Mis on õhukese kilega päikesepaneelid

1. Mis on õhukese kilega päikesepaneelid?

Erinevalt esimese põlvkonna päikesepatareidest, mis on valmistatud ühe- või mitmekristallilisest ränist, valmistatakse õhukese kilega päikesepaneele ühe või mitme PV-elementide kihiga pinnal, mis koosneb erinevatest klaasist, plastist või metallist. päikesevalgus elektriks. Kõige sagedamini kasutatakse õhukese kilega päikeseenergia tehnoloogias kaadmiumtelluriid (CdTe), vask-indiumgalliumseleniid (CIGS), amorfne räni (a-Si) ja galliumarseniid (GaAs).

2 Õhukese kilega päikesepaneelide struktuur

Õhukese kilega päikesepaneelid koosnevad suurest hulgast õhukese kilega päikesepatareidest ja kasutavad päikeseenergiat (footoneid), et toota elektrit fotogalvaanilise efekti kaudu See sisaldab ka kihte, tagalehte ja ühenduskarpi, mis kõik töötavad koos, et tagada päikesepaneelide normaalne töö.

Mis on õhukese kilega päikesepatareid?

Õhukese kilega päikesepatareid on elektroonilised seadmed, mis muudavad päikesevalguse fotogalvaanilise efekti abil elektrienergiaks. Õhukese kilega elemendid kasutavad palju vähem materjali – elemendi aktiivne ala on tavaliselt vaid 1–10 mikromeetrit paks. Samuti saab õhukese kilega rakke tavaliselt toota suure pindalaga protsessis, mis võib olla automatiseeritud pidev tootmisprotsess.

Veelgi enam, õhukese kilega päikesepaneelid kasutavad töötamiseks õhukest kihti läbipaistvat juhtivat oksiidi, näiteks tinaoksiidi. Kuigi õhukese kilega rakud on valmistatud paljudest väikestest pooljuhtmaterjalide kristalsetest teradest, et paremini luua liidesega elektrivälja, mida nimetatakse heteroristmikuks. Üldiselt saab seda tüüpi õhukese kilega seadmeid valmistada ühe üksusena – st monoliitselt – kiht kihi peale sadestades järjestikku mõnele substraadile, kaasa arvatud peegeldusvastase katte ja läbipaistva juhtiva oksiidi sadestamine.

Mis on kihid?

Tavaliselt on õhukese kilega päikesepaneeli peal väga õhuke (alla 0,1 mikroni) kiht, mida nimetatakse "aknakihiks", et neelata valgusenergiat ainult spektri kõrge energiaga otsast. See peab olema piisavalt õhuke ja piisavalt laia ribalaiusega (2,8 eV või rohkem), et lasta kogu saadaolev valgus läbi liidese (heteroühendus) neelavale kihile. Aknaalune neelav kiht, tavaliselt legeeritud p-tüüpi, mis on varustatud suure neeldumisvõimega (võime neelata footoneid) suure voolu jaoks ja sobiva ribalaiusega, et tagada hea pinge.

Mis on tagaleht?

Polümeerina või erinevate lisanditega polümeeride kombinatsioonina on tagakiht loodud tõkkeks päikesepatareide ja väliskeskkonna vahel. Millest näeme, et tagaleht on päikesepaneeli vastupidavuse, tõhususe ja pikaealisuse kriitiline komponent.

Mis on harukarp?

Elektriühenduste paigutamiseks ja kaitsmiseks kasutatav elektrikilp on spetsiaalselt loodud pakkuma elektriühendustele ohutut ja kindlat keskkonda, et vältida juhuslikku kokkupuudet pingestatud juhtmetega ning lihtsustada edaspidist hooldust või remonti. Tavaliselt kinnitatakse päikesepaneeli tagaküljele PV-harukarp ja see toimib selle väljundliidesena. Enamiku fotogalvaaniliste moodulite välised ühendused kasutavad MC4-pistikuid, et hõlbustada ilmastikukindlat ühendust ülejäänud süsteemiga. Kasutada saab ka USB-toiteliidest.

