Що таке тонкоплівкові сонячні панелі

1. Що таке тонкоплівкові сонячні панелі?

На відміну від сонячних елементів першого покоління, які виготовляються з одно- або мультикристалічного кремнію, тонкоплівкові сонячні панелі виготовляються з використанням одного або кількох шарів фотоелектричних елементів на поверхні, що складається з різноманітного скла, пластику чи металу для перетворення. сонячне світло в електрику. Найпоширенішими для тонкоплівкової сонячної технології є телурид кадмію (CdTe), селенід міді, індій-галію (CIGS), аморфний кремній (a-Si) і арсенід галію (GaAs).

2 Структура тонкоплівкових сонячних панелей

Тонкоплівкові сонячні панелі складаються з великої кількості тонкоплівкових сонячних елементів і використовують світлову енергію (фотони) від Сонця для виробництва електроенергії за допомогою фотоелектричного ефекту. Він також включає в себе шари, задній лист і розподільну коробку, всі вони працюють разом, щоб забезпечити нормальну роботу сонячних панелей.

Що таке тонкоплівкові сонячні елементи?

Тонкоплівкові сонячні елементи – це електронні пристрої, які перетворюють сонячне світло в електричну енергію за допомогою фотоелектричного ефекту. Тонкоплівкові елементи мають тенденцію використовувати набагато менше матеріалу – активна область елемента зазвичай має товщину лише від 1 до 10 мікрометрів. Крім того, тонкоплівкові комірки зазвичай можна виготовляти у процесі виробництва великої площі, який може бути автоматизованим безперервним виробничим процесом.

Більше того, для роботи тонкоплівкових сонячних панелей використовується тонкий шар прозорого провідного оксиду, наприклад оксиду олова. У той час як тонкоплівкові комірки складаються з багатьох крихітних кристалічних зерен напівпровідникових матеріалів для кращого створення електричного поля з інтерфейсом, який називається гетеропереходом. Generalloy такого роду тонкоплівкові пристрої можуть бути виготовлені як єдине ціле — тобто монолітно — з послідовним нанесенням шару на шар на певну підкладку, включаючи нанесення антивідблискуючого покриття та прозорого провідного оксиду.

Що таке шари?

Зазвичай тонкоплівкова сонячна панель має дуже тонкий (менше 0,1 мкм) шар зверху, який називається «віконним» шаром, щоб поглинати світлову енергію лише з високоенергетичного кінця спектра. Він повинен бути досить тонким і мати достатньо широку заборонену зону (2,8 еВ або більше), щоб пропускати все доступне світло через межу розділу (гетероперехід) до поглинаючого шару. Поглинаючий шар під вікном, як правило, легований p-типу, оснащений високою поглинальністю (здатністю поглинати фотони) для високого струму та відповідною шириною забороненої зони для забезпечення хорошої напруги.

Що таке backsheet?

Будучи полімером або комбінацією полімерів з різними добавками, задній лист створений для створення бар’єру між сонячними елементами та зовнішнім середовищем. З чого ми бачимо, що тильна панель є критично важливим компонентом довговічності, ефективності та довговічності сонячної панелі.

Що таке розподільна коробка?

Як електричний корпус, який використовується для розміщення та захисту електричних з’єднань, розподільна коробка спеціально розроблена для забезпечення безпечного та безпечного середовища для електричних з’єднань, щоб запобігти випадковому контакту з проводами під напругою та спростити майбутнє технічне обслуговування чи ремонт. Зазвичай фотоелектрична розподільна коробка прикріплена до задньої частини сонячної панелі та функціонує як вихідний інтерфейс. Зовнішні з’єднання для більшості фотоелектричних модулів використовують роз’єми MC4, щоб полегшити захищене від погодних умов з’єднання з рештою системи. Також можна використовувати інтерфейс живлення USB.

3 Історія розвитку тонкоплівкових сонячних панелей

Історія тонкоплівкових сонячних панелей сягає 1970-х років, коли дослідники почали своє перше дослідження використання тонкої плівки (a-Si) напівпровідників для використання сонячної енергії, у той час інтерес до тонкоплівкових технологій для комерційного використання аерокосмічні програми сприяють розробці тонкоплівкових сонячних пристроїв на основі аморфного кремнію.

У 1980-х роках прогрес у технології сприяв розширенню існуючих тонкоплівкових матеріалів на нові, такі як телурид кадмію (CdTe) і селенід міді-індію-галію (CIGS), який має вищу ефективність перетворення та нижчу вартість виробництва.

1990-ті та 2000-ті роки були часом значного прогресу в дослідженні нових сонячних матеріалів третього покоління – матеріалів з потенціалом подолання теоретичних обмежень ефективності традиційних твердотільних матеріалів. Було розроблено багато нових продуктів, таких як чутливі до барвника сонячні батареї, сонячні батареї з квантовими точками.

