Τι είναι τα Thin-film Solar Panels

1. Τι είναι τα Thin-film Solar Panels;

Σε αντίθεση με τα ηλιακά κύτταρα πρώτης γενιάς που είναι κατασκευασμένα από μονοκρυσταλλικό πυρίτιο, τα ηλιακά πάνελ λεπτής μεμβράνης κατασκευάζονται χρησιμοποιώντας ένα ή πολλαπλά στρώματα φωτοβολταϊκών στοιχείων σε μια επιφάνεια που αποτελείται από μια ποικιλία από γυαλί, πλαστικό ή μέταλλο για μετατροπή ηλιακό φως σε ηλεκτρική ενέργεια. Και τα πιο συχνά χρησιμοποιούμενα για ηλιακή τεχνολογία λεπτής μεμβράνης είναι το τελλουρίδιο του καδμίου (CdTe), το σεληνιούχο γάλλιο του χαλκού (CIGS), το άμορφο πυρίτιο (a-Si) και το αρσενίδιο του γαλλίου (GaAs).

2 Η δομή των ηλιακών συλλεκτών λεπτής μεμβράνης

Τα ηλιακά πάνελ λεπτής μεμβράνης αποτελούνται από μεγάλο αριθμό ηλιακών κυψελών λεπτής μεμβράνης και χρησιμοποιούν φωτεινή ενέργεια (φωτόνια) από τον Ήλιο για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας μέσω του φωτοβολταϊκού φαινομένου Περιλαμβάνει επίσης στρώματα, οπίσθιο φύλλο και κουτί διακλάδωσης, όλα αυτά συνεργάζονται για να εξασφαλίσουν την κανονική λειτουργία των ηλιακών συλλεκτών.

Τι είναι τα ηλιακά κύτταρα λεπτής μεμβράνης;

Τα ηλιακά κύτταρα λεπτής μεμβράνης είναι ηλεκτρονικές συσκευές που μετατρέπουν το ηλιακό φως σε ηλεκτρική ενέργεια μέσω του φωτοβολταϊκού φαινομένου. Οι κυψέλες λεπτής μεμβράνης τείνουν να χρησιμοποιούν πολύ λιγότερο υλικό - η ενεργή περιοχή της κυψέλης έχει συνήθως πάχος μόνο 1 έως 10 μικρόμετρα. Επίσης, τα κύτταρα λεπτής μεμβράνης μπορούν συνήθως να κατασκευαστούν σε μια διαδικασία μεγάλης περιοχής, η οποία μπορεί να είναι μια αυτοματοποιημένη, συνεχής διαδικασία παραγωγής.

Επιπλέον, τα ηλιακά πάνελ λεπτής μεμβράνης χρησιμοποιούν ένα λεπτό στρώμα διαφανούς αγώγιμου οξειδίου, όπως οξείδιο κασσίτερου για να λειτουργήσουν. Ενώ οι κυψέλες λεπτής μεμβράνης κατασκευάζονται από πολλούς μικροσκοπικούς κρυσταλλικούς κόκκους ημιαγωγών υλικών για να δημιουργήσουν καλύτερα το ηλεκτρικό πεδίο με μια διεπαφή, που ονομάζεται ετεροσύνδεση. Γενικά αυτού του είδους οι συσκευές λεπτής μεμβράνης μπορούν να κατασκευαστούν ως ενιαία μονάδα -δηλαδή μονολιθικά- με στρώμα επί στρώσης να εναποτίθεται διαδοχικά σε κάποιο υπόστρωμα, συμπεριλαμβανομένης της εναπόθεσης αντιανακλαστικής επικάλυψης και διαφανούς αγώγιμου οξειδίου.

