Виды солнечных батарей: сравнительный обзор. Полимерные солнечные батареи

Полимерные солнечные батареи: принцип работы, преимущества

Развивающаяся бурными темпами солнечная фотовольтаика дала мощный импульс появлению совершенно новых направлений во всех областях, связанных с фотоэлектрическим преобразованием. Это коснулось и физики полупроводников, и нанотехнологий, и органической химии, и охраны окружающей среды, и еще многих областей науки и техники, казалось бы, никаким образом не связанных с этой проблемой. Одной из главных задач всех научных изысканий является замена кремния - основного материала для производства солнечных батарей - на нечто такое, что было бы легко изготавливаемым в промышленных количествах, не загрязняло бы окружающую среду ни при производстве, ни при эксплуатации, давало бы достаточно высокую эффективность преобразования солнечной энергии в энергию электрическую.

Запасы кремния на нашей планете неисчерпаемы: земная кора на 20% состоит из кремния. Но получение чистого кремния для солнечных батарей – очень трудоемкий процесс, который, к тому же, не безвреден в экологическом плане. И вот в результате многолетних исследований появились полимерные солнечные батареи – гелиевые ячейки, состоящие из органических материалов, то есть из углеводородных соединений.

Эффективность некоторых солнечных ячеек, изготовленных в специальных лабораториях по оригинальной технологии, полученная с одного квадратного сантиметра площади ячейки, составляла порядка 12%, что значительно ниже эффективности кремниевых батарей. Тем не менее работы по совершенствованию самих полимерных ячеек и повышению их эффективности продолжаются во всем мире.

Материалы

Основой для материала, из которого изготавливаются солнечные ячейки такого типа, являются углеводородные соединения со специфической электронной структурой, отлично сопрягаемой с π-электронной системой, придающей соответствующим материалам определенные качества аморфных полупроводников. Типичными представителями органических полупроводников являются сопрягаемые полимеры и низкомолекулярные соединения, а также специально синтезированные гибридные структуры, такие как фталоцианин меди. Первый органический фотоэлемент был получен в 1985 году американским исследователем Чинг В Таном. Он состоял из фталоцианина меди и подготовленной соответствующим образом производной PTCDA (перилен-3,4,9,10-тетракарбон-3,4,9,10-диангидрид).

Структура однослойного солнечного элемента

Первая полимерная солнечная ячейка представляла собой двухслойный элемент и была получена на базе сопряженной π-электронной системы (донор электронов) и фуллерена (акцептор электронов), причем слой фуллерена наносился после того, как был полностью сформирован слой донора. В этих солнечных ячейках слой, реагирующий на световое излучение, состоит из сопряженных углеводородов, которые переходят в активное состояние при облучении их светом. Это активное состояние характеризуется появлением избытка свободных электронов и дырок в паре слоев донор-акцептор, которые, собственно, и создают разность потенциалов между электродами.

С технологической точки зрения полимерные солнечные ячейки привлекают своей низкой затратностью при массовом производстве гибких элементов фотовольтаики со сравнительно простой структурой. Подобные технологии являются своего рода переходной фазой перед производством более сложных многослойных систем.

Принцип работы

Наиболее эффективные образцы полимерных солнечных элементов созданы с использованием так называемой донорно-акцепторной системы, то есть на оптимальном сочетании различных полупроводниковых материалов, которые при облучении их светом показывают чрезвычайно быстрый трансферт (менее одной пикосекунды) носителя от донора к акцептору (например, тонкие пленки сопряженных полимеров и фуллеренов). Такие донорно-акцепторные пары отличаются друг от друга смещенными позициями электрохимических потенциалов, а именно высшей занятой молекулярной орбиталью и низшей незанятой молекулярной орбиталью. Эти орбитали в некотором роде сопоставимы с зонной схемой неорганических полупроводников.

Структура многослойного солнечного элемента

После поглощения фотонов, энергия которых позволяет преодолевать барьер между высшей и низшей орбиталями, возникают так называемые экситоны (электростатически связанные пары положительных и отрицательных зарядов), разделяющиеся в течение короткого времени в граничной донорно-акцепторной зоне. После разделения происходит селективный перенос заряда в два полупроводника. Носители зарядов двигаются неупорядоченно и изменяют свое положение в полупроводнике «скачками», так как это обусловлено наличием множества энергетических барьеров. Носители наталкиваются на множество фазовых и молекулярных барьеров, которые имеются во внутренней структуре полупроводника, в конечном счете происходит рекомбинация, что приводит к потере очередных двух носителей заряда.

В полимерном солнечном элементе имеется поглощающий слой (полученный на стадии жидкой фазы или методом вакуумного напыления), состоящий из равнообъемной смеси органических полупроводников донорного и акцепторного типов. Этот слой наносится на прозрачный электрод и дает возможность пропустить практически весь получаемый свет, чтобы максимизировать полезное действие фотонов в активном слое. В то же время этот слой должен иметь как можно низкое сопротивление. Важнейшим качеством полимерного солнечного элемента является та рабочая функция, которая определяет, с каким из двух полупроводников предпочитает обмениваться зарядом носитель (отрицательным или положительным - соответственно, электронным или дырочным). На противоположную сторону поглощающего слоя напыляется металлический электрод, на который стекаются носители заряда, исходящие от прозрачного электрода.

Неиспользованный свет, отраженный от металлического электрода, увеличивает выход электричества, так как при повторном прохождении поглощающего слоя фотоны могут активировать не активированные ранее носители. Кроме того, толщина поглощающего слоя между прозрачным и металлическим электродами может быть оптимизирована для получения максимального эффекта поглощения света в определенной области спектра.

Полимерный солнечный модуль

Напряжение на клеммах полимерной солнечной ячейки определяется в значительной степени функциональными особенностями каждого из электродов. Чтобы получить высокое значение эффективности фотоэлектрического преобразования, поглощающий слой полимерного полупроводника должен иметь максимально возможную подвижность носителей заряда обоих знаков для того, чтобы они могли быть физически разделены после поглощения настолько быстро, насколько это возможно. Соответственно будет обеспечено и быстрое попадание носителей на соответствующий электрод. В настоящее время полимерные полупроводники имеют сравнительно низкую подвижность носителей заряда. Оптимальная толщина поглощающего слоя находится в пределах до нескольких сотен нанометров.

