Прогресс в технологии тонкопленочных солнечных лучей
Тонкие пленочные солнечные батареи технологии появились в качестве преобразующей силы в области возобновляемых источников энергии, предлагая легкие, гибкие и все более эффективные решения для фотоэлектрической генерации. В отличие от традиционных кристаллических кремниевых панелей, тонкопленочные элементы производятся путем нанесения микрометровых слоев фотоэлектрического материала на подложки, такие как стекло, металлическая фольга или пластик. Это фундаментальное различие позволило новые приложения - от здания интегрированных фотоэлектрических элементов (BIPV), которые плавно смешиваются в архитектуру для портативных зарядных устройств для удаленных экспедиций. За последнее десятилетие неустанные исследования и улучшения производства привели к повышению эффективности, сокращению затрат и повышению долговечности, позиционируя тонкопленочные технологии как основной претендент на рынке солнечной энергии. Эта статья исследует историческую эволюцию, недавние прорывы, текущие воздействия и будущие направления тонкопленочных солнечных батарей, обеспечивая всеобъемлющий обзор для профессионалов отрасли, инженеров и сторонников возобновляемых источников энергии.
Исторические предпосылки тонкопленочных солнечных элементов
Истоки тонкопленочной солнечной технологии восходят к 1950-м и 60-м годам, когда исследователи впервые экспериментировали с нанесением фотоэлектрических материалов на подложки. Однако именно нефтяные кризисы 1970-х годов стимулировали серьезные инвестиции в альтернативы кристаллическому кремнию. Первые коммерчески жизнеспособные тонкопленочные солнечные элементы были основаны на аморфном кремнии (a-Si) , используя некристаллическую форму кремния, которая могла быть нанесена в очень тонких слоях. Ранние модули a-Si страдали от низкой эффективности преобразования — обычно 4-6% — и деградации, вызванной эффектом Стеблера-Вронски, который снижал производительность при длительном воздействии света. Тем не менее, их способность производиться на субстратах большой площади и при более низких температурах предлагала путь к снижению затрат.
На протяжении 1980-х и 1990-х годов известность получили две другие технологии тонкопленочных материалов: кадмиевый теллурид (CdTe) и медный теллурид галлия (CIGS). Клетки CdTe предлагали более высокие коэффициенты поглощения, чем кремний, что означало, что очень тонкий слой (~1-2 мкм) мог поглощать большинство поступающего солнечного света. Первая Solar привела к коммерциализации CdTe, достигнув эффективности выше 10% к началу 2000-х годов. CIGS, тем временем, имел рекордную эффективность в лаборатории, превышающую 20% к 2010 году, хотя крупномасштабное производство оказалось сложным из-за сложности равномерного осаждения четырех элементов. Другая технология, медный селенид индия (CIS) , служила в качестве предшественника. Ранние тонкопленочные панели столкнулись с проблемами долговечности — ввод влаги,
Историческая траектория показывает закономерность: первоначальные проблемы низкой эффективности и надежности, за которыми следуют целевые исследовательские прорывы, которые касались конкретных режимов отказа. К середине 2010-х годов тонкопленочные модули достигли коммерческой эффективности 15-18% для CdTe и до 19% для CIGS, сузив разрыв с многокристаллическим кремнием. Производственные затраты резко упали, что обусловлено экономией масштаба, автоматизацией и лучшим использованием прекурсоров. Эти разработки заложили основу для недавней волны достижений, которые привели к широкому использованию тонкопленочных солнечных батарей.
Последние технологические достижения
Последние пять-семь лет стали свидетелями значительного прогресса в тонкопленочных солнечных технологиях, затрагивающих все показатели производительности и позволяющих создавать новые приложения. Эти достижения можно сгруппировать в четыре ключевые области: повышение эффективности, повышение долговечности, снижение затрат и гибкость / легкий дизайн. Кроме того, формирующимся рубежом является интеграция новых материалов, таких как перовскиты, которые размывают грань между тонкопленочной и фотоэлектрической электростанциями следующего поколения.
