Ανάπτυξη Τεχνολογίας Ηλιακών Φωτοβολταϊκών
Με την πρόοδο της τεχνολογίας και την επέκταση της βιομηχανικής κλίμακας, το κόστος παραγωγής ενέργειας από φωτοβολταϊκά θα μειωθεί περαιτέρω και θα γίνει μία από τις σημαντικές πηγές ενέργειας για τη βιώσιμη ανάπτυξη στο μέλλον.
Βασικά Στοιχεία Φωτοβολταϊκής Τεχνολογίας
Το βασικό στοιχείο της τεχνολογίας παραγωγής φωτοβολταϊκών ενέργειας είναι το ηλιακό φωτοβολταϊκό στοιχείο. Η ανάπτυξη των ηλιακών φωτοβολταϊκών κυττάρων μπορεί να χωριστεί χονδρικά σε τρεις γενιές. Η πρώτη γενιά είναι ηλιακά κύτταρα με βάση το πυρίτιο· η δεύτερη γενιά είναι ηλιακά κύτταρα λεπτής μεμβράνης· νέες τεχνολογίες όπως κυψέλες συγκέντρωσης υψηλής ισχύος, οργανικές ηλιακές κυψέλες, εύκαμπτες ηλιακές κυψέλες και νανοηλιακά κύτταρα ευαισθητοποιημένες με βαφή αναφέρονται συλλογικά ως ηλιακά κύτταρα τρίτης γενιάς.
Επί του παρόντος, το κύριο ρεύμα είναι η πρώτη γενιά ηλιακών κυψελών πυριτίου και το μερίδιο αγοράς των κυψελών λεπτής μεμβράνης επεκτείνεται σταδιακά.Εκτός από τις κυψέλες συγκέντρωσης υψηλής ισχύος, οι περισσότερες κυψέλες τρίτης γενιάς βρίσκονται ακόμη στο στάδιο της εργαστηριακής έρευνας και ανάπτυξης .
Φωτοβολταικά – Ανάπτυξη Τεχνολογίας Ηλιακών Φωτοβολταϊκών
Ηλιακά κύτταρα πυριτίου
Μεταξύ των ηλιακών κυψελών πυριτίου, η τεχνολογία μονοκρυσταλλικού πυριτίου είναι η πιο ώριμη. Η αποτελεσματικότητα και το κόστος τέτοιων κυψελών επηρεάζονται κυρίως από τις διαδικασίες κατασκευής τους. Η διαδικασία κατασκευής χωρίζεται κυρίως σε διάφορα στάδια, όπως χύτευση πλινθωμάτων, τεμαχισμός, διάχυση, υφή, μεταξοτυπία και πυροσυσσωμάτωση. Η απόδοση φωτοηλεκτρικής μετατροπής των ηλιακών κυψελών που παράγονται από αυτή την κοινή διαδικασία είναι γενικά 16%-18%.
Η απόδοση μετατροπής των ηλιακών κυψελών μονοκρυσταλλικού πυριτίου είναι η υψηλότερη, αλλά το κόστος είναι επίσης υψηλότερο. Τα ηλιακά κύτταρα πολυκρυσταλλικού πυριτίου μπορούν να μειώσουν το κόστος πολύ καλά. Το πλεονέκτημα είναι ότι μπορούν να κατασκευαστούν απευθείας τετράγωνα πλινθώματα πυριτίου μεγάλου μεγέθους κατάλληλα για παραγωγή μεγάλης κλίμακας. Ο εξοπλισμός είναι σχετικά απλός, επομένως η διαδικασία κατασκευής είναι απλή, εξοικονόμηση ενέργειας και υλικό πυριτίου Οι απαιτήσεις σε υλικά είναι επίσης σχετικά χαμηλές.
Εκτός από τη μείωση του κόστους των υλικών και του κόστους των ηλιακών κυψελών, επιτυγχάνεται κυρίως μέσω δύο πτυχών: η μία είναι η μείωση των αναλώσιμων, όπως η μείωση του πάχους των πλακών πυριτίου· η άλλη είναι η βελτίωση της απόδοσης μετατροπής. Οι τρόποι βελτίωσης της απόδοσης περιλαμβάνουν τις ακόλουθες πτυχές: Η πρώτη είναι η αύξηση της απορρόφησης του φωτός, όπως η υφή της επιφάνειας, η προετοιμασία αντιανακλαστικών στρωμάτων και η μείωση του πλάτους του μπροστινού ηλεκτροδίου. Το δεύτερο είναι να μειωθεί ο ανασυνδυασμός των φωτογεννημένων φορέων και να βελτιωθεί η χρήση φωτονίων, όπως η τεχνολογία παθητικοποίησης εκπομπών. Το τρίτο είναι να μειωθεί η αντίσταση και να αυξηθεί η απορρόφηση του φωτορεύματος από το ηλεκτρόδιο, όπως το ντόπινγκ διαχωρισμού και η τεχνολογία οπίσθιου ηλεκτρικού πεδίου.
