Программа ориентирована на специалистов высокотехнологичных предприятий в области производства солнечных модулей и создания солнечных электростанций, преподавателей вузов технического профиля, студентов старших курсов.

Характерной особенностью деятельности человечества в начале XXI века является быстрый рост энергопотребления. Одним из самых перспективных экологически чистых возобновляемых источников энергии следует признать солнечную энергетику, обеспечивающую прямое преобразование солнечной энергии в электрическую. За последние 20–30 лет темпы роста солнечной энергетики составляли в среднем примерно 25 %. Такой интенсивный рост обеспечивается как за счет расширения производства, так и за счет разработки новых структур и принципов работы фотоэлектрических преобразователей. Анализ тенденций развития рынка солнечной энергетики показывает, что при сохранении стоимости на кристаллический кремний на современном уровне в ближайшем будущем конкурентно способными будут технологии, обеспечивающие эффективность преобразования солнечного света порядка 20% и выше.

Одной из наиболее привлекательных технологий изготовления солнечных элементов является HIT технология (Heterojunction with Intrinsic Thin layer), базирующаяся на формировании гетероперехода при помощи тонких пленок аморфного кремния (a-Si:H), нанесенных на поверхность пластины монокристаллического кремния (c-Si). Солнечные элементы, изготовленные по такой технологии, обладают всеми преимуществами классических солнечных элементов на основе кристаллического кремния, включая высокую эффективность, достигающую на сегодняшний день 24,7%, что соответствует уровню рекордных величин для монокристаллического кремния. В тоже время такие солнечные элементы могут быть полностью изготовлены при низких температурах. Неоспоримым преимуществом данной технологии, безусловно, является тот факт, что высокий показатель КПД, достигается в условиях промышленного производства

Программа состоит из электронного учебного курса (дистанционного модуля) «Введение в гетероструктурную фотовольтаику» объемом 40 часов, изучаемого всеми слушателями, и девяти профессиональных модулей, предназначенных для разных целевых групп специалистов в области производства солнечных модулей по HIT технологии и создания солнечных электростанций. Профессиональные модули направленны на формирование следующих компетенций:

• Сопровождать и оптимизировать технологические процессы подготовки кремниевых пластин методами жидкой химии для последующего формирования фотоэлектрических преобразователей;
• Сопровождать и оптимизировать технологические процессы плазмохимического осаждения пленок аморфного кремния в фотоэлектрических преобразователях;
• Сопровождать и оптимизировать технологические процессы магнетронного напыления проводящих слоев фотоэлектрических преобразователей;
• Сопровождать и оптимизировать технологические процессы формирования электродных систем фотоэлектрических преобразователей с использованием печатных технологий и комбинированных электродных систем;
• Сопровождать и оптимизировать технологические процессы сборки и ламинирования солнечных модулей;
• Осуществлять контроль электрофизических параметров монокристаллического кремния контактными и бесконтактными методами;
• Проводить измерение подвижности носителей заряда в прозрачных проводивших слоях;
• Осуществлять характеризацию тонких пленок эллипсометрическими и спектрофотометрическими методами;
• Осуществлять метрологический контроль параметров фотоэлектрической ячейки;
• Проводить техническое обслуживание технологического оборудования для производства солнечных модулей на основе кремния по HIT-технологии;
• Осуществлять настройку и техническое обслуживание систем автоматизации производства солнечных модулей;
• Осуществлять разработку и техническое обслуживание оборудования и средств автоматизации солнечных электростанций.

Модульный характер образовательной программы дает возможность сделать обучающий процесс гибким – он позволяет сформировать требуемые компетенции специалиста в зависимости от поставленных перед ним задач. Для прохождения обучения слушатели должны иметь высшее техническое образование и/или опыт работы в этой области не менее года.

Для технических специалистов высокотехнологичных предприятий продолжительность обучения по программе зависит от количества профессиональных модулей, выбранных слушателем для освоения, но не менее 92 часов.

*- реальная длительность определяется выбранными образовательными модулями.

Для преподавателей и студентов вузов возможно изучение только электронного учебного курса объемом 40 часов.

Форма обучения — с отрывом от производства

Учебный план

Контактная информация

Запись на курс

Ученые придумали, как увеличить эффективность солнечных батарей — Российская газета

Петербургские ученые предложили новую технологию производства солнечных батарей. Они смогут преобразовать энергию Солнца в электричество с более высоким кпд, чем классические кремниевые элементы.

О том, что солнечные электростанции могут стать основой энергетики будущего, не раз говорил нобелевский лауреат Жорес Алферов. Но для этого надо существенно повысить отдачу солнечных батарей. А для этого заменить в них кремний на более эффективные полупроводники.

Идея начала реализовываться, в частности, в солнечных элементах, созданных на основе арсенида галлия. На них возлагались большие надежды. Cчиталось, что теперь эффективность солнечной энергетики резко пойдет вверх, но прогнозы не оправдались. Причин несколько, в том числе высокая цена. Дело в том, что подложку из дешевого кремния, на которой выращиваются кристаллы для солнечных панелей, заменили на дорогие химические элементы, в частности, германий. Ученики Алферова из Санкт-Петербургского академического университета нашли вариант, который позволяет решить эту проблему.

— Наша идея — оставить кремниевую подложку, а на ней разместить полупроводники из разных химических элементов, — объясняет один из авторов разработки Иван Мухин. — Требовалось подобрать такую комбинацию полупроводников, чтобы оптика солнечной панели была максимальной. Тогда она будет поглощать и превращать в электричество наибольшее количество солнечного света.