Повышение эффективности
Эффективность — отношение электрической выходной мощности к падающей солнечной энергии — всегда была критической метрической. В то время как ранние тонкопленочные ячейки томились ниже 10%, недавние записи разрушили этот барьер. Модули CdTe First Solar достигли сертифицированной лабораторной эффективности 22,1% на малых ячейках и эффективности коммерческих модулей выше 19%. Этот скачок стал возможным благодаря методу, называемому допингом — введение примесей, таких как селен, в слой поглотителя CdTe для увеличения срока службы и напряжения носителя. Аналогично, ячейки CIGS достигли 23,4% в лаборатории (для ячеек малого радиуса действия) и более 19% для полномасштабных модулей, используя передовые щелочные пост-депозитные обработки (например, фторид калия) для пассивации границ зерна. Даже аморфные кремниевые / кристаллические кремниевые гетеропере
Основным фактором повышения эффективности является улучшение качества абсорбирующего слоя . Такие методы, как сублимация замкнутого пространства для CdTe, распыление и испарение для CIGS и плазменное осаждение химического пара для a-Si, были оптимизированы для уменьшения дефектов и повышения однородности. Введение буферных слоев (например, замена оксисульфида цинка сульфидом кадмия в некоторых конструкциях CIGS) улучшило коротковолновую реакцию и устранило токсичный кадмий из буфера, устраняя экологические проблемы.
Повышение долговечности
Долговечность имеет первостепенное значение для любого солнечного модуля, поскольку ожидается, что системы будут работать в течение 25-30 лет. Тонкие пленочные модули исторически страдали от более высоких скоростей деградации, но последние инновации закрыли разрыв. Расширенная инкапсуляция с использованием уплотнений из полиизобутилена (PIB) в сочетании с влагоустойчивостью — основная причина деградации CdTe и CIGS. Например, модули серии 6 и 7 от First Solar включают в себя с прочной герметизацией края, которая не только снижает коррозию, но и обеспечивает структурную жесткость. Для гибких тонкопленочных модулей на полимерных подложках многослойные барьерные пленки , содержащие чередующиеся слои неорганических оксидов (таких как глинозем) и органические полимеры создают извилистый путь для водяного пара, достигая барьерных свойств, сопоставимых со стеклом.
Кроме того, инновации в конструкциях обратного контакта (например, использование молибдена или прозрачных проводящих оксидов, таких как оксид цинка) уменьшили расщепление и отказ межсоединения. Для CIGS было показано, что после отжига отжига в атмосфере селена стабилизирует слой поглотителя, минимизируя деградацию, вызванную светом. В результате гарантии продукта для тонкопленочных модулей теперь обычно соответствуют гарантиям кремниевых модулей через 25 лет с линейными гарантиями выходной мощности.
Сокращение расходов
Экономический аргумент в пользу тонкопленочной солнечной энергии значительно укрепился. Затраты на производство значительно упали из-за сочетания больших размеров подложки , более высокой производительности инструментов осаждения и лучшего использования материалов . Стоимость модуля CdTe от First Solar в 2010 году снизилась с примерно $ 1,00 / Вт до менее $ 0,25 / Вт к 2020 году, что делает его одной из самых дешевых солнечных технологий на основе уравновешенной стоимости электроэнергии (LCOE). Модуль 6 серии компании (2,1 м х 1,1 м) использует один стеклянный субстрат и уменьшает потери от ячеек до модуля посредством монолитной интеграции — фирменное преимущество тонкопленочной системы, где ячейки связаны между собой во время осаждения, устраняя необходимость в серебряных лентах и струнах. Аналогичным образом, затраты на производство CIGS упали благодаря обработке от рулона
Кроме того, использование изобилия и нетоксичных материалов (например, меди, индия, галлия, селена — хотя дефицит индия вызывает озабоченность) и устранение дорогостоящей серебряной пасты снижает накладные расходы. Исследователи также изучают методы печати на основе чернил для слоев поглотителей, которые могут еще больше снизить капекс и время окупаемости энергии. По мере масштабирования производства тонкопленочная пленка становится все более конкурентоспособной по стоимости во всех сегментах рынка.
