Kas yra plonasluoksnės saulės baterijos

1. Kas yra plonasluoksnės saulės baterijos?

Skirtingai nuo pirmosios kartos saulės elementų, pagamintų iš vieno arba daugiakristalinio silicio, plonasluoksnės saulės baterijos gaminamos naudojant vieną arba kelis PV elementų sluoksnius ant paviršiaus, sudaryto iš įvairaus stiklo, plastiko ar metalo. saulės spinduliai virsta elektra. O plonasluoksnėms saulės technologijoms dažniausiai naudojami kadmio teluridas (CdTe), vario indžio galio selenidas (CIGS), amorfinis silicis (a-Si) ir galio arsenidas (GaAs).

2 Plonasluoksnių saulės baterijų struktūra

Plonosios plėvelės saulės baterijos susideda iš daugybės plonasluoksnių saulės elementų ir naudoja saulės energiją (fotonus) elektrai gaminti naudojant fotovoltinį efektą. Jame taip pat yra sluoksnių, užpakalinio sluoksnio ir jungties dėžutės, kurios visos veikia kartu, kad užtikrintų normalų saulės kolektorių veikimą.

Kas yra plonasluoksnės saulės baterijos?

Plonosios plėvelės saulės baterijos yra elektroniniai prietaisai, kurie saulės šviesą paverčia elektros energija naudojant fotovoltinį efektą. Plonosios plėvelės elementai naudoja daug mažiau medžiagos – elemento aktyvioji sritis paprastai yra tik 1–10 mikrometrų storio. Be to, plonasluoksnės ląstelės paprastai gali būti gaminamos didelio ploto procesu, kuris gali būti automatizuotas, nenutrūkstamas gamybos procesas.

Be to, plonos plėvelės saulės kolektorių veikimui naudojamas plonas skaidraus laidžio oksido sluoksnis, pavyzdžiui, alavo oksidas. Nors plonos plėvelės ląstelės yra pagamintos iš daugybės mažų puslaidininkinių medžiagų kristalinių grūdelių, kad būtų geriau sukurtas elektrinis laukas su sąsaja, vadinama heterosankcija. Paprastai tokio tipo plonasluoksniai įtaisai gali būti pagaminti kaip vienas vienetas, tai yra, monolitiškai, kai sluoksnis po sluoksnio nuosekliai nusodinamas ant tam tikro pagrindo, įskaitant antirefleksinės dangos ir skaidraus laidaus oksido nusodinimą.

Kas yra sluoksniai?

Paprastai plonasluoksnė saulės baterija turi labai ploną (mažiau nei 0,1 mikrono) sluoksnį, vadinamą "lango" sluoksniu, kad sugertų šviesos energiją tik iš didelės energijos spektro galo. Jis turi būti pakankamai plonas ir turėti pakankamai platų juostos tarpą (2,8 eV ar daugiau), kad visa turima šviesa per sąsają (heterojungtis) patektų į sugeriantį sluoksnį. Sugeriantis sluoksnis po langu, dažniausiai legiruotas p tipo, turintis didelį sugertį (gebėjimą sugerti fotonus) didelei srovei ir tinkamą juostos tarpą, kad būtų užtikrinta gera įtampa.

Kas yra backsheet?

Kaip polimeras arba polimerų derinys su įvairiais priedais, užpakalinis lakštas yra skirtas sukurti barjerą tarp saulės elementų ir išorinės aplinkos. Iš kurio matome, kad užpakalinis sluoksnis yra esminis saulės baterijos patvarumo, efektyvumo ir ilgaamžiškumo komponentas.

Kas yra jungiamoji dėžutė?

Kaip elektros gaubtas, naudojamas elektros jungtims laikyti ir apsaugoti, jungiamoji dėžutė yra specialiai sukurta taip, kad būtų užtikrinta saugi ir patikima aplinka elektros jungtims, kad būtų išvengta atsitiktinio kontakto su įtampingaisiais laidais ir būtų supaprastinta būsima priežiūra ar remontas. Paprastai PV jungiamoji dėžutė yra pritvirtinta prie saulės skydelio galo ir veikia kaip jo išvesties sąsaja. Daugumos fotovoltinių modulių išorinėse jungtyse naudojamos MC4 jungtys, kad būtų lengviau sujungti oro sąlygas su likusia sistema. Taip pat galima naudoti USB maitinimo sąsają.