3 Õhukese kilega päikesepaneelide arengulugu

Õhukese kilega päikesepaneelide ajalugu ulatub tagasi 1970. aastatesse, mil teadlased alustasid oma rusikaga uurimistööd pooljuhtide õhukese kile (a-Si) kasutamise kohta päikeseenergia kasutamiseks, tol ajal tekkis huvi õhukese kile tehnoloogia vastu kommertskasutuseks. ja kosmosealased rakendused edendavad amorfse räni õhukese kilega päikeseenergiaseadmete arendamist.

1980. aastatel hõlbustasid tehnoloogia edusammud olemasolevate õhukese kilega materjalide laiendamist uuteks, nagu kaadmiumtelluriid (CdTe) ja vask-indium-galliumseleniid (CIGS), millel on suurem konversioonitõhusus ja madalamad tootmiskulud.

1990. ja 2000. aastad olid märkimisväärsete edusammude aeg uute kolmanda põlvkonna päikeseenergia materjalide – materjalide uurimisel, millel oli potentsiaal ületada traditsiooniliste tahkismaterjalide teoreetilised tõhususe piirangud. Töötati välja uusi tooteid, nagu värvitundlikud päikesepatareid, kvantpunkt-päikesepatareid.

2010. aastatel ja 2020. aastate alguses on õhukese kilega päikeseenergia tehnoloogia innovatsioon hõlmanud jõupingutusi laiendada kolmanda põlvkonna päikeseenergia tehnoloogiat uutele rakendustele ja vähendada tootmiskulusid. 2004. aastal saavutas National Renewable Energy Laboratory (NREL) CIGSi õhukese kilega mooduli efektiivsuse maailmarekordi 19,9%. 2022. aastal integreeriti kangasse painduvad orgaanilised õhukese kilega päikesepatareid.

Tänapäeval muudavad tootmisse integreeritud painduvad orgaanilised õhukese kilega päikesepatareid paremaks valikuks kui traditsioonilised ränipaneelid. Ja õhukese kilega tehnoloogia hõlmas ligikaudu 19% kogu USA-st. turuosa samal aastal, sealhulgas 30% kommunaaltoodangust.

4. Päikesepaneelide tüübid

Õhukese kilega päikesepatareide valmistamiseks kasutatakse mitut tüüpi materjale, nende tooraine põhjal võib need jagada nelja liiki 

l Kaadmiumtelluriidi (CdTe) õhukese kilega paneelid on teatud tüüpi päikesepaneelid, mis kasutavad pooljuhtmaterjalina õhukest kihti kaadmiumtelluriidi, mis on sadestatud alusmaterjalile, näiteks klaasile või roostevabale terasele. Need ei ole mitte ainult kerged ja hõlpsasti paigaldatavad, vaid neil on ka kõrge energiatootlus vähese valgusega tingimustes, mis tähendab, et nad suudavad toota elektrit isegi pilvise või pilvise ilmaga. Hinnanguliselt saavutasid CdTe õhukese kilega päikesepaneelide efektiivsus standardkatsetingimustes (STC) 19%, kuid üksikute päikesepatareide efektiivsus on 22,1%. Kaadmiumi mürgisus tekitab siiski muret, kuna see on raskemetall, mis võib põhjustada keskkonnakahju, kui seda ei kõrvaldata õigesti.

l Vask-indium-galliumseleniidi (CIGS) õhukese kilega paneele valmistatakse molübdeeni (Mo) elektroodikihi asetamisel substraadi peale pihustusprotsessi abil. Võrreldes teiste PV-tehnoloogiatega on neil kõrge kasutegur ja teoreetiline efektiivsus on tulevikus 33%. Lisaks on need vähem altid pragunemisele või purunemisele ning neid on lihtne kasutada. Vaatamata nendele eelistele on hind siiski suhteliselt kallim kui teiste tehnoloogiate puhul, mis võib takistada nende edasist arengut.

