Išsamus saulės elementų vadovas: mechanizmai, medžiagos ir naujovės

Saulės elementai, neatsiejama nuo atsinaujinančios energijos tobulinimo, efektyviai paverčia saulės spindulius į elektrą per fotoelektrinį efektą.Šis straipsnis gilinasi į jų veikimą, tyrinėjant pagrindinius mechanizmus, tokius kaip puslaidininkių pagrindu sukurtas fotoelektrinės konversijos ir saulės šiluminės galios generavimas.Jame taip pat nagrinėjamos įvairios saulės elementų klasifikacijos ir medžiagos, įskaitant kristalinį silicį, plonųjų filmų technologijas ir kylančius organinius bei nanokristalų dizainus.Išanalizavus jų komponentus, našumo metriką ir iššūkius, ši išsami diskusija išryškina naujoves, skatinančias saulės energiją į priekį, tuo pačiu sprendžiant praktines kliūtis, susijusias su mastelio keitimu, sąnaudomis ir efektyvumo padidėjimu.

Katalogas

Saulės elementų veikimo tyrimas

Saulės ląstelės, dažnai vadinamos fotoelektrinėmis ląstelėmis, vaidina pagrindinį vaidmenį paverčiant saulės spindulius į elektrinę energiją, naudojant puslaidininkines medžiagas.Ši konversija yra pagrįsta fotoelektriniu efektu, kai šviesos sąveika sukuria įtampą arba elektros srovę.Kai saulės šviesa susiduria su puslaidininkio P-N sankryža, ji sukuria skylių elektronų poras.Tada šis natūralus elektrinis laukas nukreipia elektronus link N-regiono ir skylės link p-regiono, taip sukuria srovę, kai sujungta grandinė.Nors šioje arenoje dėl pagirtino efektyvumo kristalinį silicį karaliauja aukščiausiasis šioje arenoje, plonųjų filmų ląstelių padidėjimas siūlo naujus horizontus, kuriuos lydi sudėtinės kliūtys dėl vystymosi ir plačiai paplitusios integracijos.

Konversija nuo saulės šilumos į elektrą

Šis metodas panaudoja saulės spinduliuotę, kad būtų sukurta šiluma, kuri vėliau virsta elektra.Saulės šiluminiai kolektoriai pirmiausia naudoja šią šilumą skysčiams garindami, maitindami garo turbinas, panašias į tradicines elektrines.Nepaisant savo potencialo, saulės šiluminė elektros energija griebiasi su efektyvumo apribojimais ir didelėmis išlaidomis, palyginti su nusistovėjusiais energijos šaltiniais, iššūkį jos praktiškumui plačiau pritaikyti.Praktinė patirtis iliustruoja, kad naujų medžiagų ir inžinerinių metodų įtraukimas gali sušvelninti kai kuriuos iš šių klausimų, o tai rodo laipsnišką praktiškumą.

Tiesioginis konvertavimas per fotoelektrines ląsteles

Taikant šią techniką, skirtingos puslaidininkių savybės leidžia tiesiogiai paversti saulės spindulius į elektrinę energiją.Skirtingi šviesos bangos ilgiai suteikia skirtingą energijos lygį, tačiau tik tie, kurie viršija konkrečią slenkstį, gali inicijuoti fotoelektrinį aktyvumą.Efektyvi saulės energijos konversija priklauso ne tik nuo šviesos intensyvumo, bet ir dėl to, kad jo dažnis yra suderintas su puslaidininkio savybėmis.Pavyzdžiui, kristalinis silicis optimaliai reaguoja į trumpesnį bangos ilgį nei 1100 nm.Praktiniai stebėjimai rodo, kad medžiagų ir tikslumo inžinerijos pažanga gali patobulinti šį derinimo procesą ir taip padidinti bendrą efektyvumą.

Išsami saulės elementų komponentų analizė

Saulės moduliai apima įvairius komponentus, kurių kiekvienas įgyvendina skirtingus tikslus, kurie daro įtaką sistemos funkcionalumui ir efektyvumui.Išsimindami šių elementų detales, galima patobulinti saulės technologijas, kurios gali formuoti atsinaujinančios energijos strategijas.