Преимущества и недостатки полимерных солнечных батарей

Потенциальными преимуществами полимерных солнечных батарей в сравнении с обычными кремниевыми являются:

Низкие производственные затраты за счет более дешевых технологий производства и более низкой стоимости материала.
Гибкость, прозрачность, простота использования.
Энергосберегающее производство.

Недостатки:

Низкая эффективность (на настоящий момент только в некоторых лабораториях была достигнута эффективность 12%).
Низкая эффективность требует больших площадей, чтобы достичь требуемых мощностей.
Недолговечность из-за разложения органических соединений на солнечном свете.

Научные исследования и эксперименты продолжаются, и нет сомнений в том, что все проблемы, связанные с полимерными солнечными батареями, будут решены.

solarb.ru

Полимерная солнечная батарея или полимерная солнечная панель

Несмотря на то, что солнечные батареи экологически чистые и по сути снабжают Вас бесплатной электроэнергией, после срока окупаемости, у них есть главный недостаток — они очень дорогие. Дабы убрать этот самый негативный фактор для потребителя, в последнее время проводится всё больше разработок в сфере удешевления стоимости солнечных батарей. Результатом таких разработок являются полимерные солнечные панели. Несмотря на свой низкий КПД, они обладают массой позитивных качеств, которые и рассматриваются в этой статье.

полимерные солнечные панели

Что из себя представляют полимерные солнечные панели по сравнению с кремниевыми?

Обычные солнечные панели представлены большим количеством фотоэлементов. Эти фотоэлементы объединены в единую сеть, которая в свою очередь закрепляется на специальной поверхности, которая покрыта селективным покрытием для солнечных батарей. Что такое фотоэлемент? Фотоэлемент — это полупроводник, преобразующий солнечную энергию в электрический ток. Конечно необходим ещё ряд устройств в солнечной сети, которые бы накапливали энергию, стабилизировали её и превращали в постоянный ток в переменный, но всё же основным в получении энергии является фотоэлемент.

Вот в них то и разница: в обычных батареях такие полупроводники изготовлены из кремния. Именно из-за кремния процесс изготовления сложен и дорог по цене. Кремния, как ископаемого на планете Земля, достаточно. Но процесс переработки и очистки кремния очень сложен. Ну и конечно никто не отменял утилизацию после использования солнечных батарей, когда они выходят из строя, после длительной эксплуатации. Это тоже стоит денег, ведь в солнечных панелях содержится кадмий. Ещё один минус состоит в том, как работают кремниевые батареи. При большом нагреве, производительность снижается. Это накладывает необходимость использования специальных систем охлаждения, что снова сводит вопрос к деньгам.

Итак, солнечные полимерные элементы состоят из последовательно соединённых слоёв-плёнок, каждый из которых отвечает за определённую функцию. Это и определяет толщину панели. На полимерную основу накладывают фотоактивные слоя, которые в свою очередь состоят из акцептора и донора.

Также по конструкции батареи бывают двух типов: прямая и реверсная(обратная, перевёрнутая). Название исходит от работы электрических зарядов внутри. В обратном строении, заряды экстрагируются противоположными по заряду электродами. Есть свои плюсы и минусы: обычное строение обеспечивает большую эффективность, а обратное большую стабильность.

Как ни крути, очень много факторов в использовании традиционных солнечных батарей сводятся к деньгам. Поэтому остро стал вопрос поиска альтернативы. Именно в качестве такой альтернативы выступают сегодня полимерные солнечные батареи.

В чём отличие полимерных солнечных батарей?

Сегодня эта тема очень жива и поэтому многие фирмы заняты разработкой именно солнечных полимерных панелей. По сути это плёнка, состоящая из нескольких конструктивных элементов:

активный слой — полимер

электроды из алюминия

гибкая подложка

защитный слой

соединительные элементы для объединения в большие площади

Итак полимерный полупроводник или полимерный фотоэлемент состоит из внутренних элементов, которые расположены на гибкой подложке и защищены сверху слоем. Это позволяет делать гибкие солнечные батареи.

Преимущества очевидны:

Возможность делать гибкие солнечные элементы

Модульность конструкции позволяет объединять между собой бесконечное количество отдельных гибких панелей, повторяя любые формы поверхности, на которой располагаются батареи

Лёгкость по весу и лёгкость в эксплуатации

Компактность. Зачастую такие батареи можно свернуть в рулон

Дешевизна производства в сравнении с традиционными батареями

Экологичность производства, даже в сравнении с кремниевыми батареями

Конечно, не всё так уж радужно и у полимерных панелей есть один большой недостаток: низкоэффективное преобразование энергии солнца. Это обуславливает низкую заинтересованность в потреблении со стороны пользователей. Самые последние исследования позволили выдать всего лишь 6,5% КПД с учётом освещённости на квадратный сантиметр в 0,2 Вт. Конечно кремниевые батареи с уровнем КПД в 40% куда более интересны для потребителей. Но тем не менее полимерные батареи всё же перспективны в своём развитии.

В промышленных размерах полимерные батареи выпускает датская компания Mekoprint A/S. Интересно, что солнечные панели этого производителя в виде плёнки, можно разрезать, сворачивать и придавать им любую форму. Можно наклеить плёнку на любую поверхность и при этом вырабатывать электричество, пусть и небольших объёмов. Это открывает широкие перспективы в использовании и применении например, для транспортных средств. Только представьте электромобиль, полностью обклеенный такой плёнкой. При чём без ущерба для дизайна, ведь такая плёнка сможет полностью повторить форму авто. Полимерная солнечная батарея легко интегрируется даже в одежду. К примеру, этот же датский производитель встроил батарею в шапку, что позволило питать небольшой радиоприёмник. Словом, зерно будущего посеяно, теперь только подождать когда такие источники смогут выдавать более-менее приличный КПД.

При этом производство таких батарей в среднем в два раза дешевле производства привычных кремниевых батарей. И ещё более экологично чем производство кремниевых панелей. Выпускать полимерные солнечные панели не вреднее, чем пластиковую посуду, например. При этом кремниевые, в производстве выбрасывают достаточно серьёзное количество отходов в атмосферу.

В общем развитие полимерных солнечных панелей даёт возможность говорить о скорой замене традиционных источников электроэнергии и даже солнечных кремниевых батарей. А благодаря гибкости таких источников, их применение возможно практически везде.