Гибкость и легкий дизайн
Возможно, самым отличительным преимуществом тонкопленочных является возможность создавать гибкие и легкие модули , которые могут быть ламинированы на крышах, фасадах зданий, поверхностях транспортных средств и даже тканях. Гибкие модули CdTe с использованием полиимидных подложек теперь доступны, весом менее 2 кг на квадратный метр — примерно одна десятая веса традиционных стеклянных модулей. плоские коммерческие крыши с ограниченной несущей способностью, промышленные конструкции, такие как склады, и жилые плитки. CIGS на гибких стальных или пластиковых подложках предлагает аналогичные преимущества с более высоким потенциалом эффективности строительные материалы — например, солнечная черепица , которые заменяют ас
Легкие массивы также имеют решающее значение для чрезвычайных ситуаций и портативной мощности. Тонкие пленочные панели, свернутые в портативные комплекты, обеспечивают резервное электричество для ликвидации последствий стихийных бедствий, кемпинга или удаленных военных операций. Их малый вес и гибкость позволяют быстро развертываться без тяжелого оборудования. В космических приложениях фотоэлектрические элементы тонкой пленки (особенно фотоэлектрические элементы с несколькими соединениями [FLT: 2]]III-V, родственник технологии тонкой пленки) были стандартом для спутников из-за их высокой эффективности и радиационной стойкости, хотя это приложение отличается от наземного фокуса тонкой пленки здесь.
Влияние на принятие возобновляемых источников энергии
Совокупное повышение эффективности, стоимости и гибкости привело к всплеску внедрения тонкопленочных солнечных батарей в различных масштабах и географических регионах. Утилитарные электростанции, особенно в богатых солнцем регионах, теперь регулярно развертывают модули CdTe. Например, массивная солнечная ферма First Solar мощностью 2 ГВт в Раджастане, Индия, и несколько проектов в США в масштабе GW демонстрируют, что тонкопленочная может конкурировать с кристаллическим кремнием для наземных установок. Более низкий температурный коэффициент CdTe - обычно -0,25% / ° C против -0,40% / ° C для кремния - означает, что эти панели производят больше электроэнергии в жарком климате, что является значительным преимуществом для развертывания в пустыне.
В коммерческом и промышленном секторе (FLT:0) (FLT:1) гибкие тонкопленочные панели все чаще выбираются для крыш с низкой нагрузкой , где традиционные панели потребуют дорогостоящего структурного усиления. Интегрированная в здания фотоэлектрическая продукция (BIPV) выиграла от эстетической и механической универсальности тонкопленочной плитки; такие продукты, как ] солнечная черепица от Tesla (которая использует кристаллические элементы, но концепция распространяется на тонкопленочные) и ] солнцезащитное стекло от таких компаний, как Onyx Solar, используют тонкопленочные материалы для создания энергогенерирующих окон. Аналитики рынка Wood Mackenzie прогнозируют, что глобальный рынок тонкопленочных материалов к 2030 году вырастет до более чем 50 ГВт в год, в основном за счет CdTe в коммунальном масштабе и новых тандемных продуктов перовскита на кремнии.
Средства вне сети и удаленные приложения также расширились. Легкие, подвижные тонкопленочные панели обеспечивают электричество для микросетей в районах без доступа к сети, заряжают батареи для освещения, связи и небольших приборов. В военном секторе портативные тонкопленочные зарядные устройства уменьшают зависимость от топливных конвоев. Рынок бытовой электроники — рюкзаки с интегрированной солнечной зарядкой, наружные устройства со встроенными панелями — вырос благодаря гибким и легким конструкциям.
