Източник: www.energy.gov
Когато светлината грее върху фотоволтаична (PV) клетка - наричана още слънчева клетка - тази светлина може да се отрази, погълне или да премине направо през клетката. PV фотоелементът е съставен от полупроводников материал; "полу" означава, че може да провежда електричество по -добре от изолатор, но не толкова добър проводник като метал. В фотоволтаичните клетки се използват няколко различни полупроводникови материали.
Когато полупроводникът е изложен на светлина, той поглъща енергията на светлината и я прехвърля към отрицателно заредени частици в материала, наречен електрони. Тази допълнителна енергия позволява на електроните да преминават през материала като електрически ток. Този ток се извлича чрез проводящи метални контакти-подобни на мрежата линии на слънчеви клетки-и след това може да се използва за захранване на вашия дом и останалата част от електрическата мрежа.
Ефективността на фотоволтаичната клетка е просто количеството електрическа енергия, излизаща от клетката, в сравнение с енергията от светлината, която свети върху нея, което показва колко ефективна е клетката при преобразуването на енергия от една форма в друга. Количеството електроенергия, произведено от фотоволтаични клетки, зависи от характеристиките (като интензитет и дължини на вълните) на наличната светлина и множество характеристики на клетката.
Важно свойство на фотоволтаичните полупроводници е пролуката, която показва какви дължини на вълната светлина материалът може да абсорбира и преобразува в електрическа енергия. Ако пролуката на полупроводника съответства на дължините на вълните на светлината, светеща върху фотоволтаичната клетка, тогава тази клетка може ефективно да използва цялата налична енергия.
Научете повече по-долу за най-често използваните полупроводникови материали за фотоволтаични клетки.
СИЛИКОН
Siliconis, най -често срещаният полупроводников материал, използван в слънчевите клетки, представляващ приблизително 95% от продадените днес модули. Това е и вторият най -разпространен материал на Земята (след кислорода) и най -разпространеният полупроводник, използван в компютърните чипове. Кристалните силициеви клетки са изградени от силициеви атоми, свързани помежду си, за да образуват кристална решетка. Тази решетка осигурява организирана структура, която прави преобразуването на светлината в електричество по -ефективно.
Слънчевите клетки, изработени от силиций, понастоящем осигуряват комбинация от висока ефективност, ниска цена и дълъг живот. Очаква се модулите да издържат 25 или повече години, като все още произвеждат повече от 80% от първоначалната си мощност след това време.
ТОНКОФИЛМОВИ ФОТОВОЛТАИКИ
Тънкослойна слънчева клетка е направена чрез нанасяне на един или повече тънки слоеве PV материал върху поддържащ материал като стъкло, пластмаса или метал. Днес на пазара има два основни типа тънкослойни PV полупроводници: кадмиев телурид (CdTe) и меден индий галиев диселенид (CIGS). И двата материала могат да се нанасят директно върху предната или задната страна на повърхността на модула.
CdTe е вторият най-разпространен фотоволтаичен материал след силиций, а CdTe клетките могат да бъдат направени с помощта на евтини производствени процеси. Въпреки че това ги прави рентабилна алтернатива, тяхната ефективност все още не е толкова висока като силиция. Клетките CIGS имат оптимални свойства за PV материал и висока ефективност в лабораторията, но сложността, свързана с комбинирането на четири елемента, прави прехода от лаборатория към производство по -предизвикателен. Както CdTe, така и CIGS изискват повече защита от силиция, за да позволят дълготрайна работа на открито.