И наконец, нельзя не упомянуть и о чистоте процесса производства таких батарей. Оказывается такое производство не вреднее, чем производство обычной пластиковой посуды и о вредных выбросах в атмосферу, происходящих при производстве обычных батарей из кремния скоро можно забыть.Вполне возможно, что через какое-то время мы забудем о газе и угле, так как при дальнейшем развитии этой технологии вполне возможно что вырабатываемая электроэнергия с использованием солнечных полимерных батарей окажется дешевле процесса получения электроэнергии путем сжигания традиционных энергоносителей.

www.solnpanels.com

Напечатанные полимерные солнечные батареи могут составить конкуренцию классическим решениям

Солнечные батареи хоть и экологически чистые, но при этом – весьма дорогие. Ученые нашли им альтернативу – полимерные солнечные батареи. О том, что это такое, рассказано в статье. Человек, хотя бы немного интересующийся солнечной энергетикой, прекрасно представляет себе, что такое солнечная батарея – это совокупность большого количества фотоэлементов, укрепленных на какой-либо поверхности. Фотоэлемент представляет собой полупроводниковое устройство, которое преобразует энергию Солнца в электрический ток. Фотоэлементы «традиционных» солнечных батарей производят из кремния. Процесс производства таких батарей сложен и весьма дорог.

Воспользуйтесь нашими услугами

Несмотря на то, кремний – это очень распространенный элемент и что в земной коре содержится около 20% кремния, процесс превращения исходного песка в высокочистый кремний очень сложен и дорог.

Кроме того, порой возникают проблемы с утилизацией отработанных фотоэлементов, поскольку в этих фотоэлементах помимо кремния содержится еще и кадмий. И наконец, кремниевые фотоэлементы по мере работы сильно нагреваются. После чего их производительность начинает снижаться. Поэтому кремниевым батареям помимо фотоэлементов требуются еще и дорогостоящие системы охлаждения. Все это заставило ученых искать более эффективные способы преобразования солнечной энергии.

Альтернативой кремниевым солнечным батареям могут стать полимерные солнечные батареи. Это новая технология, над развитием которой работают десятки научно-исследовательских институтов и фирм по всему миру.

Полимерный фотоэлемент – это пленка, которая состоит из активного слоя (полимера), электродов из алюминия, гибкой органической подложки и защитного слоя. Для создания рулонных полимерных солнечных батарей отдельные пленочные фотоэлементы объединяют между собой.

Достоинства полимерных солнечных батарей по сравнению с обычными кристаллическими: компактность, легкость, гибкость. Такие батареи недороги в производстве (для их изготовления не используется дорогой кремний) и экологичны, так как они оказывают на окружающую среду менее значительное влияние.

Недостаток пока один – эффективность преобразования солнечной энергии полимерных солнечных батарей пока очень низкий. Этот недостаток и ограничивал создание таких батарей на уровне образцов-прототипов.

В настоящее время, наибольший коэффициент полезного действия полимерных солнечных батарейудалось добиться Алану Хигеру из центра полимеров и органических твёрдых частиц университета Калифорнии в Санта-Барбаре (семь лет назад он получил Нобелевскую премию по химии за открытие и развитие проводящих полимеров) и Кванхе Ли из корейского института науки и технологии в Гванджу.

Их солнечная батарея имеет КПД в 6,5% при освещённости в 0,2 ватта на квадратный сантиметр. Это самый высокий уровень, достигнутых для солнечных батарей из органических материалов. И хотя лучшие кремниевые солнечные батареи имеют КПД 40%, тем не менее к полимерным батареям во всем мире проявляют очень сильный интерес. Правда технология производства таких батарей находится пока еще в ранней стадии своего развития.

Первые полимерные батареи в промышленных масштабах начали выпускать в Дании.

Совсем недавно датская компания «Mekoprint A/S» запустила первую линию, на которой будут производится полимерные солнечные батареи. Компания около 10 лет занималась проектно-конструкторскими работами и вот теперь готова к массовому выпуску таких батарей.

Производство заключается в многослойной печати солнечного фотоэлемента на гибкую пленку, которую затем можно скручивать, разрезать и делать из пленки солнечные батареи абсолютно любых размеров.

По заявлениям специалистов компании, основной плюс полимерных батарей – это их дешевизна. Их производство обойдется компании как минимум в 2 раза дешевле, чем производство обычных, кремниевых батарей. Это обстоятельство, в свою очередь, скажется на рыночной стоимости полимерных батарей и в результате они станут намного доступнее.

Вторым плюсом полимерных батарей является их потрясающая гибкость. Такую батарею – можно резать ножом, можно сворачивать в трубку, можно наклеить на любую поверхность совершенно произвольной формы.

При желании такую батарею можно наклеить даже на одежду (что и было однажды проделано датскими специалистами). Полимерная батарея была наклеена на обычную шапку. И в солнечную погоду мощности батареи вполне хватало на то, чтобы от нее работал небольшой переносной радиоприемник.

И наконец, нельзя не упомянуть и о чистоте процесса производства таких батарей. Оказывается. их производство не вреднее, чем производство обычной пластиковой посуды и о вредных выбросах в атмосферу, происходящих при производстве обычных батарей из кремния скоро можно забыть.

Вполне возможно, что через какое-то время мы забудем о газе и угле, так как при дальнейшем развитии этой технологии вполне возможно что вырабатываемая электроэнергия с использованием солнечных полимерных батарей окажется дешевле процесса получения электроэнергии путем сжигания традиционных энергоносителей.

В наше время практически каждый может собрать и получить в свое распоряжение свой независимый источник электроэнергии на солнечных батареях (в научной литературе они называютсяфотоэлектрическими панелями).

Дорогостоящее оборудование со временем компенсируется возможностью получать бесплатную электроэнергию. Важно, что солнечные батареи – это экологически чистый источник энергии. За последние годы цены на фотоэлектрические панели упали в десятки раз и они продолжают снижаться, что говорит о больших перспективах при их использовании.

В классическом виде такой источник электроэнергии будет состоять из следующих частей: непосредственно, солнечной батареи (генератора постоянного тока), аккумулятора с устройством контроля заряда и инвертора, который преобразует постоянный ток в переменный.

Солнечные батареи состоят из набора солнечных элементов (фотоэлектрических преобразователей), которые непосредственно преобразуют солнечную энергию в электрическую.