- grūdintas stiklas veikia kaip apsauginis išorinis sluoksnis, apsaugantis aktyvias ląsteles, tuo pačiu leisdamas didelę šviesos perdavimą, kuris padidina energijos fiksavimą.Jos gebėjimas atlaikyti aplinkos stresą daro įtaką modulio ilgaamžiškumui ir efektyvumui.Pavyzdžiui, novatoriški stiklo procedūros, tokios kaip antireflekcinės dangos, pagerino šviesos absorbcijos greitį, žymintį pažangą lauke.

- EVA (etileno vinilo acetatas) yra labai svarbus pritvirtinant ląsteles prie stiklo, veikdama kaip stresą sugerianti pagalvėlė, kad būtų išvengta pažeidimo.EVA formuluočių stabilumas gali turėti didelę įtaką modulio eksploatavimui ir našumui.Jos šiluminis ir UV stabilumas yra ypač naudingas saulėtuose regionuose, išlaikant ilgalaikes eksploatavimo galimybes.

- Ląstelės, kurios yra modulio dėmesys, yra atsakingos už saulės spindulių pavertimą elektra.Pasirinkimai apima kristalinį silicį, žinomą dėl didesnio efektyvumo, ir plonos plėvelės veislės, vertinamos už ekonomiškumą ir pritaikomumą.Dizaino ir medžiagų naujovės atspindi pramonės pastangas patenkinti įvairius energijos poreikius visame pasaulyje, prisitaikant prie įvairių geografinių ir klimato kontekstų.

- Backplane suteikia izoliaciją ir aplinkos apsaugą, apsaugą nuo drėgmės, UV poveikio ir mechaninės žalos.Pažangios medžiagos, turinčios aukštesnį šiluminį pasipriešinimą ir nepraleidžiamumą, išplėtė saulės modulių atsparumą ir gyvenimo trukmę, pasisakydami už orams atsparius dizainus.

- Aliuminio lydinio rėmai teikia konstrukcinę atramą, užtikrindami modulio patvarumą ir supaprastindami montavimą.Nauji lengvųjų, korozijai atsparių lydinių pokyčiai palengvino transportavimą ir montavimą, padėjo dislokuoti izoliuotose ar atšiauriose vietose.

- Junction dėžutės reguliuoja srovės srautą ir padidina sistemos saugumą per apsauginius diodus ir aplinkkelio ypatybes.Šie elementai yra gyvybiškai svarbūs norint sumažinti galios nuostolius ir sumažinti elektros gedimo riziką, taip padidinant saulės energijos sistemos patikimumą.Pažangių sankryžų dėžučių su stebėjimo sugebėjimais atsiradimas pabrėžia perėjimą prie realiojo laiko veiklos įvertinimo ir aktyvios priežiūros.

- Silikono sandarinimas vaidina svarbų vaidmenį apsaugant drėgmę ir palaikant mechaninį stabilumą.Tai apsaugo nuo aplinkos poveikio degradacijos, padidinant asamblėjos patvarumą.Aukštos kokybės hermetikų pasirinkimas parodo medžiagų mokslo supratimą, orientuotą į ilgalaikius rezultatus įvairiomis ir sudėtingomis sąlygomis.

Pagrindiniai saulės elementų atributai

Saulės elementai įkūnija vidines savybes, kurios yra pagrįstos tiek jų fizinėmis, tiek elektrinėmis savybėmis, fiksuodamos esminius elementus, tokius kaip poliškumas, efektyvumo metrika ir sudėtingas šokis tarp įtampos ir srovės.

Puslaidininkių poliškumas

Vidinis saulės elemento poliškumas yra gaunamas iš naudojamų puslaidininkių rūšių, dažnai apibūdinamų kaip P+/N tipas arba N+/P tipas.Šis skirtumas vaidina lemiamą vaidmenį formuojant ląstelės elektrinį elgesį, darant įtaką, kaip tinkamai ji gali nukreipti ir valdyti elektros srautą.Įvairių puslaidininkių tipų sąveika padidina ląstelės galimybes, turinčias naudą elektros energija, pertvarkyti saulės energiją.

