Солнечных батарей устройство: Как работают солнечные батареи — Naked Science

Содержание

Устройство солнечной батареи. Теория

Состав и устройство солнечной батареи, ее элементов определяют эффективность выработки энергии готовым изделием. В настоящее время, для генерации электрической энергии используются солнечные панели на основе кремния (с-Si, mc-Si & кремниевые тонкопленочные батареи), теллурида кадмия CdTe, соединения медь-индий (галлий)-селен Cu(InGa)Se2, а также концентраторные батареи на основе арсенида галлия (GaAs). Ниже будут даны краткие описания каждой из них.

Солнечные батареи основе кремния

Солнечные батареи (СБ) на основе кремния составляют на сегодняшний день порядка 85% всех выпускаемых солнечных панелей. Исторически это обусловлено тем, что при производстве СБ на основе кремния использовался обширный технологический задел и инфраструктура микроэлектронной промышленности, основной «рабочей лошадкой» которой также является кремний. В результате, многие ключевые технологии микроэлектронной промышленности такие как выращивания кремния, нанесения покрытий, легирования, удалось адаптировать для производства кремниевых батарей с минимальными изменениями и инвестициями. Кроме того, кремний – один из самых распространенных элементов земной коры и составляет по разным данным 27-29% по массе. Таким образом, нет никаких физических ограничений для производства значительной доли электроэнергии Земли с имеющимися запасами Si.

Различают два основных типа кремниевых СБ – на основе монокристаллического кремния (crystalline-Si, c-Si) и на основе мультикристаллического (multicrystalline-Si, mc-Si) или поликристаллического. В первом случае используется высококачественный (и, соответственно, более дорогой) кремний выращенный по методу Чохральского, который является стандартным методом для получения кремниевых пластин-заготовок для производства микропроцессоров и микросхем. Эффективность СБ изготовленных из монокристаллического кремния составляет обычно 19-22%. Не так давно, фирма Panasonic заявила о начале промышленного выпуска СБ с эффективностью 24,5% (что вплотную приближается к максимально возможному теоретически значению ~30%).

Во втором случае для производства СБ используется более дешевый кремний произведенный по методу направленной кристаллизации в тигле (block-cast), специально разработанного для производства СБ. Получаемые в результате кремниевые пластины состоят из множества мелких разнонаправленных кристаллитов (типичные размеры 1-10мм) разделенных границами зерен. Подобные неидеальности кристаллической структуры (дефекты) приводят к снижению эффективности – типичные значения эффективности СБ из mc-Si составляют 14-18%. Снижение эффективности данных СБ компенсируется их меньшей ценой, так что цена за один ватт произведенной электроэнергии оказывается примерно одинаковой для солнечных панелей как на основе c-Siтак и mc-Si.

Тонкопленочные солнечные панели

Возникает вопрос – зачем разрабатывать другие типы модулей, если солнечные панели на основе моно- и мультикристаллического кремния уже созданы и показывают неплохие результаты? Очевидный ответ — чтобы добиться еще большего снижения стоимости и улучшения технологичности и эффективности, по сравнению с обычными c-Si и mc-Siсолнечными батареями.

Дело в том, что обычные кремниевые фотоэлектрические модули наряду с преимуществами, перечисленными выше, обладают и рядом недостатков. Кемний из-за своих особых электрофизических свойств (непрямозонный полупроводник) обладает довольно низким коэффициентом поглощения, особенно в области инфракрасных длин волн. Таким образом, толщина кремниевой пластины для эффективного поглощения солнечного излучения должна составлять довольно внушительные 100-300 мкм. Более толстые пластины означают больший расход материала, что ведет к удорожанию СБ.

В то же время, прямозонные полупроводники на вроде GaAs, CdTe, Cu(InGa)Se2, и даже некоторые модифицированные формы Si, способны поглощать требуемое количество солнечной энергии при толщине всего в несколько микрон. Открывается заманчивая перспектива сэкономить на расходных материалах, а также на электроэнергии, которой требуется значительно меньше для изготовления более тонкого слоя полупроводника. Еще одной положительной чертой СБ на основе вышеназванных полупроводников – в отличие от СБ на основе c-Si и mc-Si– является их способность не снижать эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую даже в условиях рассеянного излучения (облачный день или в тени).

