Ce sunt panourile solare cu peliculă subțire

1. Ce sunt panourile solare cu peliculă subțire?

Spre deosebire de celulele solare de prima generație care sunt fabricate din siliciu monocristalin sau multicristalin, panourile solare cu peliculă subțire sunt fabricate folosind un singur strat sau mai multe straturi de elemente fotovoltaice pe o suprafață formată dintr-o varietate de sticlă, plastic sau metal pentru a fi transformate. lumina soarelui în electricitate. Iar cele mai frecvent utilizate pentru tehnologia solară cu peliculă subțire sunt telurura de cadmiu (CdTe), seleniura de cupru indiu galiu (CIGS), siliciul amorf (a-Si) și arseniura de galiu (GaAs).

2 Structura panourilor solare cu peliculă subțire

Panourile solare cu peliculă subțire constau dintr-un număr mare de celule solare cu peliculă subțire și utilizează energia luminoasă (fotoni) de la Soare pentru a genera electricitate prin efectul fotovoltaic De asemenea, include straturi, foaia din spate și cutia de joncțiune, toate lucrând împreună pentru a asigura funcționarea normală a panourilor solare.

Ce sunt celulele solare cu peliculă subțire?

Celulele solare cu peliculă subțire sunt dispozitive electronice care convertesc lumina solară în energie electrică prin efectul fotovoltaic. Celulele cu peliculă subțire au tendința de a utiliza mult mai puțin material - aria activă a celulei este de obicei de numai 1 până la 10 micrometri grosime. De asemenea, celulele cu peliculă subțire pot fi de obicei fabricate într-un proces de suprafață mare, care poate fi un proces de producție automat, continuu.

În plus, panourile solare cu peliculă subțire folosesc un strat subțire de oxid conductor transparent, cum ar fi oxidul de staniu pentru a funcționa. În timp ce celulele cu peliculă subțire sunt formate din multe granule cristaline minuscule de materiale semiconductoare pentru a crea mai bine câmpul electric cu o interfață, numită heterojuncție. În general, acest tip de dispozitive cu peliculă subțire pot fi realizate ca o singură unitate - adică monolitic - cu strat după strat depus secvențial pe un anumit substrat, incluzând depunerea unui strat antireflex și a oxidului conductor transparent.

Ce este straturile?

De obicei, panoul solar cu peliculă subțire are deasupra un strat foarte subțire (mai puțin de 0,1 microni) numit stratul „fereastră” pentru a absorbi energia luminoasă doar de la capătul de înaltă energie al spectrului. Trebuie să fie suficient de subțire și să aibă un bandgap suficient de mare (2,8 eV sau mai mult) pentru a lăsa toată lumina disponibilă să treacă prin interfață (heterojoncțiune) către stratul absorbant. Stratul absorbant de sub fereastră, de obicei dopat de tip p, este echipat cu o absorbție ridicată (capacitate de a absorbi fotoni) pentru curent ridicat și o bandă interzisă adecvată pentru a oferi o tensiune bună.

Ce este foaia din spate?

Ca polimer sau o combinație de polimeri cu diverși aditivi, foaia din spate este concepută pentru a oferi o barieră între celulele solare și mediul exterior. Din care putem vedea că foaia din spate este o componentă critică în durabilitatea, eficiența și longevitatea unui panou solar.

Ce este cutia de joncțiune?

Fiind o carcasă electrică folosită pentru a găzdui și proteja conexiunile electrice, cutia de joncțiune este special concepută pentru a oferi un mediu sigur și securizat pentru conexiunile electrice, astfel încât să prevină contactul accidental cu firele sub tensiune și să simplifice întreținerea sau reparațiile viitoare. De obicei, o cutie de joncțiune PV este atașată la spatele panoului solar și funcționează ca interfață de ieșire. Conexiunile externe pentru majoritatea modulelor fotovoltaice folosesc conectori MC4 pentru a facilita conexiuni ușoare rezistente la intemperii la restul sistemului. Poate fi folosită și o interfață de alimentare USB.

3 Istoria dezvoltării panourilor solare cu peliculă subțire

Istoria panourilor solare cu peliculă subțire datează din anii 1970, când cercetătorii și-au început prima explorare cu privire la utilizarea peliculei subțiri (a-Si) de semiconductori pentru a valorifica energia solară, la acea vreme interesul pentru tehnologia filmului subțire pentru uz comercial. și aplicațiile aerospațiale promovează dezvoltarea dispozitivelor solare cu film subțire de siliciu amorf.

În anii 1980, progresele tehnologice au facilitat extinderea materialelor existente cu peliculă subțire în altele noi, cum ar fi telurura de cadmiu (CdTe) și seleniura de cupru indiu galiu (CIGS), care are eficiențe de conversie mai mari și costuri de producție mai mici.

Anii 1990 și 2000 au fost o perioadă de progrese semnificative în explorarea noilor materiale solare de a treia generație – materiale cu potențialul de a depăși limitele teoretice de eficiență pentru materialele tradiționale în stare solidă. Au fost dezvoltate produse noi, cum ar fi celule solare sensibilizate cu colorant, celule solare cu puncte cuantice.