Τι είναι τα στρώματα;

Συνήθως το ηλιακό πάνελ λεπτής μεμβράνης έχει ένα πολύ λεπτό (λιγότερο από 0,1 micron) στρώμα στην κορυφή που ονομάζεται στρώμα "παραθύρου" για να απορροφά την ενέργεια φωτός μόνο από το υψηλής ενέργειας άκρο του φάσματος. Πρέπει να είναι αρκετά λεπτό και να έχει αρκετά μεγάλο διάκενο ζώνης (2,8 eV ή περισσότερο) ώστε να αφήνει όλο το διαθέσιμο φως να διαπερνά τη διεπαφή (ετερόζυγο) στο στρώμα απορρόφησης. Το απορροφητικό στρώμα κάτω από το παράθυρο, συνήθως ντοπαρισμένο τύπου p, εξοπλισμένο με υψηλή απορροφητικότητα (ικανότητα απορρόφησης φωτονίων) για υψηλό ρεύμα και κατάλληλο διάκενο ζώνης για παροχή καλής τάσης.

Τι είναι το backsheet;

Ως πολυμερές ή συνδυασμός πολυμερών με διάφορα πρόσθετα, το κάτω φύλλο έχει σχεδιαστεί για να παρέχει ένα φράγμα μεταξύ των ηλιακών κυψελών και του εξωτερικού περιβάλλοντος. Από το οποίο μπορούμε να δούμε το κάτω φύλλο είναι ένα κρίσιμο συστατικό για την ανθεκτικότητα, την αποτελεσματικότητα και τη μακροζωία ενός ηλιακού πάνελ.

Τι είναι το κουτί διακλάδωσης;

Ως ηλεκτρικό περίβλημα που χρησιμοποιείται για τη στέγαση και την προστασία ηλεκτρικών συνδέσεων, το κιβώτιο διακλάδωσης είναι ειδικά σχεδιασμένο για να παρέχει ένα ασφαλές και ασφαλές περιβάλλον για ηλεκτρικές συνδέσεις, ώστε να αποφεύγεται η τυχαία επαφή με ηλεκτροφόρα καλώδια και να απλοποιείται η μελλοντική συντήρηση ή επισκευή. Συνήθως ένα κουτί διακλάδωσης φωτοβολταϊκών είναι προσαρτημένο στο πίσω μέρος του ηλιακού πάνελ και λειτουργεί ως διεπαφή εξόδου του. Οι εξωτερικές συνδέσεις για τις περισσότερες φωτοβολταϊκές μονάδες χρησιμοποιούν συνδέσμους MC4 για να διευκολύνουν τις εύκολες στεγανές συνδέσεις με το υπόλοιπο σύστημα. Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί μια διεπαφή τροφοδοσίας USB.

3 Η ιστορία της ανάπτυξης των ηλιακών συλλεκτών λεπτής μεμβράνης

Η ιστορία των ηλιακών συλλεκτών λεπτής μεμβράνης χρονολογείται από τη δεκαετία του 1970, όταν οι ερευνητές ξεκίνησαν την πρώτη τους εξερεύνηση σχετικά με τη χρήση λεπτής μεμβράνης (a-Si) ημιαγωγών για την αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας, εκείνη την εποχή το ενδιαφέρον για την τεχνολογία λεπτής μεμβράνης για εμπορική χρήση και οι εφαρμογές αεροδιαστημικής προωθούν την ανάπτυξη ηλιακών συσκευών λεπτής μεμβράνης άμορφου πυριτίου.

Στη δεκαετία του 1980, οι εξελίξεις στην τεχνολογία διευκόλυναν την επέκταση των υπαρχόντων υλικών λεπτής μεμβράνης σε νέα, όπως το τελλουρίδιο του καδμίου (CdTe) και το σεληνιούχο γάλλιο του χαλκού (CIGS), το οποίο έχει υψηλότερη απόδοση μετατροπής και χαμηλότερο κόστος παραγωγής.

Οι δεκαετίες του 1990 και του 2000 ήταν μια εποχή σημαντικής προόδου στην εξερεύνηση νέων ηλιακών υλικών τρίτης γενιάς με τη δυνατότητα να ξεπεραστούν τα θεωρητικά όρια απόδοσης για τα παραδοσιακά υλικά στερεάς κατάστασης. Αναπτύχθηκαν νέα προϊόντα, όπως ηλιακά κύτταρα ευαισθητοποιημένα με βαφές, ηλιακά κύτταρα κβαντικής κουκκίδας.

