A Солнечная батарея Это устройство, которое преобразует солнечный свет непосредственно в электрическую энергию. Это преобразование достигается за счет использования фотоэлектрического эффекта в полупроводниковом материале, обычно в кремнии. Солнечные элементы являются ключевым компонентом технологий возобновляемой энергетики и широко используются в солнечных энергетических системах.
В следующей статье будет представлен краткий обзор истории Солнечная батарея развитие и выделит ключевые показатели эффективности на сегодняшний день.
Содержание
Разработка солнечных батарей
классификация
КПД солнечных батарей
Мировые рекорды солнечных батарей за последние годы
Разница между лабораторной и коммерческой эффективностью
Ключевые тенденции в области технологий солнечных батарей
Подведение итогов
Разработка солнечных батарей
История солнечные батареи восходит к концу 1800-х годов, когда ученые обнаружили, что некоторые фотоэлектрические материалы могут производить электрический ток под воздействием света. Но только в 1954 году Bell Labs успешно разработала первый практический кремниевый солнечный элемент. В 1960-х годах солнечные элементы начали использоваться для энергоснабжения космических кораблей, что стимулировало дальнейшее развитие их технологии.
Коммерциализация и популяризация начались в 1970-х годах, с возникновением энергетического кризиса, солнечным элементам стало уделяться больше внимания как возобновляемому источнику энергии. Достижения в области технологий и снижение затрат на производство позволили солнечным элементам начать широко использоваться в коммерческих и жилых помещениях.
классификация
Монокристаллический кремний солнечные батареи: они изготовлены из одного кристалла кремния и более эффективны, но относительно дороги. Обычно они имеют высокую эффективность преобразования энергии и длительный срок службы.
Поликристаллический кремний солнечные батареи: Изготовленные из множества маленьких кристаллов кремния, они немного менее эффективны, чем монокристаллический кремний, но стоят дешевле.
Тонкая пленка солнечные батареи: Аморфный кремний или другие материалы (например, CdTe, CIGS) покрывают подложку очень тонкими слоями. Эти элементы дешевле, но обычно менее эффективны, чем элементы из кристаллического кремния.
Новинка солнечные батареи: К ним относятся органические солнечные элементы, халькогенидные солнечные элементы и т. д., которые могут предложить более низкие производственные затраты и новые возможности применения. В частности, халькогенидные клетки могут привести к новым открытиям.
КПД солнечных батарей
Солнечная батарея Эффективность является ключевым показателем того, насколько эффективно солнечный элемент преобразует солнечный свет в электричество. В частности, это отношение электрической энергии, производимой солнечным элементом, к мощности, которую он получает от солнечного излучения. Другими словами, он описывает, какая часть солнечной энергии, поглощаемой солнечным элементом, эффективно преобразуется в электрическую энергию.
Важность эффективности солнечных батарей
Выходная мощность: чем выше эффективность, тем больше электроэнергии может производить солнечный элемент того же размера при одинаковых условиях освещенности.
Экономическая эффективность: Повышенная эффективность снижает себестоимость единицы солнечной электроэнергии, делая солнечную энергию более экономически конкурентоспособной.
Использование пространства: Высокоэффективные солнечные элементы могут производить больше электроэнергии в ограниченном пространстве, что особенно важно для приложений с ограниченным пространством, таких как солнечные системы на крыше или небольшие установки.
Процесс повышения эффективности
Развитие солнечных элементов можно разделить на три этапа, каждый из которых имеет свои специфические технологические прорывы:
Фаза I: Солнечные элементы из кристаллического кремния.
Первый этап солнечные батареи в основном основан на монокристаллических и поликристаллических кремниевых материалах. Первые коммерческие кремниевые солнечные элементы имели эффективность около 6%, но благодаря технологическим усовершенствованиям современные монокристаллические кремниевые элементы смогли достичь эффективности более 22% в лабораторных условиях.
Процесс достижения: Увеличение эффективности происходит главным образом за счет технологических достижений в области чистоты кремния, оптимизации структуры решетки, снижения отражательной способности, улучшения конструкции электродов и уменьшения потерь энергии внутри ячейки.
Фаза II: Тонкопленочные солнечные элементы
Эти солнечные батареи включают селенид меди, индия, галлия (CIGS), теллур кадмия (CdTe) и солнечные элементы из аморфного кремния. Начальная эффективность этих тонкопленочных ячеек низкая, обычно около 10%, но с развитием материалов и технологий лабораторная эффективность ячеек CIGS и CdTe превысила 23%.
