Что такое тонкопленочные солнечные панели

1. Что такое тонкопленочные солнечные панели?

В отличие от солнечных элементов первого поколения, изготовленных из одно- или многокристаллического кремния, тонкопленочные солнечные панели производятся с использованием одного или нескольких слоев фотоэлектрических элементов на поверхности, состоящей из различных видов стекла, пластика или металла, для преобразования солнечный свет в электричество. А наиболее часто используемыми для тонкопленочной солнечной технологии являются теллурид кадмия (CdTe), селенид меди, индия, галлия (CIGS), аморфный кремний (a-Si) и арсенид галлия (GaAs).

2 Структура тонкопленочных солнечных панелей

Тонкопленочные солнечные панели состоят из большого количества тонкопленочных солнечных элементов и используют световую энергию (фотоны) Солнца для выработки электроэнергии посредством фотоэлектрического эффекта. Он также включает в себя слои, задний лист и распределительную коробку, все они работают вместе, чтобы обеспечить нормальную работу солнечных панелей.

Что такое тонкопленочные солнечные элементы?

Тонкопленочные солнечные элементы — это электронные устройства, которые преобразуют солнечный свет в электрическую энергию за счет фотоэлектрического эффекта. Тонкопленочные элементы используют гораздо меньше материала — активная область элемента обычно имеет толщину всего от 1 до 10 микрометров. Кроме того, тонкопленочные элементы обычно могут быть изготовлены с помощью процесса большой площади, который может представлять собой автоматизированный непрерывный производственный процесс.

Более того, в тонкопленочных солнечных панелях для работы используется тонкий слой прозрачного проводящего оксида, такого как оксид олова. В то время как тонкопленочные ячейки состоят из множества мельчайших кристаллических зерен полупроводниковых материалов, чтобы лучше создавать электрическое поле с границей раздела, называемой гетеропереходом. В целом такого рода тонкопленочные устройства могут быть изготовлены как единое целое, то есть монолитно, с последовательным нанесением слоя за слоем на некоторую подложку, включая нанесение просветляющего покрытия и прозрачного проводящего оксида.

Что такое слои?

Обычно тонкопленочная солнечная панель имеет очень тонкий (менее 0,1 микрона) слой сверху, называемый слоем «окна», который поглощает световую энергию только из высокоэнергетического конца спектра. Он должен быть достаточно тонким и иметь достаточно широкую запрещенную зону (2,8 эВ или более), чтобы пропустить весь доступный свет через интерфейс (гетеропереход) к поглощающему слою. Поглощающий слой под окном, как правило, легированный p-типа, обладает высокой поглощающей способностью (способностью поглощать фотоны) для больших токов и подходящей шириной запрещенной зоны, чтобы обеспечить хорошее напряжение.

Что такое задний лист?

Задний лист представляет собой полимер или комбинацию полимеров с различными добавками и предназначен для обеспечения барьера между солнечными элементами и внешней средой. Из чего мы видим, что задний лист является важнейшим компонентом долговечности, эффективности и долговечности солнечной панели.

Что такое распределительная коробка?

Являясь электрическим корпусом, используемым для размещения и защиты электрических соединений, распределительная коробка специально разработана для обеспечения безопасной и надежной среды для электрических соединений, чтобы предотвратить случайный контакт с проводами под напряжением и упростить будущее обслуживание или ремонт. Обычно фотоэлектрическая распределительная коробка прикрепляется к задней части солнечной панели и выполняет функцию выходного интерфейса. Для внешних подключений большинства фотоэлектрических модулей используются разъемы MC4, что упрощает подключение к остальной части системы, защищенное от атмосферных воздействий. Также можно использовать интерфейс питания USB.

3 История развития тонкопленочных солнечных панелей

История тонкопленочных солнечных панелей восходит к 1970-м годам, когда исследователи начали свои первые исследования по использованию тонких пленок (a-Si) полупроводников для использования солнечной энергии. В то время возник интерес к тонкопленочной технологии для коммерческого использования. и аэрокосмические приложения способствуют разработке тонкопленочных солнечных устройств из аморфного кремния.

В 1980-х годах достижения в области технологий способствовали расширению существующих тонкопленочных материалов на новые, такие как теллурид кадмия (CdTe) и селенид меди, индия-галлия (CIGS), которые имеют более высокую эффективность преобразования и более низкие производственные затраты.

1990-е и 2000-е годы были временем значительных успехов в исследовании новых солнечных материалов третьего поколения – материалов, способных преодолеть теоретические пределы эффективности традиционных твердотельных материалов. Были разработаны новые продукты Манга, такие как сенсибилизированные красителем солнечные элементы и солнечные элементы на квантовых точках.