ПЕРОВСКИТСКИ ФОТОВОЛТАЙКИ
Перовскитите слънчеви клетки са вид тънкослойна клетка и са кръстени на характерната им кристална структура. Перовскитните клетки са изградени от слоеве от материали, които са отпечатани, покрити или вакуумно нанесени върху подлежащия поддържащ слой, известен катосубстрат.Те обикновено са лесни за сглобяване и могат да достигнат ефективност, подобна на кристалния силиций. В лабораторията ефективността на перовскитните слънчеви клетки се е подобрила по -бързо от всеки друг фотоволтаичен материал, от 3% през 2009 г. до над 25% през 2020 г. За да бъдат търговски жизнеспособни, перовскитните PV клетки трябва да станат достатъчно стабилни, за да оцелеят 20 години на открито, така че изследователите работят върху това да ги направят по-издръжливи и да разработят мащабни, евтини производствени техники.
ОРГАНИЧНИ ФОТОВОЛТАИКИ
Органичните PV или OPV клетки са съставени от богати на въглерод (органични) съединения и могат да бъдат пригодени да подобрят специфична функция на PV клетката, като пролука, прозрачност или цвят. Понастоящем клетките с OPV са само наполовина по -ефективни от клетките с кристален силиций и имат по -кратък експлоатационен живот, но могат да бъдат по -евтини за производство в големи обеми. Те могат да се прилагат и към различни поддържащи материали, като гъвкава пластмаса, което прави OPV способен да обслужва голямо разнообразие от приложения.
КВАНТОВИ ТОЧКИ
Слънчевите клетки с квантова точка провеждат електричество чрез малки частици от различни полупроводникови материали с ширина само няколко нанометра, наречени квантови точки. Квантовите точки осигуряват нов начин за обработка на полупроводникови материали, но е трудно да се създаде електрическа връзка между тях, така че в момента те не са много ефективни. Те обаче лесно се превръщат в слънчеви клетки. Те могат да се поставят върху субстрат, като се използва метод на центрофугиране, спрей или ролкови принтери, като тези, използвани за печат на вестници.
Квантовите точки се предлагат в различни размери и тяхната честотна лента е персонализирана, което им позволява да събират светлина, която е трудна за улавяне, и да се сдвояват с други полупроводници, като перовскити, за оптимизиране на работата на многоконтактна слънчева клетка (повече за тези по -долу).
МНОГОФУНКЦИОНАЛНА ФОТОВОЛТАИКА
Друга стратегия за подобряване на ефективността на фотоволтаичните клетки е наслояването на множество полупроводници за създаване на многовръзки слънчеви клетки. Тези клетки са по същество купчини от различни полупроводникови материали, за разлика от клетките с едно съединение, които имат само един полупроводник. Всеки слой има различна пролука, така че всеки поглъща различна част от слънчевия спектър, като използва по-широко слънчевата светлина, отколкото клетките с единичен преход. Слънчевите клетки с много съединения могат да достигнат рекордни нива на ефективност, тъй като светлината, която не се абсорбира от първия полупроводников слой, се улавя от слой под него.
Докато всички слънчеви клетки с повече от една пролука са слънчеви клетки с много съединения, слънчева клетка с точно две пролуки се нарича тандемна слънчева клетка. Слънчевите клетки с много съединения, които комбинират полупроводници от колони III и V в периодичната таблица, се наричат многопреходни слънчеви клетки III-V.
Слънчевите клетки с много съединения демонстрират ефективност по -висока от 45%, но те са скъпи и трудни за производство, така че са запазени за изследване на космоса. Военните използват слънчеви клетки III-V в дронове и изследователите проучват други приложения за тях, където високата ефективност е от ключово значение.
КОНЦЕНТРАЦИЯ ФОТОВОЛТАИКА
Концентрацията PV, известна още като CPV, фокусира слънчевата светлина върху слънчева клетка с помощта на огледало или леща. Като фокусирате слънчевата светлина върху малка площ, се изисква по -малко PV материал. PV материалите стават по -ефективни, тъй като светлината става по -концентрирана, така че най -високата обща ефективност се постига с CPV клетки и модули. Изискват се обаче по-скъпи материали, производствени техники и способност за проследяване на движението на слънцето, така че демонстрирането на необходимото икономическо предимство пред днешните силициеви модули с голям обем' се превърна в предизвикателство.