Στη δεκαετία του 2010 και στις αρχές της δεκαετίας του 2020, η καινοτομία στην ηλιακή τεχνολογία λεπτής μεμβράνης περιλάμβανε προσπάθειες για την επέκταση της ηλιακής τεχνολογίας τρίτης γενιάς σε νέες εφαρμογές και τη μείωση του κόστους παραγωγής. Το 2004, το Εθνικό Εργαστήριο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (NREL) πέτυχε παγκόσμιο ρεκόρ απόδοσης 19,9% για μια μονάδα λεπτής μεμβράνης CIGS. Το 2022, εύκαμπτα οργανικά ηλιακά κύτταρα λεπτής μεμβράνης ενσωματώθηκαν σε ύφασμα.

Σήμερα, τα εύκαμπτα οργανικά ηλιακά κύτταρα λεπτής μεμβράνης που ενσωματώνονται σε κατασκευές τα καθιστούν καλύτερη επιλογή από τα παραδοσιακά πάνελ πυριτίου. Και η τεχνολογία λεπτής μεμβράνης κατέλαβε περίπου το 19% του συνόλου των Η.Π.Α. μερίδιο αγοράς το ίδιο έτος, συμπεριλαμβανομένου του 30% της παραγωγής σε κλίμακα χρησιμότητας.

4.Τα είδη των ηλιακών συλλεκτών

Υπάρχουν διάφοροι τύποι υλικών που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή ηλιακών κυψελών λεπτής μεμβράνης, με βάση τις πρώτες ύλες τους, μπορούν να χωριστούν σε τέσσερα είδη 

l Τα πάνελ λεπτού φιλμ τελλουρίου καδμίου (CdTe) είναι ένας τύπος ηλιακού πάνελ που χρησιμοποιεί ένα λεπτό στρώμα τελλουρίου καδμίου που εναποτίθεται σε υλικό υποστρώματος, όπως γυαλί ή ανοξείδωτο χάλυβα, ως υλικό ημιαγωγού. Εκτός από ελαφρύ και εύκολο στην εγκατάσταση, έχουν επίσης υψηλή παραγωγή ενέργειας σε συνθήκες χαμηλού φωτισμού, πράγμα που σημαίνει ότι μπορούν να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια ακόμη και σε συννεφιά ή συννεφιά. Υπολογίζεται ότι τα ηλιακά πάνελ λεπτής μεμβράνης CdTe έφτασαν σε απόδοση 19% υπό τις Τυπικές Συνθήκες Δοκιμών (STC), αλλά τα μεμονωμένα ηλιακά κύτταρα έχουν επιτύχει απόδοση 22,1%. Ωστόσο, υπάρχουν ορισμένες ανησυχίες σχετικά με την τοξικότητα του καδμίου, καθώς είναι ένα βαρύ μέταλλο που μπορεί να προκαλέσει περιβαλλοντική βλάβη εάν δεν απορριφθεί σωστά.

l Τα πάνελ λεπτής μεμβράνης σεληνίου γαλλίου χαλκού ινδίου (CIGS) κατασκευάζονται με την τοποθέτηση ενός στρώματος ηλεκτροδίου μολυβδαινίου (Mo) πάνω από το υπόστρωμα μέσω μιας διαδικασίας ψεκασμού Σε σύγκριση με άλλες τεχνολογίες φωτοβολταϊκών, έχουν υψηλή απόδοση και μπορούν να επιτύχουν θεωρητική απόδοση 33% στο μέλλον. Επιπλέον, είναι λιγότερο επιρρεπείς σε ρωγμές ή σπάσιμο και λειτουργούν εύκολα. Ωστόσο, παρά τα πλεονεκτήματα αυτά, το κόστος είναι σχετικά πιο ακριβό από ό,τι για άλλες τεχνολογίες, γεγονός που μπορεί να εμποδίσει την περαιτέρω ανάπτυξή τους.

