Što su tankoslojni solarni paneli

1. Što su tankoslojni solarni paneli?

Za razliku od solarnih ćelija prve generacije koje su izrađene od jednog ili više kristalnog silicija, tankoslojni solarni paneli se proizvode korištenjem jednog ili više slojeva PV elemenata preko površine koja se sastoji od raznih vrsta stakla, plastike ili metala za pretvaranje sunčevu svjetlost u električnu energiju. A oni koji se najčešće koriste za solarnu tehnologiju tankog filma su kadmijev telurid (CdTe), bakar indij galij selenid (CIGS), amorfni silicij (a-Si) i galijev arsenid (GaAs).

2 Struktura tankoslojnih solarnih panela

Tankoslojni solarni paneli sastoje se od velikog broja tankoslojnih solarnih ćelija i koriste svjetlosnu energiju (fotone) Sunca za proizvodnju električne energije putem fotonaponskog učinka Također uključuje slojeve, stražnju ploču i razvodnu kutiju, svi oni rade zajedno kako bi osigurali normalan rad solarnih panela.

Što su solarne ćelije tankog filma?

Tankoslojne solarne ćelije elektronički su uređaji koji pretvaraju sunčevu svjetlost u električnu energiju fotonaponskim učinkom. Tankoslojne ćelije koriste mnogo manje materijala - aktivno područje ćelije obično je debljine samo 1 do 10 mikrometara. Također, ćelije s tankim filmom obično se mogu proizvoditi u procesu velike površine, koji može biti automatizirani, kontinuirani proizvodni proces.

Štoviše, tankoslojni solarni paneli za rad koriste tanak sloj prozirnog vodljivog oksida, poput kositrenog oksida. Dok su ćelije tankog filma napravljene od mnogo sitnih kristalnih zrnaca poluvodičkih materijala kako bi se bolje stvorilo električno polje sa sučeljem, koje se naziva heterospoj. Generalloy ova vrsta tankoslojnih uređaja može se izraditi kao jedna jedinica - to jest, monolitno - sa slojem po sloj koji se uzastopno taloži na neku podlogu, uključujući taloženje antirefleksnog premaza i prozirnog vodljivog oksida.

Što su slojevi?

Obično tankoslojni solarni panel ima vrlo tanak (manje od 0,1 mikrona) sloj na vrhu koji se naziva "prozorski" sloj za apsorbiranje svjetlosne energije samo s visokoenergetskog kraja spektra. Mora biti dovoljno tanak i imati dovoljno širok pojasni razmak (2,8 eV ili više) da propusti svu raspoloživu svjetlost kroz sučelje (heterospoj) do apsorbirajućeg sloja. Apsorpcijski sloj ispod prozora, obično dopiranog p-tipa, opremljen visokom apsorpcijskom moći (sposobnošću apsorbiranja fotona) za jaku struju i prikladnim razmakom pojasa za osiguravanje dobrog napona.

Što je backsheet?

Kao polimer ili kombinacija polimera s raznim dodacima, backsheet je dizajniran da pruži barijeru između solarnih ćelija i vanjskog okoliša. Iz čega možemo vidjeti da je stražnja ploča kritična komponenta u izdržljivosti, učinkovitosti i dugovječnosti solarne ploče.

Što je razvodna kutija?

Kao električno kućište koje se koristi za smještaj i zaštitu električnih priključaka, razvodna kutija je posebno dizajnirana za pružanje sigurnog i zaštićenog okruženja za električne priključke kako bi se spriječio slučajni kontakt sa žicama pod naponom i pojednostavilo buduće održavanje ili popravke. Obično je PV razvodna kutija pričvršćena na stražnju stranu solarnog panela i funkcionira kao njegovo izlazno sučelje. Vanjski priključci za većinu fotonaponskih modula koriste MC4 konektore kako bi se olakšalo jednostavno povezivanje otporno na vremenske uvjete na ostatak sustava. Također se može koristiti USB sučelje za napajanje.

3 Povijest razvoja tankoslojnih solarnih panela

Povijest tankoslojnih solarnih panela seže u 1970-e, kada su istraživači započeli svoje prvo istraživanje upotrebe tankog filma (a-Si) poluvodiča za iskorištavanje sunčeve energije, u to vrijeme interes za tehnologiju tankog filma za komercijalnu upotrebu i zrakoplovne i svemirske primjene promiču razvoj tankoslojnih solarnih uređaja od amorfnog silicija.

U 1980-ima, napredak u tehnologiji omogućio je proširenje postojećih tankoslojnih materijala u nove, kao što su kadmij telurid (CdTe) i bakar indij galij selenid (CIGS), koji ima veću učinkovitost pretvorbe i niže troškove proizvodnje.

1990-e i 2000-e bile su vrijeme značajnog napretka u istraživanju novih solarnih materijala treće generacije – materijala s potencijalom za prevladavanje teoretskih ograničenja učinkovitosti za tradicionalne materijale u čvrstom stanju. Razvijeno je mnogo novih proizvoda kao što su solarne ćelije osjetljive na boju, kvantne solarne ćelije.