l Amorfse räni (a-Si) õhukese kilega paneele toodetakse klaasplaatide või painduvate aluspindade töötlemisel koos p-i-n või n-i-p konfiguratsiooniga. A-Si õhukese kilega paneelide eelised hõlmavad nende paindlikkust ja kerget konstruktsiooni, mis muudab need ideaalseks kasutamiseks kaasaskantavates rakendustes, näiteks telkimisel või kaugandurite toitel. Kuna nende paneelide juhtiv klaas on aga kallis ja protsess on aeglane, on selle hind suhteliselt kallis, peaaegu 0,69 dollarit/W.

l Galliumarseniidi (GaAs) õhukese kilega paneelid on keerukamad kui tootmisprotsessi tavaliste õhukese kilega päikesepatareide puhul. Tasub mainida, et need saavutavad kõrge kasuteguri kuni 39,2% ning on kuuma- ja niiskuskindlamad. Sellegipoolest muudavad tootmisaeg, materjalide maksumus ja kiiresti kasvavad materjalid selle vähem elujõuliseks valikuks.

5. Õhukese kilega päikesepaneelide rakendused

Ränist fotogalvaanilise elektrienergia alternatiivide klassina kasutatakse õhukese kilega päikesepaneele peamiselt järgmistes valdkondades.

l hoonesse integreeritud fotogalvaanika (BIPV)

Kuna õhukese kilega PV-paneelid võivad olla kuni 90% kergemad kui ränipaneelid, on üheks ülemaailmseks populaarseks rakenduseks BIPV, kus päikesepaneelid kinnitatakse katusekivide, akna, nõrkade konstruktsioonide jms külge. Lisaks  teatud tüüpi õhukese kilega PV saab muuta poolläbipaistvaks, mis aitab säilitada kodude ja hoonete esteetikat, võimaldades samal ajal päikeseenergia tootmist.

l Kosmoserakendused

Kerge, ülitõhusa, laia töötemperatuurivahemiku ja isegi kiirguskindluse eeliste tõttu on õhukese kilega päikesepaneelid, eriti CIGS ja GaAs päikesepaneelid, olnud ideaalsed kosmoserakenduste jaoks.

l Sõidukid ja mererakendused

Õhukese kilega päikesepaneelide üheks levinud rakenduseks on paindlike PV-moodulite paigaldamine sõidukite katustele (eriti haagissuvilatele või bussidele) ning paatide ja muude laevade tekkidele, mida saab kasutada elektritoiteks, säilitades samal ajal esteetika.

l Kaasaskantavad rakendused

Selle teisaldatavus ja suurus on võimaldanud sellele jätkusuutliku arengu väikese isetoitega elektroonika ja asjade Interneti (IoT) sektoris, mis lähiaastatel peaks märkimisväärselt kasvama. Tänu selle edenemisele saab seda veelgi rakendada kaugemates kohtades, kus on kokkupandavad päikesepaneelid, päikeseenergiapangad, päikeseenergial töötavad sülearvutid ja nii edasi.

6. Õhukese kilega päikesepaneelide arengusuunad

Päikeseenergia üha suureneva aktsepteerimise tõttu kogu maailmas, rangete energiapiirangute rakendamisel ja valitsuse suurenevatel jõupingutustel roheliste allikate võrku integreerimiseks eeldatakse, et õhukese kilega päikesepaneelide maksumus ulatub 2030. aastaks ligikaudu 27,11 miljardi USA dollarini, mille CAGR on 8,29%. 2022 kuni 2030 Kasvu taga on selle eelised ja R&D, kuna need on äärmiselt ökonoomsed ja kergesti valmistatavad, kasutavad vähem materjali ja tekitavad vähem jäätmeid. Ja R&D päikesepatareide vastupidavuse ja jõudluse suurendamine loob ka uusi võimalusi turu kasvuks.

Võimalused käivad aga koos väljakutsega. Konkurentsi kõrge tase, muutuv regulatiivne keskkond ning nappide rahaliste vahendite ja ressursside olemasolu tähendab, et praegu ei pruugi nad olla suutelised võtma suurt osa ülemaailmsest turuosast.