Большинство солнечных элементов производят из кремния, который имеет довольно высокую стоимость. Этот факт определят высокую стоимость электрической энергии, которая получается при использовании солнечных батарей.

Распространены два вида фотоэлектрических преобразователей: сделанные из монокристаллического и поликристаллического кремния. Они отличаются технологией производства. Первые имеют кпд до 17,5%, а вторые – 15%.

Наиболее важным техническим параметром солнечной батареи, которая оказывает основное влияние на экономичность всей установки, является ее полезная мощность. Она определяется напряжением и выходным током. Эти параметры зависят от интенсивности солнечного света, попадающего на батарею.

Э.д.с. (электродвижущая сила) отдельных солнечных элементов не зависит от их площади и снижается при нагревании батареи солнцем, примерно на 0,4% на 1 гр. С. Выходной ток зависит от интенсивности солнечного излучения и размера солнечных элементов. Чем ярче солнечный свет, тем больший ток генерируется солнечными элементами. Зарядный ток и отдаваемая мощность в пасмурную погоду резко снижается. Это происходит за счет уменьшения отдаваемой батареей тока.

Если освещенная солнцем батарея замкнута на какую либо нагрузку с сопротивлением Rн, то в цепи появляется электрический ток I, величина которого определяется качеством фотоэлектрического преобразователя, интенсивностью освещения и сопротивлением нагрузки. Мощность Pн, которая выделяется в нагрузке определяется произведением Pн = IнUн, где Uн напряжение на зажимах батареи.

Наибольшая мощность выделяется в нагрузке при некотором оптимальном ее сопротивлении Rопт, которое соответствует наибольшему коэффициенту полезного действия (кпд) преобразования световой энергии в электрическую. Для каждого преобразователя имеется свое значение Rопт, которая зависит от качества, размера рабочей поверхности и степени освещенности.

Солнечная батарея состоит из отдельных солнечных элементов, которые соединяются последовательно и параллельно для того, чтобы увеличить выходные параметры (ток, напряжение и мощность). При последовательном соединении элементов увеличивается выходное напряжение, при параллельном – выходной ток. Для того, чтобы увеличить и ток и напряжение комбинируют два этих способа соединения. Кроме того, при таком способе соединения выход из строя одного из солнечных элементов не приводит в выходу из строя всей цепочки, т.е. повышает надежность работы всей батареи.

Таким образом, солнечная батарея состоит из параллельно-последовательно соединенных солнечных элементов. Величина максимально возможного тока отдаваемого батареей прямо пропорциональна числу параллельно включенных, а э.д.с. – последовательно включенных солнечных элементов. Так комбинируя типы соединения собирают батарею с требуемыми параметрами.

Солнечные элементы батареи шунтируются диодами. Обычно их 4 – по одному, на каждую ¼ часть батареи. Диоды предохраняют от выхода из строя части батареи, которые по какой-то причине оказались затемненными, т. е. если в какой-то момент времени свет на них не попадает. Батарея при этом временно генерирует на 25% меньшую выходную мощность, чем при нормальном освещении солнцем всей поверхности батареи.

При отсутствии диодов эти солнечные элементы будут перегреваться и выходить из строя, так как они на время затемнения превращаются в потребителей тока (аккумуляторы разряжаются через солнечные элементы), а при использовании диодов, они шунтируются и ток через них не идет. Диоды должны быть низкоомными, чтобы уменьшить на них падение напряжения. Для этих целей в последнее время используют диоды Шоттки.

Получаемая электрическая энергия накапливается в аккумуляторах, а затем отдается в нагрузку. Аккумуляторы – химические источники тока. Заряд аккумулятора происходит тогда, когда к нему приложен потенциал, который больше напряжения аккумулятора.

Число последовательно и параллельно соединенных солнечных элементов должно быть таким, чтобы рабочее напряжение подводимое к аккумуляторам с учетом падения напряжения в зарядной цепи немного превышало напряжение аккумуляторов, а нагрузочный ток батареи обеспечивал требуемую величину зарядного тока.

Например, для зарядки свинцовой аккумуляторной батареи 12 В необходимо иметь солнечную батарею состоящую из 36 элементов.

При слабом солнечном свете заряд аккумуляторной батареи уменьшается и батарея отдает электрическую энергию электроприемнику, т.е. аккумуляторные батареи постоянно работают в режиме разряда и подзаряда.

Это процесс контролируется специальным контроллером. При циклическом заряде требуется постоянное напряжение или постоянный ток заряда.

При хорошей освещенности аккумуляторная батарея быстро заряжается до 90% своей номинальной емкости, а затем с меньшей скоростью заряда до полной емкости. Переключение на меньшую скорость заряда производится контроллером зарядного устройства.

Наиболее эффективно использование специальных аккумуляторов – гелевых (в батарее в качестве электролита применяется серная кислота) и свинцовыех батарей, которые сделанны по AGM-технологии. Этим батареям не нужны специальные условия для установки и не требуется обслуживание. Паспортный срок службы таких батарей – 10 – 12 лет при глубине разряда не более 20%. Аккумуляторные батареи никогда не должны разряжаться ниже этого значения, иначе их срок службы резко сокращается!

Аккумулятор подсоединяется к солнечной батарее через контроллер, который контролирует ее заряд. При заряде батареи на полную мощность к солнечной батареи подключается резистор, который поглощает избыточную мощность.

Для того чтобы преобразовать постоянное напряжение от аккумуляторной батареи в переменное напряжение, которой можно использовать для питания большинства электроприемников совместно с солнечной батарей можно использовать специальные устройства – инверторы.

Без использования инвертора от солнечной батареи можно питать электроприемники, работающие на постоянном напряжении, в т.ч. различную портативную технику, энергосберегающие источники света, например, те же светодиодные лампы.

