Čo sú tenkovrstvové solárne panely

1. Čo sú tenkovrstvové solárne panely?

Na rozdiel od prvej generácie solárnych článkov, ktoré sú vyrobené z jedno- alebo multikryštalického kremíka, sa tenkovrstvové solárne panely vyrábajú pomocou jednej alebo viacerých vrstiev fotovoltických prvkov na povrchu pozostávajúcom z rôznych druhov skla, plastov alebo kovu na konverziu. slnečné svetlo na elektrinu. A najbežnejšie používané pre tenkovrstvovú solárnu technológiu sú telurid kadmia (CdTe), meď-indium-gálium selenid (CIGS), amorfný kremík (a-Si) a arzenid gália (GaAs).

2 Štruktúra tenkovrstvových solárnych panelov

Tenkovrstvové solárne panely pozostávajú z veľkého počtu tenkovrstvových solárnych článkov a využívajú svetelnú energiu (fotóny) zo Slnka na výrobu elektriny prostredníctvom fotovoltaického efektu. Zahŕňa tiež vrstvy, zadnú vrstvu a spojovaciu skrinku, všetky spolupracujú na zabezpečení normálnej prevádzky solárnych panelov.

Čo sú tenkovrstvové solárne články?

Tenkovrstvové solárne články sú elektronické zariadenia, ktoré premieňajú slnečné svetlo na elektrickú energiu fotovoltaickým efektom. Tenkovrstvové články majú tendenciu využívať oveľa menej materiálu – aktívna plocha článku je zvyčajne hrubá iba 1 až 10 mikrometrov. Tiež tenkovrstvové články možno zvyčajne vyrábať veľkoplošným procesom, ktorý môže byť automatizovaným kontinuálnym výrobným procesom.

A čo viac, tenkovrstvové solárne panely používajú na prácu tenkú vrstvu priehľadného vodivého oxidu, ako je oxid cínu. Zatiaľ čo tenkovrstvové články sú vyrobené z mnohých malých kryštalických zŕn polovodičových materiálov, aby sa lepšie vytvorilo elektrické pole s rozhraním, ktoré sa nazýva heterojunkcia. Vo všeobecnosti sa tento druh tenkovrstvových zariadení môže vyrábať ako jeden celok - to znamená monolitický - s vrstvou po vrstve, ktorá sa postupne nanáša na nejaký substrát, vrátane nanášania antireflexného povlaku a priehľadného vodivého oxidu.

Čo sú vrstvy?

Tenkovrstvový solárny panel má zvyčajne navrchu veľmi tenkú (menej ako 0,1 mikrónu) vrstvu nazývanú „okenná“ vrstva, ktorá absorbuje svetelnú energiu len z vysokoenergetického konca spektra. Musí byť dostatočne tenký a musí mať dostatočne široký bandgap (2,8 eV alebo viac), aby prepustil všetko dostupné svetlo cez rozhranie (heterojunkciu) do absorbujúcej vrstvy. Absorpčná vrstva pod oknom, zvyčajne dopovaná typu p, vybavená vysokou absorpciou (schopnosťou absorbovať fotóny) pre vysoký prúd a vhodnou medzerou v pásme na zabezpečenie dobrého napätia.

Čo je zadná vrstva?

Ako polymér alebo kombinácia polymérov s rôznymi prísadami je zadná vrstva navrhnutá tak, aby poskytovala bariéru medzi solárnymi článkami a vonkajším prostredím. Z toho môžeme vidieť, že zadná vrstva je kritickou súčasťou odolnosti, účinnosti a životnosti solárneho panelu.

Čo je spojovacia skrinka?

Ako elektrický kryt, ktorý sa používa na umiestnenie a ochranu elektrických prípojok, je spojovacia skrinka špeciálne navrhnutá tak, aby poskytovala bezpečné a bezpečné prostredie pre elektrické pripojenia, aby sa zabránilo náhodnému kontaktu so živými vodičmi a zjednodušila budúca údržba alebo opravy. Zvyčajne je na zadnej strane solárneho panelu pripevnená PV rozvodná skrinka a funguje ako jeho výstupné rozhranie. Externé pripojenia pre väčšinu fotovoltaických modulov používajú konektory MC4 na uľahčenie jednoduchého pripojenia odolného voči poveternostným vplyvom k zvyšku systému. Je možné použiť aj napájacie rozhranie USB.