Исследования СБ на основе теллурида кадмия (CdTe) начались еще в 1970х годах ввиду их потенциального использования в качестве перспективных для космических аппаратов. А первое широкое применение «на земле» подобные СБ нашли в качестве элементов питания карманных микрокалькуляторов.

Данные элементы представляют собой гетероструктуру из тонких слоев p-CdTe / n-CdS (суммарная толщина 2-8 мкм) напыленных на стеклянную подложку (основу). Эффективность современных фотоэлектрических элементов данного типа равняется 15-17%. Основным (и фактически единственным) производителем СБ на основе теллурида кадмия является американская фирма FirstSolar, которая занимает 4-5% всего рынка.

К сожалению, есть проблемы с обоими элементами входящими в состав соединения CdTe. Кадмий – это экологически вредный тяжелый метал, который требует особых методов обращения и ставит сложный вопросутилизации старых изделий. В виду этого, законодательство многих стран ограничивает свободную продажу гражданам СБ этого типа (строятся только масштабных солнечных электростанций под гарантии утилизации от фирмы производителя). Второй элемент – теллур, довольно редко встречается в земной коре. Уже в настоящее время более половины всего добываемого теллура идет на изготовление солнечных панелей, а перспективы нарастить добычу – довольно призрачны.

Солнечные батареи на основе соединения медь-индий (галлий)-селен Cu(InGa)Se2 (иногда обозначаются как CIGS) являются новичками на рынке солнечной энергетики. Несмотря на то, что начало исследований элементов этого типа было положено еще в середине 70х, в настоящее время коммерческий выпуск в боле-менее солидных масштабах ведет всего лишь фирма SolarFrontierKKиз Японии. Отчасти это связано с технически сложным и дорогим процессом изготовления, хотя в некоторых (удачных!) случаях их эффективность может достигать 20%.

Несмотря на отсутствие экологически вредных элементов в составе этого соединения, значительному расширению производства данных солнечных модулей в будущем угрожает дефицит индия. Ведутся исследования с целью заменить дорогой In на более дешевые элементы и может быть скоро появятся новые изделия на основе соединения Cu2ZnSn(S,Se)4.

Фотоэлектрические модули на основе аморфного кремния a-Si:H. Тонкопленочные солнечные батареи могут быть построены также и на основе хорошо известного кремния, если удастся каким-либо образом улучшить его способности к поглощению солнечного света. Применяются две основные методики:

— увеличить путь прохождения фотонов посредством многократного внутреннего переотражения;

— использовать аморфный кремний (a-Si), обладающий гораздо большим коэффициентом поглощения чем обычный кристаллический кремний (с-Si).

По первому пути пошла австралийская фирма CSGSolarLtd, разработавшая СБ с эффективностью 10-13% при толщине слоя кремния всего 1,5 мкм. По второму – швейцарская OerlikonSolar (которую сейчас перекупили японцы), создавшая комбинированные солнечные панели на основе слоев аморфного и кристаллического кремния a-Si / с-Si эффективность которых также составляет 11-13%. Своеобразной особенностью СБ из аморфного кремния является снижение эффективности их работы при понижении температуры окружающего воздуха (у всех остальных — наоборот). Так, фирма производитель рекомендует устанавливать данные модули в странах с жарким климатом.

Концентраторные солнечные модули

Наиболее совершенные и самые дорогие на сегодняшний день солнечные модули обладают эффективностью фотоэлектрического преобразования до 44%. Они представляют собой многослойные структуры из разных полупроводников последовательно выращенных друг на друге слой за слоем. Наиболее успешной является структура состоящая из трех слоев: Ge (нижний полупроводник и подложка), GaAsи GaInP. Благодаря тому, что в подобной комбинации каждый отдельный полупроводниковый слой поглощает наиболее эффективно свой определенный диапазон солнечного спектра (определяемый шириной запрещенной зоны полупроводника), достигается наиболее полное поглощение солнечного света во всем диапазоне длин волн, недостижимое для СБ состоящих из одного типа полупроводника. К сожалению, процесс изготовления подобных многослойных полупроводниковых слоев очень сложен технически и, как следствие, весьма дорог.

