Cienkowarstwowe ogniwa słoneczne

Aż 85% ogniw słonecznych dostępnych obecnie na rynku to krystaliczne moduły słoneczne. Jednak eksperci zapewniają, że cienkowarstwowa technologia produkcji ogniw słonecznych okazuje się bardziej wydajna, a przez to najbardziej obiecująca ze znanych już modułów krystalicznych.

Główną zaletą technologii cienkowarstwowej jest jej niski koszt, dlatego ma ona wszelkie szanse stać się liderem w nadchodzących latach. Moduły nowej podstawy sprawiają, że panele fotowoltaiczne są elastyczne w dosłownym tego słowa znaczeniu. Są lekkie i elastyczne, co pozwala umieścić takie baterie na dosłownie każdej powierzchni, w tym na powierzchni odzieży.

Elastyczne ogniwa fotowoltaiczne bazują na foliach polimerowych, amorficznym krzemie, aluminium, tellurku kadmu i innych półprzewodnikach, które są już wykorzystywane w produkcji przenośnych ładowarek do telefonów komórkowych, laptopów, tabletów, kamer wideo i innych gadżetów, w postaci małych składanych ogniwa słoneczne. Ale jeśli wymagana jest większa moc, obszar modułu będzie musiał być większy.

Pierwsze próbki cienkowarstwowych ogniw słonecznych wykonano z amorficznego krzemu osadzonego na podłożu, a wydajność wynosiła zaledwie 4 do 5%, a żywotność nie była długa. Kolejnym krokiem tej samej technologii było zwiększenie sprawności do 8% oraz wydłużenie żywotności, stała się ona porównywalna do swoich kryształowych poprzedników. Wreszcie trzecia generacja modułów cienkowarstwowych miała już sprawność na poziomie 12%, co już jest znaczącym postępem i konkurencyjnością.

Wykorzystany tu selenek miedzi indu i tellurek kadmu pozwoliły na stworzenie elastycznych ogniw słonecznych i przenośnych ładowarek o sprawności dochodzącej do 10%, a to już spore osiągnięcie, zważywszy, że fizycy walczą o każdy dodatkowy procent sprawności. Przyjrzyjmy się teraz bliżej, jak powstają baterie cienkowarstwowe.

Jeśli chodzi o tellurek kadmu, zaczęto go badać jako materiał pochłaniający światło już w latach 70. XX wieku, kiedy konieczne było znalezienie najlepszej opcji do wykorzystania w kosmosie. Do dziś tellurek kadmu pozostaje najbardziej obiecującym materiałem do ogniw słonecznych. Jednak kwestia toksyczności kadmu pozostaje otwarta przez pewien czas.

W wyniku badań wykazano, że zagrożenie jest minimalne, poziom kadmu uwalnianego do atmosfery nie jest groźny. Sprawność wynosi 11%, a cena za wat jest o jedną trzecią niższa niż w przypadku analogów krzemowych.

Teraz selenek indu miedzi. Znaczna ilość indu jest obecnie wykorzystywana do produkcji płaskich monitorów, więc mimo to ind jest zastępowany galem, który ma takie same właściwości jak energia słoneczna… Baterie foliowe na tej bazie osiągają sprawność na poziomie 20%.

Ostatnio zaczęto opracowywać panele polimerowe.Tutaj półprzewodniki organiczne służą jako materiały pochłaniające światło: fulereny węglowe, polifenylen, ftalocyjanina miedzi itp. Grubość ogniwa słonecznego wynosi 100 nm, ale wydajność wynosi tylko 5 do 6%. Ale jednocześnie koszty produkcji są dość niskie, filmy niedrogie, lekkie i całkowicie przyjazne dla środowiska. Z tego powodu panele żywiczne są popularne tam, gdzie ważna jest przyjazność dla środowiska i elastyczność mechaniczna.

Tak więc wydajność cienkowarstwowych ogniw słonecznych produkowanych obecnie:

• Monokryształ — od 17 do 22%;

• Polikryształ — od 12 do 18%;

• Krzem amorficzny — 5 do 6%;

• Tellurek kadmu — od 10 do 12%;

• selenek miedziowo-indowy — od 15 do 20%;

• Polimery organiczne — 5 do 6%.

