Тонкопленочные солнечные батареи

Самые интересные достижения в мире тонкопленочных модулей

2 года назад специалисты лаборатории МГУ разработали рулонные органические солнечные батареи на основе полимера в качестве активного слоя и гибкой органической подложки. Их КПД составлял всего 4%, зато они могли эффективно работать при температуре 80°С в течение 10 тысяч часов. На этом их деятельность не закончилась, исследования ведутся постоянно, основным направлением выбраны солнечные элементы на основе полимерных материалов.

Специалисты федеральной лаборатории технологий и материаловедения в Швейцарии создали солнечный элемент на полимерной подложке с КПД 20,4%. В качестве полупроводника использовались 4 элемента: селен, индий, галлий и медь. На сегодняшний день это рекордный показатель для СЭ, выполненных на основе перечисленных элементов. Предыдущий рекорд составлял 18,7%.

Для тонкопленочных фотоэлементов на основе индия, селена и меди, максимальное значение КПД на сегодня оставляет 19,7%. Такого показателя смогла добиться японская компания Solar Frontier. Поглощающие пленки на фотоэлементы наносили методом напыления, используя термическую обработку в парах селена.

Ну и самой интересной разработкой можно назвать «тканевые» солнечные панели. Японские ученые решили соединить крошечные цилиндрические солнечные элементы размером всего 1,2 мм и тканевое полотно. Такое необычное решение позволит создавать высокотехнологичные материалы для одежды и переносные тенты. Промышленное производство «солнечной» ткани намечено на март 2015 года.

Займет ли тонкопленочная технология первое место при производстве солнечных элементов, покажет будущее. Но судя по активным исследованиям, ведущимся в данной области, и по неплохим результатам, вполне возможно, что в ближайшем будущем ученые все-таки смогут создать не просто эффективные солнечные батареи, но еще и доступные при этом широким слоям населения.

Статью подготовила Абдуллина Регина

В этом ролике рассказано о солнечных модулях на базе тонкопленочной технологии, которые позволяют преобразовать в электроэнергию до 10% солнечного излучения и при этом в полтора раза повысить эффективность фотоэлементов, а расход кремния при производстве сократить в 200 раз!

Недостатки

Низкий КПД

Если не рассматривать лабораторные образцы, а оценивать реальные показатели выпускаемых моделей, то на выходе получим КПД не выше 4%, что в три раза меньше такого же у поликристаллического фотоэлемента.
Важно. При использовании полупрозрачных фотоэлементов коэффициент снижается до смешных 2% и от одного окна вы вряд ли сможете даже зарядить свой смартфон.

Высокая стоимость

Если сравнивать с классическими солнечными батареями, то их цена за м.кв. сопоставима с такими же поликристаллическими моделями, но вот мощность будет в три раза ниже. Если же сравнивать панели одинаковой мощности, то картина получится такая (данные из Aliexpress.com):

Сравнение цен пленочной и кремниевой солнечной панели
Разница в цене – ровно в три раза, при одинаковой мощности

Снижение производительности при нагреве. Если в поли/монокристаллических батареях эта цифра достигает 12% от номинальной мощности, то в гибких фотоэлементах она доходит до 30-40%.

Это интересно: Ветровая электроэнерния для дома — правда или ложь

Основные преимущества

Этот вид солнечных панелей тонкопленочных имеет много отличий от аналогов кристаллических:

  • малая толщина, не превышающая 1 микрона;
  • отличная гибкость, позволяющая монтаж панели производить на всевозможные криволинейные поверхности, включая цилиндрические;
  • сохранение параметров в рассеянном свете, что позволят увеличить общую выработку электроэнергии, в сравнении с поли- и монокристаллическими панелями, на 10, а в отдельных случаях на 15 процентов;
  • небольшая себестоимость производственного процесса, следовательно, и невысокая стоимость готового изделия;
  • высокоэффективное функционирование в энергосистемах мощностью более 10 кВт и в условиях высоких температур;
  • значительные показатели оптического поглощения солнечного спектра, превышающий кристаллический более, чем в 20 раз;
  • стабильность мощности выходной продолжительное время- надежность;
  • безвредность для окружающей среды, поскольку в них низкая доля использования кремния – 1/000 от применяемого в кристаллических аналогах;
  • короткий период окупаемости за счет большой энергоотдачи;
  • небольшой вес, упрощающий монтаж;
  • ударопрочность. При монтаже нередки падения, но пленка остается работоспособной.

Сколько стоит изготовление солнечной батареи?