În anii 2010 și începutul anilor 2020, inovația în tehnologia solară cu peliculă subțire a inclus eforturi pentru a extinde tehnologia solară de a treia generație la noi aplicații și pentru a reduce costurile de producție. În 2004, Laboratorul Național de Energie Regenerabilă (NREL) a atins o eficiență record mondială de 19,9% pentru un modul CIGS cu peliculă subțire. În 2022, celule solare organice flexibile cu peliculă subțire au fost integrate în țesătură.

În zilele noastre, celulele solare organice flexibile cu peliculă subțire integrate în fabricații le fac o alegere mai bună decât panourile tradiționale de siliciu. Și tehnologia cu peliculă subțire a capturat aproximativ 19% din totalul S.U.A. cotă de piață în același an, inclusiv 30% din producția la scară de utilitate.

4. Tipurile de panouri solare

Există mai multe tipuri de materiale utilizate pentru fabricarea celulelor solare cu peliculă subțire, pe baza materiilor lor prime, acestea pot fi împărțite în patru tipuri 

l Panourile cu peliculă subțire de telurura de cadmiu (CdTe) sunt un tip de panou solar care utilizează un strat subțire de telurura de cadmiu depus pe un material substrat, cum ar fi sticla sau oțel inoxidabil, ca material semiconductor. Nu numai că sunt ușoare și ușor de instalat, dar au și o producție mare de energie în condiții de lumină scăzută, ceea ce înseamnă că pot genera electricitate chiar și pe vreme înnorată sau înnorat. Se estimează că panourile solare cu peliculă subțire CdTe au atins o eficiență de 19% în condiții standard de testare (STC), dar celulele solare individuale au atins eficiențe de 22,1%. Cu toate acestea, există unele îngrijorări cu privire la toxicitatea cadmiului, deoarece este un metal greu care poate provoca daune mediului dacă nu este eliminat în mod corespunzător.

l Panourile cu peliculă subțire de cupru indiu și galiu seleniu (CIGS) sunt fabricate prin plasarea unui strat de electrod de molibden (Mo) peste substrat printr-un proces de pulverizare. În comparație cu alte tehnologii fotovoltaice, acestea au o eficiență ridicată și pot atinge o eficiență teoretică de 33% în viitor. În plus, sunt mai puțin predispuse la crăpare sau rupere și sunt ușor de manevrat. Cu toate acestea, în ciuda acestor avantaje, costul este relativ mai scump decât pentru alte tehnologii, ceea ce poate împiedica dezvoltarea lor ulterioară.

l Panourile cu peliculă subțire din silicon amorf (a-Si) sunt fabricate prin prelucrarea plăcilor de sticlă sau a substraturilor flexibile, împreună cu o configurație p-i-n sau n-i-p. Avantajele panourilor cu peliculă subțire a-Si includ flexibilitatea și construcția ușoară, ceea ce le face ideale pentru utilizarea în aplicații portabile, cum ar fi camping sau alimentarea senzorilor de la distanță. Cu toate acestea, deoarece sticla conductivă pentru aceste panouri este scumpă și procesul este lent, prețul său este relativ scump de aproape 0,69 USD/W.

l Panourile cu peliculă subțire de arseniu de galiu (GaAs) sunt mai complexe decât pentru celulele solare obișnuite cu peliculă subțire ale procesului de fabricație. De menționat este faptul că ating eficiențe ridicate de până la 39,2% și sunt mai rezistente la căldură și umiditate. Cu toate acestea, timpul de fabricație, costul materialelor și materialele cu creștere mare, o fac o alegere mai puțin viabilă.

5. Aplicațiile panourilor solare cu peliculă subțire

Ca o clasă emergentă de alternative la fotovoltaica cu siliciu, panourile solare cu peliculă subțire sunt utilizate în principal în următoarele domenii.

l Fotovoltaică integrată în clădire (BIPV)

Deoarece panourile fotovoltaice cu peliculă subțire pot fi cu până la 90% mai ușoare decât panourile de siliciu, o aplicație care începe să devină populară în întreaga lume este BIPV, unde panourile solare sunt atașate la țiglele acoperișului, ferestrele, structurile slabe și așa mai departe. În plus,  unele tipuri de PV cu peliculă subțire pot fi făcute semi-transparente, ceea ce ajută la păstrarea esteticii caselor și clădirilor, permițând în același timp posibilitatea generării de energie solară.

l Aplicații spațiale

Datorită avantajelor ușoarei, foarte eficiente, a unei game largi de temperaturi de funcționare și chiar a rezistenței la deteriorare împotriva radiațiilor, panourile solare cu peliculă subțire, în special panourile solare CIGS și GaAs, au fost ideale pentru aplicațiile spațiale.

l Vehicule și aplicații marine

O aplicație obișnuită a panourilor solare cu peliculă subțire este instalarea de module fotovoltaice flexibile pe acoperișurile vehiculelor (în special RV-uri sau autobuze) și pe puntea bărcilor și a altor nave, care pot fi folosite pentru alimentarea cu energie electrică, păstrând în același timp estetica.

l Aplicații portabile

Portabilitatea și dimensiunea sa i-au asigurat o dezvoltare durabilă în sectorul electronicelor mici auto-alimentate și al Internetului obiectelor (IoT), care se așteaptă să crească substanțial în următorii ani. Și odată cu progresul său, poate fi aplicat în continuare în locații îndepărtate cu panouri solare pliabile, bănci de energie solară, laptopuri alimentate cu energie solară și așa mai departe.