3 História vývoja tenkovrstvových solárnych panelov

História tenkovrstvových solárnych panelov sa datuje do 70-tych rokov 20. storočia, keď výskumníci začali svoj prvý výskum využitia tenkého filmu (a-Si) polovodičov na využitie slnečnej energie, v tom čase bol záujem o tenkovrstvovú technológiu na komerčné využitie. a letecké aplikácie podporujú vývoj tenkovrstvových solárnych zariadení z amorfného kremíka.

V 80. rokoch 20. storočia pokrok v technológii uľahčil rozšírenie existujúcich tenkovrstvových materiálov na nové, ako napríklad telurid kadmia (CdTe) a selenid medi a india a gália (CIGS), ktoré majú vyššiu účinnosť konverzie a nižšie výrobné náklady.

Roky 1990 a 2000 boli časom významného pokroku vo výskume nových solárnych materiálov tretej generácie – materiálov s potenciálom prekonať teoretické limity účinnosti pre tradičné materiály v tuhom stave. Boli vyvinuté nové produkty, ako sú solárne články citlivé na farbivá, solárne články s kvantovými bodkami.

V rokoch 2010 a začiatkom 2020 zahŕňala inovácia tenkovrstvovej solárnej technológie úsilie o rozšírenie solárnej technológie tretej generácie na nové aplikácie a zníženie výrobných nákladov. V roku 2004 dosiahlo Národné laboratórium pre obnoviteľnú energiu (NREL) svetový rekord účinnosti 19,9 % pre tenkovrstvový modul CIGS. V roku 2022 boli flexibilné organické tenkovrstvové solárne články integrované do tkaniny.

V súčasnosti sú flexibilné organické tenkovrstvové solárne články integrované do výroby lepšou voľbou ako tradičné kremíkové panely. A tenkovrstvová technológia zachytila ​​približne 19 % z celkového počtu U.S. podiel na trhu v tom istom roku vrátane 30 % produkcie v úžitkovom meradle.

4. Typy solárnych panelov

Na výrobu tenkovrstvových solárnych článkov sa používa niekoľko druhov materiálov, na základe ich surovín ich možno rozdeliť do štyroch druhov 

l Tenkovrstvové panely z teluridu kadmia (CdTe) sú typom solárnych panelov, ktoré využívajú ako polovodičový materiál tenkú vrstvu teluridu kadmia naneseného na podkladovom materiáli, ako je sklo alebo nehrdzavejúca oceľ. Nielenže sú ľahké a ľahko sa inštalujú, ale majú aj vysokú produkciu energie pri slabom osvetlení, čo znamená, že dokážu vyrábať elektrinu aj v zamračenom alebo zamračenom počasí. Odhaduje sa, že tenkovrstvové solárne panely CdTe dosiahli 19% účinnosť pri štandardných testovacích podmienkach (STC), ale jednotlivé solárne články dosiahli účinnosť 22,1%. Existujú však určité obavy týkajúce sa toxicity kadmia, pretože ide o ťažký kov, ktorý môže spôsobiť škody na životnom prostredí, ak nie je správne zlikvidovaný.

l Tenkovrstvové panely medi a india a gália (CIGS) sa vyrábajú umiestnením vrstvy molybdénovej (Mo) elektródy na substrát prostredníctvom procesu naprašovania. V porovnaní s inými fotovoltaickými technológiami majú vysokú účinnosť a v budúcnosti môžu dosiahnuť teoretickú účinnosť 33 %. Okrem toho sú menej náchylné na praskanie alebo zlomenie a ľahko sa ovládajú. Napriek týmto výhodám sú však náklady relatívne drahšie ako pri iných technológiách, čo môže brzdiť ich ďalší rozvoj.