Если солнечные батареи стоят очень дорого, фокусировка солнечного излучения на меньшей площади СБ может применяться как эффективный способ снижения финансовых затрат. Например, собрав при помощи линзы солнечный свет с 10 см2 и сфокусировав его на 1 см2 солнечной батареи, можно получить тоже количество электроэнергии, что и от элемента площадью 10 см2 без концентратора, но экономя при этом целых 90% площади! Но при этом, набор подобных ячеек (солнечная батарея + линза) должен быть смонтирован на подвижной механической системе, которая будет ориентировать оптику в направлении солнца в то время как оно движется по небу в течении дня, что увеличивает стоимость системы.

В настоящее время экономически оправдано использовать подобные дорогие концентраторные солнечные модули только в тех странах и регионах земного шара, где круглый год имеется в достатке прямое солнечное излучение (рассеянное излучение не может быть сфокусировано линзой). Так, французская фирма-производитель концентраторных СБ SOITEC устанавливает свои СБ в Калифорнии, ЮАР, на юге Франции (Прованс), в Испании.

Органические солнечные батареи и модули фотосенсибилизованные красителем

Но есть и новый тип тонкопленочных солнечных батарей, такой как сенсибилизированные красителем солнечные элементы, которые работают на совершенно ином принципе, чем все модули рассмотренные выше, на принципе больше напоминающем фотосинтез у растений. Но их пока нет в коммерческой продаже.

Трушин М.В. Ph.D

Солнечные батареи: как это работает

Солнечные батареи уже сейчас используются для питания самой разнообразной техники: от мобильных гаджетов до электромобилей. Как устроены, какими бывают и на что способны современные солнечные батареи, вы узнаете из этой статьи.

Зміст

1 История создания
2 Принцип работы
3 Существующие разновидности
4 Крупнейшие производители
5 Выводы

История создания

Так исторически сложилось, что солнечные батареи – это уже вторая попытка человечества обуздать безграничную энергию Солнца и заставить ее работать себе на благо. Первыми появились солнечные коллекторы (солнечные термальные электростанции), в которых электричество вырабатывает нагретая до температуры кипения под сконцентрированными солнечными лучами вода.

Курс

EMPLOYER BRANDING

Вибудовуйте якісний і привабливий бренд роботодавця всього за один місяць.

РЕЄСТРУЙТЕСЯ!

Солнечная термальная электростанция в испанском городе Севилья

Солнечные же батареи производят непосредственно электричество, что намного эффективнее. При прямой трансформации теряется значительно меньше энергии, чем при многоступенчатой, как у коллекторов (концентрация солнечных лучей, нагрев воды и выделение пара, вращение паровой турбины и только в конце выработка электричества генератором).

Современные солнечные батареи состоят из цепи фотоэлементов – полупроводниковых устройств, преобразующих солнечную энергию напрямую в электрический ток. Процесс преобразования энергии солнца в электрической ток называется фотоэлектрическим эффектом.

Данное явление открыл французский физик Александр Эдмон Беккерель в середине XIX века. Первый же действующий фотоэлемент спустя полвека создал русский ученый Александр Столетов. А уже в двадцатом столетии фотоэлектрический эффект количественно описал не требующий представления Альберт Эйнштейн.

Беккерель, Столетов и Эйнштейн – именно этому «трио» ученых мы обязаны созданием солнечных батарей

Принцип работы

Полупроводник – это такой материал, в атомах которого либо есть лишние электроны (n-тип), либо наоборот, их не хватает (p-тип). Соответственно, полупроводниковый фотоэлемент состоит из двух слоев с разной проводимостью. В качестве катода используется n-слой, а в качестве анода – p-слой.

Лишние электроны из n-слоя могут покидать свои атомы, тогда как p-слой эти электроны захватывает. Именно лучи света «выбивают» электроны из атомов n-слоя, после чего они летят в p-слой занимать пустующие места. Таким способом электроны бегут по кругу, выходя из p-слоя, проходя через нагрузку (в данном случае аккумулятор) и возвращаясь в n-слой.

Схема работы фотоэлемента

Первым в истории фотоэлектрическим материалом был селен. Именно с его помощью производили фотоэлементы в конце XIX и начале XX веков. Но учитывая крайне малый КПД (менее 1 процента), селену сразу же начали искать замену.

Массовое же производство солнечных батарей стало возможным после того как телекоммуникационная компания Bell Telephone разработала фотоэлемент на основе кремния. Он до сих пор остается самым распространенным материалом в производстве солнечных батарей. Правда, очистка кремния – процесс крайне затратный, а потому мало-помалу пробуются альтернативы: соединения меди, индия, галлия и кадмия.

