstva navržena tak, aby poskytovala bariéru mezi solárními články a vnějším prostředím. Z čehož můžeme vidět, že zadní vrstva je kritickou součástí odolnosti, účinnosti a životnosti solárního panelu.

Co je to spojovací skříňka?

Jako elektrický kryt používaný k umístění a ochraně elektrických spojů je propojovací krabice speciálně navržena tak, aby poskytovala bezpečné a bezpečné prostředí pro elektrická připojení, aby se zabránilo náhodnému kontaktu s vodiči pod napětím a zjednodušila se budoucí údržba nebo opravy. Obvykle je na zadní straně solárního panelu připevněna PV rozvodná krabice, která funguje jako jeho výstupní rozhraní. Externí připojení pro většinu fotovoltaických modulů využívají konektory MC4 pro snadné připojení ke zbytku systému odolné vůči povětrnostním vlivům. Lze použít i napájecí USB rozhraní.

3 Historie vývoje tenkovrstvých solárních panelů

Historie tenkovrstvých solárních panelů sahá až do 70. let 20. století, kdy výzkumníci zahájili první výzkum využití tenkého filmu (a-Si) polovodičů pro využití sluneční energie, v té době byl zájem o tenkovrstvou technologii pro komerční využití. a letecké aplikace podporují vývoj tenkovrstvých solárních zařízení z amorfního křemíku.

V 80. letech 20. století pokrok v technologii usnadnil expanzi stávajících tenkovrstvých materiálů na nové, jako je telurid kadmia (CdTe) a měď-indium-gallium selenid (CIGS), které mají vyšší účinnost konverze a nižší výrobní náklady.

Devadesátá léta a léta 2000 byla dobou významného pokroku ve výzkumu nových solárních materiálů třetí generace – materiálů s potenciálem překonat teoretické limity účinnosti pro tradiční materiály v pevné fázi. Byly vyvinuty nové produkty, jako jsou solární články citlivé na barvivo, solární články s kvantovými tečkami.

V letech 2010 a počátkem 2020 zahrnovaly inovace tenkovrstvé solární technologie snahy o rozšíření solární technologie třetí generace na nové aplikace a snížení výrobních nákladů. V roce 2004 dosáhla Národní laboratoř pro obnovitelné zdroje energie (NREL) světového rekordu účinnosti 19,9 % pro tenkovrstvý modul CIGS. V roce 2022 byly do tkaniny integrovány flexibilní organické tenkovrstvé solární články.

V dnešní době jsou flexibilní organické tenkovrstvé solární články integrované do výroby lepší volbou než tradiční křemíkové panely. A tenkovrstvá technologie zachytila ​​přibližně 19 % celkových U.S. podíl na trhu ve stejném roce, včetně 30 % produkce v užitkovém měřítku.

4. Typy solárních panelů

Existuje několik typů materiálů používaných k výrobě tenkovrstvých solárních článků, na základě jejich surovin je lze rozdělit do čtyř druhů 

l Tenkovrstvé panely z teluridu kadmia (CdTe) jsou typem solárních panelů, které jako polovodičový materiál využívají tenkou vrstvu teluridu kadmia naneseného na podkladovém materiálu, jako je sklo nebo nerezová ocel. Nejen, že jsou lehké a snadno se instalují, ale také mají vysokou produkci energie za špatných světelných podmínek, což znamená, že mohou vyrábět elektřinu i při zatažené nebo zatažené obloze. Odhaduje se, že tenkovrstvé solární panely CdTe dosáhly účinnosti 19 % za standardních testovacích podmínek (STC), ale jednotlivé solární články dosáhly účinnosti 22,1 %. Existují však určité obavy z toxicity kadmia, protože jde o těžký kov, který může způsobit poškození životního prostředí, pokud není správně zlikvidován.

l Tenkovrstvé panely mědi a india a galia (CIGS) se vyrábějí umístěním molybdenové (Mo) elektrodové vrstvy na substrát pomocí procesu naprašování Ve srovnání s jinými FV technologiemi mají vysokou účinnost a v budoucnu mohou dosáhnout teoretické účinnosti 33 %. Kromě toho jsou méně náchylné k prasknutí nebo rozbití a snadno se ovládají. Navzdory těmto výhodám jsou však náklady relativně dražší než u jiných technologií, což může brzdit jejich další rozvoj.

l Tenkovrstvé panely z amorfního křemíku (a-Si) se vyrábějí zpracováním skleněných desek nebo flexibilních substrátů spolu s konfigurací p-i-n nebo n-i-p. Mezi výhody tenkovrstvých panelů a-Si patří jejich flexibilita a lehká konstrukce, díky čemuž jsou ideální pro použití v přenosných aplikacích, jako je kempování nebo napájení vzdálených senzorů. Protože je však vodivé sklo pro tyto panely drahé a proces je pomalý, jeho cena je relativně drahá, téměř 0,69 $/W.

l Tenkovrstvé panely z arsenidu galia (GaAs) jsou složitější než běžné tenkovrstvé solární články ve výrobním procesu. Za zmínku stojí, že dosahují vysoké účinnosti až 39,2 % a jsou odolnější vůči teplu a vlhkosti. Nicméně doba výroby, náklady na materiály a materiály s vysokým růstem z něj činí méně životaschopnou volbu.