Залог такой оптики — предельное совпадение кристаллической решетки кремниевой подложки и полупроводников, из которых выращиваются солнечные панели. Если совсем просто, одни атомы должны максимально точно упаковываться на другие. Оказалось, что кремний — плохой контактер. Ему непросто подобрать подходящие варианты. После тщательного перебора вариантов ученые остановились на квартете: галлий — фосфор — нитрит — мышьяк. Теоретики подсчитали, что кпд такой конструкции составит около 40 процентов, в то время как у кремниевых фотоэлементов — 20-25 процентов. Ученые создали прототип нового изделия, и впервые в мире показали, что с помощью такой технологии можно получать солнечные элементы с высоким кпд. Теперь дело за тем, чтобы выйти из стен лаборатории и попробовать перспективные идеи превратить в инновации.

| Министерство энергетики

Кремний

Кремний, безусловно, является наиболее распространенным полупроводниковым материалом, используемым в солнечных элементах, составляя примерно 95% модулей, продаваемых сегодня. Это также второй по распространенности материал на Земле (после кислорода) и наиболее распространенный полупроводник, используемый в компьютерных микросхемах. Кристаллические кремниевые ячейки состоят из атомов кремния, соединенных друг с другом, чтобы сформировать кристаллическую решетку. Эта решетка обеспечивает организованную структуру, которая делает преобразование света в электричество более эффективным.

Солнечные элементы, изготовленные из кремния, в настоящее время обеспечивают сочетание высокой эффективности, низкой стоимости и длительного срока службы. Ожидается, что модули прослужат 25 или более лет, и по истечении этого срока все еще будут вырабатывать более 80% своей первоначальной мощности.

Тонкопленочная фотогальваника

Тонкопленочный солнечный элемент изготавливается путем нанесения одного или нескольких тонких слоев фотоэлектрического материала на поддерживающий материал, такой как стекло, пластик или металл. Сегодня на рынке представлены два основных типа тонкопленочных фотоэлектрических полупроводников: теллурид кадмия (CdTe) и диселенид меди, индия, галлия (CIGS).Оба материала можно наносить непосредственно на переднюю или заднюю часть поверхности модуля.

CdTe является вторым по распространенности фотоэлектрическим материалом после кремния, и элементы CdTe могут быть изготовлены с использованием недорогих производственных процессов. Хотя это делает их рентабельной альтернативой, их эффективность по-прежнему не так высока, как у кремния. Ячейки CIGS обладают оптимальными свойствами для фотоэлектрического материала и высокой эффективностью в лаборатории, но сложность, связанная с объединением четырех элементов, делает переход от лаборатории к производству более сложным.И CdTe, и CIGS требуют большей защиты, чем кремний, чтобы обеспечить длительную работу на открытом воздухе.

Перовскитные солнечные элементы представляют собой тип тонкопленочных элементов, названных в честь их характерной кристаллической структуры. Ячейки из перовскита состоят из слоев материалов, которые напечатаны, покрыты или нанесены вакуумным осаждением на нижележащий опорный слой, известный как подложка. Как правило, их легко собрать, и они могут достигать эффективности, аналогичной эффективности кристаллического кремния.В лаборатории эффективность перовскитных фотоэлементов повышалась быстрее, чем у любого другого фотоэлектрического материала, с 3% в 2009 году до более 25% в 2020 году. Чтобы быть коммерчески жизнеспособными, перовскитные фотоэлементы должны стать достаточно стабильными, чтобы выдержать 20 лет на открытом воздухе, поэтому исследователи работают над тем, чтобы сделать их более долговечными и разрабатывают крупномасштабные и недорогие технологии производства.

Organic Photovoltaics

Органические фотоэлектрические элементы, или OPV, состоят из богатых углеродом (органических) соединений и могут быть адаптированы для улучшения определенных функций фотоэлектрических элементов, таких как ширина запрещенной зоны, прозрачность или цвет.Элементы OPV в настоящее время примерно вдвое менее эффективны, чем элементы из кристаллического кремния, и имеют более короткий срок службы, но могут быть дешевле в производстве в больших объемах. Их также можно наносить на различные вспомогательные материалы, такие как гибкий пластик, благодаря чему OPV может использоваться в самых разных областях. PV

Достижения в технологии солнечных элементов из кристаллического кремния для промышленного массового производства

Монокристаллические солнечные элементы

p — Типовые монокристаллические подложки, вырезанные из легированных бором слитков CZ, уже много лет используются для стандартных промышленных фотоэлементов.В раннюю эру производства наземных фотоэлементов использовались небольшие слитки CZ диаметром 2–5 дюймов, малый размер и высокая стоимость которых препятствовали снижению стоимости монокристаллических элементов. За последние 20 лет большое количество исследований и разработок было посвящено снижению затрат на производство слитков из CZ и обработку пластин. Пластины CZ с длиной стороны 125 и 156 мм, вырезанные из слитков диаметром 6 и 8 дюймов соответственно, в настоящее время широко используются для изготовления фотоэлементов из монокристаллического кремния. Изготовление монокристаллических ячеек и модулей с использованием пластин того же размера, что и те, которые используются для производства поликристаллических ячеек, повысило конкурентоспособность монокристаллических ячеек по сравнению с их поликристаллическими аналогами с точки зрения стоимости производства на выходной ватт.Монокристаллические элементы составляли 38% всех солнечных элементов, произведенных в 2008 г. ¹ .

Эффективность лучших фотоэлементов из кристаллического кремния и соответствующих промышленных ячеек сильно различается. Эффективность стандартных промышленных монокристаллических фотоэлементов остается в диапазоне 16–18%, что значительно ниже уровня эффективности 25% лучших исследовательских ячеек. Промышленные ячейки ограничены экономическими факторами простыми ячейками, которые подходят для высокоскоростного автоматизированного производства с использованием недорогих материалов.Простые конструктивные особенности, такие как текстурирование передней поверхности и BSF, аналогичные тем, которые были разработаны для наземных фотоэлементов из кристаллического кремния в начале 1980-х годов, все еще используются в большинстве современных промышленных кристаллических элементов. Чтобы повысить эффективность ячеек, многие производители ячеек систематически пытаются внедрить в существующие производственные процессы высокоэффективные функции, такие как более мелкие линии сетки, селективные эмиттеры или более мелкие легированные области n ₊ . Ячейки BC-BJ и HIT обладают исключительно высокой эффективностью для промышленных монокристаллических фотоэлементов, но имеют сложные структуры ячеек, которые требуют гораздо более длительного производственного процесса и более специализированного оборудования по сравнению с другими промышленными ячейками.В результате этим передовым типам ячеек и модулям трудно конкурировать на коммерческой основе с точки зрения себестоимости продукции на ватт выходной мощности. Остается дилемма в отношении баланса между повышением эффективности и снижением затрат на солнечные элементы и модули с использованием существующих производственных технологий. Поэтому необходимы инновационные и простые производственные технологии и оборудование для изготовления высокоэффективных солнечных элементов, чтобы добиться значительного снижения затрат на производство фотоэлектрических модулей из кристаллического кремния.

