A Zonnecel is een apparaat dat zonlicht direct omzet in elektrische energie. Deze omzetting wordt bereikt door gebruik te maken van het fotovoltaïsche effect in een halfgeleidermateriaal, meestal silicium. Zonnecellen zijn een belangrijk onderdeel van hernieuwbare energietechnologieën en worden veel gebruikt in zonne-energiesystemen.
Het volgende artikel geeft u een overzicht van de geschiedenis van Zonnecel ontwikkeling en zal de belangrijkste efficiëntieresultaten tot nu toe benadrukken.
Inhoudsopgave
De ontwikkeling van zonnecellen
Classificatie
Efficiëntie van zonnecellen
Wereldrecords voor zonnecellen door de jaren heen
Het verschil tussen laboratorium- en commerciële efficiëntie
Belangrijkste trends in zonneceltechnologie
Afsluiten
De ontwikkeling van zonnecellen
De geschiedenis zonnepanelen dateert uit de late jaren 1800, toen wetenschappers ontdekten dat bepaalde PV-materialen een elektrische stroom konden produceren wanneer ze werden blootgesteld aan licht. Maar het duurde tot 1954 voordat Bell Labs met succes de eerste praktische siliciumzonnecel ontwikkelde. In de jaren 1960 werden zonnecellen gebruikt voor energievoorziening in ruimtevaartuigen, wat de verdere ontwikkeling van hun technologie aanwakkerde.
Commercialisering en popularisering begonnen in de jaren 1970, met de opkomst van de energiecrisis kregen zonnecellen meer aandacht als hernieuwbare energiebron. Vooruitgang in technologie en lagere productiekosten zorgden ervoor dat zonnecellen op grote schaal gebruikt konden worden in commerciële en residentiële toepassingen.
Classificatie
Monokristallijn silicium zonnepanelen: ze zijn gemaakt van een enkel siliciumkristal en zijn efficiënter maar relatief duur. Ze hebben doorgaans een hoge energieomzettingsefficiëntie en een lange levensduur.
Polykristallijn silicium zonnepanelen: Ze zijn gemaakt van meerdere kleine siliciumkristallen en zijn daardoor iets minder efficiënt dan monokristallijn silicium, maar ze kosten wel minder.
Dunne film zonnepanelen: Amorf silicium of andere materialen (bijv. CdTe, CIGS) worden in zeer dunne lagen op een substraat bedekt. Deze cellen zijn goedkoper, maar zijn doorgaans minder efficiënt dan kristallijne siliciumcellen.
Nieuw zonnepanelen: Hieronder vallen organische zonnecellen, chalcogenide zonnecellen, etc., die mogelijk lagere productiekosten en nieuwe toepassingsmogelijkheden bieden. Chalcogenide cellen in het bijzonder kunnen leiden tot nieuwe doorbraken.
Efficiëntie van zonnecellen
Zonnecel efficiëntie is een belangrijke maatstaf voor hoe efficiënt een zonnecel zonlicht omzet in elektriciteit. Het is met name de verhouding tussen het elektrische vermogen dat door een zonnecel wordt geproduceerd en het vermogen dat het ontvangt van de straling van de zon. Met andere woorden, het beschrijft hoeveel van de door de zonnecel geabsorbeerde zonne-energie efficiënt wordt omgezet in elektrische energie.
Het belang van de efficiëntie van zonnecellen
Vermogen: Hoe hoger het rendement, hoe meer elektriciteit een zonnecel van dezelfde grootte kan produceren onder dezelfde lichtomstandigheden.
Kosten efficiëntie: Een hogere efficiëntie verlaagt de eenheidskosten van zonne-energie, waardoor zonne-energie economisch gezien concurrerender wordt.
Ruimtegebruik: Zonnecellen met een hoog rendement kunnen meer elektriciteit opwekken in een beperkte ruimte. Dit is vooral belangrijk voor toepassingen met beperkte ruimte, zoals zonnesystemen op daken of kleine installaties.