На солнечные батареи для дома цены разные, стоимость зависит от требуемой мощности. Готовые батареи имеют достаточно высокую цену. Купить одну солнечную панель, мощность которой составляет 170 Вт, можно в среднем от $250 до $450. В то время как фотоэлементы для самостоятельного изготовления стоят значительно дешевле, порядка $30. Стоимость комплекта в целом с шинами, карандашами для пайки и прочими необходимыми элементами 300-400 долларов.

READ  Гост р 50571-4-44-2011

Для изготовления каркаса используют алюминиевые уголки, фанеру, ДСП, а в качестве защитного покрытия подойдет органическое или обычное стекло. Для герметизации конструкции используют силиконовые герметики или компаунды.

Перед тем, как сделать солнечную батарею в домашних условиях, следует обозначить ее предназначение, соответственно просчитать нужную мощность и размер панели и количество материалов.

Миф 9: Зачем инвестировать в солнечную энергию, если есть уголь

Факт: Использование энергии солнца — экологически чистый вид получения альтернативной энергии. Уголь является одним из самых грязных видов ископаемого топлива, добыча угля несет целый ряд проблем для здоровья работникам шахт. В связи с подрывом горной породы и образованию терриконов нарушается экология. Чем больше угля мы сжигаем, тем больше вреда приносим окружающей среде. Сжигание угля увеличивает уровень ртути и смога и дополнительно увеличивает выбросы углекислого газа, что приводит к разрушительным последствиям для окружающей среды.

Миф 10: Солнечные батареи вредны для окружающей среды после окончания срока эксплуатации Факт: Срок использования солнечных панелей — 35 лет, после чего они теряют эффективность и поддаются повторной переработке. Некоторые производители бесплатно принимают модули для вторичной переработки.

Метод вакуумирования

В принципе, использовать можно любые подходы, например, ионное распыление, но все методы имеют свои сложности, такие как образование пленки как на подложке, так и на внутренней поверхности камеры. Другая сложность связана с поставками индия, активно применяемого для изготовления плоскопанельных мониторов.

Хотя активно развиваются панели этого типа, их востребованность невелика и не превышает 2%.

Большую популярность завоевали пленки, в изготовлении которых используется кадмия теллурид, Их КПД 16% (против 18%). Большой популярностью пользуются батареи аморфно-кремниевое. Их КПД удалось увеличить до 10%.

Подробнее о тонкопленочной технологии

Первые тонкопленочные солнечные батареи изготавливались с использованием аморфного кремния, который наносили тонким слоем на поверхность подложки. Их КПД составлял всего 4-5%, да и срок службы оставлял желать лучшего. Второе поколение аморфных модулей уже имело КПД на 2-3% больше, а срок эксплуатации практически сравнялся со сроком службы кристаллических модулей. А вот КПД третьего поколения модулей увеличилось уже до 12%. Так что прогресс на лицо.

При производстве складных солнечных батарей и гибких модулей больших размеров, чаще всего применяют теллурид кадмия и селенид меди-индия. Использование этих полупроводников дает увеличение коэффициента полезного действия от 5 до 10%. А учитывая, что ученые-физики борются за каждый дополнительный процент, такая разница очень ощутима. Более подробно о производстве солнечных батарей по тонкопленочной технологии здесь.

Особенности тонкопленочных батарей:

  • Хорошо работают даже при рассеянном свете, поэтому суммарная годовая выработка мощности на 10-15% больше, чем у кристаллических модулей.
  • Более низкая стоимость производства, следовательно, данный вид солнечных батарей обойдется Вам дешевле.
  • Большую эффективность показывают в системах с мощностью более 10кВт.
  • При равном показателе вырабатываемой мощности, площадь тонкопленочных модулей примерно в 2,5 раза больше, чем у кристаллических.
  • Требуют использование высоковольтных контроллеров и инверторов.

Случаи, когда применение тонкопленочных модулей обосновано:

  • В регионах, где преобладает пасмурная погода. Модули, выполненные по тонкопленочной технологии, лучше поглощают рассеянный свет.
  • В странах с жарким климатом. При высокой температуре тонкопленочные солнечные батареи показывают большую эффективность.
  • Есть необходимость монтирования панелей в здание либо требуется их использование в качестве дизайнерских задумок или конструкторских решений, например, для отделки фасада.
  • Потребность в модулях с частичной прозрачностью до 20%.