Еще одним недостатком технологий монокристаллических элементов является то, что монокристаллические элементы на основе кремниевых подложек CZ p-типа подвержены светоиндуцированной деградации (LID), вызванной рекомбинацией реактивных комплексов бор-кислород (B s –O 2 я ). Было проведено множество исследований, направленных на устранение эффектов LID в фотоэлементах из монокристаллического кремния, и сообщалось о постоянной дезактивации комплекса при высокой температуре (> 170 ° C) ¹⁸ .Пластины CZ с магнитным полем, легированными бором, и пластины CZ, легированные галлием, также являются перспективными для устранения LID-эффектов в монокристаллических солнечных элементах, а CZ-кремниевые элементы на основе CZ-пластин n-типа, легированных фосфором, также свободны от LID-эффектов. Высокоэффективные фотоэлементы SunPower и Sanyo изготавливаются с использованием пластин CZ-кремния n-типа.

Поликристаллические солнечные элементы

Слитки и пластины поликристаллического кремния были разработаны как средство снижения затрат на производство кремниевых слитков и исследуются с середины 1970-х годов [19,20].Современные поликристаллические печи рассчитаны на максимальную производительность, разливку слитков около 450 кг. Поликристаллические элементы в настоящее время являются наиболее широко производимыми элементами, составляя около 48% мирового производства солнечных элементов в 2008 г. ¹ . Стандартные поликристаллические промышленные ячейки обеспечивают эффективность 15–17%, что примерно на 1% ниже, чем у монокристаллических ячеек, изготовленных на тех же производственных линиях. Однако эффективность модулей поликристаллических ячеек почти такая же, как у монокристаллических ячеек (14%) из-за более высокого коэффициента упаковки квадратных поликристаллических ячеек; Монокристаллические ячейки изготавливаются из пластин CZ псевдоквадратной формы и имеют относительно низкие коэффициенты упаковки.

Эффективность как монокристаллических, так и поликристаллических фотоэлементов будет улучшена в будущем за счет внедрения высокоэффективных структур. Ожидается, что разница в эффективности между монокристаллическими и поликристаллическими ячейками станет больше с введением таких высокоэффективных структур из-за разницы в качестве кристаллов (, т.е. времени жизни неосновных носителей заряда). Лучшая из текущих исследований поликристаллических кремниевых элементов, ячейка PERL, разработанная Fraunhofer ISE ²¹ , обеспечивает эффективность преобразования энергии 20.3%. Эта ячейка PERL имеет структуру с обратным контактом, управляемую лазером, которая обеспечивает напряжение В, _oc до 664 мВ. Однако эффективность этой поликристаллической ячейки остается примерно на 5% ниже, чем у лучшей из исследованных монокристаллических ячеек PERL, главным образом из-за разницы в качестве между моно- и поликристаллическими подложками. Поликристаллические подложки подвержены более высокой скорости рекомбинации неосновных носителей как на границах активных зерен, так и внутри кристаллических зерен из-за высокой плотности дислокаций и примесей по сравнению с монокристаллическими подложками FZ или CZ.Значительный объем исследований и разработок был проведен с целью повышения эффективности поликристаллических солнечных элементов в течение многих лет как государственными, так и промышленными лабораториями, и недавние высокоэффективные поликристаллические кремниевые солнечные элементы теперь имеют характеристики, перечисленные в таблице 2. Эти характеристики являются в целом то же самое, что и для недавних монокристаллических солнечных элементов.

Поликристаллические солнечные элементы с сотовой структурой, недавно продемонстрированные Mitsubishi Electric, демонстрируют эффективность более 19.3% и представлены в больших ячейках 15 см × 15 см ²² . Эти поликристаллические ячейки имеют отчетливую переднюю поверхность с сотовой текстурой для уменьшения отражения света, и введение этой текстурированной передней поверхности привело к высокому значению J _sc 37,5 мА · см _–2 для ячеек с трафаретной печатью и обожженные электроды с серебряной пастой. Эта ячейка также имеет структуры PERL пассивирования передней поверхности, пассивирования задней поверхности с помощью локального BSF и селективного излучателя для повышения эффективности ячейки.

Подходы к снижению стоимости элементов также включают использование более тонких кремниевых пластин. О высокоэффективных (18,1%) элементах из поликристаллического кремния, изготовленных с использованием пластин толщиной 100 мкм, Sharp сообщила в 2009 г. ²³ . Электрические характеристики фотоэлементов из кристаллического кремния со стандартной структурой задней поверхности BSF, легированного алюминием, снижаются по мере того, как субстрат становится тоньше. Высокоэффективные поликристаллические элементы с пассивирующим слоем SiN _x и тонким алюминиевым отражателем на задней поверхности кремния демонстрируют меньшее ухудшение характеристик при уменьшении толщины подложки для подложек толщиной 100–180 мкм.Ячейки с задней пассивацией и локальным BSF на подложках толщиной 100 мкм обеспечивают дополнительное преимущество меньшего прогиба ячейки по сравнению со стандартными ячейками BSF, легированными алюминием, на подложках той же толщины.