U 2010-ima i ranim 2020-ima, inovacija u solarnoj tehnologiji tankog filma uključivala je napore da se solarna tehnologija treće generacije proširi na nove primjene i da se smanje troškovi proizvodnje. Godine 2004. Nacionalni laboratorij za obnovljivu energiju (NREL) postigao je svjetski rekord učinkovitosti od 19,9% za CIGS modul tankog filma. Godine 2022. fleksibilne organske solarne ćelije tankog filma integrirane su u tkaninu.

Danas fleksibilne organske tankoslojne solarne ćelije integrirane u proizvodne pogone čine ih boljim izborom od tradicionalnih silikonskih panela. A tankoslojna tehnologija zauzela je otprilike 19% ukupnog američkog tržišni udio u istoj godini, uključujući 30% upotrebne proizvodnje.

4. Vrste solarnih panela

Postoji nekoliko vrsta materijala koji se koriste za proizvodnju tankoslojnih solarnih ćelija, a na temelju njihovih sirovina mogu se podijeliti u četiri vrste 

l Paneli s tankim filmom kadmijeva telurida (CdTe) vrsta su solarnih panela koji koriste tanki sloj kadmijeva telurida nanesenog na podložni materijal, poput stakla ili nehrđajućeg čelika, kao poluvodički materijal. Ne samo da su lagani i jednostavni za postavljanje, oni također imaju visoku proizvodnju energije u uvjetima slabog osvjetljenja, što znači da mogu proizvoditi električnu energiju čak i po oblačnom ili oblačnom vremenu. Procjenjuje se da su solarni paneli s tankim slojem CdTe dosegli učinkovitost od 19% pod standardnim uvjetima testiranja (STC), ali pojedinačne solarne ćelije postigle su učinkovitost od 22,1%. Međutim, postoji određena zabrinutost oko toksičnosti kadmija, budući da je riječ o teškom metalu koji može uzrokovati štetu okolišu ako se ne zbrine na odgovarajući način.

l Paneli s tankim filmom od bakrenog indija i galij selenida (CIGS) proizvode se postavljanjem sloja molibden (Mo) elektrode preko supstrata kroz proces raspršivanja U usporedbi s drugim PV tehnologijama, imaju visoku učinkovitost i mogu postići teoretsku učinkovitost od 33% u budućnosti. Osim toga, manje su skloni pucanju ili lomljenju i lako se njima rukuje. No, unatoč ovim prednostima, trošak je relativno skuplji nego za druge tehnologije, što može otežati njihov daljnji razvoj.

l Paneli s tankim filmom od amorfnog silicija (a-Si) proizvode se obradom staklenih ploča ili fleksibilnih podloga, zajedno s p-i-n ili n-i-p konfiguracijom. Prednosti a-Si tankoslojnih panela uključuju njihovu fleksibilnost i laganu konstrukciju, što ih čini idealnim za korištenje u prijenosnim aplikacijama, kao što je kampiranje ili napajanje daljinskih senzora. Međutim, budući da je vodljivo staklo za ove panele skupo i proces je spor, njegova cijena je relativno skupa od gotovo 0,69 USD/W.

l Paneli s tankim filmom galijevog arsenida (GaAs) su složeniji od procesa proizvodnje običnih solarnih ćelija s tankim filmom. Valja spomenuti da postižu visoku učinkovitost do 39,2% te su otporniji na toplinu i vlagu. Unatoč tome, vrijeme proizvodnje, cijena materijala i materijali visokog rasta čine ga manje održivim izborom.

5. Primjena tankoslojnih solarnih panela

Kao nova klasa alternativa silicijskom fotonaponu, tankoslojni solarni paneli se uglavnom koriste u sljedećim područjima.

l Fotonaponski sustavi integrirani u zgradu (BIPV)

Budući da tankoslojni fotonaponski paneli mogu biti do 90 % lakši od silikonskih panela, jedna od aplikacija koja je počela postajati vrlo popularna u cijelom svijetu je BIPV, gdje se solarni paneli pričvršćuju na krovne crijepove, prozore, slabe strukture i tako dalje. Dodatno,  neke vrste fotonapona s tankim filmom mogu se napraviti poluprozirnima, što pomaže u očuvanju estetike domova i zgrada, a istovremeno dopušta mogućnost proizvodnje solarne energije.

l Svemirske primjene

Zbog prednosti lagane, visoko učinkovite, širokog temperaturnog raspona rada, pa čak i otpornosti na oštećenja od zračenja, tankoslojni solarni paneli, posebno CIGS i GaAs solarni paneli, bili su idealni za svemirske primjene.

l Primjene u vozilima i moru

Jedna uobičajena primjena tankoslojnih solarnih panela je ugradnja fleksibilnih fotonaponskih modula na krovove vozila (posebno kampera ili autobusa) i palube čamaca i drugih plovila, koji se mogu koristiti za napajanje električnom energijom, a da u isto vrijeme zadrže estetiku.

l Prijenosne aplikacije

Njegova prenosivost i veličina omogućili su mu održivi razvoj u maloj samonapajanoj elektronici i sektoru interneta stvari (IoT), za koji se očekuje da će značajno rasti u nadolazećim godinama. A s njegovim napretkom, može se dodatno primijeniti na udaljenim lokacijama sa sklopivim solarnim panelima, solarnim baterijama, prijenosnim računalima na solarni pogon i tako dalje.