В 2010-х и начале 2020-х годов инновации в тонкопленочных солнечных технологиях включали усилия по распространению солнечной технологии третьего поколения на новые применения и снижению производственных затрат. В 2004 году Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL) достигла мирового рекорда эффективности тонкопленочного модуля CIGS в 19,9%. В 2022 году гибкие органические тонкопленочные солнечные элементы были интегрированы в ткань.

В настоящее время гибкие органические тонкопленочные солнечные элементы, интегрированные в производство, делают их лучшим выбором, чем традиционные кремниевые панели. А тонкопленочные технологии охватили примерно 19% от общего количества солнечных батарей в США. доля рынка в том же году, включая 30% производства коммунальных услуг.

4. Типы солнечных панелей.

Существует несколько типов материалов, используемых для изготовления тонкопленочных солнечных элементов, исходя из сырья их можно разделить на четыре вида. 

l Тонкопленочные панели из теллурида кадмия (CdTe) — это тип солнечной панели, в которой в качестве полупроводникового материала используется тонкий слой теллурида кадмия, нанесенный на материал подложки, например стекло или нержавеющую сталь. Они не только легкие и простые в установке, но и обладают высокой выработкой энергии в условиях низкой освещенности, а это означает, что они могут генерировать электроэнергию даже в пасмурную или пасмурную погоду. Подсчитано, что тонкопленочные солнечные панели CdTe достигли эффективности 19% в стандартных условиях испытаний (STC), но отдельные солнечные элементы достигли эффективности 22,1%. Однако существуют некоторые опасения по поводу токсичности кадмия, поскольку это тяжелый металл, который может нанести вред окружающей среде, если его не утилизировать должным образом.

l Тонкопленочные панели из селенида меди, индия, галлия (CIGS) изготавливаются путем нанесения слоя электрода из молибдена (Mo) на подложку посредством процесса напыления. По сравнению с другими фотоэлектрическими технологиями они обладают высокой эффективностью и в будущем могут достичь теоретической эффективности 33%. Кроме того, они менее склонны к растрескиванию или поломке и просты в эксплуатации. Однако, несмотря на эти преимущества, стоимость относительно выше, чем у других технологий, что может затруднить их дальнейшее развитие.

l Тонкопленочные панели из аморфного кремния (a-Si) производятся путем обработки стеклянных пластин или гибких подложек, а также имеют конфигурацию p-i-n или n-ip-p. Преимущества тонкопленочных панелей a-Si включают их гибкость и легкую конструкцию, что делает их идеальными для использования в портативных устройствах, таких как кемпинг или питание удаленных датчиков. Однако, поскольку проводящее стекло для этих панелей дорогое, а процесс медленный, его цена относительно высока и составляет почти 0,69 доллара США за Вт.

l Тонкопленочные панели из арсенида галлия (GaAs) имеют более сложный производственный процесс, чем обычные тонкопленочные солнечные элементы. Стоит отметить, что они достигают высокого КПД до 39,2% и более устойчивы к теплу и влаге. Тем не менее, время изготовления, стоимость материалов и материалы с высоким ростом делают этот выбор менее жизнеспособным.

5. Применение тонкопленочных солнечных панелей.

Тонкопленочные солнечные панели, являясь новым классом альтернатив кремниевым фотоэлектрическим элементам, в основном используются в следующих областях.

l Интегрированная в здание фотоэлектрическая система (BIPV)

Поскольку тонкопленочные фотоэлектрические панели могут быть на 90% легче кремниевых панелей, во всем мире начинает становиться широко популярным применение BIPV, где солнечные панели крепятся к черепице, окнам, слабым конструкциям и т. д. Кроме того,  некоторые типы тонкопленочных фотоэлектрических панелей можно сделать полупрозрачными, что помогает сохранить эстетику домов и зданий, одновременно обеспечивая возможность выработки солнечной энергии.

l Космические применения

Благодаря таким преимуществам, как легкий вес, высокая эффективность, широкий диапазон рабочих температур и даже устойчивость к радиационным повреждениям, тонкопленочные солнечные панели, особенно солнечные панели CIGS и GaAs, стали идеальными для космического применения.

l Транспортные средства и морское применение

Одним из распространенных применений тонкопленочных солнечных панелей является установка гибких фотоэлектрических модулей на крышах транспортных средств (особенно автофургонов или автобусов), а также на палубах лодок и других судов, которые можно использовать для подачи электроэнергии, сохраняя при этом эстетику.

l Портативные приложения

Его портативность и размер обеспечили ему устойчивое развитие в секторе малой автономной электроники и Интернета вещей (IoT), который, как ожидается, существенно вырастет в ближайшие годы. А по мере его развития его можно будет и дальше применять в отдаленных местах с помощью складных солнечных панелей, аккумуляторов солнечной энергии, ноутбуков на солнечных батареях и так далее.