7 Õhukese kilega päikesepaneelide investeeringute analüüs

Õhukese kilega päikesepatareide turg näib viimastel aastatel arenevat, mis on tingitud mitmest tegurist.

l Tootetüübi analüüs

2018. aastal tootis CdTe elektrit hinnaga, mis oli oluliselt madalam või võrdne tavapäraste fossiilkütuste energiaallikate hinnaga. Oma mittetoksiliste, odavate kasutus- ja tootmiskulude tõttu domineeris praegu ülemaailmsel õhukese kilega päikesepatareide turul kaadmiumtelluriidi kategooria ja eeldatakse, et see kasvab kogu ennustusperioodi jooksul kõige kiiremini.

l Lõppkasutaja analüüs

Paigaldus- ja hoolduskulude vähendamiseks tõusev arendus ja teadusuuringud võivad suurendada tarbijate vajadusi. 2022. aastal domineeris ülemaailmsel õhukese kilega päikesepatareide turul kommunaalteenuste turg ning prognooside kohaselt jätkab see kogu prognoosiperioodi kõige kiiremat arengut. . Kuna õhukese kilega päikesepaneelid lagunevad palju aeglasemas tempos, pakuvad need potentsiaalset alternatiivi traditsioonilistele c-Si päikesepaneelidele.

l Piirkondlik analüüs

Aasia ja Vaikse ookeani piirkond oli 2022. aastal õhukese kilega päikesepatareide jaoks maailma suurim piirkond ja eeldatakse, et see laieneb jätkuvalt suurima kiirusega, mis on tingitud paljudest teguritest. Näiteks Hiina tõstab maailma suurimate päikeseenergia turgudena taastuvenergia eesmärki 2030. aastaks 20 protsendilt 35 protsendile. Ja kommunaalteenuste mastaabis päikese fotogalvaanilised rajatised kasutavad Hiinas enamasti õhukese kile tehnoloogiat. Lisaks on Jaapan teatanud kavatsusest kasutada edaspidi ainult säästvat energiat.

8 Kvaliteetsete õhukese kilega päikesepaneelide puhul tasub kaaluda

Päikesepaneelide ostmisel ei pea silmas pidama ainult hinda ja kvaliteeti, vaid tuleks silmas pidada ka muid tegureid.

l Tõhusus: Kõrge kasutegur võib muuta suurema osa päikeseenergiast elektriks. Üldiselt võib laengukandjate suurem kontsentratsioon suurendada päikesepatarei efektiivsust, suurendades juhtivust. Kontsentraatori lisamine päikesepatareile ei aita mitte ainult tõhusust tõsta, vaid võib ka vähendada elemendi tootmiseks vajalikku ruumi, materjale ja kulusid.

l Vastupidavus ja eluiga: Mõnel õhukese kilega moodulil on probleeme ka lagunemisega erinevates tingimustes. Kõigist materjalidest on CdTe-l parim vastupidavus temperatuurist tingitud jõudluse halvenemisele. Erinevalt teistest õhukesest kilematerjalist kipub CdTe olema üsna vastupidav keskkonnatingimustele, nagu temperatuur ja niiskus, kuid painduvate CdTe paneelide jõudlus võib rakenduvate pingete või pingete mõjul halveneda.

l Kaal: See viitab õhukese kilega päikesepaneeli tihedusele. Üldiselt on õhukese kilega päikesepaneelid kergelt kaalutud, nii et te ei peaks kartma oma katusele omaraskust. Sellegipoolest tuleb nende valimisel kaaluda, et see ei oleks paigaldamisel ülekoormatud.

l Temperatuur: See tähendab minimaalset ja maksimaalset temperatuuri, mille juures Thin Film päikesepaneel võib töötada. Üldiselt peetakse kõigi parimate õhukese kilega päikesepaneelide minimaalseks temperatuuriks -40°C ja maksimaalseks temperatuuriks 80°C.