Селен – исторически первый, а кремний – самый массовый материал в производстве фотоэлементов

Понятное дело, что мощности отдельных фотоэлементов недостаточно, чтобы питать мощные электроприборы. Поэтому их объединяют в электрическую цепь, тем самым формируя солнечную батарею (другое название – солнечная панель).

На каркас солнечной батареи фотоэлементы крепятся таким образом, чтобы их в случае выхода из строя можно было заменять по одному. Для защиты от воздействия внешних факторов всю конструкцию покрывают прочным пластиком или закаленным стеклом.

Мобильный телефон Samsung E1107 оснащен солнечной батареей

Существующие разновидности

Классифицируются солнечные батареи по мощности вырабатываемого электричества, которая зависит от площади панели и ее конструкции. Мощность потока солнечных лучей на экваторе достигает 1 кВт, тогда как в наших краях в облачную погоду она может опускаться ниже 100 Вт. В качестве примера возьмем средний показатель (500 Вт) и в дальнейших расчетах будем отталкиваться от него.

Наручные часы Citizen Eco-Drive с солнечной батареей вместо циферблата

Самым низким коэффициентом фотоэлектрического преобразования обладают аморфные, фотохимические и органические фотоэлементы. У первых двух типов он равен примерно 10 процентам, а у последнего – всего лишь 5 процентам. Это означает, что при мощности солнечного потока в 500 Вт солнечная панель площадью один квадратный метр будет вырабатывать соответственно 50 и 25 Вт электроэнергии.

Монтаж солнечных панелей на крыше жилого дома

В противовес вышеупомянутым типам фотоэлементов выступают солнечные батареи на основе кремниевых полупроводников. Коэффициент фотоэлектрического преобразования на уровне 20%, а при благоприятных условиях — и 25% для них привычное дело. Как результат, мощность метровой солнечной панели может достигать 125 Вт.

Гоночный электромобиль Honda Dream на солнечных батареях появился еще в 1996 г.

Конкурировать по мощности с кремниевыми солнечными батареями способны разве что решения на основе арсенида галлия. Используя это соединение, инженеры научились создавать многослойные фотоэлементы с КФП свыше 30% (до 150 Вт электричества с квадратного метра).

Портативная солнечная панель Solarland мощностью 130 Вт и стоимостью $860

Если же говорить о площади солнечных батарей, то существуют как миниатюрные «пластинки» мощностью до 10 Вт (для частой транспортировки), так и широченные «листы» на 200 Вт и более (сугубо для стационарного использования).

Беспилотный самолет, разработанный NASA Ames Research Center, способен на солнечной энергии пролететь от восточного побережья США до западного

На работу солнечных батарей может негативно влиять ряд факторов. К примеру, с ростом температуры снижается КФП фотоэлементов. Это при том, что солнечные батареи как раз-то и устанавливают в жарких солнечных странах. Получается своеобразная палка о двух концах.
Солнечную батарею Voltaic можно носить у себя за спиной

А если затемнить часть солнечной панели, то неактивные фотоэлементы не только прекращают вырабатывать электричество, но и становятся дополнительной, зловредной нагрузкой.
«Солнечное дерево – культурный и одновременно научный символ австрийского городка Глайсдорф

Крупнейшие производители

Лидерами глобального производства солнечных батарей являются компании Suntech, Yingli, Trina Solar, First Solar и Sharp Solar. Первые три представляют Китай, четвертая – США, а пятая, как нетрудно догадаться, является подразделением японской корпорации Sharp.

Гольфкар на солнечных батареях – бесшумное и экологически чистое средство передвижения

Американская компания First Solar не только производит солнечные батареи, но и принимает непосредственное участие в проектировании и строительстве солнечных электростанций. Мощнейшая в мире СЭС Агуа-Калиенте, которая находится в штате Аризона, США – дело рук инженеров First Solar.

Крупнейшую же украинскую СЭС «Перово» строила и снабжала солнечными панелями австрийская компания Activ Solar.