Το τρέχον ρεκόρ για την απόδοση φωτοηλεκτρικής μετατροπής ηλιακών κυψελών μονοκρυσταλλικού πυριτίου είναι 24,7% που δημιουργήθηκε από τα ηλιακά κύτταρα δομής PERL του Πανεπιστημίου της Νέας Νότιας Ουαλίας. Τα τεχνικά χαρακτηριστικά του περιλαμβάνουν: χαμηλή συγκέντρωση ντόπινγκ φωσφόρου στην επιφάνεια του πυριτίου για μείωση του ανασυνδυασμού της επιφάνειας και αποφυγή της ύπαρξης επιφανειακών «νεκρών στρωμάτων»· τοπικά υψηλής συγκέντρωσης διάχυση κάτω από τα ηλεκτρόδια της μπροστινής και της πίσω επιφάνειας για μείωση του ανασυνδυασμού της περιοχής του ηλεκτροδίου και σχηματίζουν μια καλή ωμική επαφή· το ηλεκτρόδιο της μπροστινής επιφάνειας στενεύει με τη διαδικασία φωτολιθογραφίας για να αυξηθεί η περιοχή απορρόφησης φωτός· το ηλεκτρόδιο της μπροστινής επιφάνειας υιοθετεί έναν συνδυασμό περισσότερων ταιριασμένων μετάλλων όπως τιτάνιο, παλλάδιο και ασήμι για να μειώσει την αντίσταση επαφής μεταξύ του ηλεκτροδίου και πυρίτιο· η μπροστινή και η πίσω επιφάνεια της μπαταρίας είναι κατασκευασμένες από SiO2 και μεθόδους σημειακής επαφής για τη μείωση του επιφανειακού ανασυνδυασμού των κυττάρων. Ωστόσο, η τεχνολογία δεν έχει ακόμη βιομηχανοποιηθεί.
Εκτός από την τεχνολογία PERL, άλλες τεχνολογίες μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για τη βελτίωση της απόδοσης μετατροπής. Όπως το επιφανειακό αυλακωτό στοιχείο σουέτ και το πίσω ηλεκτρόδιο (EWT) της BP Solar μέσω της τεχνολογίας. Το πρώτο μειώνει κυρίως το πλάτος του μπροστινού ηλεκτροδίου μέσω της διαδικασίας αυλάκωσης με λέιζερ και αυξάνει την περιοχή απορρόφησης του ηλιακού φωτός και η παραγωγή μεγάλης κλίμακας μπορεί να επιτύχει απόδοση 18,3%, η πίσω πλευρά, αυξάνοντας έτσι την περιοχή απορρόφησης φωτός η μπροστινή πλευρά, μπορεί να επιτύχει απόδοση 21,3%.
Ηλιακά κύτταρα λεπτής μεμβράνης
Τα ηλιακά κύτταρα κρυσταλλικού πυριτίου είναι εξαιρετικά αποδοτικά και εξακολουθούν να κυριαρχούν σε εφαρμογές μεγάλης κλίμακας και βιομηχανική παραγωγή. Ωστόσο, λόγω της σχετικά υψηλής τιμής των υλικών πυριτίου, είναι πολύ δύσκολο να μειωθεί σημαντικά το κόστος του. Προκειμένου να βρεθούν εναλλακτικές λύσεις για τις κυψέλες κρυσταλλικού πυριτίου, έχουν προκύψει φθηνά ηλιακά κύτταρα λεπτής μεμβράνης. Οι κύριες μπαταρίες λεπτής μεμβράνης περιλαμβάνουν μπαταρίες λεπτής μεμβράνης με βάση το πυρίτιο, μπαταρίες λεπτής μεμβράνης τελλουρίου καδμίου (CdTe) και μπαταρίες λεπτής μεμβράνης χαλκού-ινδίου-γαλλίου-σεληνίου (CIGS).
Το πάχος των κυψελών λεπτής μεμβράνης με βάση το πυρίτιο είναι μόνο 2 μικρά Σε σύγκριση με τα κύτταρα κρυσταλλικού πυριτίου με πάχος περίπου 180 μικρά, η ποσότητα υλικού πυριτίου είναι μόνο περίπου το 1,5% αυτής των κυψελών κρυσταλλικού πυριτίου και το κόστος είναι χαμηλό . Ανάλογα με τον αριθμό των συνδέσεων PN που περιλαμβάνονται, τα κύτταρα λεπτής μεμβράνης με βάση το πυρίτιο χωρίζονται σε κύτταρα μονής σύνδεσης, κύτταρα διπλής σύνδεσης και κύτταρα πολλαπλών συνδέσεων. Διαφορετικές συνδέσεις PN μπορούν να απορροφήσουν το ηλιακό φως διαφορετικών μηκών κύματος. Προς το παρόν, η υψηλότερη απόδοση των κυψελών μονής σύνδεσης μπορεί να φτάσει το 7%, και τα κύτταρα διπλής σύνδεσης μπορεί να φτάσει το 10%.
