A Ogniwo słoneczne jest urządzeniem, które zamienia światło słoneczne bezpośrednio na energię elektryczną. Konwersja ta jest osiągana poprzez wykorzystanie efektu fotowoltaicznego w materiale półprzewodnikowym, zwykle krzemie. Ogniwa słoneczne są kluczowym elementem technologii energii odnawialnej i są szeroko stosowane w systemach energii słonecznej.
W poniższym artykule znajdziesz przegląd historii Ogniwo słoneczne rozwoju i podkreśli najważniejsze dotychczasowe osiągnięcia w zakresie wydajności.
Spis treści
Rozwój ogniw słonecznych
Klasyfikacja
Wydajność ogniw słonecznych
Światowe rekordy ogniw słonecznych na przestrzeni lat
Różnica między wydajnością laboratoryjną a komercyjną
Kluczowe trendy w technologii ogniw słonecznych
Zamykając
Rozwój ogniw słonecznych
Historia ogniwa słoneczne sięga końca XIX wieku, kiedy naukowcy odkryli, że niektóre materiały PV mogą wytwarzać prąd elektryczny, gdy są wystawione na działanie światła. Jednak dopiero w 1800 roku Bell Labs pomyślnie opracowało pierwszą praktyczną krzemową ogniwo słoneczne. W latach 1954. XX wieku ogniwa słoneczne zaczęto stosować do zasilania statków kosmicznych, co pobudziło dalszy rozwój ich technologii.
Komercjalizacja i popularyzacja rozpoczęły się w latach 1970. XX wieku, wraz z pojawieniem się kryzysu energetycznego, ogniwa słoneczne zyskały większą uwagę jako odnawialne źródło energii. Postęp technologiczny i niższe koszty produkcji pozwoliły na szerokie wykorzystanie ogniw słonecznych w zastosowaniach komercyjnych i mieszkaniowych.
Klasyfikacja
Krzem monokrystaliczny ogniwa słoneczne: są wykonane z pojedynczego kryształu krzemu i są bardziej wydajne, ale stosunkowo drogie. Zazwyczaj mają wysoką wydajność konwersji energii i długą żywotność.
Krzem polikrystaliczny ogniwa słoneczne: wykonane z wielu małych kryształów krzemu, są nieco mniej wydajne od krzemu monokrystalicznego, lecz tańsze.
Cienki film ogniwa słoneczne: Amorficzny krzem lub inne materiały (np. CdTe, CIGS) są pokryte bardzo cienkimi warstwami na podłożu. Te ogniwa są tańsze, ale są zazwyczaj mniej wydajne niż ogniwa z krystalicznego krzemu.
Nowości ogniwa słoneczne: Należą do nich organiczne ogniwa słoneczne, ogniwa słoneczne chalkogenidowe itp., które mogą oferować niższe koszty produkcji i nowe możliwości zastosowań. W szczególności ogniwa chalkogenidowe mogą prowadzić do nowych przełomów.
Wydajność ogniw słonecznych
Ogniwo słoneczne wydajność jest kluczowym wskaźnikiem tego, jak wydajnie ogniwo słoneczne zamienia światło słoneczne na energię elektryczną. Dokładniej, jest to stosunek mocy elektrycznej wytworzonej przez ogniwo słoneczne do mocy, którą otrzymuje z promieniowania słonecznego. Innymi słowy, opisuje, ile energii słonecznej pochłoniętej przez ogniwo słoneczne jest wydajnie zamieniane na energię elektryczną.
Znaczenie wydajności ogniw słonecznych
Moc wyjściowa: im wyższa wydajność, tym więcej energii elektrycznej może wytworzyć ogniwo słoneczne tej samej wielkości przy tych samych warunkach oświetleniowych.
Opłacalność: Większa wydajność obniża koszt jednostkowy energii słonecznej, dzięki czemu staje się ona bardziej konkurencyjna ekonomicznie.
Wykorzystanie przestrzeni: Wysokowydajne ogniwa słoneczne mogą wytworzyć więcej energii elektrycznej na ograniczonej przestrzeni, co jest szczególnie ważne w przypadku zastosowań o ograniczonej przestrzeni, takich jak systemy fotowoltaiczne montowane na dachach lub małe instalacje.