Veiklos įvertinimo parametrai

Saulės elementų efektyvumo įvertinimas sukasi apie tokius parametrus kaip atviros grandinės įtampa, trumpojo jungimo srovė ir konversijos efektyvumas.Šie parametrai yra gyvybiškai svarbios metrikos, skirtos įvertinti energijos konvertavimo ląstelėse efektyvumą.Norėdami iliustruoti, atviros grandinės įtampa rodo didžiausią įtampą, pasiekiamą saulės šviesoje, jei nėra išorinės apkrovos, tuo tarpu trumpojo jungimo srovė nusako potencialią srovę, kai gnybtai yra tiesiogiai susieti.Konversijos efektyvumas rodo bendrą ląstelės gebėjimą paversti saulės šviesą praktine elektra - metrika, esanti saulės technologijos tobulinimo priešakyje.

Įtampos ir srovės dinamika

Saulės elementų įtampos srovės santykis yra sudėtingas sąveika, kurią paveikė fotonų sąveika su puslaidininkių medžiagomis.Fotonai prisideda prie energijos tik peržengdami medžiagos juostą, todėl reikia apgalvoto dizaino, kad būtų galima pašalinti fotono sukeltą šilumą su mažesne energija.Šis kruopštus valdymas yra labai svarbus norint išlaikyti ląstelių našumą ir padidinti gyvenimo trukmę.Šių svarstymų subalansavimas optimizuoja energijos efektyvumą, sumažina šiluminį įtempį ir palaiko saulės elementų ilgaamžiškumą ir patikimumą per visą jų veikimo tarpą.

Saulės elementų klasifikacija

Saulės ląstelės gali būti suskirstytos į kategorijas pagal jų kristalinę struktūrą į kristalinį ploną ir amorfinių plonų filmų tipus.Kristalinės plonos plėvelės ląstelės toliau yra suskirstytos į monokristalinius ir polikristalinius variantus.

Be to, saulės elementai klasifikuojami pagal medžiagų tipus, įskaitant silicio pagrindu pagamintas plonas plėveles, sudėtines puslaidininkių plonas plėveles ir organines plonas plonas plėveles.Sudėtinės puslaidininkinės plonos plėvelės dar suskirstytos į tokias subkategorijas kaip amorfinės-VI grupė (pvz., CDS serijos) ir kiti, pavyzdžiui, cinko fosfidas (Zn3P2).

Įprasti tipai yra silicio saulės elementai, daugiakopinės plonos plėvelės ląstelės, daugiasluoksnės modifikuotos elektrodų ląstelės, nanokristalinės saulės elementai, organinės saulės elementai ir plastikinės saulės elementai.Tarp jų dėl jų brandos ir efektyvumo rinkoje dominuoja silicio saulės elementai.

Silicio saulės elementai

Monokristalinės silicio ląstelės

Monokristalinės silicio saulės elementai gali pasigirti didžiausiu efektyvumu tarp silicio pagrindu pagamintų ląstelių.Laboratoriniai efektyvumai siekia 24,7%, o gamybos efektyvumas paprastai svyruoja nuo 15% iki 18% (nuo 2011 m.).Dėl įsitvirtinusios technologijos šios ląstelės išlieka dominuojančios pramoninės apimties srityse.Tačiau jų didelės išlaidos riboja didesnį kainų sumažinimą.

Polikristalinės silicio plonos plėvelės ląstelės

Polikristalinės silicio ląstelės yra ekonomiškesnės nei monokristalinės.Jų laboratorijos efektyvumas yra apie 18%, o gamybos efektyvumas siekia nuo 10% iki 17% (nuo 2011 m.).Šis išlaidų ir efektyvumo balansas daro juos tvirtu varžovu dėl rinkos dominavimo.