3 Plonasluoksnių saulės baterijų kūrimo istorija

Plonos plėvelės saulės baterijų istorija prasidėjo septintajame dešimtmetyje, kai mokslininkai pradėjo tyrinėti plonos plėvelės (a-Si) iš puslaidininkių panaudojimą saulės energijai panaudoti, tuo metu susidomėjo plonasluoksne technologija komerciniam naudojimui. ir aerokosminės programos skatina amorfinių silicio plonasluoksnių saulės prietaisų kūrimą.

Devintajame dešimtmetyje technologijų pažanga palengvino esamų plonasluoksnių medžiagų išplėtimą į naujas, tokias kaip kadmio teluridas (CdTe) ir vario indžio galio selenidas (CIGS), kurių konversijos efektyvumas yra didesnis ir gamybos sąnaudos mažesnės.

1990-aisiais ir 2000-aisiais buvo pasiekta didelė pažanga tyrinėjant naujas trečiosios kartos saulės energijos medžiagas – medžiagas, galinčias įveikti teorines tradicinių kietojo kūno medžiagų efektyvumo ribas. Buvo sukurti nauji produktai, tokie kaip dažais jautrūs saulės elementai, kvantiniai taškiniai saulės elementai.

2010-aisiais ir 2020-ųjų pradžioje naujovės plonasluoksnių saulės energijos technologijų srityje apėmė pastangas išplėsti trečiosios kartos saulės energijos technologijas naujoms programoms ir sumažinti gamybos sąnaudas. 2004 m. Nacionalinė atsinaujinančios energijos laboratorija (NREL) pasiekė rekordinį CIGS plonasluoksnio modulio efektyvumą – 19,9 %. 2022 m. į audinį buvo integruoti lankstūs organiniai plonasluoksniai saulės elementai.

Šiais laikais lankstūs organiniai plonasluoksniai saulės elementai, integruoti į gaminius, yra geresnis pasirinkimas nei tradicinės silicio plokštės. O plonasluoksnės technologijos užfiksavo maždaug 19 % visų JAV. rinkos dalis tais pačiais metais, įskaitant 30 % komunalinių paslaugų apimties gamybos.

4. Saulės baterijų tipai

Plonasluoksniams saulės elementams gaminti naudojamos kelių rūšių medžiagos, pagal jų žaliavas jas galima suskirstyti į keturias rūšis. 

l Kadmio telurido (CdTe) plonos plėvelės plokštės yra saulės kolektorių tipas, kuriame kaip puslaidininkinė medžiaga naudojamas plonas kadmio telurido sluoksnis, nusodintas ant pagrindo medžiagos, pavyzdžiui, stiklo arba nerūdijančio plieno. Jie ne tik lengvi ir lengvai montuojami, bet ir pasižymi dideliu energijos kiekiu esant prastam apšvietimui, o tai reiškia, kad jie gali gaminti elektros energiją net debesuotu ar apsiniaukusiu oru. Apskaičiuota, kad CdTe plonasluoksnių saulės baterijų efektyvumas standartinėmis bandymo sąlygomis (STC) pasiekė 19%, tačiau pavienių saulės elementų efektyvumas siekė 22,1%. Tačiau yra tam tikrų susirūpinimą keliančių kadmio toksiškumo, nes jis yra sunkusis metalas, galintis pakenkti aplinkai, jei jis netinkamai šalinamas.

l Vario indžio galio selenido (CIGS) plonos plėvelės plokštės gaminamos uždedant molibdeno (Mo) elektrodo sluoksnį ant pagrindo purškiant. Palyginti su kitomis PV technologijomis, jos turi didelį efektyvumą ir ateityje gali pasiekti 33% teorinį efektyvumą. Be to, jie yra mažiau linkę įtrūkti ar lūžti ir yra lengvai valdomi. Tačiau, nepaisant šių pranašumų, kaina yra santykinai brangesnė nei kitų technologijų, o tai gali trukdyti tolesnei jų plėtrai.

