Ηλιακά κύτταρα λεπτής μεμβράνης

Έως και το 85% των ηλιακών κυψελών στην αγορά σήμερα είναι κρυσταλλικές ηλιακές μονάδες. Ωστόσο, οι ειδικοί διαβεβαιώνουν ότι η τεχνολογία λεπτής μεμβράνης για την παραγωγή ηλιακών κυψελών αποδεικνύεται πιο αποτελεσματική και ως εκ τούτου η πιο πολλά υποσχόμενη από τις ήδη γνωστές κρυσταλλικές μονάδες.

Το κύριο πλεονέκτημα της τεχνολογίας λεπτής μεμβράνης είναι το χαμηλό της κόστος, γι' αυτό και έχει κάθε ευκαιρία να γίνει ηγέτης τα επόμενα χρόνια. Οι μονάδες της νέας βάσης κάνουν τους ηλιακούς συλλέκτες ευέλικτους, με την κυριολεκτική έννοια της λέξης. Είναι ελαφριά και εύκαμπτα, γεγονός που σας επιτρέπει να τοποθετείτε τέτοιες μπαταρίες κυριολεκτικά σε οποιαδήποτε επιφάνεια, συμπεριλαμβανομένης της επιφάνειας των ρούχων.

Οι εύκαμπτες ηλιακές κυψέλες βασίζονται σε φιλμ πολυμερών, άμορφο πυρίτιο, αλουμίνιο, τελλουρίδιο καδμίου και άλλους ημιαγωγούς, που χρησιμοποιούνται ήδη στην παραγωγή φορητών φορτιστών για κινητά τηλέφωνα, φορητούς υπολογιστές, tablet, βιντεοκάμερες και άλλα gadget, με τη μορφή μικρών αναδιπλούμενων ηλιακά κύτταρα. Αλλά εάν απαιτείται περισσότερη ισχύς, τότε η περιοχή της μονάδας θα πρέπει να είναι μεγαλύτερη.

Τα πρώτα δείγματα ηλιακών κυψελών λεπτής μεμβράνης κατασκευάστηκαν με άμορφο πυρίτιο που εναποτέθηκε σε ένα υπόστρωμα και η απόδοση ήταν μόνο 4 έως 5% και η διάρκεια ζωής δεν ήταν μεγάλη. Το επόμενο βήμα της ίδιας τεχνολογίας ήταν η αύξηση της απόδοσης στο 8% και η παράταση της διάρκειας ζωής, έγινε συγκρίσιμη με τους προκατόχους της από κρύσταλλο. Τέλος, η τρίτη γενιά μονάδων λεπτής μεμβράνης είχε ήδη απόδοση 12%, που αποτελεί ήδη σημαντική πρόοδο και ανταγωνιστικότητα.

Το σεληνιούχο χαλκό ινδίου και το τελλουρίδιο του καδμίου που χρησιμοποιούνται εδώ κατέστησαν δυνατή τη δημιουργία εύκαμπτων ηλιακών κυψελών και φορητών φορτιστών με απόδοση έως και 10%, και αυτό είναι ήδη ένα σημαντικό επίτευγμα, δεδομένου ότι οι φυσικοί αγωνίζονται για κάθε επιπλέον ποσοστό απόδοσης. Τώρα ας ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά στο πώς κατασκευάζονται οι μπαταρίες λεπτής μεμβράνης.

Όσον αφορά το τελλουρίδιο του καδμίου, άρχισε να μελετάται ως υλικό που απορροφά το φως στη δεκαετία του 1970, όταν ήταν απαραίτητο να βρεθεί η καλύτερη επιλογή για χρήση στο διάστημα. Μέχρι σήμερα, το τελλουρίδιο του καδμίου παραμένει το πιο πολλά υποσχόμενο για τα ηλιακά κύτταρα. Ωστόσο, το ζήτημα της τοξικότητας του καδμίου παραμένει ανοιχτό για αρκετό καιρό.

Ως αποτέλεσμα της έρευνας, αποδείχθηκε ότι ο κίνδυνος είναι ελάχιστος, το επίπεδο του καδμίου που απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα δεν είναι επικίνδυνο. Η απόδοση είναι 11%, ενώ η τιμή ανά watt είναι κατά ένα τρίτο χαμηλότερη από αυτή των αναλόγων πυριτίου.