Amorfinės silicio plonų plėvelės ląstelės

Amorfinės silicio ląstelės yra lengvos, ekonomiškos ir lengvai gaminamos.Nepaisant šių pranašumų, jų ilgalaikį stabilumą trukdo fotodegradacija, todėl laikui bėgant sumažėja efektyvumas.Stabilizacijos ir efektyvumo padidinimo pažanga yra labai svarbūs, norint platesnio įvaikinimo.

Polikristalinės plonos plėvelės ląstelės

CDS ir CDTE ląstelės

Kadmio pagrindu pagamintos plonos plėvelės ląstelės, tokios kaip CDS ir CDTE, suteikia didesnį efektyvumą nei amorfinės silicio ląstelės ir jas lengviau gaminti mažesnėmis sąnaudomis nei monokristalinės ląstelės.Tačiau kadmio toksiškumas kelia didelę aplinkosaugos problemas.

GaaS (galio arsenido) ląstelės

Dėl optimalaus juostos juostos, didelio absorbcijos efektyvumo ir atsparumo radiacijai bei šilumai, GAAS pagrįstos III-V junginių ląstelės pasiekia iki 28%efektyvumo.Šios savybės daro jas tinkamos aukšto našumo pritaikymui, nors jų didelės medžiagos išlaidos riboja plačiai pritaikymą.

Cis (vario indio selenido) ląstelės

CIS ląstelės siūlo stabilią fotokonversiją be šviesos sukelto skilimo.Jie pasiekia veiksmingumą, panašų į polikristalines silicio ląsteles, ir yra prieinami tiesia gamybos procesu.Tačiau indio ir seleno trūkumas gali apriboti jų augimą.

Organinės polimero saulės elementai

Organinės polimero ląstelės yra kylanti tyrimo kryptis, pakeičiančiomis neorganines medžiagas su lanksčiomis, lengvai pagamintomis ir pigių organinių medžiagų.Pažadėdami pigių energijos sprendimų, dabartinių iššūkių apima mažesnį efektyvumą ir trumpesnį gyvenimo trukmę, palyginti su neorganiniais kolegomis, tokiais kaip silicio ląstelės.Norint, kad šios ląstelės būtų praktiškai naudojamos, reikia atlikti papildomus tyrimus.

Nanokristalinės saulės elementai

Nanokristalų saulės elementai yra naujausia plėtra, siūlanti pigų gamybą, tiesmukiškus procesus ir stabilius našumą.Efektyvumas viršija 10%, o gamybos sąnaudos yra tik 10–20%silicio ląstelių.Kadangi gyvenimo trukmė viršija 20 metų, šios ląstelės turi didelę galimybę ateityje komercializuoti.

Ekologiškos plonos plėvelės saulės elementai

Organinės plonos plėvelės saulės elementai, sudaryti iš organinių medžiagų, vis dar yra ankstyvosiose vystymosi stadijose.Šiuo metu daugiau nei 95% masiškai pagamintų saulės elementų yra silicio pagrindu, o dauguma likusių dalių priklauso kitoms neorganinėms medžiagoms.Organinės ląstelės dar turi pasiekti reikšmingą komercinį poveikį.

Dažuose jautrios saulės elementai (DSSC)

DSSC apima dažų pridėjimą prie TiO₂ dalelių ir panardinant jas į elektrolitą.Esant šviesai, dažai generuoja laisvus elektronus ir skylutes.Elektronai sugeria TiO₂, teka per išorinę grandinę ir grįžta per elektrolitą.Šios ląstelės yra labai konkurencingos dėl mažų gamybos sąnaudų, kurių energijos konvertavimo efektyvumas yra maždaug 12%.

Plastikinės saulės elementai

Plastikinės saulės elementai naudoja perdirbamas plastikines plėveles kaip žaliavas.Naudodamiesi spausdinimo technologija „Roll-to-Roll“, jie yra ekonomiški ir ekologiški.Tačiau ši technologija išlieka nesubrendusi.Tikimasi, kad per ateinančius 5–10 metų ekologiškų medžiagų ir gamybos metodų pažanga padarys šias ląsteles masinei gamybai.