Efficiëntieverbeteringsproces
De ontwikkeling van zonnecellen kan worden onderverdeeld in drie fasen, die elk hun eigen specifieke technologische doorbraken kennen:
Fase I: Kristallijne siliciumzonnecellen
De eerste fase van zonnepanelen is voornamelijk gebaseerd op monokristallijne en polykristallijne siliciummaterialen. De eerste gecommercialiseerde siliciumzonnecellen hadden een efficiëntie van ongeveer 6%, maar met technologische verbeteringen zijn moderne monokristallijne siliciumcellen in staat geweest om efficiënties van meer dan 22% te bereiken onder laboratoriumomstandigheden.
Prestatieproces: De toename in efficiëntie is voornamelijk te danken aan technologische vooruitgang op het gebied van siliciumzuiverheid, optimalisatie van de roosterstructuur, vermindering van de reflectiviteit, verbetering van het elektrodeontwerp en vermindering van energieverlies binnen de cel.
Fase II: Dunnefilmzonnecellen
Deze zonnepanelen omvatten koper-indium-gallium-selenide (CIGS), cadmium-tellurium (CdTe) en amorfe siliciumzonnecellen. De startefficiëntie van deze dunnefilmcellen is laag, over het algemeen rond de 10%, maar met de ontwikkeling van materialen en procestechnologie is de laboratoriumefficiëntie van CIGS- en CdTe-cellen de 23% overschreden.
Dit wordt voornamelijk bereikt door het lichtabsorptievermogen van dunnefilmmaterialen te verbeteren, de efficiëntie van het dragertransport te verbeteren en de celstructuur te optimaliseren.
Fase III: Calciumtitaniet zonnecellen
Calciumtitaniet zonnepanelen zijn de snelst groeiende klasse van zonnecellen in de afgelopen jaren. Sinds het eerste rapport in 2009 is de efficiëntie ervan snel toegenomen van een aanvankelijke 3.8% tot meer dan 33.9% vandaag.
De snelle toename in efficiëntie wordt toegeschreven aan de unieke voordelen van chalcogenidematerialen, zoals hoge lichtabsorptiecoëfficiënten, instelbare bandafstanden en eenvoudige fabricageprocessen.
Wereldrecords voor zonnecellen door de jaren heen
Beginstadium van ontwikkeling (2009~2012)
2009, energieomzettingsrendement 3.5%: De Japanse wetenschapper Miyasaka gebruikte chalcogenidemateriaal voor kleurstofgevoelige zonnecellen als lichtabsorberend materiaal, maar het materiaal was instabiel en begaf het na enkele minuten.
2011, energieomzettingsrendement 6.5%: Nam-Gyu Park van de Sungkyunkwan Universiteit in Zuid-Korea heeft de technologie van chalcogenide zonnecellen verbeterd, waardoor de foto-elektrische conversie-efficiëntie aanzienlijk is toegenomen. Het materiaal is echter nog steeds instabiel vanwege het nog steeds gebruikte vloeibare elektrolyt en de efficiëntie daalde na enkele minuten met 80%.
2012, energieomzettingsrendement 10%: De groep van Henry Snaith van de Universiteit van Oxford introduceerde het transportmateriaal Spiro-OMeTA, realiseerde de vaste toestand van de chalcogenidecel, verbeterde de conversie-efficiëntie verder en de fotovoltaïsche prestaties namen na 500 uur niet merkbaar af, wat een uitstekende stabiliteitsprestatie aantoonde.
Initiële ontwikkelingsfase (2012~2015)
Vanaf 2012Henry Snaith van de Universiteit van Oxford verving TiO2 in de cel door aluminium (A1203). Sindsdien fungeert calciet niet alleen als een absorberende laag van licht in de cel, maar dient het ook als halfgeleidermateriaal voor het overbrengen van elektrische lading.
Vanaf 2013, chalcogenide werd geselecteerd als een van de top 10 wetenschappelijke doorbraken in Science 2013.