l Τα πάνελ λεπτής μεμβράνης άμορφου πυριτίου (a-Si) κατασκευάζονται με επεξεργασία γυάλινων πλακών ή εύκαμπτων υποστρωμάτων, μαζί με διαμόρφωση p-i-n ή n-i-p. Τα πλεονεκτήματα των πάνελ λεπτής μεμβράνης a-Si περιλαμβάνουν την ευελιξία και την ελαφριά κατασκευή τους, γεγονός που τα καθιστά ιδανικά για χρήση σε φορητές εφαρμογές, όπως η κατασκήνωση ή η τροφοδοσία αισθητήρων τηλεχειρισμού. Ωστόσο, δεδομένου ότι το αγώγιμο γυαλί για αυτά τα πάνελ είναι ακριβό και η διαδικασία είναι αργή, η τιμή του είναι σχετικά ακριβή σχεδόν 0,69 $/W.

l Τα πάνελ λεπτής μεμβράνης αρσενιδίου του γαλλίου (GaAs) είναι πιο περίπλοκα από τα συνηθισμένα ηλιακά κύτταρα λεπτής μεμβράνης της διαδικασίας κατασκευής. Αξίζει να αναφέρουμε ότι επιτυγχάνουν υψηλές αποδόσεις έως και 39,2% και είναι πιο ανθεκτικά στη θερμότητα και την υγρασία. Ωστόσο, ο χρόνος κατασκευής, το κόστος για τα υλικά και τα υλικά υψηλής ανάπτυξης, το καθιστούν λιγότερο βιώσιμη επιλογή.

5.Οι Εφαρμογές των Ηλιακίων Πανελών Λεπτού Φιλμ

Ως αναδυόμενη κατηγορία εναλλακτικών λύσεων στα φωτοβολταϊκά πυριτίου, τα ηλιακά πάνελ λεπτής μεμβράνης χρησιμοποιούνται κυρίως στους ακόλουθους τομείς.

l Φωτοβολταϊκά ενσωματωμένα σε κτίρια (BIPV)

Δεδομένου ότι τα φωτοβολταϊκά πάνελ λεπτής μεμβράνης μπορεί να είναι έως και 90% ελαφρύτερα από τα πάνελ πυριτίου, μια εφαρμογή που αρχίζει να γίνεται ευρέως δημοφιλής παγκοσμίως είναι το BIPV, όπου τα ηλιακά πάνελ συνδέονται στα κεραμίδια στέγης, στο παράθυρο, στις αδύναμες κατασκευές και ούτω καθεξής. Επιπροσθέτως,  Ορισμένοι τύποι φωτοβολταϊκών λεπτής μεμβράνης μπορούν να γίνουν ημιδιαφανείς, γεγονός που συμβάλλει στη διατήρηση της αισθητικής για τα σπίτια και τα κτίρια, ενώ επιτρέπει τη δυνατότητα παραγωγής ηλιακής ενέργειας.

l Διαστημικές εφαρμογές

Λόγω των πλεονεκτημάτων του ελαφρού βάρους, της υψηλής απόδοσης, του μεγάλου εύρους θερμοκρασίας λειτουργίας, ακόμη και της αντοχής στη ζημιά στην ακτινοβολία, τα ηλιακά πάνελ λεπτής μεμβράνης, ειδικά τα ηλιακά πάνελ CIGS και GaAs, ήταν ιδανικά για διαστημικές εφαρμογές.

l Οχήματα και θαλάσσιες εφαρμογές

Μια κοινή εφαρμογή των ηλιακών συλλεκτών λεπτής μεμβράνης είναι η εγκατάσταση εύκαμπτων φωτοβολταϊκών μονάδων σε στέγες οχημάτων (ειδικά RV ή λεωφορεία) και στα καταστρώματα σκαφών και άλλων σκαφών, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την τροφοδοσία ηλεκτρικής ενέργειας διατηρώντας ταυτόχρονα την αισθητική.

l Φορητές εφαρμογές

Η φορητότητα και το μέγεθός του του έχουν προσφέρει μια βιώσιμη ανάπτυξη στον τομέα των μικρών αυτοτροφοδοτούμενων ηλεκτρονικών και του Διαδικτύου των Πραγμάτων (IoT), ο οποίος αναμένεται να αναπτυχθεί σημαντικά τα επόμενα χρόνια. Και με την πρόοδό του, μπορεί να εφαρμοστεί περαιτέρω σε απομακρυσμένες τοποθεσίες με πτυσσόμενα ηλιακά πάνελ, ηλιακές τράπεζες ενέργειας, φορητούς υπολογιστές με ηλιακή ενέργεια και ούτω καθεξής.

