Co to są cienkowarstwowe panele słoneczne

1. Co to są cienkowarstwowe panele słoneczne?

W przeciwieństwie do ogniw słonecznych pierwszej generacji wykonanych z krzemu jedno- lub wielokrystalicznego, cienkowarstwowe panele słoneczne są produkowane przy użyciu jednej lub wielu warstw elementów fotowoltaicznych na powierzchni składającej się z różnych rodzajów szkła, plastiku lub metalu w celu konwersji światło słoneczne w energię elektryczną. Do najczęściej stosowanych w technologii cienkowarstwowej energii słonecznej należą tellurek kadmu (CdTe), selenek miedzi, indu i galu (CIGS), krzem amorficzny (a-Si) i arsenek galu (GaAs).

2 Struktura cienkowarstwowych paneli słonecznych

Cienkowarstwowe panele słoneczne składają się z dużej liczby cienkowarstwowych ogniw słonecznych i wykorzystują energię świetlną (fotony) ze Słońca do wytwarzania energii elektrycznej poprzez efekt fotowoltaiczny Obejmuje również warstwy, warstwę spodnią i skrzynkę przyłączeniową, wszystkie współpracują ze sobą, aby zapewnić normalne działanie paneli słonecznych.

Co to są cienkowarstwowe ogniwa słoneczne?

Cienkowarstwowe ogniwa słoneczne to urządzenia elektroniczne, które przekształcają światło słoneczne w energię elektryczną w wyniku efektu fotowoltaicznego. Cienkowarstwowe ogniwa zużywają znacznie mniej materiału – powierzchnia aktywna ogniwa ma zwykle grubość od 1 do 10 mikrometrów. Ponadto ogniwa cienkowarstwowe można zwykle wytwarzać w procesie wielkopowierzchniowym, który może być zautomatyzowanym, ciągłym procesem produkcyjnym.

Co więcej, cienkowarstwowe panele słoneczne wykorzystują do działania cienką warstwę przezroczystego tlenku przewodzącego, takiego jak tlenek cyny. Podczas gdy ogniwa cienkowarstwowe składają się z wielu drobnych krystalicznych ziaren materiałów półprzewodnikowych, aby lepiej wytwarzać pole elektryczne za pomocą interfejsu zwanego heterozłączem. Ogólnie rzecz biorąc, tego rodzaju urządzenia cienkowarstwowe mogą być wykonane jako pojedyncza jednostka – to znaczy monolitycznie – z warstwą po warstwie osadzaną sekwencyjnie na pewnym podłożu, łącznie z osadzaniem powłoki przeciwodblaskowej i przezroczystego tlenku przewodzącego.

Co to są warstwy?

Zwykle cienkowarstwowy panel słoneczny ma na wierzchu bardzo cienką (poniżej 0,1 mikrona) warstwę zwaną warstwą „okna”, która pochłania energię świetlną tylko z wysokoenergetycznego końca widma. Musi być wystarczająco cienki i mieć wystarczająco szerokie pasmo wzbronione (2,8 eV lub więcej), aby całe dostępne światło mogło przejść przez granicę faz (heterozłącze) do warstwy absorbującej. Warstwa absorbująca pod oknem, zwykle domieszkowana typu p, charakteryzująca się dużą absorpcją (zdolnością do pochłaniania fotonów) dla dużych prądów oraz odpowiednią szczeliną wzbronioną zapewniającą dobre napięcie.

Co to jest backsheet?

Jako polimer lub kombinacja polimerów z różnymi dodatkami, podkładka ma za zadanie zapewnić barierę pomiędzy ogniwami słonecznymi a środowiskiem zewnętrznym. Z tego wynika, że ​​warstwa spodnia jest kluczowym elementem trwałości, wydajności i żywotności panelu słonecznego.

Co to jest skrzynka przyłączeniowa?

Jako obudowa elektryczna służąca do przechowywania i ochrony połączeń elektrycznych, skrzynka przyłączeniowa została specjalnie zaprojektowana, aby zapewnić bezpieczne środowisko dla połączeń elektrycznych, aby zapobiec przypadkowemu kontaktowi z przewodami pod napięciem i uprościć przyszłą konserwację lub naprawy. Zwykle skrzynka przyłączeniowa fotowoltaiczna jest przymocowana z tyłu panelu słonecznego i pełni funkcję interfejsu wyjściowego. Połączenia zewnętrzne większości modułów fotowoltaicznych wykorzystują złącza MC4, aby ułatwić łatwe, odporne na warunki atmosferyczne połączenia z resztą systemu. Można również użyć interfejsu zasilania USB.

