Ключевым элементом фотоэлектрической технологии является солнечный фотоэлектрический элемент. Развитие солнечных фотоэлектрических элементов можно условно разделить на три поколения. Первое поколение — кремниевые солнечные элементы; второе поколение — тонкопленочные солнечные элементы; новые технологии, такие как мощные концентрирующие элементы, органические солнечные элементы, гибкие солнечные элементы и сенсибилизированные красителем наносолнечные элементы, в совокупности называются солнечными элементами третьего поколения. В настоящее время основным направлением является первое поколение солнечных элементов на основе кремния, и доля рынка тонкопленочных элементов постепенно увеличивается. За исключением мощных концентраторов, большинство элементов третьего поколения все еще находятся на стадии лабораторных исследований и разработок.
Кремниевые солнечные батареи
Среди кремниевых солнечных элементов технология монокристаллического кремния является наиболее зрелой. На эффективность и стоимость таких элементов в первую очередь влияет процесс их изготовления. Производственный процесс в основном делится на несколько этапов, таких как литье в слитки, нарезка, диффузия, текстурирование, трафаретная печать и спекание. Эффективность фотоэлектрического преобразования солнечных элементов, произведенных с помощью этого общего процесса, обычно составляет 16 процентов -18 процентов.
Эффективность преобразования монокристаллических кремниевых солнечных элементов самая высокая, но и стоимость выше. Солнечные элементы из поликристаллического кремния могут очень хорошо снизить затраты. Преимущество заключается в том, что он может напрямую изготавливать квадратные кремниевые слитки большого размера, подходящие для крупносерийного производства. Оборудование относительно простое, поэтому производственный процесс прост, экономит электроэнергию и кремниевый материал. Требования к материалам также относительно невелики.
Помимо снижения стоимости материалов и стоимости солнечных элементов, это в основном достигается за счет двух аспектов: первый заключается в сокращении расходных материалов, таких как уменьшение толщины кремниевых пластин; другой заключается в повышении эффективности преобразования. Пути повышения эффективности включают в себя следующие аспекты: Первый — увеличение поглощения света, например, текстурирование поверхности, подготовка просветляющих слоев и уменьшение ширины переднего электрода. Во-вторых, уменьшить рекомбинацию фотогенерированных носителей и улучшить использование фотонов, например, в технологии пассивации эмиттера. В-третьих, уменьшить сопротивление и увеличить поглощение фототока электродом, например, легирование перегородки и технология обратного электрического поля.
Текущий рекорд эффективности фотоэлектрического преобразования монокристаллических кремниевых солнечных элементов составляет 24,7 процента, созданный солнечными элементами структуры PERL Университета Нового Южного Уэльса. Его технические характеристики включают в себя: низкая концентрация легирующего фосфора на поверхности кремния, чтобы уменьшить рекомбинацию поверхности и избежать существования поверхностных «мертвых слоев»; используется локальная высококонцентрированная диффузия под передней и задней поверхностью электродов для уменьшения рекомбинации площади электрода и формирования хорошего омического контакта; передняя поверхность электрода сужается в процессе фотолитографии для увеличения площади поглощения света; в электроде с передней поверхностью используется комбинация более подходящих металлов, таких как титан, палладий и серебро, для уменьшения контактного сопротивления между электродом и кремнием; на передней и задней поверхностях батареи используется метод SiO2 и точечный контакт для уменьшения поверхностной рекомбинации элементов. Однако технология еще не получила промышленного применения.
Помимо технологии PERL, для повышения эффективности преобразования можно использовать и другие технологии. Например, замшевый элемент BP Solar с канавками на поверхности и задний электрод (EWT) с помощью технологии. Первый в основном уменьшает ширину переднего электрода за счет лазерной обработки канавок и увеличивает площадь поглощения солнечного света, а при крупномасштабном производстве можно достичь эффективности 18,3%; Задняя сторона, таким образом, увеличивая площадь поглощения света передней стороны, может достигать эффективности 21,3 процента.
Тонкопленочные солнечные элементы
Солнечные элементы из кристаллического кремния обладают высокой эффективностью и по-прежнему доминируют в крупномасштабных приложениях и промышленном производстве. Однако из-за относительно высокой цены кремниевых материалов очень сложно сильно снизить их себестоимость. Чтобы найти альтернативу элементам из кристаллического кремния, появились более дешевые тонкопленочные солнечные элементы. Основными тонкопленочными батареями являются тонкопленочные батареи на основе кремния, тонкопленочные батареи из теллурида кадмия (CdTe) и тонкопленочные батареи из селенида меди-индия-галлия (CIGS).
Толщина тонкопленочных ячеек на основе кремния составляет всего 2 микрона. По сравнению с ячейками из кристаллического кремния толщиной около 180 микрон количество кремниевого материала составляет всего около 1,5 процента от количества элементов из кристаллического кремния, а стоимость низкая. По количеству включенных PN-переходов тонкопленочные элементы на основе кремния делятся на однопереходные, двухпереходные и многопереходные. Разные PN-переходы могут поглощать солнечный свет с разной длиной волны. В настоящее время максимальная эффективность однопереходных ячеек может достигать 7 процентов, а двухпереходных ячеек может достигать 10 процентов.
Из-за хорошей скорости поглощения света материалом эффективность преобразования тонкопленочных элементов на основе теллурида кадмия выше, чем у тонкопленочных элементов на основе кремния, а выход по току может достигать 12 процентов. Однако элемент кадмий обладает канцерогенным действием, а природные запасы теллура ограничены, что ограничивает долгосрочное развитие этой батареи.
Тонкопленочные батареи из селенида меди, индия и галлия считаются будущим направлением развития высокоэффективных тонкопленочных батарей, которые могут улучшить скорость поглощения солнечного света за счет корректировки производственного процесса, тем самым повышая эффективность преобразования. В настоящее время эффективность преобразования в лаборатории может достигать 20,1 процента, а эффективность продукта может достигать 13-14 процентов, что является самым высоким показателем среди всех тонкопленочных батарей.
Солнечные батареи третьего поколения
Элементы третьего поколения теоретически могут достичь более высокой эффективности преобразования. На данном этапе, за исключением клеток-концентраторов, большинство из них все еще находится в стадии лабораторных исследований.
В ячейках-концентраторах обычно используются полупроводниковые материалы III-V, в основном потому, что полупроводники III-V обладают гораздо более высокой термостойкостью, чем кремний, по-прежнему имеют высокую эффективность фотоэлектрического преобразования при сильном освещении, а многопереходная структура делает их спектр поглощения и спектр солнечного света близки друг к другу, а теоретическая эффективность преобразования может достигать 68 процентов. В настоящее время три PN-перехода образованы тремя различными полупроводниковыми материалами: германием, арсенидом галлия и галлием, индием, фосфором. При крупносерийном производстве КПД может достигать более 40 процентов.
Солнечные элементы упакованы в солнечные модули, и применение различных солнечных элементов зависит от их собственных характеристик и развития рыночного спроса. В первые дни солнечная энергия в основном использовалась в базовых станциях связи и искусственных спутниках, а позже постепенно вошла в гражданскую сферу, например, в солнечные крыши. В этих сценариях площадь установки невелика, а требования к плотности энергии высоки, поэтому модули из кристаллического кремния занимают основную долю рынка. С развитием крупномасштабных солнечных электростанций в пустыне и фотоэлектрических зданий комплексная стоимость постепенно заменила плотность энергии в качестве важного фактора, и применение тонкопленочных батарей растет. Кроме того, на применение различных технологий также влияют другие факторы, такие как среда использования и климатические условия.