6.Οι αναπτυξιακές τάσεις των ηλιακών συλλεκτών λεπτής μεμβράνης

Με την αυξανόμενη αποδοχή της ηλιακής ενέργειας παγκοσμίως, την εφαρμογή αυστηρών ενεργειακών περιορισμών και τις αυξανόμενες κυβερνητικές προσπάθειες για την ενσωμάτωση πράσινων πηγών στο δίκτυο, τα ηλιακά πάνελ λεπτής μεμβράνης αναμένεται να φτάσουν περίπου τα 27,11 δισεκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ έως το 2030 με αξιοσημείωτο CAGR 8,29% από 2022 έως 2030 Η αύξηση οφείλεται στα πλεονεκτήματά του και η R&D, επειδή είναι εξαιρετικά οικονομικά και δημιουργούνται εύκολα, χρησιμοποιούν λιγότερο υλικό και παράγουν λιγότερα απόβλητα. Και το R&Η ενίσχυση της αντοχής και της απόδοσης των ηλιακών κυττάρων θα δημιουργήσει επίσης νέες ευκαιρίες για ανάπτυξη της αγοράς.

Ωστόσο, οι ευκαιρίες συνδυάζονται με την πρόκληση. Τα υψηλά επίπεδα ανταγωνισμού, το μεταβαλλόμενο ρυθμιστικό περιβάλλον καθώς και η διαθεσιμότητα σπάνιων οικονομικών και πόρων σημαίνει ότι επί του παρόντος ενδέχεται να μην είναι σε θέση να πάρουν ένα σημαντικό κομμάτι του παγκόσμιου μεριδίου αγοράς.

7 Η Επενδυτική Ανάλυση των Ηλιακών Πανελ λεπτής μεμβράνης

Η αγορά των ηλιακών κυψελών λεπτής μεμβράνης φαίνεται να αναπτύσσεται τα τελευταία χρόνια, κάτι που οφείλεται σε διάφορους παράγοντες.

l Ανάλυση τύπου προϊόντος

Το 2018, το CdTe παρήγαγε ηλεκτρική ενέργεια σε τιμή που ήταν σημαντικά χαμηλότερη ή ισοδύναμη με εκείνη των συμβατικών πηγών ενέργειας από ορυκτά καύσιμα. Λόγω του μη τοξικού, φθηνού κόστους λειτουργίας και παραγωγής του, επί του παρόντος η κατηγορία του τελλουρίου του καδμίου κυριάρχησε στην παγκόσμια αγορά ηλιακών κυψελών λεπτής μεμβράνης και αναμένεται ότι θα συνεχίσει να αναπτύσσεται με τον ταχύτερο ρυθμό σε όλη την περίοδο πρόβλεψης.

l Ανάλυση τελικού χρήστη

Η αυξανόμενη ανάπτυξη και έρευνα για τη μείωση του κόστους εγκατάστασης και συντήρησης μπορεί να ενισχύσει τις ανάγκες των καταναλωτών. Το 2022, η αγορά κοινής ωφέλειας κυριάρχησε στην παγκόσμια αγορά ηλιακών κυττάρων λεπτής μεμβράνης και προβλέπεται ότι θα συνεχίσει να αναπτύσσεται με τον ταχύτερο ρυθμό καθ' όλη την περίοδο πρόβλεψης . Δεδομένου ότι τα ηλιακά πάνελ λεπτής μεμβράνης αποικοδομούνται με πολύ πιο αργό ρυθμό, προσφέρουν μια πιθανή εναλλακτική λύση στα παραδοσιακά ηλιακά πάνελ c-Si.