Китайская же компания Suntech прославилась тем, что готовила к летней Олимпиаде-2008 футбольный стадион под названием «Птичье гнездо» в Пекине. Вырабатываемая на протяжении дня с помощью солнечных батарей электроэнергия аккумулируется, а затем используется для освещения стадиона, полива травы на футбольном поле и работы телекоммуникационного оборудования.
Национальный стадион в Пекине густо усеян солнечными батареями производства Suntech

Выводы

Еще два десятилетия назад диковинкой казались микрокалькуляторы с фотоэлементами, что позволяло не менять в них «батарейку-таблетку» годами. Сейчас же мобильные телефоны со встроенной в заднюю крышку солнечной панелью никого не удивляют. А ведь это мелочь в сравнении с автомобилями и самолетами (пусть и беспилотными), которые научились передвигаться при помощи одной лишь солнечной энергии.

Будущее солнечных батарей видится точно таким же светлым, как само солнце. Хочется верить, что именно солнечные батареи позволят наконец-то вылечить смартфоны и планшеты от «розеткозависимости».

Как работает солнечная батарея

Вы здесь:
СКУД
Студенты и преподаватели
Образовательные ресурсы
Средняя школа
Химические вопросы
Проблемы
Архив 2013-2014 гг.
Как работает солнечная батарея

ChemMatters

Меню
- Статьи
- Проблемы
- Ресурсы для учителей
- О
- Подписаться
- Цифровой доступ

Перовскитные солнечные элементы | Министерство энергетики

Офис технологий солнечной энергии

Управление технологий солнечной энергии Министерства энергетики США (SETO) поддерживает проекты исследований и разработок, которые повышают эффективность и срок службы гибридных органических и неорганических перовскитных солнечных элементов, ускоряют коммерциализацию перовскитных солнечных технологий и снижают производственные затраты.

Солнечная батарея из перовскита.

Деннис Шредер / Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии

Что такое перовскитные солнечные элементы?

Галогенидные перовскиты представляют собой семейство материалов, которые продемонстрировали потенциал высокой производительности и низких производственных затрат в солнечных элементах. Название «перовскит» происходит от прозвища их кристаллической структуры, хотя другие типы негалогенидных перовскитов (например, оксиды и нитриды) используются в других энергетических технологиях, таких как топливные элементы и катализаторы.

Солнечные элементы на основе перовскита в последние годы продемонстрировали заметный прогресс с быстрым повышением эффективности: от примерно 3 % в 2009 году до более 25% сегодня. Хотя перовскитные солнечные элементы стали очень эффективными за очень короткое время, остается ряд проблем, прежде чем они смогут стать конкурентоспособной коммерческой технологией.

Направления исследований

Компания SETO определила четыре основные задачи, которые необходимо решить одновременно, чтобы перовскитные технологии были коммерчески успешными. Каждая задача представляет собой уникальный набор барьеров и требует достижения конкретных технических и коммерческих целей. Офис поддерживает проекты, направленные на решение этих проблем, в рамках нескольких программ финансирования, в том числе SETO FY2021 Small Innovative Projects in Solar (SIPS), SETO 2020 Photovoltaics и SETO FY20 Perovskite программы финансирования, а также Perovskite Startup Prize.

Узнайте больше о взглядах SETO на перовскиты в нашей статье Energy Focus и в нашем запросе информации о целевых показателях производительности.

Стабильность и долговечность

Перовскитные солнечные элементы продемонстрировали конкурентоспособную эффективность преобразования энергии (PCE) с потенциалом для более высокой производительности, но их стабильность ограничена по сравнению с ведущими фотогальваническими (PV) технологиями. Перовскиты могут разлагаться при взаимодействии с влагой и кислородом или при длительном воздействии света, тепла или приложенного напряжения. Чтобы повысить стабильность, исследователи изучают деградацию как самого материала перовскита, так и окружающих слоев устройства. Повышенная долговечность элементов имеет решающее значение для разработки коммерческих перовскитных солнечных продуктов.

Несмотря на значительный прогресс в понимании стабильности и деградации перовскитных солнечных элементов, в настоящее время они не являются коммерчески жизнеспособными из-за их ограниченного срока службы. Коммерческие приложения за пределами энергетического сектора могут допустить более короткий срок службы, но даже это потребует улучшения таких факторов, как стабильность устройства во время хранения. Для массового производства солнечной энергии технологии, которые не могут работать более двух десятилетий, вряд ли будут успешными, независимо от других преимуществ.

Ранние устройства из перовскита быстро разрушались, становясь нефункциональными в течение нескольких минут или часов. Теперь несколько исследовательских групп продемонстрировали срок службы в несколько месяцев работы. Для коммерческого производства электроэнергии на уровне сети SETO планирует срок службы не менее 20 лет, а предпочтительно более 30 лет.