С точки зрения политики, снижение LCOE тонкопленочных солнечных панелей позволило странам быстрее достичь несубсидируемого паритета энергосистем. Стимулы, которые когда-то были необходимы для кристаллического кремния, теперь менее важны, поскольку тонкопленочные установки экономически жизнеспособны сами по себе. Этот самоподкрепляющийся цикл — более низкие затраты, способствующие более широкому внедрению, что, в свою очередь, финансирует больше НИОКР — ускоряет глобальный энергетический переход.
Будущие перспективы
Заглядывая вперед, тонкопленочная солнечная технология готова к еще одному скачку вперед, движимая новыми материалами и новыми архитектурами. Наиболее захватывающей разработкой является интеграция перовскитных материалов с тонкопленочными и кремниевыми ячейками для создания тандемных или многопереходных устройств. Перовскиты, такие как йодид свинца метиламмония, могут быть депонированы с помощью обработки раствора или осаждения паров при низких температурах, что делает их естественными для производства тонкопленочных ячеек. Лабораторные перовскитные / кремниевые тандемные ячейки уже превысили эффективность 29%, а тандемы перовскита / кремния достигли 24,2%. Поскольку перовскиты могут быть настроены на поглощение различных частей спектра, укладывая их поверх кремниевой или CIGS нижней ячейки обещает нарушить теоретический предел однопереход
Другой рубеж — органические фотоэлектрические элементы (OPV) , которые используют проводящие полимеры или небольшие молекулы в качестве поглотителя. В то время как OPV в настоящее время следуют по эффективности (около 12-15% в лабораториях), они предлагают исключительную гибкость, растяжимость и потенциал для сверхнизкой стоимости печати. Если проблемы эффективности и стабильности могут быть преодолены, OPV могут стать тонкопленочной альтернативой для носимой электроники и умной упаковки. Многопереходные элементы, использующие полупроводники III-V на кремнии , уже развернуты в концентрирующих фотоэлектрических элементах (CPV), но исследования направлены на снижение их стоимости для плоских пластин.
Инновации в производстве будут продолжать снижать затраты. Мониторинг в реальном времени и машинное обучение применяются к процессам осаждения для повышения урожайности и однородности. Печать перовскитовых слоев на гибких подложках может в конечном итоге достичь производительности квадратного километра. Утилизация привлекает внимание; тонкопленочные модули имеют неотъемлемые преимущества в плане вторичной переработки по сравнению с кремнием, поскольку многие материалы (CdTe, металлы) могут быть восстановлены с помощью более простых процессов. First Solar уже работает над комплексной программой утилизации, восстанавливающей более 90% полупроводниковых материалов и 90% стекла из панелей с истекшим сроком службы, модель, которая тиражируется другими производителями. Первая инициатива по переработке солнечной энергии является эталоном для круговорота в солнечной промышленности.
Наконец, умная интеграция с системами управления энергией зданий и автомобильные интегрированные фотоэлектрические элементы (VIPV) будут использовать универсальность тонкопленочных модулей. Электрические транспортные средства (EV) с интегрированными тонкопленочными ячейками на крышах и капотах могут расширять диапазон на 10-20% в солнечных условиях, что демонстрируется некоторыми концептуальными автомобилями. По мере того, как тонкая пленка становится более эффективной и доступной, она, вероятно, будет встроена в строительные материалы, транспортные средства и даже дороги, превращая ранее неиспользуемые поверхности в генераторы энергии.
Будущее тонкопленочной солнечной энергии заключается не в замене кристаллического кремния, а в дополнении его в приложениях, где его уникальные функции - гибкость, легкий вес, монолитная интеграция и высокая температура - предлагают явные преимущества. С постоянными исследованиями и разработками в новых материалах, производственных процессах и переработке, тонкопленочные технологии хорошо расположены, чтобы играть центральную роль в нашем глобальном переходе к устойчивой, возобновляемой энергии.