Mi az a vékonyrétegű napelemek

1. Mi az a vékonyrétegű napelem?

Ellentétben az egy- vagy többkristályos szilíciumból készült első generációs napelemekkel, a vékonyfilmes napelemeket egyetlen vagy több rétegű napelemek felhasználásával állítják elő különféle üvegből, műanyagból vagy fémből álló felületen. a napfény elektromossággá. A vékonyfilmes szoláris technológiában leggyakrabban használtak a kadmium-tellurid (CdTe), a réz-indium-gallium-szelenid (CIGS), az amorf szilícium (a-Si) és a gallium-arzenid (GaAs).

2 A vékonyrétegű napelemek szerkezete

A vékonyrétegű napelemek nagyszámú vékonyrétegű napelemből állnak, és a Napból származó fényenergiát (fotonokat) használják fel elektromos áram előállítására a fotovoltaikus hatás révén. Tartalmaz rétegeket, hátlapot és csatlakozódobozt is, amelyek együtt működnek a napelemek normál működésének biztosítása érdekében.

Mi az a vékonyrétegű napelem?

A vékonyfilmes napelemek olyan elektronikus eszközök, amelyek a napfényt fotovoltaikus hatás révén elektromos energiává alakítják át. A vékonyfilmes cellák sokkal kevesebb anyagot használnak fel – a cella aktív területe általában csak 1-10 mikrométer vastag. A vékonyréteg cellák általában nagy felületű eljárással is előállíthatók, amely lehet automatizált, folyamatos gyártási folyamat.

Sőt, a vékonyrétegű napelemek egy vékony réteg átlátszó vezető oxidot, például ón-oxidot használnak a munkához. Míg a vékonyfilmes cellák sok apró, félvezető anyag kristályos szemcséjéből készülnek, hogy jobban létrehozzák az elektromos mezőt egy interfésszel, amelyet heterojunkciónak neveznek. Általánosságban elmondható, hogy az ilyen vékonyfilmes eszközök egyetlen egységként – azaz monolitikusan – készíthetők úgy, hogy a rétegről rétegre egymás után kerüljenek fel valamilyen hordozóra, beleértve a tükröződésgátló bevonatot és az átlátszó vezető oxidot.

Mi a rétegek?

Általában a vékonyfilmes napelem panel tetején egy nagyon vékony (0,1 mikronnál kisebb) réteg van, az úgynevezett "ablak" réteg, amely csak a spektrum nagy energiájú végéről nyeli el a fényenergiát. Elég vékonynak kell lennie, és elég széles sávszélességgel kell rendelkeznie (2,8 eV vagy több), hogy az összes rendelkezésre álló fényt átengedje a felületen (heterojunkció) az elnyelő réteghez. Az ablak alatti elnyelő réteg, általában adalékolt p-típusú, nagy abszorpciós képességgel (fotonelnyelő képességgel) van felszerelve a nagy áramerősség érdekében, és megfelelő sávközzel, hogy jó feszültséget biztosítson.

Mi az a hátlap?

Mint polimer vagy polimerek kombinációja különféle adalékokkal, a hátlapot úgy tervezték, hogy gátat képezzen a napelemek és a külső környezet között. Amelyből láthatjuk, hogy a hátlap kritikus eleme a napelemek tartósságának, hatékonyságának és hosszú élettartamának.

Mi az a csatlakozódoboz?

Az elektromos csatlakozások elhelyezésére és védelmére használt elektromos burkolatként a csatlakozódobozt kifejezetten úgy tervezték, hogy biztonságos környezetet biztosítson az elektromos csatlakozásokhoz, hogy megakadályozza a feszültség alatti vezetékekkel való véletlen érintkezést, és leegyszerűsítse a jövőbeni karbantartást vagy javítást. Általában egy PV csatlakozódobozt rögzítenek a napelem panel hátuljához, és kimeneti interfészként funkcionál. A legtöbb fotovoltaikus modul külső csatlakozásai MC4 csatlakozókat használnak, hogy megkönnyítsék az időjárásálló csatlakozást a rendszer többi részéhez. USB tápcsatlakozó is használható.

3 A vékonyrétegű napelemek fejlődéstörténete

A vékonyrétegű napelemek története az 1970-es évekre nyúlik vissza, amikor a kutatók elkezdték kutatni a félvezetők vékonyrétegének (a-Si) napenergia hasznosítására való felhasználását, akkoriban az érdeklődés a vékonyréteg-technológia kereskedelmi felhasználásra. és a repülési alkalmazások elősegítik az amorf szilícium vékonyrétegű napelemes eszközök fejlesztését.

Az 1980-as években a technológia fejlődése elősegítette a meglévő vékonyrétegű anyagok új anyagokká való terjeszkedését, mint például a kadmium-tellurid (CdTe) és a réz-indium-gallium-szelenid (CIGS), amelyeknek magasabb az átalakítási hatékonysága és alacsonyabbak a gyártási költségei.

Az 1990-es és 2000-es évek jelentős előrelépések időszaka volt az új, harmadik generációs szoláris anyagok – olyan anyagok – feltárása terén, amelyek lehetővé tették a hagyományos szilárdtest-anyagok elméleti hatékonysági korlátainak leküzdését. Olyan új termékeket fejlesztettek ki, mint a festékkel érzékenyített napelemek, kvantumpontos napelemek.

A 2010-es években és a 2020-as évek elején a vékonyréteg-napenergia-technológia innovációja magában foglalta a harmadik generációs napenergia-technológia új alkalmazásokra való kiterjesztését és a gyártási költségek csökkentését. 2004-ben a Nemzeti Megújuló Energia Laboratórium (NREL) világrekordot, 19,9%-os hatékonyságot ért el a CIGS vékonyrétegű moduljainál. 2022-ben rugalmas szerves vékonyfilmes napelemeket integráltak a szövetbe.

Napjainkban a gyártmányokba integrált rugalmas szerves vékonyfilmes napelemek jobb választássá teszik őket, mint a hagyományos szilíciumpanelek. A vékonyréteg-technológia pedig az Egyesült Államok teljes energiafogyasztásának körülbelül 19%-át tette ki. piaci részesedése ugyanabban az évben, beleértve a közüzemi termelés 30%-át.

4. A napelemek típusai

A vékonyfilmes napelemek gyártásához többféle anyagot használnak, alapanyaguk alapján négy típusra oszthatók 

l A kadmium-tellurid (CdTe) vékonyrétegű panelek olyan napelemek, amelyek egy vékony réteg kadmium-telluridot használnak fel egy hordozóanyagra, például üvegre vagy rozsdamentes acélra félvezető anyagként. Nemcsak könnyűek és könnyen telepíthetők, de gyenge fényviszonyok mellett is magas energiatermeléssel rendelkeznek, ami azt jelenti, hogy felhős vagy borús időben is képesek áramot termelni. Becslések szerint a CdTe vékonyrétegű napelemek 19%-os hatásfokot értek el szabványos vizsgálati körülmények között (STC), de az egyedi napelemek 22,1%-os hatásfokot értek el. Vannak azonban aggályok a kadmium toxicitásával kapcsolatban, mivel ez egy nehézfém, amely környezeti károkat okozhat, ha nem megfelelően ártalmatlanítják.

l A réz-indium-gallium-szelenid (CIGS) vékonyrétegű paneleket úgy állítják elő, hogy porlasztásos eljárással molibdén (Mo) elektródréteget helyeznek a hordozóra. Más PV-technológiákhoz képest nagy hatásfokkal rendelkeznek, és a jövőben 33%-os elméleti hatékonyságot érhetnek el. Ezenkívül kevésbé hajlamosak a repedésre vagy törésre, és könnyen kezelhetők. Ezen előnyök ellenére azonban a költségek viszonylag drágábbak, mint más technológiák esetében, ami hátráltathatja azok további fejlesztését.

l Az amorf szilícium (a-Si) vékonyrétegű paneleket üveglapok vagy rugalmas hordozók feldolgozásával állítják elő, p-i-n vagy n-i-p konfigurációval együtt. Az a-Si vékonyréteg panelek előnyei közé tartozik a rugalmasság és a könnyű felépítés, ami ideálissá teszi őket hordozható alkalmazásokhoz, például kempingezéshez vagy távérzékelők táplálásához. Mivel azonban ezekhez a panelekhez a vezetőképes üveg drága, és a folyamat lassú, az ára viszonylag drága, közel 0,69 USD/W.

l A gallium-arzenid (GaAs) vékonyrétegű panelek összetettebbek, mint a gyártási folyamatban használt hagyományos vékonyfilmes napelemek. Érdemes megemlíteni, hogy magas, akár 39,2%-os hatásfokot érnek el, és jobban ellenállnak a hőnek és a nedvességnek. Ennek ellenére a gyártási idő, az anyagok költsége és a gyorsan növekvő anyagok miatt ez kevésbé életképes választás.

5. A vékonyrétegű napelemek alkalmazásai

A szilícium napelemek alternatíváinak feltörekvő osztályaként a vékonyfilmes napelemeket főként a következő területeken használják.

l Épületbe integrált fotovoltaik (BIPV)

Mivel a vékonyrétegű PV panelek akár 90%-kal könnyebbek is lehetnek, mint a szilíciumpanelek, az egyik alkalmazás, amely kezd világszerte népszerűvé válni, a BIPV, ahol a napelemeket a tetőcserepekhez, ablakokhoz, gyenge szerkezetekhez stb. rögzítik. Ezenkívül  bizonyos típusú vékonyfilmes PV félig átlátszóvá tehető, ami segít megőrizni az otthonok és épületek esztétikáját, miközben lehetővé teszi a napenergia-termelést.

l Űr alkalmazások

A könnyű súly, a nagy hatékonyság, a széles hőmérsékleti tartomány és még a sugárzással szembeni sérülésállóság előnyei miatt a vékonyrétegű napelemek, különösen a CIGS és GaAs napelemek ideálisak az űrben való alkalmazásokhoz.

l Járművek és tengeri alkalmazások

A vékonyrétegű napelemek egyik gyakori alkalmazása a rugalmas PV-modulok felszerelése a járművek tetejére (különösen a lakóautók vagy buszok), valamint a hajók és más hajók fedélzetére, amelyek felhasználhatók elektromos áram ellátására, miközben megőrzik az esztétikát.

l Hordozható alkalmazások

Hordozhatósága és mérete fenntartható fejlődést biztosított számára a kisméretű, saját hajtású elektronikai és a tárgyak internete (IoT) szektorában, amely a következő években várhatóan jelentősen növekedni fog. Fejlődésének köszönhetően pedig távoli helyeken is alkalmazhatóvá válik összecsukható napelemekkel, napelemes bankokkal, napelemes laptopokkal és így tovább.

6. A vékonyrétegű napelemek fejlesztési irányai

A napenergia világszerte növekvő elfogadottsága, a szigorú energiakorlátozások bevezetése, valamint a zöld források hálózatba való integrálására irányuló kormányzati erőfeszítések fokozódása miatt a vékonyrétegű napelemek 2030-ra várhatóan elérik a 27,11 milliárd USD-t, és figyelemre méltó, 8,29%-os CAGR-t. 2022-ig 2030 A növekedést annak előnyei és az R&D, mivel rendkívül gazdaságosak és könnyen előállíthatók, kevesebb anyagot használnak fel és kevesebb hulladékot termelnek. És az R&D a napelemek tartósságának és teljesítményének növelése új lehetőségeket teremt a piac növekedéséhez.

A lehetőségek azonban kihívásokkal párosulnak. A magas szintű verseny, a változó szabályozási környezet, valamint a szűkös pénzügyi és források miatt jelenleg nem biztos, hogy képesek kivenni a globális piaci részesedés tekintélyes részét.

7 A vékonyrétegű napelemek befektetési elemzése

A vékonyfilmes napelemek piaca az elmúlt években fejlődni látszik, amit több tényező is vezérel.

l Terméktípus elemzés

2018-ban a CdTe a hagyományos fosszilis tüzelőanyag-források áránál lényegesen alacsonyabb áron vagy azzal egyenrangú áron termelt villamos energiát. Nem mérgező, olcsó működési és előállítási költségei miatt jelenleg a kadmium-tellurid kategória uralja a vékonyfilmes napelemek világpiacát, és várhatóan a leggyorsabb ütemben fog növekedni az előrejelzési időszakban.

l Végfelhasználói elemzés

A telepítési és karbantartási költségek csökkentését célzó növekvő fejlesztés és kutatás növelheti a fogyasztói igényeket. 2022-ben a közüzemi piac uralta a vékonyrétegű napelemek világpiacát, és az előrejelzések szerint az előrejelzési időszakban a leggyorsabb ütemben fejlődik tovább . Mivel a vékonyrétegű napelemek sokkal lassabb ütemben bomlanak le, potenciális alternatívát kínálnak a hagyományos c-Si napelemekkel szemben.

l Regionális elemzés

Ázsia-csendes-óceáni térség volt a világ legnagyobb vékonyfilmes napelem-régiója 2022-ben, és várhatóan továbbra is a legnagyobb ütemben fog bővülni, amit számos tényező vezérel. Például Kína a világ legnagyobb napelem-piacaként 2030-ra 20%-ról 35%-ra emeli a megújuló energia célját. A közüzemi méretű napelemes fotovoltaikus létesítmények Kínában pedig többnyire vékonyréteg-technológiát alkalmaznak. Sőt, Japán is kinyilvánította szándékát, hogy a továbbiakban csak a fenntartható hatalmat használja fel.

8 Jó minőségű vékonyrétegű napelemek, amelyeket figyelembe kell venni

A napelemek vásárlásakor nem csak az árat és a minőséget kell figyelembe venni, hanem egyéb tényezőket is szem előtt kell tartani.

l Hatékonyság: A nagy hatékonyságú napenergia több energiát alakíthat át elektromos árammá. Általában a töltéshordozók nagyobb koncentrációja növelheti a napelem hatékonyságát a vezetőképesség növelésével. A koncentrátor hozzáadása a napelemhez nemcsak a hatékonyság növelését segíti elő, hanem csökkentheti a cella előállításához szükséges helyet, anyagokat és költségeket is.

l Tartósság és élettartam: Egyes vékonyréteg-modulok különböző körülmények között romlási problémákat is okoznak. Az összes anyag közül a CdTe mutatja a legjobb ellenállást a hőmérséklet hatására bekövetkező teljesítményromlással szemben. Más vékonyrétegű anyagokkal ellentétben a CdTe meglehetősen ellenálló a környezeti feltételekkel, például a hőmérséklettel és a nedvességgel szemben, de a rugalmas CdTe panelek teljesítménye romolhat az alkalmazott feszültségek vagy feszültségek hatására.

l Súly: A vékonyfilmes napelem sűrűségére utal. Általánosságban elmondható, hogy a vékonyrétegű napelemek enyhén nehezednek, így nem kell megijednie attól, hogy a tetőre önsúlyt fejt ki. Mindazonáltal a súlyt továbbra is figyelembe kell venni, amikor kiválasztja, hogy ne legyen túlterhelve a telepítés során.

l Hőmérséklet: Ez azt a minimális és maximális hőmérsékletet jelenti, amelyen a Thin Film napelem panel működhet. Általánosságban elmondható, hogy a legjobb vékonyrétegű napelemek minimális hőmérséklete -40 °C, maximális hőmérséklete pedig 80 °C.