l Tenkovrstvové panely z amorfného kremíka (a-Si) sa vyrábajú spracovaním sklenených dosiek alebo flexibilných substrátov spolu s konfiguráciou p-i-n alebo n-i-p. Medzi výhody tenkovrstvových panelov a-Si patrí ich flexibilita a ľahká konštrukcia, vďaka čomu sú ideálne na použitie v prenosných aplikáciách, ako je kemping alebo napájanie diaľkových senzorov. Keďže je však vodivé sklo pre tieto panely drahé a proces je pomalý, jeho cena je relatívne drahá takmer 0,69 USD/W.

l Tenkovrstvové panely z arzenidu gália (GaAs) sú zložitejšie ako bežné tenkovrstvové solárne články výrobného procesu. Za zmienku stojí, že dosahujú vysoké účinnosti až 39,2 % a sú odolnejšie voči teplu a vlhkosti. Avšak výrobný čas, náklady na materiály a materiály s vysokým rastom z neho robia menej životaschopnú voľbu.

5. Aplikácia tenkovrstvových solárnych panelov

Ako vznikajúca trieda alternatív ku kremíkovej fotovoltaike sa tenkovrstvové solárne panely používajú najmä v nasledujúcich oblastiach.

l Fotovoltaika integrovaná do budovy (BIPV)

Keďže tenkovrstvové PV panely môžu byť až o 90 % ľahšie ako kremíkové panely, jedna z aplikácií, ktorá sa začína celosvetovo stávať veľmi populárnou, je BIPV, kde sa solárne panely pripevňujú na strešné tašky, okná, slabé konštrukcie atď. okrem toho  niektoré typy tenkovrstvových PV môžu byť polopriehľadné, čo pomáha zachovať estetiku domácností a budov a zároveň umožňuje výrobu solárnej energie.

l Vesmírne aplikácie

Vďaka výhodám nízkej hmotnosti, vysokej účinnosti, širokému rozsahu prevádzkových teplôt a dokonca odolnosti voči poškodeniu žiarením sú tenkovrstvové solárne panely, najmä solárne panely CIGS a GaAs, ideálne pre vesmírne aplikácie.

l Vozidlá a námorné aplikácie

Jednou z bežných aplikácií tenkovrstvových solárnych panelov je inštalácia flexibilných fotovoltických modulov na strechy vozidiel (najmä karavanov alebo autobusov) a paluby lodí a iných plavidiel, ktoré možno použiť na napájanie elektriny pri zachovaní estetiky.

l Prenosné aplikácie

Jeho prenosnosť a veľkosť mu zabezpečili udržateľný rozvoj v sektore malej samostatnej elektroniky a internetu vecí (IoT), od ktorého sa očakáva, že v nasledujúcich rokoch výrazne porastie. A vďaka svojmu pokroku môže byť ďalej aplikovaný na vzdialených miestach so skladacími solárnymi panelmi, solárnymi power bankami, solárnymi prenosnými počítačmi atď.

6. Vývojové trendy tenkovrstvových solárnych panelov

S rastúcou akceptáciou slnečnej energie na celom svete, implementáciou prísnych energetických obmedzení a zvyšujúcim sa úsilím vlády o integráciu zelených zdrojov do siete sa očakáva, že tenkovrstvové solárne panely dosiahnu do roku 2030 približne 27,11 miliardy USD s pozoruhodnou CAGR 8,29 % od 2022 až 2030 Nárast je poháňaný jeho výhodami a R&D, keďže sú mimoriadne ekonomické a ľahko sa vyrábajú, využívajú menej materiálu a produkujú menej odpadu. A R&D na zvýšenie odolnosti a výkonu solárnych článkov tiež vytvorí nové príležitosti pre rast trhu.

Príležitosti sa však spájajú s výzvou. Vysoká úroveň konkurencie, meniace sa regulačné prostredie, ako aj dostupnosť obmedzených financií a zdrojov v súčasnosti znamená, že nemusia byť schopné zaujať značnú časť podielu na globálnom trhu.