Новые типы поликристаллических ячеек с обратным контактом, такие как ячейки с металлической оболочкой (MWT) и ячейки со сквозной эмиттерной изоляцией (EWT) (рис. 5), также были разработаны институтами и компаниями, такими как ECN, Kyocera и Advent Solar [ 24–26]. Ячейки BC-BJ без переднего p − n-перехода требуют высококачественных монокристаллических подложек с большим временем жизни неосновных носителей заряда.Однако ячейки с обратным контактом WT подходят для использования с поликристаллической подложкой, имеющей относительно короткие сроки службы неосновных носителей (в зависимости от толщины ячейки). Передние p − n-переходы в этих ячейках могут собирать большинство носителей, генерируемых в области от переднего n-легированного слоя до задней поверхности подложки. Эти элементы с обратным контактом имеют просверленные лазером сквозные отверстия, которые могут проходить через передние n-электроды и / или области, легированные n-примесью, на задние поверхности. В ячейках MWT требуется только относительно небольшое количество сквозных отверстий для направления фотогенерированных электронов на заднюю поверхность через металлические электроды и эмиттеры с n-примесью, а также для создания более высоких фототоков сбора из-за отсутствия шины (основного электрода) на передней поверхность как в обычных клетках.Высокий J _sc 37,3 мА см _–2 и КПД 18,3% были зарегистрированы для недавней ячейки MWT от Kyocera ²⁶ , а эффективность модуля для модулей ячейки MWT от ECN, 16,4%, составляет самый высокий из зарегистрированных на сегодняшний день ²⁵ .

Схема структур солнечных элементов с обратным контактом. (а) MWT. По материалам Ref. 26 (© 2008 WIP Munich). (б) EWT. По материалам Ref. 25 (© 2008 IEEE). Все рисунки воспроизведены с разрешения.

Ячейки EWT имеют большее количество близко расположенных сквозных отверстий, которые направляют фотогенерированные электроны на заднюю поверхность только через эмиттеры с n-примесью.Ячейки EWT производят еще более высокие фототоки за счет устранения затенения как шин (главный электрод), так и линии сетки (подэлектрод) на передней поверхности. Q-Cells недавно сообщила о высоком уровне J _sc 37,5 мА см _–2 и эффективности 17,1% для клеток EWT. Целью промышленных поликристаллических фотоэлементов является достижение средней эффективности 17% при крупномасштабном производстве ²⁴ .

Многие методы были исследованы для улучшения качества поликристаллических подложек, чтобы они соответствовали качеству более дорогих монокристаллических пластин CZ.Метод дендритного литья является одним из таких подходов, который позволяет контролировать ориентацию и размер зерен, что приводит к высококачественным дендритным кристаллам с параллельным двойникованием. Солнечные элементы на основе дендритных поликристаллических пластин показывают эффективность до 17%, что сравнимо с эффективностью, обеспечиваемой монокристаллическими элементами CZ с использованием того же процесса изготовления элементов ²⁷ .

Материалы и обработка

Сырой поликремний высокой чистоты, используемый для изготовления солнечных элементов из кристаллического кремния, обычно производится по методу Сименса.Рыночная цена кремния-сырца зависит от баланса спроса и предложения для производства солнечных элементов и полупроводников и может заметно колебаться. Например, в 2006–2008 годах стоимость сырого кремния как доля от общей стоимости модуля солнечных элементов подскочила с 20–30% до более чем 50% из-за нехватки кремния на рынке. Таким образом, снижение стоимости кремния в модуле элементов за счет уменьшения толщины подложки является важным аспектом достижения общего снижения стоимости модулей солнечных элементов. Нарезка пластин проволочной пилой является одной из ключевых технологий производства промышленных фотоэлементов из кристаллического кремния, а усовершенствования технологии нарезки пластин привели к уменьшению толщины необработанных пластин с 370 мкм до 180 мкм с 1997 года для промышленных ячеек из поликристаллического кремния Sharp ( Рисунок 6).Чтобы внедрить пластины тоньше 150 мкм, потребуются сложные производственные процессы, подходящие для ультратонких пластин, и процессы должны будут обеспечивать высокую скорость обработки и высокий выход продукции на каждом из этапов процесса нарезки пластин, изготовления ячеек и сборки модулей.

Уменьшение толщины кремниевой пластины с помощью Sharp (© 2010 Sharp)

За последние четыре десятилетия было предложено несколько альтернативных методов выращивания для производства поликристаллических подложек непосредственно из расплавленного кремния, в том числе с пленочной подачей по краям. рост (EFG), рост струнной ленты (SRG) и рост ленты на подложке (RGS) [28–30].Эти методы потенциально позволяют уменьшить количество кремния, используемого при изготовлении фотоэлементов. Методы EFG и SRG используются в масштабах промышленного производства компаниями SCHOTT Solar и Evergreen Solar, соответственно ³¹ . Эти два метода обладают преимуществами низкого потребления кремния на W _p и высокой эффективности ячеек по сравнению с методом RGS. Эти методы позволяют получить недорогие, но слегка волнистые поликристаллические подложки по сравнению со стандартными поликристаллическими подложками.Недавно произведенные элементы на основе выращенных непосредственно подложек имеют почти такую ​​же эффективность, что и стандартные поликристаллические элементы из литого кремния. Однако меньшие по размеру ячейки на основе EFG и SRG, которые примерно вдвое меньше стандартных промышленных ячеек, несут более высокие затраты на обработку ячеек и модулей. Метод кристаллизации на погруженной подложке, который можно использовать для производства пластин стандартного размера (156 мм × 156 мм) непосредственно из расплавленного кремния в тигле, был недавно предложен Sharp ³² .

Передний эмиттерный слой фотоэлементов из кристаллического кремния формируется методами диффузии фосфора в кварцевой трубке или ленточной печи. В качестве источника диффузии фосфора используется твердый P ₂ O ₅ или жидкий POCl ₃ . Методы диффузии фосфора, использующие эффекты геттерирования для уменьшения плотности примесей в кремниевой пластине и тем самым увеличения срока службы неосновных носителей, продемонстрировали свою эффективность при условии, что диффузия осуществляется в условиях пересыщения фосфором (уровень легирования выше растворимости твердого вещества в кремнии) [33–35] .