Сообщество исследователей и разработчиков (НИОКР) перовскитных фотоэлектрических систем в значительной степени сосредоточено на сроке службы и рассматривает несколько подходов для понимания и улучшения стабильности и снижения деградации. Усилия включают улучшенную обработку для снижения реакционной способности поверхности перовскита, альтернативные материалы и составы для перовскитных материалов, альтернативные окружающие слои устройства и электрические контакты, усовершенствованные материалы для герметизации и подходы, которые уменьшают источники деградации во время изготовления и эксплуатации.

Одной из проблем, связанных с оценкой деградации перовскитов, является разработка последовательных методов тестирования и проверки. Исследовательские группы сообщают о результатах производительности, основанных на самых разных условиях испытаний, включая различные подходы к инкапсуляции, состав атмосферы, освещение, электрическое смещение и другие параметры. Несмотря на то, что такие разнообразные условия испытаний могут дать информацию и ценные данные, отсутствие стандартизации затрудняет прямое сравнение результатов и затрудняет прогнозирование эксплуатационных характеристик по результатам испытаний.

Эффективность преобразования энергии в масштабе

В лабораторных устройствах небольшой площади перовскитные фотоэлементы превзошли почти все тонкопленочные технологии (за исключением технологий III-V) по эффективности преобразования энергии, демонстрируя быстрые улучшения за последние пять лет. Однако высокоэффективные устройства не обязательно были стабильными или их можно было производить в больших масштабах. Для широкого применения перовскитов будет необходимо поддерживать такую высокую эффективность при достижении стабильности в модулях большой площади. Дальнейшее повышение эффективности модулей средней площади может оказаться полезным для мобильных устройств, аварийно-спасательных служб или рынков оперативной энергии, где критически важны легкие и мощные устройства.

Рекорды эффективности перовскитных фотоэлементов по сравнению с другими фотоэлектрическими технологиями, с текущими рекордами 25,7% для перовскитных устройств с одним переходом и 29,8% для тандемных перовскит-кремниевых устройств (по состоянию на 26 января 2022 г.).

Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии

Перовскиты можно настроить так, чтобы они реагировали на различные цвета в солнечном спектре, путем изменения состава материала, и различные составы продемонстрировали высокую эффективность. Эта гибкость позволяет комбинировать перовскиты с другим, по-разному настроенным поглощающим материалом, чтобы обеспечить большую мощность от одного и того же устройства. Это известно как архитектура тандемного устройства. Использование нескольких фотоэлектрических материалов позволяет тандемным устройствам иметь потенциальную эффективность преобразования энергии более 33%, что является теоретическим пределом для фотоэлемента с одним переходом. Перовскитные материалы могут быть настроены так, чтобы использовать части солнечного спектра, которые кремниевые фотоэлектрические материалы не могут использовать очень эффективно, а это означает, что они являются отличными партнерами по гибридному тандему. Также можно объединить два перовскитных солнечных элемента разного состава для получения тандема перовскит-перовскит. Перовскит-перовскитные тандемы могут быть особенно конкурентоспособными в мобильных, аварийных и оборонных секторах, поскольку они могут быть превращены в гибкие, легкие устройства с высоким отношением мощности к весу.

Технологичность

Для обеспечения коммерческого производства перовскитных солнечных элементов требуется расширение производства перовскита. Обеспечение масштабируемости и воспроизводимости процессов может увеличить производство и позволить перовскитным фотоэлектрическим модулям соответствовать или превысить цели SETO по приведенной стоимости электроэнергии для фотоэлектрических систем.

Солнечные элементы на основе перовскита представляют собой тонкопленочные устройства, состоящие из слоев материалов, либо напечатанных, либо покрытых жидкими чернилами, либо нанесенных методом вакуумного осаждения. Производство однородного высокопроизводительного перовскитного материала в условиях крупномасштабного производства затруднено, и существует существенная разница в эффективности ячеек малой площади и эффективности модулей большой площади. Будущее производства перовскита будет зависеть от решения этой проблемы, которая остается активной областью работы в исследовательском сообществе PV.

