Эволюция солнечной батареи: прошлое, настоящее, будущее

Основу современной технологии солнечных батарей заложил Александр Беккерель в 1839 году, когда он наблюдал фотоэлектрический эффект в определенных материалах. Материалы, демонстрирующие фотоэлектрический эффект, при воздействии света излучают электроны, тем самым преобразуя световую энергию в электрическую. В 1883 году Чарльз Фритт разработал фотоэлемент, покрыв селен очень тонким слоем золота. Этот солнечный элемент, основанный на золото-селеновом переходе, был эффективен на 1%. Александр Столетов создал фотоэлемент на основе внешнего фотоэлектрического эффекта в 1988 году.

Как развивалась солнечная энергетика?

Элементы первого поколения

Второе поколение ячеек

Ячейки третьего поколения

Работа Эйнштейна о фотоэлектрическом эффекте в 1904 году расширила горизонты исследований солнечных элементов, и в 1954 году в лабораториях Белла был создан первый современный фотогальванический элемент. Они достигли эффективности в 4%, которая до сих пор не была экономически эффективной, так как существовала гораздо более дешевая альтернатива – уголь. Однако эта технология оказалась рентабельной и вполне пригодной для питания космических полетов. В 1959 году электронике Хоффмана удалось создать солнечные фотоэлементы с КПД 10%.

Технология солнечных батарей постепенно стала более эффективной, и к 1970-м годам наземное использование солнечных батарей стало возможным. В последующие годы стоимость модулей солнечных батарей значительно снизилась, и их использование стало более распространенным. В дальнейшем, на заре эпохи транзисторов и последующих полупроводниковых технологий произошел значительный скачок в эффективности солнечных батарей.

Элементы первого поколения

Обычные ячейки на основе пластин попадают в категорию первого поколения. Эти ячейки, основанные на кристаллическом кремнии, доминируют на коммерческом рынке. Структура ячеек может быть моно- или поликристаллической. Монокристаллический солнечный элемент построен из кристаллов кремния по Чохральскому процессу. Кристаллы кремния вырезаются из крупных слитков. Разработка монокристаллов требует точной обработки, так как фаза «рекристаллизации» ячейки довольно дорогая и сложная. Эффективность этих ячеек составляет около 20%. Поликристаллические кремниевые солнечные элементы, как правило, состоят из ряда различных кристаллов, сгруппированных в одной ячейке в процессе производства. Поликристаллические кремниевые элементы являются более экономичными и, следовательно, наиболее популярными на сегодняшний день.

Второе поколение ячеек

Солнечные батареи второго поколения устанавливаются в зданиях и автономных системах. Электроэнергетические компании также склоняются к этой технологии в солнечных батареях. Эти элементы используют тонкопленочную технологию и значительно экономичнее, чем пластинчатые элементы первого поколения. Светопоглощающие слои кремниевых пластин имеют толщину около 350 мкм, а толщина тонкопленочных ячеек – около 1 мкм. Существуют три распространенных типа солнечных элементов второго поколения:

аморфный кремний (a-Si)

теллурид кадмия (CdTe)

селенид меди-индия-галлия (CIGS)

Аморфные кремниевые тонкопленочные солнечные элементы присутствуют на рынке уже более 20 лет, и a-Si, вероятно, является наиболее хорошо развитой технологией тонкопленочных солнечных элементов. Низкая температура обработки при производстве аморфных (a-Si) солнечных элементов позволяет использовать различные недорогие полимеры и другие гибкие подложки. Эти подложки требуют меньших затрат энергии на переработку. Слово «аморфные» используется для описания этих ячеек, так как они плохо структурированы, в отличие от кристаллических пластин. Они изготавливаются путем нанесения покрытия с содержанием легированного кремния на обратную сторону подложки.