Jakie są cechy baterii cienkowarstwowych? Przede wszystkim warto zwrócić uwagę na wysoką wydajność modułów nawet w świetle rozproszonym, co daje do 15% więcej mocy w ciągu roku w porównaniu do kryształowych analogów. Następna jest przewaga kosztowa produkcji. W systemach dużej mocy, od 10 kW, moduły cienkowarstwowe wykazują większą wydajność, chociaż potrzeba 2,5 razy więcej powierzchni.

W ten sposób możemy nazwać warunki, w których moduły cienkowarstwowe zyskują uzasadnioną przewagę. W regionach, w których pogoda jest przeważnie pochmurna, baterie cienkowarstwowe będą działać wydajnie (światło rozproszone). W regionach o gorącym klimacie cienkowarstwowe są bardziej wydajne (działają równie skutecznie w wysokich temperaturach, jak iw niskich). Możliwość zastosowania jako dekoracyjne rozwiązania projektowe do wykańczania elewacji budynków. Możliwa jest przezroczystość do 20%, co ponownie gra w ręce projektantów.

Tymczasem w 2008 roku amerykańska firma Solyndra zaproponowała umieszczenie baterii cienkowarstwowych na cylindrach, gdzie warstwa fotokomórki jest nakładana na szklaną rurkę, która jest umieszczana w innej rurce wyposażonej w styki elektryczne. Zastosowane materiały to miedź, selen, gal, ind.

Cylindryczna konstrukcja pozwala na pochłanianie większej ilości światła, a zestaw 40 cylindrów mieści się na metr dwóch paneli. Podkreśleniem jest tu fakt, że biała powłoka dachowa przyczynia się do wysokiej efektywności takiego rozwiązania, ponieważ wtedy działają również promienie odbite, dodając 20% swojej energii. Ponadto cylindryczne zestawy są odporne nawet na silny wiatr o porywach do 55 m/s.

Większość produkowanych obecnie ogniw słonecznych zawiera tylko jedno złącze pn, a fotony o energii mniejszej niż pasmo wzbronione po prostu nie uczestniczą w generowaniu. Wtedy naukowcy wymyślili sposób na obejście tego ograniczenia, opracowano kaskadowe elementy struktury wielowarstwowej, gdzie każda warstwa ma swoją szerokość pasma, czyli każda warstwa ma osobne złącze pn o indywidualnej wartości energii pochłanianej fotony.

Górna warstwa jest utworzona ze stopu na bazie uwodornionego bezpostaciowego krzemu, druga z podobnego stopu z dodatkiem germanu (10-15%), trzecia z dodatkiem 40 do 50% germanu. Zatem każda kolejna warstwa ma szczelinę węższą niż w poprzedniej warstwie, a niezaabsorbowane fotony w górnych warstwach są absorbowane przez leżące poniżej warstwy filmu.

W takim podejściu koszt wytworzonej energii jest o połowę mniejszy w porównaniu z tradycyjnymi ogniwami z krzemu krystalicznego. W rezultacie przy folii trzyprzebiegowej osiągnięto wydajność 31%, a folia pięcioprzebiegowa obiecuje 43%.

Niedawno specjaliści z Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego opracowali rolkowe ogniwa słoneczne na bazie polimeru nałożonego na elastyczne podłoże z materiału organicznego. Sprawność okazała się zaledwie 4%, ale takie akumulatory mogą pracować nawet w temperaturze +80°C przez 10 000 godzin. Badania te nie zostały jeszcze zakończone.

Szwajcarscy naukowcy osiągnęli wydajność 20,4% na bazie polimeru, a jako półprzewodniki zastosowano ind, miedź, selen i gal. Dziś to rekord pierwiastków na cienkiej warstwie polimeru.

W Japonii osiągnęli wydajność 19,7% w podobnych (ind, selen, miedź) półprzewodnikach osadzonych przez napylanie katodowe. A w Japonii zaczęto produkować tkaniny słoneczne, płócienne panele słoneczne zostały opracowane przy użyciu cylindrycznych elementów o średnicy około 1,2 milimetra przymocowanych do tkaniny. Na początku 2015 roku planowali na tej podstawie rozpocząć produkcję odzieży i parasoli przeciwsłonecznych.

Oczywiste jest, że cienkowarstwowe panele fotowoltaiczne w końcu staną się powszechnie dostępne w niedalekiej przyszłości.Nie bez powodu na całym świecie prowadzi się tak wiele badań w celu obniżenia kosztów.