Область применения

Как показывает практика, использовать гибкие солнечные панели целесообразно только в походных условиях. Гораздо проще развернуть холст с пленочными солнечными панелями на крыше палатки или трейлера, чем возить с собой жесткую конструкцию, на сборку которой нужно время. Популярны также переносные электростанции для зарядки телефонов и фонарей во время путешествия.

READ  Ток нагрузки, онлайн расчет

Ввиду низкого КПД сфера применения солнечных батарей очень ограничена. Применение в качестве стационарной солнечной электростанции возможно, но только при наличии больших свободных площадей. 

Видео о пленочных батареях

Типичный рекламный сюжет, где диктор рассказывает чудеса о пленочных солнечных батареях, предполагая КПД в 10%, забывая, что таких результатов пока смогли добиться только в лабораторных условиях, но никак не в промышленных образцах. Ролик будет интересен тем, кто хочет знать, как пытается обмануть нас.

Виды садовых светильников и фонарей на солнечных батареях, как и где использовать. Принцип действия солнечных батарей. Бестопливный генератор — способ заработать на безграмотности Ветряк для частного дома — игрушка или реальная альтернатива

Как работает солнечная батарея?

Работа солнечной батареи основывается на фотоэлектрическом эффекте. Первый функционирующий фотоэлемент был создан русским ученым Александром Столетовым, но открытие его еще середине XIX приписывают французскому физику Александру Беккерелю.

Фотоэлектрический эффект достигается путем замыкания полупроводников (фотоэлементов) в электрическую цепь. Один полупроводник должен иметь в составе лишние электроны (n-слой), во втором их должно не хватать (р-слой). Лучи солнца способны выбивать лишние электроны из n-слоя, после чего они автоматически направляются на свободные места в р-слое, и наоборот. Таким образом достигается постоянное движение электронов. Вытесненные из р-слоя электроны проходят через аккумулятор и возвращаются в n-слой.

Отдельные фотоэлементы могут обеспечить электроэнергией незначительные по мощности объекты, а для питания крупных объектов требуется объединить множество фотоэлементов в одну электрическую цепь.

Первым в истории фотоэлементом стал селен, но он обладал КПД менее одного процента, поэтому ему сразу же стали искать замену. Нашли ее в кремние и до сих пор этот элемент наиболее широко используется в солнечных панелях.

Типы батарей

Солнечная батарея, принцип работы которой заложен во всех случаях в фотоэлектрическом эффекте, может быть выполнена из различных материалов.

Преимущественное большинство (примерно 90%) всех солнечных панелей производиться из фотоэлементов, состоящих из монокристаллического или поликристаллического кремния. Следующие по популярности тонкопленочные панели с напылением из фоточувствительных веществ. Они имеют меньшую стоимость, так как на их изготовление требуется значительно меньшее количество материала. А последнюю нишу занимают многопереходные солнечные модули, состоящие из слоев, способных улавливать и перерабатывать в электрический ток весь спектр солнечных лучей.

Солнечные батареи из кремния представляют собой прямоугольную панель, состоящую из фотоэлементов. КПД таких панелей 15-20%, мощность может постепенно снижаться, приблизительно на 20% каждые 25 лет. Такие панели устойчивы к разрушительным факторам окружающей среды.

Тонкопленочные солнечные батареи изготовляются с напылением аморфного кремния, теллурида кадмия, состава из селенида, меди, индия и галлия. КПД тонкопленочных батарей составляет 10-12 %.

Многомодульные солнечные панели изготавливаются из слоев различных материалов. Каждый слой улавливает один диапазон солнечных лучей от ультрафиолетового до инфракрасного, за счет этого солнечная панель поглощает весь спектр света, а внутри системы происходит несколько переходов электронов из n-слоя в р-слой. Соединения галлия — основной элемент многомодульных солнечных панелей. Такая технология применяется для космических станций и марсоходов. КПД такой солнечной панели зависит от количества слоев. Так для двухслойной ячейки КПД составляет 42%, трехслойной — 49%, а для остальных 68%.

В последнее время производителями активно разрабатываются органические солнечные батареи, но на рынке они еще широко не представлены. Специалисты Мичиганского университета придумали прозрачные солнечные батареи, которые способны поглощать и ультрафиолетовое, и инфракрасное излучение без надобности использования многослойной конструкции. Самое интересное, что в теории солнечным фотоэлементом может выступать практически любой объект с прозрачной стеклянной поверхностью — от окон домов до экранов мобильных гаджетов.

Но пока это все в теории и разработке, рассмотрим реальные варианты создания солнечной батареи своими руками.