Автор: Андрей ПовныйИсточник: http://electrik.info/

Воспользуйтесь нашими услугами

Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!

integral-russia.ru

Полимерные солнечные батареи — Википедия

Полимерные солнечные батареи — разновидность солнечных батарей, которые производят электричество из солнечного света. Берет своё начало с 1992 года, когда впервые были опубликованы данные о переносе заряда с полупроводникового полимера на акцептор.[1] Относительно новая технология, активно исследуемая в университетах, национальных лабораториях и нескольких компаниях по всему миру. Демонстрируются устройства-прототипы с эффективностью конверсии энергии 11,5 %.[2]

Функциональный прототип производства Beletric OPV

Устройство полимерной солнечной батареи

Полимерные солнечные батареи обычно представляют собой послойно наложенные друг на друга тонкие пленки из полимерных материалов, выполянющие различные функции.[3] В зависимости от субстрата, толщина одной батареи может быть от 500 нанометров.[4] Так, на прозрачную полимерную основу (субстрат), покрытую проводящим слоем оксида индия-олова, служащую электродом, наносят фотоактивный слой, состоящий из электрон-акцептора и электрон-донора.[5]

Есть два типа фотоактивных слоев:

Поверх фотоактивного слоя располагается металлический электрод, кальциевый, алюминиевый или серебряный, в зависимости от архитектуры батареи. В современных образцах между фотоактивных слоем и электродами помещают дополнительные слои: электрон-проводящие или дырко-проводящие, или соответственно электрон-блокирующие и дырко-блокирующие. Расположение этих слоев относительно фотоактивного слоя определяется архитектурой батареи.[8]

Архитектура батареи бывает двух типов: прямая (стандартная) или обратная (перевернутая). В перевернутой, как следует из названия, электрические заряды экстрагируются противоположными электродами. Так, исследования показали, что у батарей стандартной архитектуры эффективность выше, чем у перевернутых, однако стабильность ниже.

Полимерная солнечная батарея стандартной архитектуры

Низкая стабильность обусловлена тем фактом, что в стандартных батареях в качестве электрода используется кальций, который быстро окисляется на воздухе до кальция оксида, который имеет худшую проводимость. В свою очередь, обратная архитектура позволяет использовать в качестве электродов серебро и золото, более устойчивые к окислению.[9]

Для улучшения экстракции электронов в перевернутых батареях часто используют прозрачные проводящие оксиды, такие как титана оксид и цинка оксид, часто в виде наночастиц или наноструктурированных пленок. В последнее время больше внимания уделяется исследованиям других слоев, способных улучшать экстракцию электронов, в том числе полимерных.

Для улучшения экстракции дырок применяются прозрачные проводящие полимеры, например смесь поли(3,4-этилендиокситиофена) и полистиролсульфоната (PEDOT:PSS) или другие проводящие оксиды с более подходящими для этого электронными уровнями, такие как ванадия оксид, молибдена оксид. В последнее время все больший интерес вызывают полупроводники на основе графена и графена оксида.

Видео по теме

Физические процессы в полимерных батареях

Поглощение света

В полимерных солнечных батареях фотоактивный слой состоит из двух типов материалов: донора и акцептора. При попадании света на поверхность батареи, донор (обычно сопряженный полимер) поглощает фотон света. Длина волны (т.е. энергия) этого фотона зависит напрямую от химической структуры донора и его организации в пленке слоя (например, кристалличности). Поглощенная энергия фотона возбуждает электрон из основного состояния в возбужденное состояние, или из верхней занятой молекулярной орбитали (англ. HOMO) до низшей свободной молекулярной орбитали (англ. LUMO).[10]

Экситон

Полученная в результате такого возбуждения квазичастица называется экситон Френкеля и состоит из дырки (то есть отсутствия электрона, положительного заряда) и возбужденного электрона (отрицательного заряда).[11] Экситон не имеет заряда и не может служить носителем, однако может перемещаться по сопряженной системе донора. В зависимости от спинового состояния экситоны могут быть синглетными и триплетными. Срок жизни синглетного экситона составляет наносекунды, а триплетного около милисекунды или больше. При определенных условиях синглетный экситон может перейти в триплет.[12]

Экситон перемещается в системе донора не далее 5-20 нм, в зависимости от вида полимера. Далее он имеет две возможности:

Диссоциировать и разделиться на отдельные положительный и отрицательный заряды, если экситон встретит на своем пути акцептор;
Распасться с излучением поглощенной энергии (путём фосфоресценции или люминесценции, в зависимости от типа экситона), если ближайшая молекула донора расположена за пределами возможной длины перемещения экситона.

Для полимерных солнечных батарей последний путь представляет собой потерю эффективности: важны только экситоны, которые могут диссоциировать. Энергия сопряжения дырки и электрона в экситоне в полимерных системах очень высока, около 0,5-1 эВ и поэтому при комнатной температуре термодинамической составляющей недостаточно, чтобы разделить экситон на заряды.[13] Поэтому для разделения экситона важны два аспекта: отсутствие порядка в системе (англ. disorder) и присутствие второго компонента, акцептора.

Низшая свободная молекулярная орбиталь акцептора должна иметь меньшую энергию, чтобы инициировать диссоциацию экситона и облегчить переход электрона на молекулы акцептора. Так, диссоциация экситона происходит на границе двух фаз: донора и акцептора, поэтому эффективность диссоциации экситонов намного выше в системах со смешанными фазами.[14] Качество границ двух фаз, так называемого интерфейса, во многом определяет эффективность батареи, в особенности силу генерируемого тока. При диссоциации экситона, электрон переходит на акцептор, а дырка остается в фазе донора.

Комплекс переноса заряда

Однако, после диссоциации дырка и электрон не являются отдельными зарядами. Они пребывают на границе раздела фаз в связанном состоянии в виде так называемого переходного комплекса или комплекса переноса заряда (англ. charge transfer complex), состоящий из электрона и дырки, все еще связанных между собой, но с меньшей энергией, чем в экситоне.[15] Такой комплекс может или разделиться окончательно под действием внутреннего поля (определяемого разницей в энергетических уровнях донора и акцептора) или же рекомбинировать (объединиться в электрон на основном уровне без выделения энергии путём излучения).[16] Подобная рекомбинация называется сдвоенной (geminate), потому что оба рекомбинирующих партнера имеют общее происхождение (из одного и того же экситона).

Транспорт электронов

Если же электрону и дырке удалось разделиться, то они перемещаются до электродов, где экстрагируются соответствующими электродами. Электрон перемещается по фазе акцептора до катода, а дырка – по фазе донора до анода. Если на своем пути отдельные заряды встречают противоположный заряд, который не попал к электроду по каким-то причинам, то они также рекомбинируют.[17] Такая рекомбинация называется не-сдвоенная, потому что рекомбинирующие электрон и дырка имеют различное происхождения (из разных экситонов). Рекомбинация зарядов является одним из факторов, ограничивающих эффективность солнечных батарей, так как рекомбинированные заряды не могут быть экстрагированы.[18]

Поскольку для успешного транспорта зарядов каждая фаза должна быть непрерывной во всем фотоактивном слое, чтобы заряд беспрепятственно добрался до электродов, наилучшая экстракция наблюдается в батареях, где слой акцептора нанесен на слой донора без перемешивания. Однако для диссоциации экситонов такой подход неэффективен из-за маленькой границы раздела фаз.

Так, оптимальная морфология фотоактивного слоя представляет собой компромисс между транспортом электронов и диссоциацией экситонов на границе фаз. Оптимальная морфология слоя зависит от большого числа факторов: химической структуры донора и акцептора, их термических свойств, температуры и растворителя, а также метода получения слоя.[19][20][21]

Сравнение с кремниевыми батареями

В сравнении с устройствами, основанными на кремниевой технологии, полимерные солнечные батареи легки (что важно для автономных датчиков малых размеров), доступны, недороги в производстве, гибки, оказывают незначительное влияние на окружающую среду, однако энергетический выход едва достигает одной четверти обычных кремниевых солнечных батарей.[22][23] Полимерные солнечные батареи также страдают значительным эффектом деградации: их эффективность снижается под воздействием окружающей среды. Хорошие защитные покрытия до сих пор не разработаны.

Открытым вопросом остаётся степень коммерческой конкуренции с кремниевыми солнечными батареями. Несмотря на то, что полимерные ячейки относительно дёшевы в производстве, индустрия кремниевых солнечных батарей имеет важное промышленное преимущество, будучи способной использовать кремниевую инфраструктуру, развитую для компьютерной индустрии. Однако, производители солнечных батарей находятся в невыгодном положении, поскольку вынуждены конкурировать с более крупной компьютерной индустрией в снабжении высококачественным кремнием.

Эффективность остаётся проблемой для этого типа технологии. Традиционные кремниевые батареи достигают эффективности 20 % и более. Наивысшая эффективность достигнута для солнечных батарей, используемых для питания космических спутников. Такие батареи демонстрируют эффективность до 40 %, что, соответственно, в два раза выше, чем имеют «наземные» батареи.

Другие солнечные батареи третьего поколения

См. также

Ссылки

↑ N.S. Sariciftci, L. Smilowitz, A.J. Heeger,F. Wudl, Photoinduced Electron Transfer from Conducting Polymers onto Buckminsterfullerene, Science 258, (1992) 1474
↑ NREL Таблица эффективности солнечных батарей Архивировано 19 июля 2015 года.
↑ Polymer-Solar-Cells
↑ Scientists develop ultra-thin solar cells
↑ The layer stack
↑ Yu, G.; Pakbaz, K.; Heeger, A. J. Appl. Phys. Lett. 1994, 64 (25), 3422–3424.
↑ Мир современных материалов - Перспективная альтернатива: полимерные солнечные батареи
↑ Litzov I., Brabec C.Development of Efficient and Stable Inverted Bulk Heterojunction (BHJ) Solar Cells Using Different Metal Oxide Interfaces. Materials 2013, 6, 5796-5820
↑ Electrodes
↑ How do polymer solar cells work
↑ Улавливание лучей: органические солнечные батареи делают прыжок вперед
↑ Энергию можно передавать с помощью триплетных экситонов
↑ Экситон
↑ Ориентация молекул определяет эффективность органических солнечных батарей
↑ M. C.; Sariciftci, N. S. Prog. Polym. Sci. 2013, 38 (12), 1929–1940. Open Access
↑ 11.3. Генерация и рекомбинация в полупроводниках и диэлектриках
↑ Генерация носителей заряда.
↑ Процессы рекомбинации неравновесных носителей тока в полупроводниках
↑ Более эффективные солнечные батареи
↑ Органические солнечные батареи
↑ Раскрыт секрет повышения эффективности солнечных элементов
↑ Полимерные солнечные батареи
↑ Разбираемся в многообразии видов солнечных панелей

wikipedia.green

Сравнительный обзор различных видов солнечных батарей

Альтернативная энергетика максимально развивается в Европе, показывая результатами свою перспективность. Появляются новые виды солнечных батарей, растет их КПД.

При желании обеспечить работу промышленного здания или жилого помещения за счет энергии солнца необходимо предварительно разобраться в отличиях оборудования, ведь для различных климатических зон используются разные типы солнечных панелей.

Содержание статьи:

Принцип работы солнечных панелей

Подавляющее большинство солнечных панелей являются в физическом смысле фотоэлектрическими преобразователями. Электрогенерирующий эффект возникает в месте полупроводникового p-n перехода.

Именно кремниевые пластины составляют основу себестоимости солнечных панелей, но при их использовании в качестве круглосуточного источника электроэнергии придется дополнительно купить дорогостоящие аккумуляторные батареи

Панель состоит из двух кремниевых пластин с различными свойствами. Под действием света в одной из них возникает недостаток электронов, а в другой – их избыток. Каждая пластина имеет токоотводящие полоски из меди, которые подсоединяются к преобразователям напряжения. Промышленная солнечная панель состоит из множества ламинированных фотоэлектрических ячеек, скрепленных между собой и закрепленных на гибкой или жесткой подложке.

КПД оборудования зависит во многом от чистоты кремния и ориентации его кристаллов. Именно эти параметры пытаются улучшить инженеры последние десятилетия. Основной проблемой при этом является высокая стоимость процессов, которые лежат в основе очищения кремния и расположения кристаллов в одном направлении на всей панели.

Ежегодно максимальные КПД различных солнечных панелей изменяются в большую сторону, потому что в исследования новых фотогальванических материалов вкладываются миллиарды долларов

Полупроводники фотоэлектрических преобразователей могут изготавливаться не только из кремния, но и из других материалов. Принцип их работы при этом не изменяется.

Типы фотоэлектрических преобразователей

Классифицируют промышленные солнечные панели по их конструкционным особенностям и типу рабочего фотоэлектрического слоя. Различают такие виды батарей по типу устройства:

гибкие;
жесткие.

Гибкие тонкопленочные солнечные панели постепенно занимают всё большую нишу на рынке благодаря своей монтажной универсальности, ведь установить их можно на большинстве поверхностей с разнообразными архитектурными формами.

Реальные характеристики солнечных панелей обычно ниже, чем указанные в инструкции. Поэтому перед их установкой дома желательно самому увидеть похожий реализованный проект

По типу рабочего фотоэлектрического слоя солнечные батареи разделяются на такие разновидности:

Кремниевые:
- монокристаллические;
- поликристаллические;
- аморфные.
Теллурий-кадмиевые.
На основе селенида индия- меди-галлия.
Полимерные.
Органические.
На основе арсенида галлия.
Комбинированные и многослойные.

Интерес для широкого потребителя представляют не все типы солнечных панелей, а только лишь первые два кристаллических подвида. Хотя некоторые другие типы панелей и имеют большие КПД, но из-за высокой стоимости они не получили широкого распространения.

Галерея изображений

Фото из

Массив монокристаллических солнечных фотоэлементов

Солнечная панель на основе поликристаллов кремния

Солнечная панель в виде пленки

Фотогальванические элементы из селенида индия-меди-галлия

Фотоэлемент на основе арсенида галлия

Солнечные панели со слоем теллурида кадмия

Производство органических солнечных панелей

Солнечная батарея из полиэфира

Кремниевые фотоэлектрические элементы довольно чувствительны к нагреву. Базовая температура для измерения электрогенерации составляет 25 °C. При её повышении на один градус эффективность панелей снижается на 0,45-0,5%.

Далее будут подробно рассмотрены солнечные панели, которые представляют наибольший потребительский интерес.

Характеристики панелей на основе кремния

Кремний для солнечных батарей изготавливают из кварцевого порошка — размолотых кристаллов кварца. Богатейшие залежи сырья есть в Западной Сибири и Среднем Урале, поэтому перспективы данного направления солнечной энергетики практически безграничны. Даже сейчас кристаллические и аморфные кремниевые панели занимают уже более 80% рынка. Поэтому стоит рассмотреть их более подробно.

Монокристаллические кремниевые панели

Современные монокристаллические кремниевые пластины (mono-Si) имеют равномерный темно-синий цвет по всей поверхности. Для их производства используется наиболее чистый кремний. Монокристаллические фотоэлементы среди всех кремниевых пластин имеют самую высокую цену, но обеспечивают и наилучший КПД.

Большие монокристаллические солнечные панели с поворотными механизмами идеально вписываются в пустынные пейзажи. Там обеспечиваются условия для максимальной производительности

Высокая стоимость производства обусловлена сложностью ориентации всех кристаллов кремния в одном направлении. Из-за таких физических свойств рабочего слоя максимальный КПД обеспечивается только лишь при перпендикулярном падении солнечных лучей на поверхность пластины.

Монокристаллические батареи требуют дополнительного оборудования, которое автоматически поворачивает их в течение дня, чтобы плоскость панелей была максимально перпендикулярна солнечным лучам.

Слои кремния с односторонне ориентированными кристаллами вырезаются из цилиндрического бруска металла, поэтому готовые фотоэлектрические блоки имеют вид закруглённого по углам квадрата.

К преимуществам монокристаллических кремниевых батарей относят:

Высокий КПД со значением 17-25%.
Меньшая площадь размещения оборудования из расчета на единицу мощности, в сравнении с поликристаллическими кремниевыми панелями.
Достаточная эффективность генерации электроэнергии обеспечивается до 25 лет.

Недостатков у таких батарей всего два:

Высокая стоимость и длительная окупаемость.
Чувствительность к загрязнению. Пыль рассеивает свет, поэтому у покрытых ею солнечных панелей резко снижается КПД.

Из-за потребности в прямых солнечных лучах монокристаллические солнечные панели устанавливаются в основном на открытых площадках или на высоте. Чем ближе местность к экватору и чем больше в ней солнечных дней, тем более предпочтительна установка именно этого типа фотоэлектрических элементов.

Поликристаллические солнечные батареи

Поликристаллические кремниевые панели (multi-Si) имеют неравномерный по интенсивности синий окрас из-за разносторонней ориентированности кристаллов. Чистота кремния, используемого при их производстве, несколько ниже, чем у монокристаллических аналогов.

Разнонаправленность кристаллов обеспечивает высокий КПД при рассеянном свете – 12-18%. Он ниже, чем в однонаправленных кристаллах, но в условиях пасмурной погоды такие панели оказываются более эффективны.

Неоднородность материала приводит и к снижению себестоимости производства кремния. Очищенный металл для поликристаллических солнечных панелей без особых ухищрений заливается в формы. На производстве используются специальные технические приемы для формирования кристаллов, однако их направленность не контролируется. После остывания кремний нарезают слоями и обрабатывают по специальному алгоритму.

Поликристаллические панели не требуют постоянной ориентации в сторону солнца, поэтому для их размещения активно используются крыши домов и промышленных зданий.

Днем при легкой облачности преимуществ солнечных панелей из аморфного кремния заметно не будет, их достоинства раскрываются только при плотных тучах или в тени

К достоинствам солнечных батарей с разнонаправленными кристаллами относят:

Высокая эффективность в условиях рассеянного света.
Возможность стационарного закрепления на крышах зданий.
Меньшая стоимость по сравнению с монокристаллическими панелями.
Падение эффективности через 20 лет эксплуатации составляет всего 15-20%.

Недостатки у поликристаллических панелей также имеются:

Пониженный КПД со значением 12-18%.
Требуется больше пространства для установки из расчета на единицу мощности в сравнении с монокристаллическими аналогами.

Поликристаллические солнечные панели завоевывают всё большую рыночную долю среди других кремниевых батарей. Это обеспечивается широкими потенциальными возможностями для удешевления стоимости их производства. Ежегодно увеличивается и КПД таких панелей, стремительно приближаясь к 20% у массовых продуктов.

Солнечные панели из аморфного кремния

Механизм производства солнечных панелей из аморфного кремния принципиально отличается от изготовления кристаллических фотоэлектрических элементов. Здесь используется не чистый неметалл, а его гидрид, горячие пары которого осаждаются на подложку. В результате такой технологии классические кристаллы не образуются, а затраты на производство резко снижаются.

Фотоэлементы из осажденного аморфного кремния можно закреплять как на гибкой полимерной подложке, так и на жестком стеклянном листе

На данный момент существует уже три поколения панелей из аморфного кремния, в каждом из которых заметно повышается КПД. Если первые фотоэлектрические модули имели эффективность 4-5%, то сейчас на рынке массово продаются модели второго поколения с КПД 8-9%. Аморфные панели последней разработки имеют эффективность до 12% и уже начинают появляться в продаже, но они пока ещё достаточно дорогие.

За счет особенностей данной производственной технологии создать слой кремния можно как на жесткой, так и на гибкой подложке. Из-за этого модули из аморфного кремния активно используются в гибких тонкоплёночных солнечных модулях. Но варианты с эластичной подложкой стоят намного дороже.

Физико-химическая структура аморфного кремния позволяет максимально поглощать фотоны слабого рассеянного света для генерации электроэнергии. Поэтому такие панели удобны для применения в северных районах с большими свободными площадями. Не снижается эффективность батарей на основе аморфного кремния и при высокой температуре, хотя они и уступают по этому параметру панелям из арсенида галлия.

При одинаковой стоимости оборудования солнечные панели из гидрида кремния показывают большую производительность, чем их моно- и поликристаллические аналоги

Подытоживая, можно указать такие преимущества аморфных солнечных панелей:

Возможность изготовления гибких и тонких панелей.
Высокий КПД при рассеянном свете.
Установка батарей на любые архитектурные формы.
Стабильная работа при высоких температурах.
Простота и надежность конструкции. Такие панели практически не ломаются.
Меньшее падение производительности при запыленности поверхности, чем у кристаллических аналогов

Срок службы таких фотоэлектрических элементов, начиная со второго поколения, составляет 20-25 лет при падении мощности в 15-20%. К недостаткам панелей из аморфного кремния можно отнести лишь потребность в бо́льших площадях для размещения оборудования требуемой мощности.

Обзор бескремниевых устройств

Некоторые солнечные панели, изготовленные с применением редких и дорогостоящих металлов, имеют КПД более 30%. Они в разы дороже своих кремниевых аналогов, но всё-таки заняли высокотехнологичную торговую нишу, благодаря своим особенным характеристикам.

Солнечные панели из редких металлов

Существует несколько типов солнечных панелей из редких металлов, и не все они имеют КПД выше, чем у монокристаллических кремниевых модулей. Однако способность работать в экстремальных условиях позволяет производителям таких солнечных панелей выпускать конкурентоспособную продукцию и проводить дальнейшие исследования.

Панели из теллурида кадмия активно используются при облицовке зданий в экваториальных и аравийских странах, где их поверхность нагревается днем до 70-80 градусов

Основными сплавами, применяемыми для изготовления фотоэлектрических элементов, являются теллурид кадмия (CdTe), селенид индия- меди-галлия (CIGS) и селенид индия-меди (CIS). Кадмий – токсический металл, а индий, галлий и теллур являются довольно редкими и дорогостоящими, поэтому массовое производство солнечных панелей на их основе даже теоретически невозможно.

КПД таких панелей находится на уровне 25-35%, хотя в исключительных случаях может доходить до 40%. Ранее их применяли в основном в космической отрасли, а сейчас появилось новое перспективное направление.

Из-за стабильной работы фотоэлементов из редких металлов при температурах 130-150°C их используют в солнечных тепловых электростанциях. При этом лучи солнца от десятков или сотен зеркал концентрируются на небольшой панели, которая одновременно генерирует электроэнергию и обеспечивает передачу тепловой энергии водяному теплообменнику.

В результате нагрева воды образуется пар, который заставляет вращаться турбину и генерировать электроэнергию. Таким образом солнечная энергия преобразуется в электрическую одновременно двумя путями с максимальной эффективностью.

Полимерные и органические аналоги

Фотоэлектрические модули на основе органических и полимерных соединений начали разрабатывать только в последнем десятилетии, но исследователи уже добились значительных успехов. Наибольший прогресс демонстрирует европейская компания Heliatek, которая уже оснастила органическими солнечными панелями несколько высотных зданий. Толщина её рулонной пленочной конструкции типа HeliaFilm составляет всего 1 мм.

При производстве полимерных панелей используются такие вещества, как углеродные фуллерены, фталоцианин меди, полифенилен и другие. КПД таких фотоэлементов уже достигает 14-15%, а стоимость производства в разы меньше, чем кристаллических солнечных панелей.

Остро стоит вопрос срока деградации органического рабочего слоя. Пока что достоверно подтвердить уровень его КПД через несколько лет эксплуатации не представляется возможным.

Преимуществами органических солнечных панелей являются:

возможность экологически безопасной утилизации;
дешевизна производства;
гибкая конструкция.

К недостаткам таких фотоэлементов можно отнести относительно низкий КПД и отсутствие достоверной информации о сроках стабильной работы панелей. Возможно, что через 5-10 лет все минусы органических солнечных фотоэлементов исчезнут, и они станут серьезными конкурентами для кремниевых пластин.

Какую солнечную панель выбрать?

Выбор солнечных панелей для загородных домов на широте 45-60 ° не труден. Здесь стоит рассматривать лишь два варианта: поликристаллические и монокристаллические кремниевые панели. При дефиците места предпочтение лучше отдать более эффективным моделям с односторонней ориентацией кристаллов, при неограниченной площади рекомендуется приобрести поликристаллические батареи.

Ориентироваться на прогнозы аналитических компаний развития рынка солнечных панелей не стоит, ведь лучшие их образцы, возможно, ещё не изобретены

Выбирать конкретного производителя, требуемую мощность и дополнительное оборудование лучше при участии менеджеров компаний, занимающихся продажей и установкой такого оборудования. Следует знать, что качество и цена фотоэлектрических модулей у крупнейших производителей отличаются мало.

Следует учитывать, что при заказе комплекта оборудования «под ключ», стоимость самих солнечных панелей будет составлять всего лишь 30-40% от общей суммы. Сроки окупаемости таких проектов составляют 5-10 лет, и зависят от уровня энергопотребления и возможности продажи излишков электроэнергии в городскую сеть.

Выводы и полезное видео по теме

Представленные видеоролики показывают работу различных солнечных панелей в реальных условиях. Также они помогут разобраться в вопросах выбора сопутствующего оборудования.

Правила выбора солнечных панелей и сопутствующего оборудования:

Виды солнечных панелей:

Тестирование монокристаллической и поликристаллической панелей:

Для населения и небольших промышленных объектов реальной альтернативы кристаллическим кремниевым панелям пока что нет. Но темпы разработки новых типов солнечных батарей позволяют надеяться, что в ближайшие десятилетия энергия солнца станет главным источником электроэнергии во многих загородных домах и дачах.

sovet-ingenera.com