Proces poprawy efektywności
Rozwój ogniw słonecznych można podzielić na trzy etapy, z których każdy charakteryzuje się określonymi przełomami technologicznymi:
Faza I: Ogniwa słoneczne z krzemu krystalicznego
Pierwszy etap ogniwa słoneczne opiera się głównie na monokrystalicznych i polikrystalicznych materiałach krzemowych. Początkowo skomercjalizowane ogniwa słoneczne z krzemu miały wydajność około 6%, ale dzięki udoskonaleniom technologicznym nowoczesne monokrystaliczne ogniwa krzemowe osiągnęły wydajność ponad 22% w warunkach laboratoryjnych.
Proces osiągania celów: Wzrost wydajności jest efektem przede wszystkim postępu technologicznego w zakresie czystości krzemu, optymalizacji struktury sieci, zmniejszenia współczynnika odbicia, udoskonalenia konstrukcji elektrod i zmniejszenia strat energii w ogniwie.
Faza II: Cienkowarstwowe ogniwa słoneczne
Te ogniwa słoneczne obejmują selenek miedziowo-indowo-galowy (CIGS), tellur kadmu (CdTe) i ogniwa słoneczne z amorficznego krzemu. Początkowa wydajność tych cienkowarstwowych ogniw jest niska, ogólnie około 10%, ale wraz z rozwojem materiałów i technologii procesowej, wydajność laboratoryjna ogniw CIGS i CdTe przekroczyła 23%.
Osiąga się to głównie poprzez poprawę zdolności materiałów cienkowarstwowych do pochłaniania światła, zwiększenie efektywności transportu nośników i optymalizację struktury komórkowej.
Faza III: Ogniwa słoneczne z tytanitu wapnia
Tytanit wapnia ogniwa słoneczne są najszybciej rozwijającą się klasą ogniw słonecznych w ostatnich latach. Od czasu pierwszego raportu w 2009 r. ich wydajność gwałtownie wzrosła z początkowych 3.8% do ponad 33.9% obecnie.
Szybki wzrost wydajności przypisuje się wyjątkowym zaletom materiałów chalkogenidowych, takim jak wysokie współczynniki absorpcji światła, regulowane przerwy energetyczne i proste procesy produkcyjne.
Światowe rekordy ogniw słonecznych na przestrzeni lat
Początkowy etap rozwoju (2009~2012)
2009, sprawność konwersji energii 3.5%: Japoński naukowiec Miyasaka wykorzystał materiał chalkogenidowy jako materiał pochłaniający światło do barwnikowych ogniw słonecznych, ale materiał ten okazał się niestabilny i rozpadł się po kilku minutach.
2011, sprawność konwersji energii 6.5%: Naukowcy z Nam-Gyu Park z Uniwersytetu Sungkyunkwan w Korei Południowej udoskonalili technologię ogniw słonecznych z chalkogenidku, co pozwoliło na znaczne zwiększenie wydajności konwersji fotoelektrycznej. Jednak materiał ten jest nadal niestabilny ze względu na stosowanie ciekłego elektrolitu. W efekcie wydajność spadła o 80% po kilku minutach.
2012, sprawność konwersji energii 10%: Grupa Henry'ego Snaitha z Uniwersytetu Oksfordzkiego wprowadziła materiał transportowy Spiro-OMeTA, opracowała stały stan ogniwa chalkogenidowego, dodatkowo poprawiła wydajność konwersji, a wydajność fotowoltaiczna nie zmniejszyła się wyraźnie po 500 godzinach, co dowodzi doskonałej stabilności.
Początkowy etap rozwoju (2012~2015)
W 2012Henry Snaith z Uniwersytetu Oksfordzkiego zastąpił w ogniwie TiO2 aluminium (A1203) i od tamtej pory kalcyt nie tylko pełni funkcję warstwy pochłaniającej światło w ogniwie, ale także służy jako materiał półprzewodnikowy do przenoszenia ładunku elektrycznego.