l Amorfinio silicio (a-Si) plonos plėvelės plokštės gaminamos apdorojant stiklo plokštes arba lanksčius pagrindus kartu su p-i-n arba n-i-p konfigūracija. A-Si plonasluoksnių plokščių pranašumai apima jų lankstumą ir lengvą konstrukciją, todėl jos idealiai tinka naudoti nešiojamuose įrenginiuose, pavyzdžiui, stovyklaujant ar maitinant nuotolinius jutiklius. Tačiau, kadangi šių plokščių laidus stiklas yra brangus ir procesas yra lėtas, jo kaina yra palyginti brangi – beveik 0,69 USD/W.

l Galio arsenido (GaAs) plonasluoksnės plokštės yra sudėtingesnės nei įprastų plonasluoksnių saulės elementų gamybos proceso metu. Verta paminėti, kad jie pasiekia aukštą efektyvumą iki 39,2% ir yra atsparesni karščiui ir drėgmei. Nepaisant to, dėl gamybos laiko, medžiagų sąnaudų ir sparčiai augančių medžiagų tai nėra toks perspektyvus pasirinkimas.

5. Plonasluoksnių saulės baterijų taikymas

Kaip besiformuojanti silicio fotovoltinės energijos alternatyvų klasė, plonasluoksnės saulės baterijos dažniausiai naudojamos šiose srityse.

l Pastatuose integruota fotoelektra (BIPV)

Kadangi plonasluoksnės PV plokštės gali būti iki 90 % lengvesnės už silicio plokštes, viena iš taikomųjų programų, kurios pradeda populiarėti visame pasaulyje, yra BIPV, kai saulės kolektoriai tvirtinami prie stogo čerpių, lango, silpnų konstrukcijų ir pan. Be to,  kai kurių tipų plonasluoksnės PV gali būti pusiau permatomos, o tai padeda išlaikyti namų ir pastatų estetiką, tuo pačiu suteikiant galimybę gaminti saulės energiją.

l Kosmoso programos

Dėl lengvo, didelio efektyvumo, plataus veikimo temperatūrų diapazono ir net atsparumo radiacijai privalumų plonasluoksnės saulės baterijos, ypač CIGS ir GaAs, buvo idealios naudoti kosmose.

l Transporto priemonės ir jūriniai įrenginiai

Vienas įprastų plonasluoksnių saulės baterijų panaudojimo būdų yra lanksčių PV modulių įrengimas ant transporto priemonių stogų (ypač RV ar autobusų) ir valčių bei kitų laivų deniuose, kurie gali būti naudojami elektros energijai tiekti, tuo pačiu išlaikant estetiką.

l Nešiojamos programos

Jo perkeliamumas ir dydis suteikė jam tvarią plėtrą mažos savarankiškai maitinamos elektronikos ir daiktų interneto (IoT) sektoriuje, kuris, kaip tikimasi, artimiausiais metais labai augs. Tobulėjant, jis gali būti toliau naudojamas atokiose vietose su sulankstomais saulės baterijomis, saulės energijos bankais, saulės energija varomais nešiojamaisiais kompiuteriais ir pan.

6. Plonasluoksnių saulės baterijų plėtros tendencijos

Pasaulyje vis labiau pripažįstant saulės energiją, įgyvendinant griežtus energijos apribojimus ir didėjant vyriausybės pastangoms integruoti žaliuosius šaltinius į tinklą, iki 2030 m. plonasluoksnės saulės baterijos pasieks apie 27,11 mlrd. USD, o CAGR – 8,29 proc. 2022 iki 2030 Padidėjimą lėmė jos pranašumai ir R&D, kadangi jie yra itin ekonomiški ir lengvai sukuriami, sunaudoja mažiau medžiagų ir gamina mažiau atliekų. Ir R&D, siekiant padidinti saulės elementų patvarumą ir našumą, taip pat atsiras naujų galimybių rinkai augti.

Tačiau galimybės ateina kartu su iššūkiais. Didelė konkurencija, kintanti reguliavimo aplinka, taip pat riboti finansai ir ištekliai reiškia, kad šiuo metu jie gali nepajėgti užimti nemažos pasaulinės rinkos dalies.