Мифы и реальность

Пока технология изготовления пленочных солнечных батарей не составляет реальной конкуренции поли/монокристаллическим аналогам. Прежде всего из-за дороговизны используемых материалов. Тем не менее, на ТВ, в сети и среди розничных продавцов бытует несколько  мифов о чудо свойствах этой технологии.

  • Тонкопленочные солнечные батареи могут работать в пасмурную погоду. Отчасти это правда, но правда и в том, что любые солнечные панели работают в пасмурную погоду, выдавая при этом меньшую силу тока или вольтаж, в зависимости от модели. Пленочные так же точно снижают свою производительность.
  • Пленочные батареи не снижают производительность при нагреве. Это откровенное вранье. Снижение производительности гораздо сильнее поли/монокристаллических аналогов. Поэтому при монтаже таких панелей следует обязательно предусмотреть возможность вентиляции их задних стенок.
  • Дешевле. На самом деле дороже (см. недостаток 2)
  • Могут принимать любую форму. Здесь правда, только вот толку, как показывает практика, от этого никакого. Панели располагаются в плоскости для достижения максимального эффекта.
  • Можно свернуть в трубочку и тогда свет будет поступать на них почти весь день. Действительно такое «сенсационное» изобретение приносит прирост в производительности меньше, чем использование той же площади аналогичных батарей в плоском виде.

  • Увеличенный срок службы. На самом деле нет. Срок службы пленочной панели – 10-12 лет, в то время как поликристаллические модели служат от 15 до 20 лет.
  • Можно использовать вместо стекол в окнах. При этом улицы вы видеть практически не будете, а эффективность такой полупрозрачной панели позволит вам в течении дня от одного окна зарядить один мобильный телефон. Сомнительное преимущество.
  • Экологичность. Т.к. в батареях применяются сплавы полупроводников из индия и кадмия, то кремния используется гораздо меньше. При этом продавцы уверяют, что кремний – это вещество по вредности между ураном и мышьяком, забывая, что 1/3 земной коры состоит из него.
  • Время окупаемости. Реклама пленочных батарей говорит, что они окупаются на 2-3 год эксплуатации. На самом деле нет. Срок службы пленочных солнечных батарей (10-12 лет) и их стоимость, не позволяет им окупиться вообще при нынешних ценах на электроэнергию.
READ  Феррорезонансные явления в электрических сетях

От плоской формы к цилиндрической

Цилиндрические солнечные батареи впервые разработала небольшая американская компания с запоминающимся названием Solyndra (от слов «солнечный» и «цилиндр»). Свое достижение они представили в 2008 году и сразу же получили несколько крупных заказов от европейских и американских фирм. По их заверениям, эта цифра составляла более 1 млрд. $.

До 2008 года солнечные элементы имели плоскую форму. Solyndra же предложила устанавливать в солнечные батареи элементы-цилиндры. Тонкий слой фотоэлемента наносится на поверхность стеклянной трубки, после чего она помещается в еще одну такую же трубку, но уже с электрическими контактами. В качестве полупроводников для элементов используют уже знакомые нам медь, галлий, селен и индий. Цилиндрические солнечные батареи за счет своей формы поглощают большее количество света, и, как следствие, имеют больший показатель производительности. Каждая панель состоит из 40 цилиндров и имеет размеры 1 на 2 метра.

Для увеличения поглощаемого света рекомендуют использовать цилиндрические батареи в сочетании с белым покрытием крыши. В таком случае, отраженные от крыши лучи будут проходить через цилиндры, чем и обеспечат еще плюс 20% поглощенной энергии

Еще одно важное достоинство батарей с элементами цилиндрической формы – это их устойчивость к сильному ветру. Они способны выдерживать порывы ветра скоростью до 200 км/ч

Это делает монтаж солнечных батарей более простым и дешевым.

Миф 6: Избыток электроэнергии хранится в системе

Факт: Это правда, но количество накопленной электроэнергии ограничено глубиной заряда аккумуляторов. На практике подключить систему альтернативной энергии к электросетям в России и Украине практические невозможно. В Европе и США распространена генерация энергии в сеть. Если система подключена к электрической сети, можно отдавать избыток энергии в местную энергетическую сеть, записывая бонусы на свой счет. Если вам понадобится большое количество электричества в ночное время (когда система не работает) можно использовать электроэнергию из сети совершенно бесплатно. Это делается автоматически, так что пользователи даже не замечают момента переключения. Надеемся в скором времени у нас тоже упростят процедуру подключения к сетям.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: