راهنمای شما برای کارایی سلول های خورشیدی که باید بدانید

A سلول خورشیدی وسیله ای است که نور خورشید را مستقیماً به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. این تبدیل با استفاده از اثر فتوولتائیک در یک ماده نیمه هادی، معمولا سیلیکون، به دست می آید. سلول های خورشیدی جزء کلیدی فناوری های انرژی های تجدیدپذیر هستند و به طور گسترده در سیستم های انرژی خورشیدی استفاده می شوند. 

مقاله زیر به شما مروری بر تاریخچه آن می دهد سلول خورشیدی توسعه و سوابق کلیدی کارایی تا به امروز را برجسته خواهد کرد.

فهرست مندرجات
توسعه سلول های خورشیدی
طبقه بندی
بازده سلول خورشیدی
رکوردهای جهانی سلول های خورشیدی در طول سال ها
تفاوت بین کارایی آزمایشگاهی و تجاری
روندهای کلیدی در فناوری سلول های خورشیدی
پسگفتار

توسعه سلول های خورشیدی

تاریخ سلول های خورشیدی به اواخر دهه 1800 برمی گردد، زمانی که دانشمندان کشف کردند که برخی از مواد PV می توانند در معرض نور جریان الکتریکی تولید کنند. اما تا سال 1954 بود که آزمایشگاه بل با موفقیت اولین سلول خورشیدی سیلیکونی عملی را توسعه داد. در دهه 1960، سلول های خورشیدی شروع به استفاده برای تامین انرژی در فضاپیماها کردند که باعث توسعه بیشتر فناوری آنها شد. 

تجاری سازی و محبوبیت در دهه 1970 آغاز شد، با ظهور بحران انرژی، سلول های خورشیدی به عنوان یک منبع انرژی تجدید پذیر بیشتر مورد توجه قرار گرفتند. پیشرفت در فناوری و هزینه های تولید کمتر باعث شد تا سلول های خورشیدی به طور گسترده در کاربردهای تجاری و مسکونی مورد استفاده قرار گیرند.

طبقه بندی

سیلیکون تک رنگ سلول های خورشیدی: آنها از یک کریستال سیلیکون ساخته شده اند و کارآمدتر هستند اما نسبتاً گران هستند. آنها معمولاً دارای راندمان تبدیل انرژی بالا و عمر طولانی هستند.

سیلیکون پلی کریستالی سلول های خورشیدی: ساخته شده از چندین کریستال سیلیکون کوچک، کارایی آنها کمی کمتر از سیلیکون تک کریستالی است، اما هزینه کمتری دارند.

فیلم نازک سلول های خورشیدی: سیلیکون آمورف یا مواد دیگر (به عنوان مثال، CdTe، CIGS) در لایه های بسیار نازک روی یک بستر پوشانده شده است. این سلول‌ها ارزان‌تر هستند، اما معمولاً کارایی کمتری نسبت به سلول‌های سیلیکونی کریستالی دارند.

جدید سلول های خورشیدی: اینها شامل سلول‌های خورشیدی آلی، سلول‌های خورشیدی کالکوژنید و غیره می‌شوند که ممکن است هزینه‌های تولید پایین‌تری و امکانات کاربردی جدید ارائه دهند. سلول های کالکوژنید، به ویژه، ممکن است منجر به پیشرفت های جدیدی شود.

بازده سلول خورشیدی

سلول خورشیدی بهره وری یک معیار کلیدی است که نشان می دهد سلول خورشیدی چگونه نور خورشید را به الکتریسیته تبدیل می کند. به طور خاص، نسبت توان الکتریکی تولید شده توسط یک سلول خورشیدی به نیرویی است که از تابش خورشید دریافت می کند. به عبارت دیگر، توصیف می کند که چه مقدار از انرژی خورشیدی جذب شده توسط سلول خورشیدی به طور موثر به انرژی الکتریکی تبدیل می شود.

اهمیت کارایی سلول های خورشیدی

توان خروجی: هرچه بازده بالاتر باشد، سلول خورشیدی با همان اندازه می تواند در شرایط نوری یکسان برق بیشتری تولید کند.

اثربخشی هزینه: افزایش بهره وری هزینه واحد برق خورشیدی را کاهش می دهد و انرژی خورشیدی را از نظر اقتصادی رقابتی تر می کند.

استفاده از فضا: سلول های خورشیدی با راندمان بالا می توانند برق بیشتری را در یک فضای محدود تولید کنند، که به ویژه برای کاربردهای محدود فضا مانند سیستم های خورشیدی روی پشت بام یا تاسیسات کوچک مهم است.

فرآیند بهبود کارایی

توسعه سلول‌های خورشیدی را می‌توان به سه مرحله تقسیم کرد که هر کدام پیشرفت‌های فنی خاص خود را دارند:

فاز I: سلول های خورشیدی سیلیکونی کریستالی

مرحله اول سلول های خورشیدی عمدتا بر اساس مواد سیلیکونی تک کریستالی و پلی کریستالی است. سلول‌های خورشیدی سیلیکونی تجاری اولیه حدود 6 درصد راندمان داشتند، اما با پیشرفت‌های فناوری، سلول‌های سیلیکونی تک کریستالی مدرن توانسته‌اند در شرایط آزمایشگاهی به بازدهی بیش از 22 درصد برسند.

فرآیند دستیابی: افزایش راندمان عمدتاً به دلیل پیشرفت های تکنولوژیکی در خلوص سیلیکون، بهینه سازی ساختار شبکه، کاهش بازتاب، بهبود طراحی الکترود و کاهش اتلاف انرژی در داخل سلول است.

فاز دوم: سلول های خورشیدی لایه نازک

اینها سلول های خورشیدی شامل مس ایندیم گالیوم سلنید (CIGS)، تلوریم کادمیوم (CdTe) و سلول های خورشیدی سیلیکونی آمورف. راندمان شروع این سلول های لایه نازک کم است، به طور کلی حدود 10٪، اما با توسعه مواد و تکنولوژی فرآیند، راندمان آزمایشگاهی سلول های CIGS و CdTe از 23٪ فراتر رفته است.

این عمدتاً با بهبود توانایی جذب نور مواد لایه نازک، بهبود کارایی حمل و نقل حامل و بهینه سازی ساختار سلول به دست می آید.

فاز III: سلول های خورشیدی تیتانیت کلسیم

تیتانیت کلسیم سلول های خورشیدی سریع‌ترین رشد سلول‌های خورشیدی در سال‌های اخیر هستند. از اولین گزارش آن در سال 2009، کارایی آن به سرعت از 3.8 درصد اولیه به بیش از 33.9 درصد امروز افزایش یافته است.

افزایش سریع راندمان به مزایای منحصر به فرد مواد کالکوژنیدی مانند ضرایب جذب نور بالا، شکاف های باند قابل تنظیم و فرآیندهای ساخت ساده نسبت داده می شود.

رکوردهای جهانی سلول های خورشیدی در طول سال ها

مرحله نوپای توسعه (2009-2012)

2009، راندمان تبدیل انرژی 3.5٪: دانشمند ژاپنی Miyasaka از ماده کالکوژنید برای سلول های خورشیدی حساس به رنگ به عنوان ماده جذب نور استفاده کرد، اما این ماده ناپایدار بود و پس از چند دقیقه از کار افتاد.

2011، راندمان تبدیل انرژی 6.5٪: پارک Nam-Gyu، دانشگاه Sungkyunkwan، کره جنوبی، فناوری سلول های خورشیدی کالکوژنید را بهبود بخشید و راندمان تبدیل فوتوالکتریک را به طور چشمگیری افزایش داد، اما به دلیل استفاده از الکترولیت مایع همچنان ناپایدار است و راندمان پس از چند دقیقه 80٪ کاهش یافت.

2012، راندمان تبدیل انرژی 10٪: گروه هنری اسنایت دانشگاه آکسفورد ماده انتقال Spiro-OMeTA را معرفی کرد، به حالت جامد سلول کالکوژنید پی برد، راندمان تبدیل را بیشتر بهبود بخشید و عملکرد فتوولتائیک به وضوح پس از 500 ساعت کاهش نیافته و عملکرد پایداری عالی را نشان داد.

مرحله توسعه اولیه (2012-2015)

در 2012هنری اسنایت از دانشگاه آکسفورد TiO2 را در سلول با آلومینیوم (A1203) جایگزین کرد و از آن زمان کلسیت نه تنها یک لایه جذب کننده نور در سلول است، بلکه به عنوان یک ماده نیمه هادی برای انتقال بار الکتریکی نیز عمل می کند.

در 2013، کالکوژناید به عنوان یکی از 10 پیشرفت علمی برتر در Science 2013 انتخاب شد.

در سال 2015، راندمان تبدیل انرژی 15٪: چین، ژاپن و سوئیس برای ساخت سلول های خورشیدی کالکوژنیدی با مساحت بزرگ (منطقه کاری بیش از 1 CM2) که توسط مقامات بین المللی تأیید شده بود، همکاری کردند.

مرحله توسعه سریع (2016 تا کنون)

2016، راندمان تبدیل انرژی 19.6٪: گروه پروفسور گراتزل در مؤسسه فناوری فدرال سوئیس در لوزان، کارایی تایید شده را به 19.6% افزایش داد.

2018، راندمان تبدیل انرژی 23.7٪: مؤسسه تحقیقات نیمه هادی آکادمی علوم چین، غیرفعال کردن نمک آلی نقایص سطحی کالکوژنید را پیشنهاد کرد، و به طور متوالی راندمان تبدیل را به 23.3٪ و 23.7٪ افزایش داد.

2021، راندمان تبدیل انرژی 29.8٪: مرکز هلمهولتز برلین (HZB) راندمان تبدیل باتری پشت سر هم 29.8 درصد را توسعه داد که از حد بازده اتصال ناهمگن (HJT)، TOPCon و سایر فناوری‌های سیلیکون کریستالی فراتر رفت.

2022، راندمان تبدیل انرژی 31.3٪: Ecole Polytechnique Fédérale de Lozanne (EPFL) و مرکز الکترونیک و میکروفناوری سوئیس (CSEM) سلول های فتوولتائیک انباشته شده با سیلیسیم کالکوژنید با راندمان تبدیل 31.3٪ ایجاد کرده اند.

2023، راندمان تبدیل انرژی 33.9٪: راندمان سلول انباشته سیلیکون-کلسیت کریستالی به طور مستقل توسط شرکت فناوری انرژی سبز LONGi چین به 33.9 درصد می رسد که از حد بازده نظری Shockley-Quayther (SQ) 33.7 درصد برای سلول های تک پیوندی فراتر می رود.

تفاوت بین کارایی آزمایشگاهی و تجاری

کارایی آزمایشگاه و کارایی تجاری سازی دو معیار متفاوت برای ارزیابی عملکرد سلول خورشیدی هستند و تفاوت های کلیدی بین آنها وجود دارد:

کارایی آزمایشگاه

تعریف:

راندمان آزمایشگاهی حداکثر بازده الف است سلول خورشیدی تحت شرایط آزمایشگاهی ایده آل اندازه گیری می شود. این معمولا شامل شرایط تست استاندارد (STC) مانند شدت نور خاص (1000 W/m²)، توزیع طیفی مشخص و دمای ثابت (معمولاً 25 درجه سانتیگراد) است.

مشخصات:

راندمان آزمایشگاهی معمولاً تحت شرایط آزمایشی بهینه که برای به حداکثر رساندن عملکرد سلول تنظیم شده است اندازه گیری می شود.

چنین بازدهی معمولاً برای سلول‌های منفرد یا نمونه‌های سلول کوچک اندازه‌گیری می‌شود، نه برای کل پنل خورشیدی یا سیستم.

راندمان آزمایشگاهی منعکس کننده حد بالایی پتانسیل فنی یک سلول خورشیدی است.

کارایی تجاری سازی

تعریف:

راندمان تجاری سازی میانگین کارایی است سلول های خورشیدی یا پنل های خورشیدی که در واقع تولید و وارد بازار می شوند. این سطح عملکردی است که مصرف کنندگان هنگام خرید و استفاده از یک سیستم سلول خورشیدی می توانند انتظار داشته باشند.

مشخصات:

راندمان تجاری‌سازی معمولاً پایین‌تر از بازده آزمایشگاهی است زیرا باید عوامل عملی مختلفی را در فرآیند تولید انبوه در نظر بگیرد، مانند تغییرات مواد، تحمل‌های تولید و قابلیت اطمینان طولانی‌مدت.