В основном это достигается за счет улучшения светопоглощающей способности тонкопленочных материалов, повышения эффективности транспортировки носителей и оптимизации клеточной структуры.
Фаза III: солнечные элементы из титанита кальция
Титанит кальция солнечные батареи являются самым быстрорастущим классом солнечных элементов в последние годы. Со времени первого отчета в 2009 году его эффективность быстро выросла с первоначальных 3.8% до более чем 33.9% сегодня.
Быстрый рост эффективности объясняется уникальными преимуществами халькогенидных материалов, такими как высокие коэффициенты поглощения света, регулируемая ширина запрещенной зоны и простые процессы изготовления.
Мировые рекорды солнечных батарей за последние годы
Начальная стадия развития (2009–2012 гг.)
2009 г., эффективность преобразования энергии 3.5%: Японский ученый Миясака использовал халькогенидный материал для сенсибилизированных красителем солнечных элементов в качестве светопоглощающего материала, но материал был нестабильным и вышел из строя через несколько минут.
2011 г., эффективность преобразования энергии 6.5%: Нам-Гю Пак из Университета Сунгюнгван, Южная Корея, усовершенствовал технологию халькогенидных солнечных элементов, значительно увеличив эффективность фотоэлектрического преобразования, но материал все еще нестабильен из-за того, что жидкий электролит все еще используется, и эффективность была снижена на 80% после несколько минут.
2012 г., эффективность преобразования энергии 10%: Группа Генри Снайта из Оксфордского университета представила транспортный материал Spiro-OMeTA, реализовала твердое состояние халькогенидной ячейки, еще больше улучшила эффективность преобразования, а фотоэлектрические характеристики явно не ухудшились после 500 часов, продемонстрировав превосходные показатели стабильности.
Начальная стадия разработки (2012~2015 гг.)
В две тысячи девятнадцатом годуГенри Снайт из Оксфордского университета заменил TiO2 в ячейке на алюминий (А1203), и с тех пор кальцит не только был поглощающим слоем света в ячейке, но и служил полупроводниковым материалом для передачи электрического заряда.
В две тысячи девятнадцатом годухалькогенид был выбран в качестве одного из 10 лучших научных прорывов в журнале Science 2013.
В 2015 году эффективность преобразования энергии 15%: Китай, Япония и Швейцария совместно создали халькогенидные солнечные элементы большой площади (рабочая площадь более 1 см2), сертифицированные международными органами.
Стадия быстрого развития (2016-настоящее время)
2016 г., эффективность преобразования энергии 19.6%: Группа профессора Гратцеля из Швейцарского федерального технологического института в Лозанне увеличила сертифицированную эффективность до 19.6%.
2018 г., эффективность преобразования энергии 23.7%: Институт исследований полупроводников Китайской академии наук предложил провести пассивацию дефектов поверхности халькогенидов органическими солями, последовательно увеличив эффективность преобразования до 23.3% и 23.7%.
2021 г., эффективность преобразования энергии 29.8%: Центр Гельмгольца в Берлине (HZB) разработал эффективность преобразования халькогенидных тандемных батарей на уровне 29.8%, что превышает предел эффективности гетерогенного перехода (HJT), TOPCon и других технологий кристаллического кремния.
2022 г., эффективность преобразования энергии 31.3%: Федеральная политехническая школа Лозанны (EPFL) и Швейцарский центр электроники и микротехнологий (CSEM) создали фотоэлектрические элементы со стопкой халькогенид-кремний с эффективностью преобразования 31.3%.
2023 г., эффективность преобразования энергии 33.9%: Эффективность многослойной ячейки кристаллического кремния-кальцита, независимо разработанной китайской компанией LONGi Green Energy Technology Co., достигает 33.9%, превосходя теоретический предел эффективности Шокли-Квайтера (SQ) в 33.7% для однопереходных ячеек.
Разница между лабораторной и коммерческой эффективностью
Лабораторная эффективность и эффективность коммерциализации — это два разных показателя для оценки производительности солнечных элементов, и между ними есть некоторые ключевые различия:
Лабораторная эффективность
Определение:
Лабораторная эффективность – это максимальная эффективность Солнечная батарея измеряется в идеализированных лабораторных условиях. Обычно это включает стандартные условия испытаний (STC), такие как определенная интенсивность света (1000 Вт/м²), заданное спектральное распределение и фиксированная температура (обычно 25°C).