Многие из этих методов, используемых для производства перовскитовых устройств в лабораторных масштабах, нелегко масштабировать, но прилагаются значительные усилия для применения масштабируемых подходов к производству перовскита. Для тонкопленочных технологий их можно разделить на два основных типа производства:

Лист за листом: Слои устройства наносятся на жесткое основание, которое обычно действует как передняя поверхность готового солнечного модуля. Этот подход обычно используется в производстве тонких пленок из теллурида кадмия (CdTe).
Roll-to-Roll: Слои устройства наносятся на гибкую основу, которую затем можно использовать как внутреннюю или внешнюю часть готового модуля. Исследователи опробовали этот подход для других фотоэлектрических технологий, но рулонная обработка не получила коммерческого распространения из-за ограничений производительности этих технологий. Однако он широко используется для производства фотографических и химических пленок и бумажных изделий, таких как газеты.

Если перовскиты могут быть надежно изготовлены с использованием этих масштабируемых подходов к производству, у них есть потенциал для более быстрого увеличения мощности, чем у кремниевых фотоэлектрических. Оба эти процесса хорошо зарекомендовали себя в других отраслях, поэтому существующие знания и цепочки поставок можно использовать для дальнейшего снижения затрат и рисков масштабирования.

Дополнительными препятствиями для коммерциализации являются потенциальное воздействие перовскитовых материалов на окружающую среду, которые в основном основаны на свинце. Таким образом, альтернативные материалы изучаются для оценки, снижения, смягчения и потенциального устранения токсичности и экологических проблем.

Валидация технологии и рентабельность

Валидация, проверка эффективности и кредитоспособность — обеспечение готовности финансовых учреждений финансировать проект или предложение по разумным процентным ставкам — необходимы для коммерциализации перовскитных технологий. Изменчивость протоколов тестирования и отсутствие достаточных полевых данных ограничили возможность сравнения производительности перовскитных устройств и уверенность в долгосрочном рабочем поведении.

Текущие протоколы тестирования солнечных фотоэлектрических устройств были разработаны для существующих основных фотоэлектрических технологий. Они включают в себя тестирование в помещении с использованием протоколов, которые также могут точно предсказать производительность кремниевых и CdTe солнечных элементов на открытом воздухе, которые разлагаются совершенно иначе, чем перовскитные технологии. Объективная доверенная проверка с использованием протоколов испытаний, которые могут надлежащим образом отображать реальные виды отказов, имеет решающее значение для повышения доверия к перовскитным технологиям, что необходимо для обеспечения инвестиций в масштабирование и развертывание производства. Быстро меняющиеся составы материалов и устройств перовскитных солнечных элементов делают эту стандартизированную проверку особенно сложной и важной.

SETO финансирует Перовскитовый фотогальванический ускоритель для коммерциализации технологий (PACT) Центр проверки и финансовой приемлемости для решения этих проблем. PACT проведет полевые и лабораторные испытания, разработает и утвердит протоколы ускоренных испытаний и модели выхода энергии, а также проведет технические и коммерческие исследования рентабельности, чтобы улучшить наше понимание и уверенность в долговечности перовскитных фотоэлектрических технологий в реальных условиях.

SETO также разработала целевые показатели эффективности для поддержки путей коммерциализации перовскитных фотоэлектрических модулей на основе целевых показателей эффективности программ исследований, разработок и демонстраций перовскитовых фотоэлектрических систем. Запрос на информацию (RFI). Эти цели по эффективности, стабильности и воспроизводимости перовскитных фотоэлектрических устройств могут согласовать направления и цели исследований, гарантируя актуальность будущих программ финансирования и ускоряя техническое и коммерческое развитие и снижение рисков перовскитных технологий.

SETO Перовскит Финансирование НИОКР

SETO FY2021 Малые инновационные проекты в области солнечной энергетики (SIPS)
Вызовы американского производства: приз за перовскитовый стартап
SETO FY2020 Программа финансирования перовскита
SETO FY2020 Фотогальваника
SETO FY2020 Малые инновационные проекты в области солнечной энергетики (SIPS)
SETO FY2019 Фотогальваника
SETO FY2018 Фотогальваника
Исследования и разработки в области фотоэлектричества: небольшие инновационные проекты в области солнечной энергетики (PVRD-SIPS)
Фотогальваника следующего поколения 3

Дополнительная информация

Ознакомьтесь с точкой зрения SETO на путь коммерциализации перовскита.
Просмотрите результаты Целевых показателей производительности SETO для перовскитовых фотоэлектрических исследований, разработок и демонстрационных программ.