In 2015 bedroeg de energieomzettingsefficiëntie 15%: China, Japan en Zwitserland werkten samen om grote chalcogenide zonnecellen (werkoppervlak van meer dan 1 CM2) te maken, die door internationale autoriteiten werden gecertificeerd.
Snelle ontwikkelingsfase (2016-heden)
2016, energieomzettingsrendement 19.6%: De groep van Prof. Gratzel aan de Zwitserse Federale Technische Hogeschool in Lausanne verhoogde het gecertificeerde rendement tot 19.6%.
2018, energieomzettingsrendement 23.7%: Het Instituut voor Halfgeleideronderzoek van de Chinese Academie van Wetenschappen stelde voor om chalcogenide-oppervlaktedefecten te passiveren met organische zouten, waardoor de conversie-efficiëntie achtereenvolgens werd verhoogd tot 23.3% en 23.7%.
2021, energieomzettingsrendement 29.8%: Het Helmholtz Center Berlin (HZB) heeft een conversie-efficiëntie van chalcogenide-tandembatterijen ontwikkeld van 29.8%. Daarmee overtreft het de efficiëntielimiet van heterogene junctie (HJT), TOPCon en andere kristallijne siliciumtechnologie.
2022, energieomzettingsrendement van 31.3%: De Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) en het Zwitserse Centrum voor Elektronica en Microtechnologie (CSEM) hebben gestapelde chalcogenide-silicium fotovoltaïsche cellen ontwikkeld met een conversie-efficiëntie van 31.3%.
2023, energieomzettingsrendement 33.9%: De efficiëntie van de kristallijne silicium-calciet gestapelde cel, onafhankelijk ontwikkeld door het Chinese LONGi Green Energy Technology Co., bedraagt 33.9%. Daarmee overtreft het de theoretische efficiëntielimiet van Shockley-Quayther (SQ) van 33.7% voor single-junction cellen.
Het verschil tussen laboratorium- en commerciële efficiëntie
Laboratoriumefficiëntie en commercialiseringsefficiëntie zijn twee verschillende maatstaven voor het evalueren van de prestaties van zonnecellen. Er zijn enkele belangrijke verschillen tussen beide:
Laboratorium efficiëntie
Definitie:
Laboratoriumefficiëntie is de maximale efficiëntie van een Zonnecel gemeten onder geïdealiseerde laboratoriumomstandigheden. Dit omvat doorgaans standaard testomstandigheden (STC) zoals een specifieke lichtintensiteit (1000 W/m²), een gespecificeerde spectrale verdeling en een vaste temperatuur (meestal 25°C).
kenmerken:
De efficiëntie in laboratoria wordt doorgaans gemeten onder geoptimaliseerde testomstandigheden die zijn ingesteld om de celprestaties te maximaliseren.
Dergelijke efficiënties worden doorgaans gemeten voor individuele cellen of kleine celmonsters, en niet voor een heel zonnepaneel of -systeem.
De laboratoriumrendementen weerspiegelen de bovengrens van het technische potentieel van een zonnecel.
Commercialiseringsefficiëntie
Definitie:
De commercialiseringsefficiëntie is de gemiddelde efficiëntie van zonnepanelen of zonnepanelen die daadwerkelijk worden geproduceerd en op de markt worden gebracht. Het is het prestatieniveau dat consumenten kunnen verwachten bij de aanschaf en het gebruik van een zonnecelsysteem.
kenmerken:
De efficiëntie van commercialisering is doorgaans lager dan de efficiëntie in laboratoria, omdat er rekening moet worden gehouden met een groot aantal praktische factoren in het massaproductieproces, zoals materiaalvariaties, productietoleranties en betrouwbaarheid op de lange termijn.
Deze efficiëntie wordt gemeten onder omstandigheden die dichter bij de werkelijke bedrijfsomstandigheden liggen, zoals wisselende temperaturen, lichtomstandigheden en mogelijke schaduw.