6. Тенденции развития тонкопленочных солнечных панелей.

Ожидается, что с учетом растущего признания солнечной энергии во всем мире, введения строгих энергетических ограничений и растущих усилий правительства по интеграции экологически чистых источников в энергосистему, ожидается, что к 2030 году стоимость тонкопленочных солнечных панелей достигнет около 27,11 миллиардов долларов США с впечатляющим среднегодовым темпом роста в 8,29% от 2022 до 2030 Увеличение обусловлено его преимуществами и R&D, поскольку они чрезвычайно экономичны и легко изготавливаются, используют меньше материала и производят меньше отходов. И Р&D для повышения долговечности и производительности солнечных элементов также создаст новые возможности для роста рынка.

Однако возможности сочетаются с проблемами. Высокий уровень конкуренции, меняющаяся нормативно-правовая среда, а также наличие скудных финансов и ресурсов означают, что в настоящее время они, возможно, не смогут занять значительную часть мирового рынка.

7 Инвестиционный анализ тонкопленочных солнечных панелей

Рынок тонкопленочных солнечных элементов, по-видимому, развивается в последние годы, что обусловлено несколькими факторами.

l Анализ типа продукта

В 2018 году CdTe производил электроэнергию по цене, которая была значительно ниже или на одном уровне с ценами традиционных источников энергии на ископаемом топливе. Из-за своей нетоксичности, низкой стоимости эксплуатации и производственных затрат в настоящее время категория теллурида кадмия доминирует на мировом рынке тонкопленочных солнечных элементов, и ожидается, что она будет продолжать расти самыми быстрыми темпами на протяжении всего прогнозируемого периода.

l Анализ конечных пользователей

Рост разработок и исследований по снижению затрат на установку и обслуживание может повысить потребности потребителей. В 2022 году рынок коммунальных услуг доминировал на мировом рынке тонкопленочных солнечных элементов, и прогнозируется, что он будет продолжать развиваться самыми быстрыми темпами в течение прогнозируемого периода. . Поскольку тонкопленочные солнечные панели деградируют гораздо медленнее, они предлагают потенциальную альтернативу традиционным солнечным панелям c-Si.

l Региональный анализ

Азиатско-Тихоокеанский регион был крупнейшим регионом в мире по производству тонкопленочных солнечных элементов в 2022 году, и ожидается, что он продолжит расширяться самыми высокими темпами, что обусловлено многими факторами. Например, Китай, будучи крупнейшим рынком солнечной фотоэлектрической энергии в мире, повысит целевой показатель использования возобновляемых источников энергии с 20% до 35% к 2030 году. А солнечные фотоэлектрические установки коммунального масштаба в Китае в основном используют тонкопленочную технологию. Более того, Япония также заявила о своем намерении в дальнейшем использовать только устойчивую энергетику.

8 Что следует учитывать при выборе высококачественных тонкопленочных солнечных панелей

При покупке солнечных панелей необходимо учитывать не только цену и качество, но и другие факторы.

л эффективность: Высокая эффективность позволяет преобразовывать больше солнечной энергии в электричество. Обычно более высокая концентрация носителей заряда может повысить эффективность солнечного элемента за счет увеличения проводимости. Добавление концентратора к солнечному элементу не только помогает повысить эффективность, но также может уменьшить пространство, материалы и стоимость, необходимые для производства элемента.

л Долговечность и срок службы: Некоторые тонкопленочные модули также имеют проблемы с ухудшением качества в различных условиях. Среди всех материалов CdTe демонстрирует наилучшую устойчивость к ухудшению характеристик при изменении температуры. И в отличие от других тонкопленочных материалов, CdTe имеет тенденцию быть достаточно устойчивым к условиям окружающей среды, таким как температура и влажность, но гибкие панели CdTe могут испытывать ухудшение характеристик под действием приложенных напряжений или деформаций.

л Вес: Это относится к плотности тонкопленочной солнечной панели. Как правило, тонкопленочные солнечные панели имеют небольшой вес, поэтому вам не следует бояться, что на крышу будет нанесен собственный вес. Тем не менее, при выборе все равно необходимо учитывать вес, чтобы гарантировать, что он не будет перегружен при установке.

л Температура: Это означает минимальную и максимальную температуру, при которой может функционировать тонкопленочная солнечная панель. В целом считается, что все лучшие тонкопленочные солнечные панели имеют минимальную температуру -40°C и максимальную температуру 80°C.