Слои BSF в промышленных ячейках формируются путем легирования алюминиевой пасты с трафаретной печатью в ленточной печи. Этот процесс обеспечивает высокую производительность и относительно низкую стоимость процесса образования BSF. Легирование алюминиевой пастой имеет дополнительное преимущество, заключающееся в том, что вызывает геттерирующие эффекты пластин как в поликристаллических, так и в монокристаллических кремниевых фотоэлементах, аналогично технологиям диффузии фосфора [36,37]. Металлические примеси, такие как железо или медь, могут быть удалены из объемного кремния с помощью эффектов геттерирования алюминия, которые могут улучшить длину диффузии неосновных носителей.

Трафаретная печать и обжиг серебряной пасты для обеспечения контакта с объемной поверхностью кремния путем проникновения через дуговую дугу — это хорошо отработанный, простой и быстрый процесс формирования передних и задних электродов. Это также наиболее широко используемый и самый дешевый метод формирования электродов в промышленных фотоэлементах из кристаллического кремния. Передние линии сетки спроектированы таким образом, чтобы оптимизировать компромисс между теневыми потерями и последовательным сопротивлением. В качестве альтернативы подходу с использованием серебряной пасты с трафаретной печатью исследователи из UNSW разработали покрытые слоями никеля, меди и серебра электроды для использования в ячейках со скрытым контактом (BC) [38,39].Ячейка BC, изготовленная BP Solar, показана на Рисунке 4 (e) ⁴⁰ . Кристаллические кремниевые фотоэлементы с плакированными электродами обладают превосходными электрическими характеристиками из-за их низкого последовательного сопротивления и тонких линий сетки, что приводит к гораздо меньшей площади тени. Однако гальванические электроды, которые формируются мокрым способом, еще не получили такого широкого распространения, как электроды из серебряной пасты с трафаретной печатью. Серебро, используемое в качестве электродного материала в кристаллических кремниевых элементах, станет критически важным материальным ресурсом, когда производство солнечных элементов из кристаллического кремния достигнет больших объемов, прогнозируемых в будущем.Поэтому медь и алюминий считались заменителями серебра в кремниевых фотоэлектрических контактах.

Ученые отказались от кремния, чтобы усовершенствовать солнечные элементы | Наука

Тандемные солнечные элементы с двумя слоями перовскита призваны заменить обычные кремниевые солнечные элементы.

Автор Роберт Ф. Сервис 18 апреля 2019 г., 14:00

Кремний доминирует в мире солнечной энергетики. Даже новейшие конструкции солнечных элементов, тандемные устройства, в которых кремниевый солнечный элемент расположен ниже элемента, сделанного из кристаллического материала, называемого перовскитом, полагаются на этот материал. Теперь исследователи полностью отказались от кремния, создав тандемы из двух лучших, но перовскитов, каждый из которых адаптирован для поглощения различной части солнечного спектра.Поскольку перовскиты легче производить, чем кремниевые элементы, прогресс может привести к снижению стоимости солнечной энергии.

«Высокая эффективность этих тандемных солнечных элементов из перовскита является важным достижением в области фотоэлектрической энергии и, вероятно, приведет к дальнейшим инновациям», — сказал Прашант Камат, химик из Университета Нотр-Дам в Саут-Бенд, штат Индиана, кто не принимал участия в новом исследовании, написал в электронном письме на номер Science .

Кремниевые солнечные элементы уже оказали значительное влияние на энергетические рынки.Согласно недавнему анализу Lazard, международной финансовой аналитической компании, благодаря усовершенствованию технологий и производства за последнее десятилетие цена на эти элементы упала примерно на 88%. Это привело к тому, что за тот же период более чем в 30 раз увеличилось использование солнечной энергии во всем мире до более чем 30 миллиардов ватт или 30 гигаватт установленной мощности, что достаточно для обеспечения электропитания не менее 3,7 миллиона домов.

Перовскитовые солнечные элементы направлены на развитие этих тенденций. Эти кристаллические материалы, обычно сделанные из свинца, йода, брома и других обильных элементов, дешевы в производстве; в отличие от кремния, их легко преобразовать в слои, поглощающие солнечный свет.Их эффективность в преобразовании солнечного света в электричество также выросла почти до уровня лучших кремниевых солнечных элементов: с 3,8% до более чем 24% за последнее десятилетие.

Перовскиты также лучше, чем кремний, поглощают синие фотоны высокой энергии солнечного света. Это побудило многочисленные исследовательские группы и компании объединить эти два элемента, превзойдя обычные кремниевые элементы, которые лучше улавливают желтые, красные и ближние инфракрасные фотоны с меньшей энергией, с полупрозрачными перовскитными элементами, чтобы удвоить производство энергии.Один такой тандем, созданный стартапом Oxford PV в Соединенном Королевстве, по сообщениям, может достичь 28% эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую.

Но чтобы полностью отказаться от кремния, необходимо воспроизвести способность кремния к низкоэнергетическому захвату света. Одна из стратегий — адаптировать перовскит под эту работу. Например, в 2014 году исследователи из Японии и США сделали это, добавив олово в стандартный рецепт перовскита на основе свинца. Это позволило командам по всему миру создать тандемы из двух перовскитов: обычного свинцового элемента, поглощающего высокую энергию, и перовскита на основе олова и свинца, который заменяет кремний.Полученные тандемы перовскита имеют эффективность около 23%.