3 Historia rozwoju cienkowarstwowych paneli słonecznych

Historia cienkowarstwowych paneli słonecznych sięga lat 70. XX wieku, kiedy badacze rozpoczęli pierwsze badania nad wykorzystaniem cienkowarstwowych (a-Si) półprzewodników do wykorzystania energii słonecznej. W tamtym czasie pojawiło się zainteresowanie technologią cienkowarstwową do zastosowań komercyjnych a zastosowania lotnicze i kosmiczne promują rozwój cienkowarstwowych urządzeń słonecznych z amorficznego krzemu.

W latach 80. postęp technologiczny ułatwił ekspansję istniejących materiałów cienkowarstwowych na nowe, takie jak tellurek kadmu (CdTe) i selenek miedziowo-indowo-galowy (CIGS), które charakteryzują się wyższą wydajnością konwersji i niższymi kosztami produkcji.

Lata 90. i 2000. to czas znaczących postępów w badaniach nad nowymi materiałami fotowoltaicznymi trzeciej generacji – materiałami, które mogą pokonać teoretyczne ograniczenia wydajności tradycyjnych materiałów półprzewodnikowych. Opracowano nowe produkty, takie jak ogniwa słoneczne uczulone barwnikiem i ogniwa słoneczne z kropkami kwantowymi.

W latach 2010. i na początku 2020. innowacje w cienkowarstwowej technologii słonecznej obejmowały wysiłki mające na celu rozszerzenie technologii słonecznej trzeciej generacji na nowe zastosowania i zmniejszenie kosztów produkcji. W 2004 r. Krajowe Laboratorium Energii Odnawialnej (NREL) osiągnęło rekordową na świecie wydajność cienkowarstwowego modułu CIGS na poziomie 19,9%. W 2022 r. w tkaninę wbudowano elastyczne organiczne cienkowarstwowe ogniwa słoneczne.

Obecnie elastyczne organiczne cienkowarstwowe ogniwa słoneczne zintegrowane z fabrykami czynią je lepszym wyborem niż tradycyjne panele krzemowe. Technologia cienkowarstwowa objęła około 19% całkowitego zapotrzebowania na energię w USA. udziału w rynku w tym samym roku, w tym 30% produkcji na skalę użytkową.

4. Rodzaje paneli słonecznych

Istnieje kilka rodzajów materiałów używanych do produkcji cienkowarstwowych ogniw słonecznych, w zależności od surowca można je podzielić na cztery rodzaje 

l Panele cienkowarstwowe z tellurku kadmu (CdTe) to rodzaj paneli słonecznych, w których jako materiał półprzewodnikowy wykorzystuje się cienką warstwę tellurku kadmu osadzonego na materiale podłoża, takim jak szkło lub stal nierdzewna. Nie tylko lekkie i łatwe w montażu, ale także charakteryzują się dużą produkcją energii w warunkach słabego oświetlenia, co oznacza, że ​​mogą wytwarzać energię elektryczną nawet przy pochmurnej lub pochmurnej pogodzie. Szacuje się, że cienkowarstwowe panele słoneczne CdTe osiągnęły sprawność na poziomie 19% w standardowych warunkach testowych (STC), ale pojedyncze ogniwa słoneczne osiągnęły sprawność na poziomie 22,1%. Istnieją jednak pewne obawy dotyczące toksyczności kadmu, ponieważ jest to metal ciężki, który może powodować szkody dla środowiska, jeśli nie zostanie właściwie usunięty.

l Panele cienkowarstwowe z selenku miedzi, indu i galu (CIGS) są produkowane poprzez umieszczenie warstwy elektrody molibdenowej (Mo) na podłożu w procesie napylania katodowego W porównaniu do innych technologii fotowoltaicznych charakteryzują się one wysoką wydajnością i w przyszłości mogą osiągnąć teoretyczną wydajność na poziomie 33%. Ponadto są mniej podatne na pękanie i łamanie oraz są łatwe w obsłudze. Jednak pomimo tych zalet koszt jest relatywnie wyższy niż w przypadku innych technologii, co może utrudniać ich dalszy rozwój.