Характеристики:
Эффективность лаборатории обычно измеряется в оптимизированных условиях испытаний, которые созданы для максимизации производительности клеток.
Такая эффективность обычно измеряется для отдельных ячеек или небольших образцов ячеек, а не для всей солнечной панели или системы.
Эффективность лаборатории отражает верхний предел технического потенциала солнечных батарей.
Эффективность коммерциализации
Определение:
Эффективность коммерциализации – это средняя эффективность солнечные батареи или солнечные панели, которые действительно производятся и вводятся в эксплуатацию на рынке. Это уровень производительности, на который могут рассчитывать потребители при покупке и использовании системы солнечных батарей.
Характеристики:
Эффективность коммерциализации обычно ниже, чем эффективность лаборатории, поскольку она должна учитывать множество практических факторов процесса массового производства, таких как различия в материалах, производственные допуски и долгосрочная надежность.
Эта эффективность измеряется в условиях, приближенных к реальным условиям эксплуатации, включая различные температуры, условия освещенности и возможное затенение.
Коммерческая эффективность в большей степени отражает фактическую производительность солнечных элементов при повседневном использовании.
Различия
Эффективность: Лабораторная эффективность обычно выше коммерческой, поскольку достигается в идеализированных условиях.
Применение: Эффективность лабораторий больше используется в исследованиях и разработках для продвижения новых технологических прорывов; в то время как коммерциализированная эффективность фокусируется на фактической производительности продукта и конкурентоспособности на рынке.
Стоимость: Когда достигается коммерциализированная эффективность, необходимо также учитывать стоимость производства и возможность крупномасштабного производства, что обычно не является основным фактором при определении эффективности лаборатории.
Ключевые тенденции в области технологий солнечных батарей
Будущие прорывы в Солнечная батарея технологии сосредоточены на повышении эффективности, снижении затрат, повышении долговечности и адаптации к потребностям различных применений. Ниже приводится подробный обзор этих тенденций:
Повышенная эффективность преобразования энергии
Многопереходные солнечные элементы: Комбинируя полупроводниковые материалы с разной шириной запрещенной зоны, многопереходные солнечные элементы могут поглощать более широкую полосу солнечного света, тем самым повышая общую эффективность. В будущем можно увидеть больше солнечных элементов с тройным и даже с четырьмя переходами.
Комбинация халькогенида и кремния: Комбинация халькогенидных солнечных элементов с обычными кремниевыми элементами для формирования гибридных или многослойных солнечных элементов может обеспечить более высокую эффективность и лучший спектральный отклик.
Снижение затрат и повышение устойчивости
Масштабирование производства: Ожидается, что стоимость производства солнечных элементов будет и дальше снижаться по мере развития технологии и масштабирования производства.
Возобновляемые материалы: Исследования и разработки более экологически чистых, пригодных для вторичной переработки материалов, а также снижение зависимости от редких и токсичных материалов помогут улучшить экологическую устойчивость солнечных элементов.
Повышенная долговечность и надежность
Улучшение долгосрочной стабильности: Исследователи стремятся улучшить долговременную стабильность и устойчивость солнечных батарей к атмосферным воздействиям, чтобы они могли справляться с различными условиями окружающей среды и продлить срок их службы.
Самовосстанавливающиеся материалы: Разработайте материалы для солнечных батарей, которые смогут самостоятельно устранять незначительные повреждения и поддерживать высокую эффективность в долгосрочной перспективе.
Подведение итогов
Повышение эффективности солнечные батареи вступила в стремительную стадию, особенно с практическим использованием халькогенидных клеток, которые придадут новую жизнь этой области. Постоянное повышение эффективности солнечных батарей является ключевым фактором, способствующим развитию солнечных технологий и их внедрению на рынке.
Благодаря инновациям в области материаловедения, передовому дизайну элементов и прогрессу в технологии производства солнечные элементы становятся более эффективными, экономичными и надежными. При дальнейшем повышении эффективности и применении новых технологий мы можем ожидать, что они обеспечат более надежные и экономически эффективные энергетические решения для домов и предприятий.
Наконец, отправляйтесь в Chovm.com изучить ряд тенденций в области возобновляемых источников энергии и просмотреть список предлагаемых продуктов, включая солнечные элементы для домашнего и делового использования.