این بازده در شرایط نزدیک به شرایط عملیاتی واقعی، از جمله دماهای متفاوت، شرایط نور و سایه احتمالی اندازه گیری می شود.

راندمان تجاری سازی شده بیشتر منعکس کننده عملکرد واقعی سلول های خورشیدی در استفاده روزمره است.

تفاوت

بهره وری: راندمان آزمایشگاهی معمولاً بالاتر از بازده تجاری است زیرا در شرایط ایده آل به دست می آید.

کاربرد: بهره وری آزمایشگاه بیشتر در تحقیق و توسعه برای ترویج پیشرفت های فناوری جدید استفاده می شود. در حالی که کارایی تجاری سازی شده بر عملکرد واقعی محصول و رقابت در بازار متمرکز است.

هزینه: هنگامی که کارایی تجاری به دست می آید، هزینه تولید و امکان سنجی تولید در مقیاس بزرگ نیز باید در نظر گرفته شود، که معمولاً در تعیین کارایی آزمایشگاه مورد توجه قرار نمی گیرد.

روندهای کلیدی در فناوری سلول های خورشیدی

پیشرفت های آینده در سلول خورشیدی تمرکز فناوری بر بهبود کارایی، کاهش هزینه ها، افزایش دوام و انطباق با نیازهای برنامه های مختلف است. در زیر چشم انداز دقیقی از این روندها ارائه شده است:

افزایش راندمان تبدیل انرژی

سلول های خورشیدی چند اتصالی: با چیدن مواد نیمه هادی با فاصله های باند مختلف، سلول های خورشیدی چند پیوندی می توانند باند وسیع تری از نور خورشید را جذب کنند و در نتیجه کارایی کلی را بهبود بخشند. سلول های خورشیدی با اتصال سه گانه و حتی چهار پیوند ممکن است در آینده دیده شوند.

ترکیب کالکوژنید و سیلیکون: ترکیب سلول‌های خورشیدی کالکوژنید با سلول‌های سیلیکونی معمولی برای تشکیل سلول‌های خورشیدی هیبریدی یا انباشته ممکن است کارایی بالاتر و پاسخ طیفی بهتری را ارائه دهد.

کاهش هزینه ها و بهبود پایداری

تولید مقیاس: انتظار می‌رود که هزینه ساخت سلول‌های خورشیدی با بلوغ فناوری و افزایش تولید بیشتر کاهش یابد.

مواد تجدید پذیر: تحقیق و توسعه مواد سازگار با محیط زیست، قابل بازیافت و کاهش اتکا به مواد کمیاب و سمی به بهبود پایداری زیست محیطی سلول های خورشیدی کمک می کند.

دوام و قابلیت اطمینان افزایش یافته است

بهبود پایداری طولانی مدت: هدف محققان بهبود پایداری طولانی مدت و مقاومت در برابر هوای سلول های خورشیدی برای مقابله با انواع شرایط محیطی و افزایش طول عمر آنها است.

مواد خود درمانی: مواد سلول خورشیدی را توسعه دهید که می توانند آسیب های جزئی را به خودی خود ترمیم کنند تا راندمان بالا در طولانی مدت حفظ شود.

پسگفتار

بهبود بهره وری از سلول های خورشیدی به ویژه با استفاده عملی از سلول های کالکوژنید وارد مرحله ای سریع شده است که نشاط جدیدی را در این زمینه به ارمغان می آورد. بهبود مستمر در بهره وری سلول های خورشیدی یک عامل کلیدی است که باعث توسعه فناوری خورشیدی و پذیرش بازار می شود. 

از طریق نوآوری در علم مواد، طراحی سلول های پیشرفته و پیشرفت در فناوری ساخت، سلول های خورشیدی کارآمدتر، مقرون به صرفه تر و قابل اطمینان تر می شوند. با بهبود بیشتر در بهره وری و استفاده از فناوری های جدید، می توان انتظار داشت که آنها راه حل های انرژی قابل اعتمادتر و مقرون به صرفه تری را برای خانه ها و مشاغل ارائه دهند.

سرانجام ، به Chovm.com برای بررسی طیف وسیعی از روندهای انرژی تجدیدپذیر و مرور لیستی از محصولات ارائه شده، از جمله سلول های خورشیدی برای استفاده خانگی و تجاری.