7 Investicijų į plonasluoksnes saulės baterijas analizė

Atrodo, kad plonasluoksnių saulės elementų rinka pastaraisiais metais vystosi, o tai lemia keli veiksniai.

l Produkto tipo analizė

2018 m. CdTe gamino elektrą už kainą, kuri buvo gerokai mažesnė nei įprastinių iškastinio kuro energijos šaltinių arba jai prilygsta. Dėl netoksiškų, pigių eksploatavimo ir gamybos sąnaudų šiuo metu kadmio telurido kategorija dominuoja pasaulinėje plonasluoksnių saulės elementų rinkoje ir tikimasi, kad ji toliau augs greičiausiai per visą prognozavimo laikotarpį.

l Galutinio vartotojo analizė

Didėjanti plėtra ir moksliniai tyrimai, siekiant sumažinti įrengimo ir priežiūros išlaidas, gali padidinti vartotojų poreikius. 2022 m. komunalinių paslaugų rinka dominavo pasaulinėje plonasluoksnių saulės elementų rinkoje ir prognozuojama, kad ji toliau vystysis sparčiausiai per visą prognozuojamą laikotarpį. . Kadangi plonasluoksnės saulės baterijos degraduoja daug lėčiau, jos yra potenciali alternatyva tradicinėms c-Si saulės kolektorių plokštėms.

l Regioninė analizė

2022 m. Azijos ir Ramiojo vandenyno regionas buvo didžiausias plonasluoksnių saulės elementų regionas pasaulyje, todėl tikimasi, kad jis toliau plėsis didžiausiu tempu, kurį lems daugybė veiksnių. Pavyzdžiui, Kinija, kaip didžiausios saulės energijos rinkos visame pasaulyje, iki 2030 m. padidins atsinaujinančios energijos tikslą nuo 20 % iki 35 %. O komunalinio masto saulės fotovoltinės energijos įrenginiuose Kinijoje dažniausiai naudojama plonasluoksnė technologija. Be to, Japonija taip pat paskelbė ketinanti toliau naudoti tik tvarią energiją.

8 Į ką reikia atsižvelgti, norint įsigyti aukštos kokybės plonasluoksnių saulės baterijų

Perkant saulės baterijas reikia atsižvelgti ne tik į kainą ir kokybę, bet nepamiršti ir kitų faktorių.

l Efektyvumas: Didelis efektyvumas gali paversti daugiau saulės energijos į elektros energiją. Paprastai didesnė krūvininkų koncentracija gali padidinti saulės elemento efektyvumą padidinant laidumą. Koncentratoriaus pridėjimas prie saulės elemento ne tik padeda padidinti efektyvumą, bet taip pat gali sumažinti erdvę, medžiagas ir išlaidas, reikalingus elementui gaminti.

l Patvarumas ir tarnavimo laikas: Kai kurie plonasluoksniai moduliai taip pat turi problemų dėl degradacijos įvairiomis sąlygomis. Iš visų medžiagų CdTe pasižymi geriausiu atsparumu eksploatacinių savybių prastėjimui dėl temperatūros. Skirtingai nuo kitų plonasluoksnių medžiagų, CdTe yra gana atsparus aplinkos sąlygoms, pvz., temperatūrai ir drėgmei, tačiau lanksčios CdTe plokštės gali pablogėti dėl veikiančių įtempių ar deformacijų.

l Svoris: Tai reiškia plonasluoksnės saulės baterijos tankį. Paprastai plonos plėvelės saulės baterijos yra šiek tiek pasvertos, todėl neturėtumėte bijoti, kad ant stogo bus taikomas svoris. Nepaisant to, renkantis, vis tiek reikia atsižvelgti į svorį, kad nebūtų perkrauta montuojant.

l Temperatūra: Tai reiškia minimalią ir maksimalią temperatūrą, kurioje gali veikti Thin Film saulės kolektorius. Apskritai manoma, kad visų geriausių plonasluoksnių saulės baterijų minimali temperatūra yra -40°C, o maksimali - 80°C.