5. Aplikace tenkovrstvých solárních panelů

Jako vznikající třída alternativ ke křemíkové fotovoltaice se tenkovrstvé solární panely používají hlavně v následujících oblastech.

l Stavebně integrovaná fotovoltaika (BIPV)

Protože tenkovrstvé PV panely mohou být až o 90 % lehčí než křemíkové panely, jedna z aplikací, která se celosvětově začíná stávat široce populární, je BIPV, kde se solární panely připevňují ke střešním taškám, oknu, slabým konstrukcím a tak dále. Dodatečně,  některé typy tenkovrstvých PV mohou být poloprůhledné, což pomáhá zachovat estetiku domů a budov a zároveň umožňuje výrobu solární energie.

l Vesmírné aplikace

Díky výhodám nízké hmotnosti, vysoké účinnosti, širokému rozsahu provozních teplot a dokonce odolnosti vůči poškození zářením jsou tenkovrstvé solární panely, zejména CIGS a GaAs, ideální pro vesmírné aplikace.

l Vozidla a námořní aplikace

Jednou z běžných aplikací tenkovrstvých solárních panelů je instalace flexibilních fotovoltaických modulů na střechy vozidel (zejména karavanů nebo autobusů) a paluby lodí a jiných plavidel, které lze použít k napájení elektřiny a zároveň zachovat estetiku.

l Přenosné aplikace

Jeho přenosnost a velikost mu zajistily udržitelný rozvoj v sektoru malé elektroniky s vlastním pohonem a internetu věcí (IoT), u kterého se očekává, že v následujících letech výrazně poroste. A díky svému pokroku může být dále aplikován na vzdálených místech se skládacími solárními panely, solárními powerbankami, solárně napájenými notebooky a tak dále.

6. Vývojové trendy tenkovrstvých solárních panelů

S rostoucí akceptací solární energie po celém světě, zaváděním přísných energetických omezení a rostoucím úsilím vlády o integraci zelených zdrojů do sítě se očekává, že tenkovrstvé solární panely dosáhnou do roku 2030 přibližně 27,11 miliardy USD s pozoruhodnou CAGR 8,29 % od 2022 až 2030 Nárůst je tažen jeho výhodami a R&D, protože jsou extrémně ekonomické a snadno se vytvářejí, využívají méně materiálu a produkují méně odpadu. A R&D pro zvýšení odolnosti a výkonu solárních článků také vytvoří nové příležitosti pro růst trhu.

Příležitosti se však spojují s výzvou. Vysoká úroveň konkurence, měnící se regulační prostředí a také dostupnost omezených financí a zdrojů v současnosti znamenají, že nemusí být schopny zaujmout značnou část podílu na globálním trhu.

7 Investiční analýza tenkovrstvých solárních panelů

Zdá se, že trh s tenkovrstvými solárními články se v posledních letech vyvíjí, což je poháněno několika faktory.

l Analýza typu produktu

V roce 2018 vyrábělo CdTe elektřinu za cenu, která byla výrazně nižší nebo srovnatelná s cenou konvenčních zdrojů energie z fosilních paliv. Vzhledem ke svému netoxickému, levnému provozu a výrobním nákladům v současné době dominuje na celosvětovém trhu tenkovrstvých solárních článků kategorie teluridu kadmia a očekává se, že bude i nadále růst nejrychlejším tempem během předpovědního období.

l Analýza koncového uživatele

Rostoucí vývoj a výzkum zaměřený na snížení nákladů na instalaci a údržbu mohou zvýšit potřeby spotřebitelů. V roce 2022 dominoval celosvětový trh s tenkovrstvými solárními články trh veřejných služeb a předpokládá se, že se bude i nadále vyvíjet nejrychlejším tempem během prognózovaného období. . Protože tenkovrstvé solární panely degradují mnohem pomaleji, nabízejí potenciální alternativu k tradičním c-Si solárním panelům.

l Regionální analýza

Asie a Tichomoří byla v roce 2022 největším regionem na světě pro tenkovrstvé solární články a očekává se, že bude i nadále expandovat nejvyšším tempem, což je způsobeno mnoha faktory. Například Čína jako největší solární fotovoltaické trhy na světě zvýší do roku 2030 cíl pro obnovitelné zdroje energie z 20 % na 35 %. A solární fotovoltaická zařízení v Číně většinou využívají tenkovrstvou technologii. Japonsko navíc také deklarovalo svůj záměr používat v budoucnu pouze udržitelnou energii.

8 Co je třeba zvážit u vysoce kvalitních tenkovrstvých solárních panelů

Při nákupu solárních panelů je třeba brát v úvahu nejen cenu a kvalitu, ale mít na paměti i další faktory.

l Účinnost: Vysoká účinnost dokáže přeměnit více sluneční energie na elektřinu. Obecně platí, že vyšší koncentrace nosičů náboje může zvýšit účinnost solárního článku zvýšením vodivosti. Přidání koncentrátoru k solárnímu článku nejen pomůže zvýšit účinnost, ale může také snížit prostor, materiály a náklady potřebné k výrobě článku.

l Odolnost a životnost: Některé tenkovrstvé moduly mají také problémy s degradací za různých podmínek. Ze všech materiálů vykazuje CdTe nejlepší odolnost vůči degradaci výkonu s teplotou. A na rozdíl od jiných tenkovrstvých materiálů má CdTe tendenci být poměrně odolný vůči okolním podmínkám, jako je teplota a vlhkost, ale flexibilní panely CdTe mohou zaznamenat zhoršení výkonu při aplikovaném namáhání nebo namáhání.

l Hmotnost: Vztahuje se k hustotě tenkovrstvého solárního panelu. Obecně platí, že tenkovrstvé solární panely jsou lehce zatížené, takže byste se neměli bát použití mrtvé váhy na střechu. Při výběru je však stále třeba vzít v úvahu hmotnost, aby se zajistilo, že nebude při instalaci přetížen.

l Teplota: To znamená minimální a maximální teplotu, při které může solární panel Thin Film fungovat. Obecně platí, že všechny nejlepší tenkovrstvé solární panely mají minimální teplotu -40 °C a maximální teplotu 80 °C.