Проблемы остаются. Во-первых, олово легко вступает в реакцию с кислородом воздуха, создавая дефекты в кристаллической решетке перовскита олова-свинца. Эти дефекты нарушают движение электрических зарядов через ячейку, ограничивая ее эффективность. Теперь исследователи во главе с Джозефом Берри, физиком из Национальной лаборатории возобновляемой энергии в Голдене, штат Колорадо, сообщают, что они нашли способ предотвратить реакцию олова в перовските с кислородом.Они добавили в свою смесь перовскита олова и свинца простое органическое соединение, называемое тиоцианатом гуанидиния, которое по существу покрывает кристаллиты перовскита, составляющие пленку, поглощающую солнечные лучи, предотвращая проникновение кислорода внутрь для реакции с оловом. В результате эффективность слоя перовскита олова-свинца подскочила с 18% до 20%. Когда Берри и его команда объединили этот материал с обычным высокоэнергопоглощающим верхним слоем перовскита, полученный тандемный элемент преобразовал 25% энергии солнечного света в электричество, сообщают они сегодня в Science .

Эффективность новых тандемов, состоящих из цельного перовскита, все еще отстает от кремний-перовскитных пар от Oxford PV и других производителей. Но Берри отмечает, что перовскит его группы оказался не таким эффективным, как мог бы. Итак, теперь они хотят улучшить этот слой.

Камат говорит, что для выработки электроэнергии в течение десятилетий в полевых условиях тандемы из перовскита должны соответствовать прочности кремния, а им еще предстоит пройти долгий путь. Но поскольку предполагается, что производство тандемов из перовскита будет намного дешевле, чем производство тандемов кремний-перовскит или кремниевых элементов в отдельности, можно с уверенностью сказать, что ученые сделают все возможное, чтобы доказать свою ценность.

Основы солнечной фотоэлектрической технологии | NREL

Солнечные элементы, также называемые фотоэлектрическими элементами, преобразуют солнечный свет непосредственно в электричество.

Фотоэлектрические системы (часто сокращенно PV) получили свое название от процесса преобразования свет (фотоны) в электричество (напряжение), что называется фотоэлектрическим эффектом .Это явление было впервые использовано в 1954 году учеными Bell Laboratories, которые создал рабочий солнечный элемент из кремния, который генерировал электрический ток при воздействии солнечных лучей. Солнечные элементы вскоре стали использоваться для питания космических спутников. и более мелкие предметы, такие как калькуляторы и часы. Сегодня электричество от солнечных батарей стал конкурентоспособным по стоимости во многих регионах, и в настоящее время развертываются фотоэлектрические системы. в крупных масштабах, чтобы помочь электроснабжению электросети.

Кремниевые солнечные элементы

Подавляющее большинство современных солнечных элементов изготовлено из кремния и предлагает как разумные цены, так и хорошую эффективность (скорость, с которой солнечные батареи ячейка преобразует солнечный свет в электричество). Эти ячейки обычно собираются в более крупные модули, которые можно устанавливать на крышах жилых или коммерческих зданий или развернуты на наземных стойках для создания огромных систем коммунального масштаба.

Тонкопленочные солнечные элементы

Другая широко используемая фотоэлектрическая технология известна как тонкопленочные солнечные элементы, потому что они сделаны из очень тонких слоев полупроводникового материала, такого как кадмий. теллурид меди или диселенид галлия индия. Толщина этих слоев клеток составляет всего несколько микрометров, то есть несколько миллионных долей метра.

Тонкопленочные солнечные элементы могут быть гибкими и легкими, что делает их идеальными для портативных устройств. приложения — например, в солдатском рюкзаке — или для использования в других продуктах, таких как окна которые производят электричество от солнца. Некоторые типы тонкопленочных солнечных элементов также приносят пользу. от производственных технологий, которые требуют меньше энергии и легче масштабируются чем технологии производства кремниевых солнечных элементов.

III-V Солнечные элементы

Третий тип фотоэлектрических технологий назван в честь элементов, из которых они состоят. Солнечные элементы III-V в основном состоят из элементов III группы, например галлия и индия, а также элементов группы III. V — например, мышьяк и сурьма — периодической таблицы. Эти солнечные элементы обычно намного дороже в производстве, чем другие технологии.Но они преобразуют солнечный свет в электричество с гораздо более высокой эффективностью. Из-за этого эти солнечные элементы часто используется на спутниках, беспилотных летательных аппаратах и ​​других приложениях, требующих высокое соотношение мощности к весу.

Солнечные элементы нового поколения

Исследователи солнечных элементов из NREL и других организаций также разрабатывают множество новых фотоэлектрических технологии, такие как солнечные элементы из органических материалов, квантовые точки и гибридные органо-неорганические материалы (также известные как перовскиты).Эти технологии следующего поколения могут предложить более низкие затраты, большая простота изготовления или другие преимущества. Дальнейшие исследования покажут, обещания могут быть реализованы.

Исследования надежности и интеграции сетей

Исследования в области фотоэлектрической энергии — это больше, чем просто создание высокоэффективных и недорогих солнечных элементов. Домовладельцы и предприятия должны быть уверены, что устанавливаемые ими солнечные панели будут не ухудшатся в производительности и продолжат надежно вырабатывать электроэнергию в течение многих лет.Коммунальные предприятия и государственные регулирующие органы хотят знать, как добавить солнечные фотоэлектрические системы в электрическую сеть, не дестабилизируя тщательный баланс между спросом и предложением электроэнергии.

Материаловеды, экономические аналитики, инженеры-электрики и многие другие на NREL работает над решением этих проблем и обеспечением чистой солнечной фотоэлектрической энергии. и надежный источник энергии.

Дополнительные ресурсы

Для получения дополнительной информации о солнечной фотоэлектрической энергии посетите следующие ресурсы:

Основы солнечной фотоэлектрической технологии
U.S. Управление энергоэффективности и возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США

Energy Kids: Solar Photovoltaic
Управление энергетической информации США

Energy Saver: Использование солнечной энергии дома
Министерство энергетики США

Фотоэлектрические исследования в NREL

Какой тип солнечной панели лучше всего? Подрядчик по солнечной энергии в Сиэтле, штат Вашингтон,

Вам интересно узнать, какой тип солнечной панели лучше всего подходит.Но как работают солнечные панели? Начнем с самого начала. Из чего сделана солнечная панель?