W 2013, chalkogenid został wybrany jako jedno z 10 najważniejszych przełomów naukowych w czasopiśmie Science 2013.
W 2015 roku sprawność konwersji energii wyniosła 15%: Chiny, Japonia i Szwajcaria nawiązały współpracę w celu wytworzenia wielkopowierzchniowych (powierzchnia robocza ponad 1 CM2) ogniw słonecznych z chalkogenidku, które uzyskały certyfikaty organów międzynarodowych.
Etap szybkiego rozwoju (2016-obecnie)
2016, sprawność konwersji energii 19.6%: Grupa prof. Gratzela ze Szwajcarskiego Federalnego Instytutu Technologii w Lozannie zwiększyła certyfikowaną wydajność do 19.6%.
2018, sprawność konwersji energii 23.7%: Instytut Badań Półprzewodników Chińskiej Akademii Nauk zaproponował pasywację powierzchniowych defektów chalkogenidu za pomocą soli organicznych, zwiększając sukcesywnie wydajność konwersji do 23.3% i 23.7%.
2021, sprawność konwersji energii 29.8%: Centrum Helmholtza w Berlinie (HZB) opracowało tandemową baterię chalkogenidową o sprawności konwersji wynoszącej 29.8%, co przekracza limit sprawności złączy heterogenicznych (HJT), TOPCon i innych technologii krzemu krystalicznego.
2022, sprawność konwersji energii na poziomie 31.3%: École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) i Szwajcarskie Centrum Elektroniki i Mikrotechnologii (CSEM) stworzyły ogniwa fotowoltaiczne złożone z chalkogenidku i krzemu o sprawności konwersji wynoszącej 31.3%.
2023, sprawność konwersji energii 33.9%: Sprawność ogniwa zbudowanego z krystalicznego krzemu i kalcytu, opracowanego niezależnie przez chińską firmę LONGi Green Energy Technology Co., sięga 33.9%, przekraczając teoretyczną granicę sprawności Shockleya-Quaythera (SQ) wynoszącą 33.7% dla ogniw z pojedynczym złączem.
Różnica między wydajnością laboratoryjną a komercyjną
Wydajność laboratoryjna i wydajność komercyjna to dwa różne wskaźniki służące do oceny wydajności ogniw słonecznych. Istnieją między nimi pewne kluczowe różnice:
Wydajność laboratoryjna
Definicja:
Wydajność laboratoryjna to maksymalna wydajność Ogniwo słoneczne mierzone w idealnych warunkach laboratoryjnych. Zwykle obejmuje to standardowe warunki testowe (STC), takie jak określona intensywność światła (1000 W/m²), określony rozkład widmowy i ustalona temperatura (zwykle 25°C).
Charakterystyka:
Wydajność laboratoryjna jest zazwyczaj mierzona w zoptymalizowanych warunkach testowych, które mają na celu maksymalizację wydajności ogniwa.
Tego rodzaju wydajność mierzy się zazwyczaj dla pojedynczych ogniw lub małych próbek ogniw, a nie dla całego panelu słonecznego lub systemu.
Wydajność laboratoryjna odzwierciedla górną granicę potencjału technicznego ogniwa słonecznego.
Efektywność komercjalizacji
Definicja:
Efektywność komercjalizacji to średnia efektywność ogniwa słoneczne lub panele słoneczne, które są faktycznie produkowane i wprowadzane do użytku rynkowego. Jest to poziom wydajności, którego konsumenci mogą oczekiwać przy zakupie i użytkowaniu systemu ogniw słonecznych.
Charakterystyka:
Efektywność komercjalizacji jest z reguły niższa od efektywności laboratoryjnej, ponieważ musi uwzględniać szereg praktycznych czynników występujących w procesie produkcji masowej, takich jak zmienność materiałów, tolerancje produkcyjne i długoterminowa niezawodność.
Wydajność ta mierzona jest w warunkach zbliżonych do rzeczywistych warunków pracy, obejmujących zmienne temperatury, warunki oświetlenia i możliwe zacienienie.