У 2010-х і на початку 2020-х років інновації в тонкоплівкових сонячних технологіях включали спроби розширити сонячні технології третього покоління для нових застосувань і знизити витрати на виробництво. У 2004 році Національна лабораторія відновлюваної енергетики (NREL) досягла світового рекорду ефективності 19,9% для тонкоплівкового модуля CIGS. У 2022 році гнучкі органічні тонкоплівкові сонячні елементи були інтегровані в тканину.

Сьогодні гнучкі органічні тонкоплівкові сонячні батареї, інтегровані у виробництво, роблять їх кращим вибором, ніж традиційні кремнієві панелі. А тонкоплівкова технологія охопила приблизно 19% від загального обсягу виробництва в США. частка ринку в тому ж році, включаючи 30% загального виробництва.

4. Види сонячних панелей

Існує кілька типів матеріалів, які використовуються для виготовлення тонкоплівкових сонячних елементів, на основі їх сировини їх можна розділити на чотири типи 

l Тонкоплівкові панелі з телуриду кадмію (CdTe) — це тип сонячних панелей, у яких як напівпровідниковий матеріал використовується тонкий шар телуриду кадмію, нанесений на матеріал підкладки, наприклад скло або нержавіючу сталь. Вони не тільки легкі та прості в установці, але й мають високий рівень виробництва енергії в умовах слабкого освітлення, що означає, що вони можуть виробляти електроенергію навіть у хмарну або похмуру погоду. За оцінками, тонкоплівкові сонячні панелі CdTe досягли ефективності 19% за стандартних умов тестування (STC), але одиничні сонячні елементи досягли ефективності 22,1%. Проте є певні побоювання щодо токсичності кадмію, оскільки це важкий метал, який може завдати шкоди навколишньому середовищу, якщо його не утилізувати належним чином.

l Тонкоплівкові панелі з селеніду міді-індію-галію (CIGS) виготовляються шляхом розміщення шару електрода з молібдену (Mo) поверх підкладки за допомогою процесу напилення. Порівняно з іншими фотоелектричними технологіями, вони мають високу ефективність і в майбутньому можуть досягти теоретичної ефективності 33%. Крім того, вони менш схильні до розтріскування або ламання та прості в експлуатації. Однак, незважаючи на ці переваги, вартість є відносно дорожчою, ніж для інших технологій, що може перешкоджати їх подальшому розвитку.

l Тонкоплівкові панелі з аморфного кремнію (a-Si) виготовляються шляхом обробки скляних пластин або гнучких підкладок разом із конфігурацією p-i-n або n-i-p. Переваги тонкоплівкових панелей a-Si включають їхню гнучкість і легку конструкцію, що робить їх ідеальними для використання в портативних додатках, таких як кемпінг або живлення дистанційних датчиків. Однак, оскільки провідне скло для цих панелей дороге, а процес повільний, його ціна відносно висока – майже 0,69 дол./Вт.

l Тонкоплівкові панелі з арсеніду галію (GaAs) є складнішими, ніж для звичайних тонкоплівкових сонячних елементів. Варто відзначити, що вони досягають високого ККД до 39,2% і більш стійкі до тепла і вологи. Тим не менш, час виготовлення, вартість матеріалів і матеріали з високим рівнем росту роблять його менш прийнятним вибором.

5. Застосування тонкоплівкових сонячних панелей

Як новий клас альтернатив кремнієвій фотоелектричній енергії, тонкоплівкові сонячні панелі в основному використовуються в наступних сферах.

l Інтегрована фотоелектрична система (BIPV)

Оскільки тонкоплівкові фотоелектричні панелі можуть бути на 90% легшими за кремнієві панелі, одним із застосувань, яке починає набувати широкої популярності в усьому світі, є BIPV, де сонячні панелі кріпляться до черепиці, вікон, слабких конструкцій тощо. Крім того,  деякі типи тонкоплівкових фотоелектричних панелей можна зробити напівпрозорими, що допомагає зберегти естетику будинків і будівель, одночасно дозволяючи виробляти сонячну енергію.

l Космічні аплікації

Завдяки перевагам легкої ваги, високої ефективності, широкого діапазону робочих температур і навіть стійкості до пошкоджень від радіації тонкоплівкові сонячні панелі, особливо сонячні панелі CIGS і GaAs, були ідеальними для космічного застосування.

l Транспортні засоби та морське застосування

Одним із поширених застосувань тонкоплівкових сонячних панелей є встановлення гнучких фотоелектричних модулів на дахах транспортних засобів (особливо фургонів або автобусів) і на палубах човнів та інших суден, які можна використовувати для живлення електроенергією, зберігаючи при цьому естетичність.

l Портативні програми

Його портативність і розмір забезпечили йому сталий розвиток у секторі малої електроніки з автономним живленням та Інтернету речей (IoT), який, як очікується, суттєво зросте в найближчі роки. І з його прогресом його можна застосовувати у віддалених місцях зі складаними сонячними панелями, сонячними батареями, ноутбуками на сонячних батареях тощо.

6. Тенденції розвитку тонкоплівкових сонячних панелей

У зв’язку зі зростаючим визнанням сонячної енергії в усьому світі, запровадженням суворих енергетичних обмежень та посиленням урядових зусиль щодо інтеграції екологічно чистих джерел у мережу, очікується, що тонкоплівкові сонячні панелі досягнуть приблизно 27,11 мільярдів доларів США до 2030 року з вражаючим CAGR 8,29% від 2022 до 2030 Збільшення обумовлено його перевагами та R&D, оскільки вони надзвичайно економічні та легкі у створенні, використовують менше матеріалів і утворюють менше відходів. І Р&D для підвищення довговічності та продуктивності сонячних елементів також створить нові можливості для зростання ринку.

Однак можливості приходять разом із викликами. Високий рівень конкуренції, мінливе нормативне середовище, а також наявність обмежених фінансів і ресурсів означають, що зараз вони не зможуть зайняти значну частку світового ринку.

7 Інвестиційний аналіз тонкоплівкових сонячних панелей

Останніми роками ринок тонкоплівкових сонячних елементів розвивається, що зумовлено кількома факторами.

l Аналіз типу продукту

У 2018 році CdTe виробляв електроенергію за ціною, яка була значно нижчою або на рівні з ціною звичайних джерел енергії з викопного палива. Через його нетоксичність, низькі витрати на експлуатацію та виробництво, на даний момент категорія телуриду кадмію домінує на світовому ринку тонкоплівкових сонячних елементів, і очікується, що вона продовжуватиме рости найшвидшими темпами протягом прогнозованого періоду.

l Аналіз кінцевого користувача

Зростаюча розробка та дослідження для зниження витрат на установку та технічне обслуговування можуть підвищити потреби споживачів. У 2022 році ринок комунальних послуг домінував на світовому ринку тонкоплівкових сонячних батарей, і прогнозується, що він продовжуватиме розвиватися найшвидшими темпами протягом прогнозованого періоду. . Оскільки тонкоплівкові сонячні панелі розкладаються набагато повільніше, вони пропонують потенційну альтернативу традиційним сонячним панелям c-Si.

l Регіональний аналіз

Азіатсько-Тихоокеанський регіон був найбільшим регіоном у світі для тонкоплівкових сонячних елементів у 2022 році, і очікується, що він продовжуватиме розвиватися найвищими темпами, що зумовлено багатьма факторами. Наприклад, оскільки Китай є найбільшим ринком сонячної фотоелектричної енергії в усьому світі, до 2030 року підвищить цільовий показник щодо відновлюваної енергії з 20% до 35%. А сонячні фотоелектричні установки загального користування в Китаї здебільшого використовують тонкоплівкову технологію. Крім того, Японія також оголосила про свій намір надалі використовувати тільки стійку енергію.

8 На що слід звернути увагу щодо високоякісних тонкоплівкових сонячних панелей

Купуючи сонячні батареї, слід враховувати не тільки ціну та якість, але й інші фактори.

l Ефективність: Високий ККД може перетворити більше енергії сонця в електрику. Як правило, наявність більш високої концентрації носіїв заряду може підвищити ефективність сонячної батареї за рахунок підвищення провідності. Додавання концентратора до сонячної батареї не тільки сприяє підвищенню ефективності, але також може зменшити простір, матеріали та витрати, необхідні для виробництва батареї.

l Довговічність і термін служби: Деякі тонкоплівкові модулі також мають проблеми з деградацією за різних умов. Серед усіх матеріалів CdTe демонструє найкращу стійкість до погіршення продуктивності під впливом температури. І на відміну від інших тонкоплівкових матеріалів, CdTe має тенденцію бути досить стійким до таких умов навколишнього середовища, як температура та вологість, але гнучкі панелі CdTe можуть зазнати погіршення продуктивності під дією навантажень або деформацій.

l Вага: Це стосується щільності тонкоплівкової сонячної панелі. Загалом, тонкоплівкові сонячні панелі мають невелику вагу, тому ви не повинні боятися застосування власної ваги на даху. Тим не менш, під час вибору потрібно враховувати вагу, щоб переконатися, що він не буде перевантажений під час встановлення.

l Температура: Це означає мінімальну та максимальну температуру, при якій може працювати тонкоплівкова сонячна панель. Загалом вважається, що всі найкращі тонкоплівкові сонячні панелі мають мінімальну температуру -40°C і максимальну температуру 80°C.