Внутренняя структура солнечных панелей

Давайте посмотрим на типичную структуру солнечной панели. Солнечная панель обычно состоит из следующих компонентов:

• Рама
• Стекло
• Герметик
• Солнечные элементы
• Герметик
• Лист
• Распределительная коробка

Кристаллический кремний

90% всех фотоэлектрических элементов сегодня основаны на некоторых разновидностях кремния.Основное отличие — чистота кремния. Так что же означает чистота кремния? По сути, чем лучше выровнены молекулы кремния, тем лучше солнечный элемент будет преобразовывать солнечную энергию (солнечный свет) в электричество (фотоэлектрический эффект).

Типы кремниевых солнечных панелей

Существует 3 основных типа кремниевых панелей для домашнего использования: монокристаллические, поликристаллические и тонкопленочные.

Монокристаллические солнечные панели

Солнечные элементы из монокристаллического кремния, также называемые монокристаллическим кремнием.Монокристаллические панели легко узнаваемы по внешней ровной окраске и однородному виду. Это указывает на кремний высокой чистоты. Этот тип солнечной панели имеет четыре стороны, вырезанные из цилиндрических слитков.

• Использует солнечный кремний высшего качества
• Имеет самый высокий КПД
• Требуется минимум места для установки
• Самый долгий срок службы: на большинство из них предоставляется гарантия 25 лет
• Лучше всего работает в условиях низкой освещенности

Поликристаллические солнечные панели

Панели из поликристаллического кремния, известные как поликристаллический кремний и поликристаллический кремний, были представлены на рынке в 1981 году.Сырой кремний расплавляют и разливают в квадратную форму. После этого остужают и нарезают квадратными вафлями.

• Реже используются сейчас, когда изготовление монокристаллических солнечных панелей проще и дешевле
• Кремний низкой чистоты
• Менее эффективный
• Требуется большая площадь для установки
• Пестрый синий цвет делает их легко узнаваемыми

Тонкопленочные солнечные панели

Тонкопленочные солнечные панели изготавливаются путем нанесения одного или нескольких тонких слоев фотоэлектрического материала на подложку.Существует много различных категорий тонкопленочных солнечных элементов, в которых используется фотоэлектрический материал.

• Простота серийного производства по низкой цене
• Однородный внешний вид может быть визуально привлекательным
• Менее эффективны, чем монокристаллические солнечные панели
• Хорошо подходит для крупномасштабного промышленного использования
• Гибкий материал с потенциалом для технологических применений в будущем

Для получения дополнительной информации о солнечных продуктах, которые мы проводим, посетите нашу страницу продукта.

Готовы ли вы получить бесплатное обследование участка солнечной энергии? Наши специалисты могут предоставить индивидуальную информацию о солнечном потенциале вашего дома.

Забронируйте бесплатное исследование солнечной системы

ЭВАН ЛЕОНАРД

ВИЦЕ-ПРЕЗИДЕНТ

Поделитесь этой статьей. Знание — сила …

Для солнечного бума откажитесь от кремния ради этого многообещающего минерала — ScienceDaily

Когда дело доходит до будущего солнечных батарей, попрощайтесь с кремнием и поприветствуйте оксид титана кальция — сложный минерал лучше известный как перовскит.

Инженеры Корнельского университета обнаружили, что фотоэлектрические пластины в солнечных панелях со структурой полностью перовскита превосходят фотоэлектрические элементы, изготовленные из современного кристаллического кремния, а также тандемные элементы перовскит-кремний, которые представляют собой штабелированные элементы типа блинов, которые поглощают свет лучше.

Согласно исследованию Корнелла, опубликованному в Science Advances , цельноперовскитные солнечные элементы не только обеспечивают более быструю окупаемость первоначальных инвестиций в энергию, чем кремниевые солнечные батареи, но и смягчают последствия изменения климата, поскольку в производственном процессе они потребляют меньше энергии.

«Многослойные тандемные элементы для солнечных панелей обеспечивают большую эффективность, поэтому это многообещающий путь к повсеместному развертыванию фотоэлектрических элементов», — сказал Фэнци Ю, профессор инженерии энергетических систем в Корнелле.

В статье «Использование энергии в течение жизненного цикла и влияние на окружающую среду высокопроизводительных тандемных солнечных элементов из перовскита» сравнивается влияние энергии и жизненного цикла на окружающую среду современных тандемных солнечных элементов, изготовленных из кремния и перовскитов.

Перовскит требует меньше обработки и гораздо меньше тепла или давления при производстве солнечных панелей.

Кремниевая фотогальваника требует значительных начальных затрат энергии, а лучшим из них требуется около 18 месяцев, чтобы окупить эти вложения. По словам исследователей, пластина солнечного элемента с тандемной конфигурацией из перовскита обеспечивает окупаемость инвестиций всего за четыре месяца. «Это сокращение в 4,5 раза, и это очень существенно», — сказал Вы.

Но солнечные батареи не вечны. После десятилетий эксплуатации кремниевые солнечные панели становятся менее эффективными, и их необходимо списать.Как и на этапе производства, разборка кремниевых панелей для вторичной переработки требует больших затрат энергии. Перовскитные элементы легче переработать.

«Когда кремниевые солнечные панели достигли конца своего жизненного цикла эффективности, их необходимо заменить», — сказал Вы. «Для кремния это похоже на замену всего автомобиля по окончании срока его службы», а замена перовскитных солнечных панелей сродни установке новой батареи.

Внедрение материалов и этапов обработки, позволяющих масштабировать производство перовскитных солнечных элементов, также имеет решающее значение для разработки устойчивых тандемных солнечных элементов, сказал Вы.

«Перовскитовые элементы многообещающие, с большим потенциалом стать более дешевыми, более энергоэффективными, масштабируемыми и долговечными», — сказал Вы. «Будущее солнечной энергии должно быть устойчивым».