l Περιφερειακή Ανάλυση

Η Ασία-Ειρηνικός ήταν η μεγαλύτερη περιοχή στον κόσμο για ηλιακά κύτταρα λεπτής μεμβράνης το 2022 και αναμένεται ότι θα συνεχίσει να επεκτείνεται με τον υψηλότερο ρυθμό, κάτι που οφείλεται σε πολλούς παράγοντες. Για παράδειγμα, ως η μεγαλύτερη αγορά ηλιακών φωτοβολταϊκών σε όλο τον κόσμο, η Κίνα θα αυξήσει τον στόχο για ανανεώσιμες πηγές ενέργειας από 20% σε 35% έως το 2030. Και οι ηλιακές φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις σε κλίμακα χρησιμότητας στην Κίνα χρησιμοποιούν ως επί το πλείστον τεχνολογία λεπτής μεμβράνης. Επιπλέον, η Ιαπωνία έχει επίσης δηλώσει την πρόθεσή της να χρησιμοποιήσει μόνο βιώσιμη ενέργεια στο μέλλον.

8 Πράγματα που πρέπει να λάβετε υπόψη για ηλιακούς συλλέκτες υψηλής ποιότητας λεπτής μεμβράνης

Κατά την αγορά ηλιακών συλλεκτών, δεν πρέπει να λαμβάνεται υπόψη μόνο η τιμή και η ποιότητα, αλλά και άλλοι παράγοντες πρέπει να λαμβάνονται υπόψη.

l Αποτελεσματικότητα: Η υψηλή απόδοση μπορεί να μετατρέψει περισσότερη ηλιακή ενέργεια σε ηλεκτρική. Γενικά η ύπαρξη υψηλότερης συγκέντρωσης φορέων φορτίου μπορεί να αυξήσει την απόδοση του ηλιακού στοιχείου αυξάνοντας την αγωγιμότητα. Η προσθήκη ενός συμπυκνωτή σε ένα ηλιακό στοιχείο δεν βοηθά μόνο στην αύξηση της απόδοσης, αλλά μπορεί επίσης να μειώσει τον χώρο, τα υλικά και το κόστος που απαιτείται για την παραγωγή του στοιχείου.

l Ανθεκτικότητα και διάρκεια ζωής: Ορισμένες μονάδες λεπτής μεμβράνης έχουν επίσης προβλήματα με την υποβάθμιση υπό διάφορες συνθήκες. Μεταξύ όλων των υλικών, το CdTe εμφανίζει την καλύτερη αντίσταση στην υποβάθμιση της απόδοσης με τη θερμοκρασία. Και σε αντίθεση με άλλα υλικά λεπτής μεμβράνης, το CdTe τείνει να είναι αρκετά ανθεκτικό σε περιβαλλοντικές συνθήκες όπως η θερμοκρασία και η υγρασία, αλλά τα εύκαμπτα πάνελ CdTe ενδέχεται να υποβαθμίσουν την απόδοση υπό εφαρμοζόμενες τάσεις ή καταπονήσεις.

l Βάρος: Αναφέρεται στην πυκνότητα του ηλιακού πάνελ λεπτής μεμβράνης. Σε γενικές γραμμές, τα ηλιακά πάνελ λεπτής μεμβράνης έχουν ελαφριά ζύγιση, επομένως δεν πρέπει να φοβάστε την εφαρμογή νεκρού βάρους στην οροφή σας. Ωστόσο, πρέπει να λαμβάνεται υπόψη το βάρος κατά την επιλογή τους, ώστε να διασφαλιστεί ότι δεν θα υπερφορτωθεί για την εγκατάσταση.

l Θερμοκρασία: Αυτό σημαίνει την ελάχιστη και μέγιστη θερμοκρασία στην οποία μπορεί να λειτουργήσει το ηλιακό πάνελ Thin Film. Γενικά, όλα τα καλύτερα ηλιακά πάνελ λεπτής μεμβράνης θεωρείται ότι έχουν ελάχιστη θερμοκρασία -40°C και μέγιστη θερμοκρασία 80°C.