l Panele cienkowarstwowe z amorficznego krzemu (a-Si) są produkowane poprzez obróbkę płyt szklanych lub elastycznych podłoży, w konfiguracji p-i-n lub n-i-p. Zalety paneli cienkowarstwowych a-Si obejmują ich elastyczność i lekką konstrukcję, co czyni je idealnymi do zastosowań przenośnych, takich jak biwakowanie lub zasilanie zdalnych czujników. Ponieważ jednak szkło przewodzące do tych paneli jest drogie, a proces jest powolny, jego cena jest stosunkowo wysoka i wynosi prawie 0,69 USD/W.

l Proces produkcji paneli cienkowarstwowych z arsenku galu (GaAs) jest bardziej złożony niż w przypadku zwykłych cienkowarstwowych ogniw słonecznych. Warto dodać, że osiągają one wysoką sprawność sięgającą 39,2% oraz są bardziej odporne na ciepło i wilgoć. Niemniej jednak czas produkcji, koszt materiałów i materiały o dużym wzroście sprawiają, że jest to mniej opłacalny wybór.

5.Zastosowania cienkowarstwowych paneli słonecznych

Jako wyłaniająca się klasa alternatyw dla fotowoltaiki krzemowej, cienkowarstwowe panele słoneczne są stosowane głównie w następujących dziedzinach.

l Fotowoltaika zintegrowana z budynkiem (BIPV)

Ponieważ cienkowarstwowe panele fotowoltaiczne mogą być nawet o 90% lżejsze od paneli krzemowych, jednym z zastosowań, które zaczynają zyskiwać na popularności na całym świecie, jest BIPV, w którym panele słoneczne mocuje się do dachówek, okien, słabych konstrukcji i tak dalej. Dodatkowo,  niektóre rodzaje cienkowarstwowych paneli fotowoltaicznych mogą być półprzezroczyste, co pomaga zachować estetykę domów i budynków, jednocześnie umożliwiając wytwarzanie energii słonecznej.

l Zastosowania kosmiczne

Ze względu na zalety lekkości, dużej wydajności, szerokiego zakresu temperatur pracy, a nawet odporności na uszkodzenia spowodowane promieniowaniem, cienkowarstwowe panele słoneczne, zwłaszcza CIGS i GaAs, doskonale sprawdzają się w zastosowaniach kosmicznych.

l Pojazdy i zastosowania morskie

Powszechnym zastosowaniem cienkowarstwowych paneli słonecznych jest instalacja elastycznych modułów fotowoltaicznych na dachach pojazdów (zwłaszcza kamperów lub autobusów) oraz na pokładach łodzi i innych jednostek pływających, które można wykorzystać do zasilania energią elektryczną, zachowując jednocześnie estetykę.

l Aplikacje przenośne

Jego przenośność i rozmiar zapewniły mu zrównoważony rozwój w sektorze małej elektroniki z własnym zasilaniem i Internetu rzeczy (IoT), który ma znacznie wzrosnąć w nadchodzących latach. Dzięki postępowi może być dalej stosowany w odległych lokalizacjach ze składanymi panelami słonecznymi, bankami energii słonecznej, laptopami zasilanymi energią słoneczną i tak dalej.

6.Trendy rozwojowe cienkowarstwowych paneli słonecznych

Wraz z rosnącą akceptacją energii słonecznej na całym świecie, wdrażaniem surowych ograniczeń energetycznych i rosnącymi wysiłkami rządów na rzecz włączenia ekologicznych źródeł do sieci, oczekuje się, że do 2030 r. wartość cienkowarstwowych paneli słonecznych osiągnie wartość około 27,11 miliardów dolarów, przy niezwykłym CAGR wynoszącym 8,29% 2022 do 2030 Wzrost wynika z jego zalet, a R&D, ponieważ są wyjątkowo ekonomiczne i łatwe w wykonaniu, zużywają mniej materiału i wytwarzają mniej odpadów. I R&D w celu zwiększenia wytrzymałości i wydajności ogniw słonecznych stworzy również nowe możliwości rozwoju rynku.