CdTe представляет собой соединение полупроводника с прямой ленточной зазорной кристаллической структурой. Это отлично подходит для поглощения света и, таким образом, значительно повышает эффективность. Эта технология дешевле и имеет наименьший углеродный след, самое низкое потребление воды и более короткий период восстановления всех солнечных технологий на основе жизненного цикла. Несмотря на то, что кадмий является токсичным веществом, его использование компенсируется вторичной переработкой материала. Тем не менее, озабоченность по этому поводу все еще существует, и поэтому широкое применение этой технологии ограничено.

Ячейки CIGS изготавливаются путем осаждения тонкого слоя меди, индия, галлия и селенида на пластиковую или стеклянную основу. Электроды устанавливаются с обеих сторон для сбора тока. Благодаря высокому коэффициенту поглощения и, как следствие, сильному поглощению солнечного света, материал требует гораздо более тонкой пленки, чем другие полупроводниковые материалы. Ячейки CIGS отличаются высокой экономичностью и высокой эффективностью.

Ячейки третьего поколения

Третье поколение солнечных батарей включает в себя новейшие развивающиеся технологии, направленные на превышение предела Shockley-Queisser (SQ). Это максимальная теоретическая эффективность (от 31% до 41%), которую может достичь солнечный элемент с одним p-n-переходом. В настоящее время к наиболее популярным, современным развивающимся технологиям солнечных батарей относятся:

Солнечные элементы с квантовыми точками

Солнечные батареи, сенсибилизированные красителем

Солнечные батареи на основе полимеров

Солнечный элемент на основе перовскита

Солнечные элементы с квантовыми точками (QD) состоят из нанокристаллов полупроводника на основе переходного металла. Нанокристаллы смешиваются в растворе и затем наносится на кремниевую подложку.

Как правило, фотон будет возбуждать электрон там, создавая единую пару электронных дырок в обычных сложных полупроводниковых солнечных элементах. Однако, если фотон попадает в QD определенного полупроводникового материала, может быть произведено несколько пар (обычно две или три) электронных дырок.

Солнечные элементы, сенсибилизированные красителями (DSSC), были впервые разработаны в 1990-х годах и имеют многообещающее будущее. Они работают по принципу искусственного фотосинтеза и состоят из молекул красителя между электродами. Эти элементы экономически выгодны и имеют преимущество легкой переработки. Они прозрачны и сохраняют стабильность и твердое состояние в широком диапазоне температур. Эффективность этих ячеек достигает 13%.

Полимерные солнечные элементы считаются «гибкими», так как используемая подложка является полимером или пластиком. Они состоят из тонких функциональных слоев, последовательно соединенных между собой и покрытых полимерной пленкой или лентой. Обычно он работает как комбинация донора (полимера) и ресивера (фуллерена). Существуют различные типы материалов для поглощения солнечного света, в том числе органические материалы, такие как конъюгат-полимер. Особые свойства полимерных солнечных элементов открыли новый путь для разработки гибких солнечных устройств, в том числе текстильных и тканевых.

Солнечные элементы на основе перовскита являются относительно новой разработкой и основаны на соединениях перовскита (комбинация двух катионов и галогенида). Эти солнечные элементы основаны на новейших технологиях и имеют эффективность около 31%. Они обладают потенциалом для значительной революции в автомобильной промышленности, но все еще существуют проблемы со стабильностью этих элементов.

Очевидно, что технология солнечных батарей прошла долгий путь от кремниевых элементов на основе пластин до новейших «развивающихся» технологий солнечных батарей. Эти достижения, несомненно, сыграют важную роль в сокращении «углеродного следа» и, наконец, в достижении мечты об устойчивом энергоресурсе. Технология нано-кристаллов на основе QD обладает теоретическим потенциалом превращения более 60% всего солнечного спектра в электричество. Кроме того, гибкие солнечные элементы на полимерной основе открыли целый спектр возможностей. Основные проблемы, связанные с возникающими технологиями, – это нестабильность и деградация с течением времени. Тем не менее, текущие исследования показывают многообещающие перспективы, и широкомасштабная коммерциализация этих новейших модулей солнечных батарей может быть не за горами.

https://econet.ru/articles/evolyutsiya-solnechnoy-batarei-proshloe-nastoyaschee-buduschee