6. Tendințele de dezvoltare ale panourilor solare cu peliculă subțire

Odată cu acceptarea tot mai mare a energiei solare la nivel mondial, punerea în aplicare a restricțiilor stricte de energie și eforturile guvernamentale tot mai mari de a integra sursele verzi în rețea, panourile solare cu peliculă subțire sunt de așteptat să atingă aproximativ 27,11 miliarde USD până în 2030, cu un CAGR remarcabil de 8,29% din 2022 până la 2030 Creșterea este determinată de avantajele sale și R&D, deoarece sunt extrem de economice și ușor de creat, utilizează mai puțin material și produc mai puține deșeuri. Iar R&D pentru a îmbunătăți rezistența și performanța celulelor solare va crea, de asemenea, noi oportunități pentru creșterea pieței.

Cu toate acestea, oportunitățile vin împreună cu provocările. Nivelurile ridicate de concurență, un mediu de reglementare în schimbare, precum și disponibilitatea finanțelor și a resurselor limitate înseamnă că în prezent este posibil ca aceștia să nu fie capabili să ocupe o parte considerabilă din cota de piață globală.

7 Analiza investițiilor de panouri solare cu peliculă subțire

Piața celulelor solare cu peliculă subțire pare să se dezvolte în ultimii ani, care este determinată de mai mulți factori.

l Analiza tipului de produs

În 2018, CdTe a produs energie electrică la un preț semnificativ mai mic decât sau la egalitate cu cel al surselor convenționale de energie pe bază de combustibili fosili. Datorită costurilor sale de operare și producție netoxice, ieftine, în prezent, categoria de telururi de cadmiu a dominat piața mondială a celulelor solare cu peliculă subțire și se anticipează că va continua să crească la cel mai rapid ritm pe toată perioada de predicție.

l Analiza utilizatorului final

Dezvoltarea și cercetarea în creștere pentru a reduce costurile de instalare și întreținere pot stimula nevoile consumatorilor. În 2022, piața de utilități a dominat piața mondială a celulelor solare cu peliculă subțire și se prevede că va continua să se dezvolte la cel mai rapid ritm de-a lungul perioadei de prognoză. . Deoarece panourile solare cu peliculă subțire se degradează într-un ritm mult mai lent, ele oferă o alternativă potențială la panourile solare tradiționale c-Si.

l Analiza regională

Asia-Pacific a fost cea mai mare regiune din lume pentru celule solare cu peliculă subțire în 2022 și se anticipează că va continua să se extindă la cel mai mare ritm, care este determinat de mulți factori. De exemplu, fiind cea mai mare piață solară fotovoltaică din întreaga lume, China va crește obiectivul pentru energie regenerabilă de la 20% la 35% până în 2030. Iar instalațiile solare fotovoltaice la scară de utilitate din China folosesc în cea mai mare parte tehnologie cu peliculă subțire. Mai mult, Japonia și-a declarat, de asemenea, intenția de a folosi doar energie durabilă în continuare.

8 Lucruri de luat în considerare pentru panourile solare cu peliculă subțire de înaltă calitate

Atunci când cumpărați panouri solare trebuie luate în considerare nu doar prețul și calitatea, ci și alți factori.

l Eficiență: Eficiența ridicată poate converti mai multă energie solară în electricitate. În general, având o concentrație mai mare de purtători de sarcină poate crește eficiența celulei solare prin creșterea conductivității. Adăugarea unui concentrator la o celulă solară nu ajută doar la creșterea eficienței, dar poate, de asemenea, să reducă spațiul, materialele și costurile necesare pentru producerea celulei.

l Durabilitate și durata de viață: Unele module cu peliculă subțire au, de asemenea, probleme cu degradarea în diferite condiții. Dintre toate materialele, CdTe prezintă cea mai bună rezistență la degradarea performanței cu temperatura. Și, spre deosebire de alte materiale cu peliculă subțire, CdTe tinde să fie destul de rezistent la condițiile de mediu, cum ar fi temperatura și umiditatea, dar panourile flexibile CdTe pot suferi o degradare a performanței sub tensiuni sau tensiuni aplicate.

l Greutate: Se referă la densitatea panoului solar cu peliculă subțire. În general, panourile solare cu peliculă subțire sunt ușor ponderate, așa că nu ar trebui să vă fie frică de aplicarea greutății pe acoperiș. Cu toate acestea, greutatea trebuie luată în considerare atunci când le alegeți pentru a vă asigura că nu va fi supraîncărcată pentru instalare.

l Temperatura: Aceasta înseamnă temperatura minimă și maximă la care poate funcționa panoul solar Thin Film. În general, toate cele mai bune panouri solare cu peliculă subțire sunt considerate a avea o temperatură minimă de -40°C și o temperatură maximă de 80°C.