Λόγω της καλής απορρόφησης φωτός του υλικού, η απόδοση μετατροπής των κυψελών λεπτής μεμβράνης τελλουρίου καδμίου είναι υψηλότερη από εκείνη των κυψελών λεπτής μεμβράνης με βάση το πυρίτιο και η τρέχουσα απόδοση μπορεί να φτάσει το 12%. Ωστόσο, το στοιχείο κάδμιο έχει καρκινογόνες επιδράσεις και τα φυσικά αποθέματα τελλουρίου είναι περιορισμένα, γεγονός που περιορίζει τη μακροπρόθεσμη ανάπτυξη αυτής της μπαταρίας.
Οι μπαταρίες λεπτής μεμβράνης σεληνιούχου γαλλίου χαλκού ινδίου θεωρούνται ως η μελλοντική κατεύθυνση ανάπτυξης των μπαταριών λεπτής μεμβράνης υψηλής απόδοσης, οι οποίες μπορούν να βελτιώσουν τον ρυθμό απορρόφησης του ηλιακού φωτός προσαρμόζοντας τη διαδικασία κατασκευής, βελτιώνοντας έτσι την απόδοση μετατροπής. Επί του παρόντος, η απόδοση μετατροπής του εργαστηρίου μπορεί να φτάσει το 20,1%, και η απόδοση του προϊόντος μπορεί να φτάσει το 13-14%, που είναι το υψηλότερο μεταξύ όλων των μπαταριών λεπτής μεμβράνης.
Φωτοβολταικά – Ανάπτυξη Τεχνολογίας Ηλιακών Φωτοβολταϊκών
Mπαταρία τρίτης γενιάς :
Οι κυψέλες τρίτης γενιάς μπορούν θεωρητικά να επιτύχουν υψηλότερη απόδοση μετατροπής. Σε αυτό το στάδιο, εκτός από τα κύτταρα συμπυκνωτή, τα περισσότερα από αυτά βρίσκονται ακόμη στο στάδιο της εργαστηριακής έρευνας.
Οι κυψέλες συγκέντρωσης χρησιμοποιούν γενικά υλικά ημιαγωγών III-V, κυρίως επειδή οι ημιαγωγοί III-V έχουν πολύ υψηλότερη αντίσταση σε υψηλές θερμοκρασίες από το πυρίτιο, εξακολουθούν να έχουν υψηλή απόδοση φωτοηλεκτρικής μετατροπής υπό υψηλό φωτισμό και η δομή πολλαπλών συνδέσμων καθιστά το φάσμα απορρόφησης και το φάσμα του ηλιακού φωτός είναι κοντά στο ίδιο και η θεωρητική απόδοση μετατροπής μπορεί να φτάσει το 68%. Επί του παρόντος, τρεις συνδέσεις PN σχηματίζονται από τρία διαφορετικά υλικά ημιαγωγών: γερμάνιο, αρσενίδιο του γαλλίου και φώσφορο ίνδιο γάλλιο. Εάν πραγματοποιηθεί παραγωγή μεγάλης κλίμακας, η απόδοση μπορεί να φτάσει περισσότερο από 40%.
Τα ηλιακά κύτταρα συσκευάζονται σε ηλιακές μονάδες και η εφαρμογή διαφορετικών ηλιακών κυψελών εξαρτάται από τα δικά τους χαρακτηριστικά και την ανάπτυξη της ζήτησης της αγοράς. Τις πρώτες μέρες, η ηλιακή ενέργεια χρησιμοποιήθηκε κυρίως σε σταθμούς βάσης επικοινωνιών και τεχνητούς δορυφόρους, και αργότερα σταδιακά εισήλθε στον πολιτικό τομέα, όπως οι ηλιακές στέγες. Σε αυτά τα σενάρια, η περιοχή εγκατάστασης είναι μικρή και η απαίτηση ενεργειακής πυκνότητας είναι υψηλή, επομένως οι μονάδες κρυσταλλικού πυριτίου καταλαμβάνουν το κύριο μερίδιο αγοράς.
Με την ανάπτυξη μεγάλης κλίμακας ηλιακών σταθμών παραγωγής ενέργειας στην έρημο και φωτοβολταϊκών κτιρίων, το συνολικό κόστος αντικατέστησε σταδιακά την ενεργειακή πυκνότητα ως σημαντικό παράγοντα που πρέπει να ληφθεί υπόψη και η εφαρμογή μπαταριών λεπτής μεμβράνης βρίσκεται σε άνοδο. Επιπλέον, η εφαρμογή διαφορετικών τεχνολογιών επηρεάζεται και από άλλους παράγοντες όπως το περιβάλλον χρήσης και οι κλιματικές συνθήκες.
Εφαρμογή Ηλιακής Φωτοβολταϊκής Τεχνολογίας
Για τη μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρική ενέργεια που μπορεί να χρησιμοποιηθεί από τους ανθρώπους, απαιτείται ένα πλήρες ηλιακό φωτοβολταϊκό σύστημα. Τα ηλιακά φωτοβολταϊκά στοιχεία αποτελούν σημαντικό μέρος του ηλιακού φωτοβολταϊκού συστήματος και τη βάση ολόκληρου του συστήματος. Επιπλέον, το φωτοβολταϊκό σύστημα περιλαμβάνει επίσης μετατροπείς, μπαταρίες, οθόνες, συστήματα διανομής ρεύματος κ.λπ.