7 Investičná analýza tenkovrstvových solárnych panelov

Zdá sa, že trh s tenkovrstvovými solárnymi článkami sa v posledných rokoch rozvíja, čo je poháňané viacerými faktormi.

l Analýza typu produktu

V roku 2018 CdTe vyrábalo elektrinu za cenu, ktorá bola výrazne nižšia alebo porovnateľná s cenou konvenčných fosílnych zdrojov energie. Kvôli svojej netoxickej, lacnej prevádzke a výrobným nákladom v súčasnosti dominuje na celosvetovom trhu tenkovrstvových solárnych článkov kategória teluridu kadmia a očakáva sa, že bude naďalej rásť najrýchlejším tempom počas predpovedaného obdobia.

l Analýza koncového používateľa

Rastúci vývoj a výskum s cieľom znížiť náklady na inštaláciu a údržbu môžu zvýšiť potreby spotrebiteľov. V roku 2022 dominoval celosvetový trh so solárnymi článkami s tenkou vrstvou a predpokladá sa, že sa bude naďalej rozvíjať najrýchlejším tempom počas prognózovaného obdobia. . Keďže tenkovrstvové solárne panely degradujú oveľa pomalším tempom, ponúkajú potenciálnu alternatívu k tradičným c-Si solárnym panelom.

l Regionálna analýza

Ázia a Tichomorie bola v roku 2022 najväčším regiónom na svete pre tenkovrstvové solárne články a očakáva sa, že sa bude naďalej rozširovať najvyšším tempom, čo je spôsobené mnohými faktormi. Napríklad Čína ako najväčšie solárne fotovoltaické trhy na svete zvýši do roku 2030 cieľ pre obnoviteľnú energiu z 20 % na 35 %. A solárne fotovoltaické zariadenia v Číne väčšinou využívajú tenkovrstvovú technológiu. Okrem toho Japonsko tiež deklarovalo svoj zámer používať v budúcnosti iba udržateľnú energiu.

8 Čo treba zvážiť pri vysokokvalitných tenkovrstvových solárnych paneloch

Pri kúpe solárnych panelov treba brať do úvahy nielen cenu a kvalitu, ale treba mať na pamäti aj ďalšie faktory.

l Účinnosť: Vysoká účinnosť dokáže premeniť viac slnečnej energie na elektrickú energiu. Vo všeobecnosti môže vyššia koncentrácia nosičov náboja zvýšiť účinnosť solárneho článku zvýšením vodivosti. Pridanie koncentrátora k solárnemu článku nielen pomôže zvýšiť účinnosť, ale môže tiež znížiť priestor, materiály a náklady potrebné na výrobu článku.

l Odolnosť a životnosť: Niektoré tenkovrstvové moduly majú tiež problémy s degradáciou za rôznych podmienok. Spomedzi všetkých materiálov vykazuje CdTe najlepšiu odolnosť voči zhoršeniu výkonu s teplotou. A na rozdiel od iných tenkovrstvových materiálov má CdTe tendenciu byť pomerne odolný voči podmienkam prostredia, ako je teplota a vlhkosť, ale flexibilné panely CdTe môžu zaznamenať zhoršenie výkonu pri aplikovanom namáhaní alebo namáhaní.

l Hmotnosť: Vzťahuje sa na hustotu tenkovrstvového solárneho panelu. Vo všeobecnosti sú tenkovrstvové solárne panely ľahko zaťažené, takže by ste sa nemali báť použitia mŕtvej váhy na strechu. Pri výbere je však stále potrebné zvážiť hmotnosť, aby sa zabezpečilo, že nebude preťažený pri inštalácii.

l Teplota: To znamená minimálnu a maximálnu teplotu, pri ktorej môže solárny panel Thin Film fungovať. Vo všeobecnosti sa všetky najlepšie tenkovrstvové solárne panely považujú za také, ktoré majú minimálnu teplotu -40 °C a maximálnu teplotu 80 °C.