История Источник:

Материалы предоставлены Корнельским университетом . Оригинал написан Блейном Фридлендером. Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

Почему кремний используется в солнечных панелях? 4 факта!

Растущий спрос на солнечные панели вызывает у клиентов желание узнать о производстве и материалах солнечных панелей.Эти запросы помогают клиенту найти эффективные солнечные панели из высококачественных материалов.

Помимо других вопросов, основное внимание уделяется кремнию как основному производственному материалу. Итак, почему кремний используется в солнечных батареях?

Для многих других людей, если вы хотите раскрыть ответ на этот вопрос, оставайтесь с нами и прочтите статью.

В этом письме мы представим причину использования кремния, тип кремния и другие материалы, которые используются для изготовления солнечных панелей.

Почему мы используем кремний в солнечных панелях?

Химические свойства кремния имеют некоторые особые характеристики, особенно кристаллическую форму полупроводника. Кроме того, основными конструктивными параметрами при производстве солнечных элементов являются энергия запрещенной зоны и диффузия неосновных носителей заряда. Итак, цель солнечной панели — поглощать свет с помощью полупроводника, и это причина использования кремния.

Давайте разбираться в этом вопросе.Кремний — один из полупроводников высочайшего качества, который идеально подходит для производства солнечных элементов.

Превосходное качество электронных, оптических, тепловых и экологических свойств кремния лучше всего подходит для производства солнечных элементов. Кроме того, доступность и доступность делают его более пригодным для использования с солнечными батареями.

Кроме того, светопоглощающая способность и устойчивость к любым погодным условиям позволяют использовать его в качестве исходного материала для фотоэлектрических элементов.

На этот материал можно положиться при создании большего количества систем обнаружения солнечного света, а поверхность солнечной панели рассчитана на работу в условиях сильного дождя.Кремний делает этот процесс надежным и эффективным.

Какой тип кремния используется в солнечных панелях?

Среди различных типов кристаллический кремний используется для производства солнечных элементов. Кристаллические солнечные элементы достаточно надежны и эффективны для производства солнечных батарей.

У кристаллического кремния есть два свойства. Они бывают монокристаллическими и мультикристаллическими.

КПД монокристаллической солнечной панели составляет более 25%, и этот тип солнечных панелей достаточно эффективен для использования в течение длительного времени.

Кремний проходит процесс очистки, что увеличивает чистоту кремния до 99%. Напротив, поликристаллические структуры содержат атомную структуру монокристалла.

Точно так же антибликовое покрытие отлично работает с силиконовой поверхностью. Он может предотвратить до 35 процентов отражения солнечного света и увеличить количество солнечного света для выработки электроэнергии.

Кроме того, цвет кристаллического кремниевого солнечного элемента синий. Этот синий цвет возникает из-за узора и процесса очистки кремния.

Вы могли услышать названия монокристаллических и поликристаллических солнечных батарей. Эти названия происходят от сырья, из которого изготовлена ​​солнечная панель. Ячейка с монокристаллом кремния называется монокристаллической солнечной панелью.

Таким же образом в мультикристаллических или поликристаллических солнечных батареях используются несколько полупроводниковых структур. В результате этого процесса получаются поликристаллические солнечные панели.

Итак, тип важен из-за эффективности солнечной панели.

Какие еще материалы используются для солнечных панелей?

Кремний — единственная часть процесса производства солнечных панелей.В процессе изготовления солнечной панели используются шесть различных материалов. Общие части солнечной панели:

• Кремний
• Металлический каркас
• Стеклянный лист
• Покрытие
• Провод шины
• Оргстекло

Металлический каркас используется для ограничения структуры солнечных панелей, и это очень важен для использования вне помещений. Каркасы из стальных конструкций помогают панелям затягиваться и предотвращают риск повреждения.

Стеклянный лист используется в качестве стеклянного покрытия для увеличения прочности и защиты фотоэлементов.Это делает поверхность достаточно прочной и гладкой для качественной отделки.

Покрытие очень важно, потому что оно влияет на эффективность солнечной панели. Идеальное покрытие фотоэлементов позволяет им поглощать больше солнечного света без отражения.

Новые солнечные панели, способные генерировать энергию при слабом освещении! Хотите узнать больше? Прочтите нашу статью.

Кроме того, изоляция контролирует повышение температуры и повышает эффективность панели.

Итак, для производства солнечных панелей требуется несколько материалов с кремнием. Кремний является основным материалом, и он работает вместе с другими компонентами, создавая эффективную поверхность.

Эффективность солнечной панели зависит от компонентов и зависит от качества материалов. Каждый материал одинаково важен для изготовления солнечных панелей и фотоэлементов.

Почему германий не используется в солнечных элементах

Германий — это химический элемент с символом Ge и атомным номером 32.Это блестящий, твердо-хрупкий, серовато-белый металлоид в углеродной группе, химически подобный своей группе, которая соседствует с кремнием и оловом. Чистый германий — это полупроводник, внешне похожий на элементарный кремний.

Германий не используется для производства солнечных элементов, поскольку его эффективность намного ниже, чем у кремния. В процессе производства кремний очищается, чтобы получить наиболее эффективные солнечные элементы.

Невозможно изготавливать эффективные солнечные элементы с использованием германия, а поверхность солнечной панели снижает поглощающую способность солнечного света.

Другая причина заключается в том, что германий очень дорог и недоступен для производства большого количества солнечных элементов. Этот земной металл требует сложного процесса добычи, который намного дороже кремния.

Напротив, кремний собирается из песка, и процесс очистки намного дешевле. Песок можно найти везде, и он доступен по цене.

Источники песка многочисленны, и его запасы в мире неограниченны. По этой причине производители предпочитают кремний вместо германия.

Заключение Почему кремний используется в солнечных батареях

Наконец, мы можем сказать, что кремний более эффективен, а цена намного дешевле, чем любые другие материалы.