Jednak możliwości idą w parze z wyzwaniami. Wysoki poziom konkurencji, zmieniające się otoczenie regulacyjne, a także dostępność ograniczonych finansów i zasobów oznaczają, że obecnie mogą nie być w stanie przejąć znacznej części udziału w rynku światowym.

7 Analiza inwestycji cienkowarstwowych paneli słonecznych

Wydaje się, że rynek cienkowarstwowych ogniw słonecznych rozwija się w ostatnich latach, na co wpływa kilka czynników.

l Analiza typu produktu

W 2018 r. CdTe wyprodukowało energię elektryczną po cenie znacznie niższej lub porównywalnej z ceną konwencjonalnych źródeł energii z paliw kopalnych. Ze względu na nietoksyczne, tanie koszty eksploatacji i produkcji kategoria tellurku kadmu zdominowała obecnie światowy rynek cienkowarstwowych ogniw słonecznych i przewiduje się, że będzie ona nadal rosła w najszybszym tempie w całym okresie objętym prognozą.

l Analiza użytkownika końcowego

Rosnący rozwój i badania mające na celu obniżenie kosztów instalacji i konserwacji mogą zwiększyć potrzeby konsumentów. W 2022 r. rynek mediów zdominował światowy rynek cienkowarstwowych ogniw słonecznych i przewiduje się, że będzie się on rozwijał w najszybszym tempie przez cały okres objęty prognozą . Ponieważ cienkowarstwowe panele słoneczne ulegają degradacji w znacznie wolniejszym tempie, stanowią potencjalną alternatywę dla tradycyjnych paneli słonecznych c-Si.

l Analiza regionalna

W 2022 r. region Azji i Pacyfiku był największym na świecie regionem występowania cienkowarstwowych ogniw słonecznych i oczekuje się, że będzie on nadal rozwijał się w najszybszym tempie, na co wpływa wiele czynników. Na przykład, jako największy rynek fotowoltaiki na świecie, Chiny podniosą cel dotyczący energii odnawialnej z 20% do 35% do roku 2030. Natomiast instalacje fotowoltaiczne na skalę przemysłową w Chinach wykorzystują głównie technologię cienkowarstwową. Co więcej, Japonia również zadeklarowała zamiar wykorzystywania w dalszym ciągu wyłącznie energii odnawialnej.

8 Rzeczy do rozważenia w przypadku wysokiej jakości cienkowarstwowych paneli słonecznych

Kupując panele słoneczne, należy wziąć pod uwagę nie tylko cenę i jakość, ale także inne czynniki.

Wydajność: Wysoka wydajność może przekształcić więcej energii słonecznej w energię elektryczną. Ogólnie rzecz biorąc, wyższe stężenie nośników ładunku może zwiększyć wydajność ogniwa słonecznego poprzez zwiększenie przewodności. Dodanie koncentratora do ogniwa słonecznego nie tylko pomaga zwiększyć wydajność, ale może także zmniejszyć przestrzeń, materiały i koszty potrzebne do wyprodukowania ogniwa.

l Trwałość i żywotność: Niektóre moduły cienkowarstwowe również wykazują problemy z degradacją w różnych warunkach. Spośród wszystkich materiałów CdTe wykazuje najlepszą odporność na pogorszenie wydajności pod wpływem temperatury. W przeciwieństwie do innych materiałów cienkowarstwowych, CdTe jest dość odporny na warunki środowiskowe, takie jak temperatura i wilgoć, ale elastyczne panele CdTe mogą ulegać pogorszeniu wydajności pod wpływem zastosowanych naprężeń lub odkształceń.

Waga: Odnosi się do gęstości cienkowarstwowego panelu słonecznego. Ogólnie rzecz biorąc, cienkowarstwowe panele słoneczne są lekko obciążone, więc nie należy bać się stosowania ciężaru własnego na dachu. Niemniej jednak przy wyborze należy wziąć pod uwagę wagę, aby mieć pewność, że nie zostanie ona przeciążona podczas instalacji.

Temperatura: Oznacza to minimalną i maksymalną temperaturę, w której może działać cienkowarstwowy panel słoneczny. Ogólnie rzecz biorąc, uważa się, że wszystkie najlepsze cienkowarstwowe panele słoneczne mają minimalną temperaturę -40°C i maksymalną temperaturę 80°C.