6. Razvojni trendovi tankoslojnih solarnih panela

Sa sve većim prihvaćanjem solarne energije u cijelom svijetu, provedbom strogih energetskih ograničenja i sve većim naporima vlade da integrira zelene izvore u mrežu, očekuje se da će solarni paneli s tankim filmom doseći oko 27,11 milijardi USD do 2030. s nevjerojatnim CAGR-om od 8,29% od 2022 do 2030 Povećanje je potaknuto njegovim prednostima i R&D, budući da su iznimno ekonomični i lako se stvaraju, koriste manje materijala i proizvode manje otpada. I R&D za povećanje izdržljivosti i performansi solarnih ćelija također će stvoriti nove prilike za rast tržišta.

Međutim, prilike dolaze zajedno s izazovima. Visoke razine konkurencije, promjenjivo regulatorno okruženje kao i dostupnost oskudnih financija i resursa znače da trenutačno možda neće moći preuzeti znatan dio globalnog tržišnog udjela.

7 Investicijska analiza tankoslojnih solarnih panela

Čini se da se tržište tankoslojnih solarnih ćelija razvija posljednjih godina, što je potaknuto nekoliko čimbenika.

l Analiza vrste proizvoda

U 2018. CdTe je proizvodio električnu energiju po cijeni koja je bila znatno niža ili jednaka cijeni konvencionalnih izvora energije iz fosilnih goriva. Zbog svojih netoksičnih, jeftinih troškova rada i proizvodnje, kategorija kadmij telurida trenutno dominira svjetskim tržištem tankoslojnih solarnih ćelija, a očekuje se da će nastaviti rasti najbržom brzinom tijekom razdoblja predviđanja.

l Analiza krajnjeg korisnika

Rastući razvoj i istraživanja za smanjenje troškova instalacije i održavanja mogu povećati potrebe potrošača. U 2022., tržište komunalnih usluga dominiralo je svjetskim tržištem solarnih ćelija tankog filma, a predviđa se da će se nastaviti razvijati najbržom brzinom tijekom predviđenog razdoblja . Budući da se tankoslojni solarni paneli razgrađuju mnogo sporije, oni nude potencijalnu alternativu tradicionalnim c-Si solarnim panelima.

l Regionalna analiza

Azijsko-pacifička regija bila je najveća regija na svijetu za tankoslojne solarne ćelije 2022., a očekuje se da će se nastaviti širiti najvećom stopom, što je potaknuto mnogim čimbenicima. Na primjer, kao najveće solarno PV tržište diljem svijeta, Kina će povećati cilj za obnovljivu energiju s 20% na 35% do 2030. godine. Solarni fotonaponski objekti u Kini većinom koriste tehnologiju tankog filma. Štoviše, Japan je također objavio svoju namjeru da u budućnosti koristi samo održivu energiju.

8 Stvari koje treba uzeti u obzir za visokokvalitetne tankoslojne solarne ploče

Pri kupnji solarnih panela ne treba voditi računa samo o cijeni i kvaliteti, već treba imati na umu i druge čimbenike.

l Učinkovitost: Visoka učinkovitost može pretvoriti više sunčeve energije u električnu energiju. Općenito veća koncentracija nositelja naboja može povećati učinkovitost solarne ćelije povećanjem vodljivosti. Dodavanje koncentratora solarnoj ćeliji ne pomaže samo u povećanju učinkovitosti, već također može smanjiti prostor, materijale i troškove potrebne za proizvodnju ćelije.

l Trajnost i životni vijek: Neki moduli tankog filma također imaju problema s degradacijom pod različitim uvjetima. Među svim materijalima, CdTe pokazuje najbolju otpornost na degradaciju performansi s temperaturom. I za razliku od drugih tankoslojnih materijala, CdTe ima tendenciju da bude prilično otporan na uvjete okoline kao što su temperatura i vlaga, ali fleksibilne CdTe ploče mogu doživjeti degradaciju performansi pod primijenjenim naprezanjima ili naprezanjima.

l Težina: Odnosi se na gustoću tankoslojnog solarnog panela. Općenito, tankoslojni solarni paneli su malo opterećeni tako da se ne biste trebali bojati primjene vlastite težine na krovu. Unatoč tome, pri odabiru i dalje treba uzeti u obzir težinu kako biste bili sigurni da neće biti preopterećen za ugradnju.

l Temperatura: To znači minimalnu i maksimalnu temperaturu na kojoj solarni panel tankog filma može funkcionirati. Općenito, smatra se da svi najbolji tankoslojni solarni paneli imaju minimalnu temperaturu od -40°C i maksimalnu temperaturu od 80°C.