Commerciële efficiënties weerspiegelen beter de werkelijke prestaties van zonnecellen in het dagelijks gebruik.
Verschillen
Efficiëntie: Het rendement in laboratoria is doorgaans hoger dan het rendement in commerciële toepassingen, omdat het onder ideale omstandigheden wordt bereikt.
Toepassing: Laboratoriumefficiëntie wordt meer gebruikt in onderzoek en ontwikkeling om nieuwe technologische doorbraken te bevorderen, terwijl commerciële efficiëntie zich richt op de daadwerkelijke productprestaties en de concurrentiekracht op de markt.
Kosten: Wanneer commerciële efficiëntie wordt bereikt, moeten ook de productiekosten en de haalbaarheid van grootschalige productie in overweging worden genomen. Dit zijn doorgaans geen belangrijke overwegingen bij het bepalen van de efficiëntie in laboratoria.
Belangrijkste trends in zonneceltechnologie
Toekomstige doorbraken in Zonnecel technologie zijn gericht op het verbeteren van de efficiëntie, het verlagen van kosten, het verbeteren van de duurzaamheid en het aanpassen aan de behoeften van diverse toepassingen. Hieronder volgt een gedetailleerd overzicht van deze trends:
Verhoogde energieomzettingsefficiëntie
Multi-junction zonnecellen: Door halfgeleidermaterialen met verschillende bandgaps te stapelen, kunnen multi-junction zonnecellen een bredere band van zonlicht absorberen, waardoor de algehele efficiëntie wordt verbeterd. In de toekomst zullen er wellicht meer triple-junction en zelfs quadruple-junction zonnecellen te zien zijn.
Combinatie van chalcogenide en silicium: De combinatie van chalcogenide-zonnecellen met conventionele siliciumcellen om hybride of gestapelde zonnecellen te vormen, kan een hogere efficiëntie en een betere spectrale respons opleveren.
Kosten verlagen en duurzaamheid verbeteren
Opschaling productie: De verwachting is dat de kosten voor de productie van zonnecellen verder zullen dalen naarmate de technologie zich verder ontwikkelt en de productie op grotere schaal plaatsvindt.
Hernieuwbare materialen: Onderzoek en ontwikkeling van milieuvriendelijkere, recyclebare materialen en een verminderde afhankelijkheid van zeldzame en giftige materialen zullen bijdragen aan een betere ecologische duurzaamheid van zonnecellen.
Verbeterde duurzaamheid en betrouwbaarheid
Verbeter de stabiliteit op lange termijn: Onderzoekers willen de stabiliteit en weersbestendigheid van zonnecellen op de lange termijn verbeteren, zodat ze bestand zijn tegen uiteenlopende omgevingsomstandigheden en hun levensduur kunnen verlengen.
Zelfherstellende materialen: Ontwikkel zonnecelmaterialen die kleine schade zelf kunnen herstellen en zo op lange termijn een hoog rendement kunnen behouden.
Afsluiten
De efficiëntieverbetering van zonnepanelen is in een snel stadium beland, met name met het praktische gebruik van chalcogenidecellen die nieuwe vitaliteit aan dit veld zullen brengen. Continue verbetering van de efficiëntie van zonnecellen is een belangrijke factor die de ontwikkeling van zonnetechnologie en marktacceptatie stimuleert.
Door innovaties in materiaalkunde, geavanceerd celontwerp en vooruitgang in productietechnologie worden zonnecellen efficiënter, kosteneffectiever en betrouwbaarder. Met verdere verbeteringen in efficiëntie en de toepassing van nieuwe technologieën kunnen we verwachten dat ze betrouwbaardere en kosteneffectievere energieoplossingen voor huizen en bedrijven zullen bieden.
Ga ten slotte naar Chovm.com om een reeks trends op het gebied van hernieuwbare energie te verkennen en een lijst met productaanbiedingen te bekijken, waaronder zonnecellen voor thuis- en zakelijk gebruik.