Komercyjne dane dotyczące sprawności lepiej odzwierciedlają rzeczywistą wydajność ogniw słonecznych w codziennym użytkowaniu.
Różnice
Wydajność: Wydajność laboratoryjna jest zwykle wyższa od wydajności komercyjnej, ponieważ uzyskuje się ją w warunkach idealnych.
Podanie: Wydajność laboratoryjna jest częściej wykorzystywana w pracach badawczo-rozwojowych, w celu promowania nowych przełomowych technologii; podczas gdy wydajność komercyjna koncentruje się na rzeczywistej wydajności produktu i konkurencyjności rynkowej.
Koszty: Po osiągnięciu wydajności komercyjnej należy również wziąć pod uwagę koszt produkcji i wykonalność produkcji na dużą skalę, co zwykle nie jest najważniejszym czynnikiem branym pod uwagę przy określaniu wydajności laboratorium.
Kluczowe trendy w technologii ogniw słonecznych
Przyszłe przełomy w Ogniwo słoneczne technologia koncentruje się na poprawie wydajności, obniżeniu kosztów, zwiększeniu trwałości i dostosowaniu do potrzeb różnych zastosowań. Poniżej przedstawiono szczegółowy przegląd tych trendów:
Zwiększona wydajność konwersji energii
Ogniwa słoneczne wielozłączowe: Poprzez układanie materiałów półprzewodnikowych o różnych przerwach pasmowych, wielozłączowe ogniwa słoneczne mogą absorbować szersze pasmo światła słonecznego, co poprawia ogólną wydajność. W przyszłości można zobaczyć więcej potrójnych, a nawet poczwórnych ogniw słonecznych.
Połączenie chalkogenidu i krzemu: Połączenie ogniw chalkogenidowych z konwencjonalnymi ogniwami krzemowymi w celu utworzenia hybrydowych lub piętrowych ogniw słonecznych może zapewnić wyższą wydajność i lepszą odpowiedź widmową.
Redukcja kosztów i poprawa zrównoważonego rozwoju
Produkcja na większą skalę: Oczekuje się, że koszty produkcji ogniw słonecznych będą dalej spadać w miarę rozwoju technologii i zwiększania skali produkcji.
Materiały odnawialne: Badania i rozwój bardziej przyjaznych dla środowiska, nadających się do recyklingu materiałów, a także mniejsze wykorzystanie rzadkich i toksycznych materiałów przyczynią się do poprawy zrównoważonego rozwoju ogniw słonecznych pod względem oddziaływania na środowisko.
Zwiększona trwałość i niezawodność
Poprawa długoterminowej stabilności: Naukowcy zamierzają poprawić długoterminową stabilność i odporność ogniw słonecznych na warunki atmosferyczne, aby mogły one radzić sobie w różnych warunkach środowiskowych i wydłużyć swoją żywotność.
Materiały samoleczące: Opracowanie materiałów na ogniwa słoneczne, które będą mogły same naprawiać drobne uszkodzenia, zapewniając długoterminową wysoką wydajność.
Zamykając
Poprawa efektywności ogniwa słoneczne wszedł w fazę szybkiego rozwoju, zwłaszcza dzięki praktycznemu wykorzystaniu ogniw chalkogenidowych, które wniosą nową witalność do tej dziedziny. Ciągła poprawa wydajności ogniw słonecznych jest kluczowym czynnikiem napędzającym rozwój technologii słonecznej i jej przyjęcie na rynku.
Dzięki innowacjom w nauce o materiałach, zaawansowanej konstrukcji ogniw i postępowi w technologii produkcji ogniwa słoneczne stają się bardziej wydajne, opłacalne i niezawodne. Dzięki dalszym ulepszeniom wydajności i zastosowaniu nowych technologii możemy oczekiwać, że zapewnią one bardziej niezawodne i opłacalne rozwiązania energetyczne dla domów i firm.
Wreszcie udaj się do Cooig.com aby zapoznać się z szeregiem trendów w dziedzinie odnawialnych źródeł energii i przejrzeć listę oferowanych produktów, w tym ogniw słonecznych do użytku domowego i komercyjnego.