Τώρα για το σεληνίδιο του ινδίου χαλκού. Μια σημαντική ποσότητα ινδίου χρησιμοποιείται σήμερα για τη δημιουργία επίπεδων οθονών, επομένως το ίνδιο αντικαθίσταται από το γάλλιο, το οποίο έχει τις ίδιες ιδιότητες για ηλιακή ενέργεια… Οι μπαταρίες φιλμ σε αυτή τη βάση επιτυγχάνουν απόδοση 20%.

Πρόσφατα, άρχισαν να αναπτύσσονται πολυμερή πάνελ.Εδώ, οι οργανικοί ημιαγωγοί χρησιμεύουν ως υλικά που απορροφούν το φως: φουλλερένια άνθρακα, πολυφαινυλένιο, φθαλοκυανίνη χαλκού κ.λπ. Το πάχος του ηλιακού στοιχείου είναι 100 nm, αλλά η απόδοση είναι μόνο 5 έως 6%. Ταυτόχρονα όμως, το κόστος παραγωγής είναι αρκετά χαμηλό, οι ταινίες είναι προσιτές, ελαφριές και απολύτως φιλικές προς το περιβάλλον. Για το λόγο αυτό, τα πάνελ ρητίνης είναι δημοφιλή όπου η φιλικότητα προς το περιβάλλον και η μηχανική ευελιξία είναι σημαντικές.

Έτσι η απόδοση των ηλιακών κυψελών λεπτής μεμβράνης που κατασκευάζονται σήμερα:

• Μονό κρύσταλλο — από 17 έως 22%.

• Πολυκρύσταλλο — από 12 έως 18%.

• Άμορφο πυρίτιο — 5 έως 6%.

• Τελλουρίδιο του καδμίου — από 10 έως 12%.

• Σεληνίδιο χαλκού-ινδίου — από 15 έως 20%.

• Οργανικά πολυμερή — 5 έως 6%.

Ποια είναι τα χαρακτηριστικά των μπαταριών λεπτής μεμβράνης; Πρώτα απ 'όλα, αξίζει να σημειωθεί η υψηλή απόδοση των μονάδων ακόμη και σε διάχυτο φως, που δίνει έως και 15% περισσότερη ισχύ κατά τη διάρκεια του έτους σε σύγκριση με τα κρυσταλλικά ανάλογα. Ακολουθεί το πλεονέκτημα του κόστους κατασκευής. Σε συστήματα υψηλής ισχύος, από 10 kW, οι μονάδες λεπτής μεμβράνης παρουσιάζουν μεγαλύτερη απόδοση, αν και απαιτείται 2,5 φορές μεγαλύτερη επιφάνεια.

Έτσι, μπορούμε να ονομάσουμε τις συνθήκες κατά τις οποίες οι μονάδες λεπτής μεμβράνης αποκτούν δικαιολογημένο πλεονέκτημα. Σε περιοχές με κυρίως συννεφιασμένο καιρό, οι μπαταρίες λεπτής μεμβράνης θα λειτουργούν αποτελεσματικά (διάχυτο φως). Για περιοχές με ζεστά κλίματα, οι λεπτές μεμβράνες είναι πιο αποτελεσματικές (λειτουργούν εξίσου αποτελεσματικά σε υψηλές θερμοκρασίες όσο και σε χαμηλές θερμοκρασίες). Δυνατότητα χρήσης ως διακοσμητικές σχεδιαστικές λύσεις για φινίρισμα προσόψεων κτιρίων. Η διαφάνεια έως και 20% είναι δυνατή, κάτι που παίζει και πάλι στα χέρια των σχεδιαστών.

Εν τω μεταξύ, το 2008, η αμερικανική εταιρεία Solyndra πρότεινε την τοποθέτηση μπαταριών λεπτής μεμβράνης σε κυλίνδρους, όπου ένα στρώμα φωτοκυττάρου εφαρμόζεται σε έναν γυάλινο σωλήνα που τοποθετείται μέσα σε έναν άλλο σωλήνα εξοπλισμένο με ηλεκτρικές επαφές. Τα υλικά που χρησιμοποιούνται είναι χαλκός, σελήνιο, γάλλιο, ίνδιο.

Ο κυλινδρικός σχεδιασμός επιτρέπει την απορρόφηση περισσότερου φωτός και ένα σετ 40 κυλίνδρων χωράει ανά μέτρο δύο πάνελ. Το αποκορύφωμα εδώ είναι ότι η λευκή επίστρωση οροφής συμβάλλει στην υψηλή απόδοση μιας τέτοιας λύσης, γιατί τότε λειτουργούν και οι ανακλώμενες ακτίνες, προσθέτοντας το 20% της ενέργειάς τους. Επιπλέον, τα κυλινδρικά σετ είναι ανθεκτικά ακόμη και σε ισχυρούς ανέμους με ριπές έως και 55 m / s.

Τα περισσότερα ηλιακά κύτταρα που κατασκευάζονται σήμερα περιέχουν μόνο μία διασταύρωση pn και τα φωτόνια με ενέργεια μικρότερη από το διάκενο ζώνης απλά δεν συμμετέχουν στη δημιουργία. Στη συνέχεια, οι επιστήμονες βρήκαν έναν τρόπο για να ξεπεράσουν αυτόν τον περιορισμό, αναπτύχθηκαν στοιχεία καταρράκτη μιας πολυστρωματικής δομής, όπου κάθε στρώμα έχει το δικό του πλάτος ζώνης, δηλαδή, κάθε στρώμα έχει μια ξεχωριστή διασταύρωση pn με μια μεμονωμένη τιμή της ενέργειας της απορροφούμενης φωτόνια.

Το ανώτερο στρώμα σχηματίζεται από ένα κράμα που βασίζεται σε υδρογονωμένο άμορφο πυρίτιο, το δεύτερο - ένα παρόμοιο κράμα με την προσθήκη γερμανίου (10-15%), το τρίτο - με την προσθήκη 40 έως 50% γερμανίου. Έτσι, κάθε διαδοχικό στρώμα έχει ένα διάκενο στενότερο από αυτό του προηγούμενου στρώματος και τα μη απορροφημένα φωτόνια στα ανώτερα στρώματα απορροφώνται από τα υποκείμενα στρώματα του φιλμ.

Σε αυτή την προσέγγιση, το κόστος της παραγόμενης ενέργειας μειώνεται στο μισό σε σύγκριση με τις παραδοσιακές κυψέλες κρυσταλλικού πυριτίου. Ως αποτέλεσμα, επιτεύχθηκε απόδοση 31% με ένα φιλμ τριών περασμάτων και ένα φιλμ πέντε περασμάτων υπόσχεται το σύνολο του 43%.

Πρόσφατα, ειδικοί από το Κρατικό Πανεπιστήμιο της Μόσχας ανέπτυξαν ηλιακά κύτταρα τύπου ρολού που βασίζονται σε ένα πολυμερές που εφαρμόζεται σε ένα εύκαμπτο υπόστρωμα οργανικού υλικού. Η απόδοση αποδείχθηκε ότι ήταν μόνο 4%, αλλά τέτοιες μπαταρίες μπορούν να λειτουργήσουν ακόμη και στους + 80 ° C για 10.000 ώρες. Οι μελέτες αυτές δεν έχουν ακόμη ολοκληρωθεί.

Ελβετοί επιστήμονες πέτυχαν απόδοση 20,4% σε πολυμερή βάση και ως ημιαγωγοί χρησιμοποιήθηκαν ίνδιο, χαλκός, σελήνιο και γάλλιο. Σήμερα, αυτό είναι ένα ρεκόρ για στοιχεία σε ένα λεπτό φιλμ πολυμερούς.

Στην Ιαπωνία, πέτυχαν απόδοση 19,7% σε παρόμοιους (ίνδιο, σελήνιο, χαλκό) εναποτιθέμενους ημιαγωγούς διασκορπισμού. Και στην Ιαπωνία άρχισαν να παράγουν ηλιακό ύφασμα, υφασμάτινα ηλιακά πάνελ αναπτύχθηκαν χρησιμοποιώντας κυλινδρικά στοιχεία διαμέτρου περίπου 1,2 χιλιοστών προσαρτημένα στο ύφασμα. Στις αρχές του 2015 σχεδίαζαν να ξεκινήσουν την παραγωγή ρούχων και σκίαστρων σε αυτή τη βάση.

Είναι προφανές ότι οι ηλιακοί συλλέκτες λεπτής μεμβράνης θα γίνουν επιτέλους γενικά διαθέσιμοι στον πληθυσμό στο εγγύς μέλλον.Δεν είναι τυχαίο που γίνονται τόσες έρευνες σε όλο τον κόσμο προκειμένου να μειωθεί το κόστος.