Солнечные батареи: технология и экономика

Свежий обзор разных подходов.

J. Opt. 18 (2016)
Roadmap on optical energy conversion
doi:10.1088/2040-8978/18/7/073004

Солнечная фотовольтаика: современное состояние и тенденции развития

Представлен обзор основных аспектов современной солнечной фотовольтаики от недавно разработанных и уже внедрённых на рынок солнечных элементов первого поколения до перспективных элементов, пока ещё не вышедших на уровень промышленного производства, а также материалов, на основе которых, возможно, удастся построить солнечные батареи будущего. Акцент в обзоре сделан на физические принципы работы различных солнечных элементов, которые, в соответствии с предложенной классификацией, разделены на несколько групп. Для полноты картины также представлены технологические аспекты и экономический анализ солнечной фотовольтаики. Отдельная глава посвящена структурам, которые ранее не освещались в обзорах по солнечной фотовольтаике, хотя они являются неотъемлемой частью солнечных элементов, — просветляющим покрытиям и светоулавливающим структурам.

 

Еще попытки создания фотоэлементов со спектральным разложением. Но блин сложно для цирка.





Их препринты от 2014.




В небольшой свежей (2018) книжке есть в т.ч. про концентраторы и разделение спектра:

Concentrating Photovoltaics (CPV): The Path Ahead

Солнечные батареи — это эффективный способ получения энергии, однако даже современные решения обладают крупными габаритами. В большинстве случаев их располагают либо на отдельных полигонах, либо на крышах домов. Учёные решили расширить сферу применения фотоэлементов и сделали их прозрачными.

Солнечные батареи производят из кристаллического кремния, который сам по себе не пропускает свет. Пока другие исследователи пытались подобрать альтернативный материал для прозрачных фотоэлементов, корейские учёные выбрали более простой, но, как оказалось, более эффективный метод. Они просверлили в тонкой пластине множество микроскопических отверстий в определённом порядке.

В итоге для человеческого глаза фотоэлемент стал прозрачным и практически бесцветным. Дело в том, что большую часть площади материала занимают отверстия диаметром около 100 мкм каждая, которые свободно пропускают свет. Остальная поверхность по-прежнему способна конвертировать солнечную энергию в электричество. По словам создателей, их батарея достигает 12,2% эффективности против стандартных 20-25%.

Учёные собираются заменить новыми солнечными панелями обычные окна — они даже провели серию тестов, однако не смогли добиться стабильного результата. В будущем авторы проекта планируют увеличить эффективность прозрачной батареи до 15%, а также сделать её более прочной. Не исключено, что в перспективе эту разработку могут внедрить в экраны смартфонов, планшетов, ноутбуков и других мобильных устройств, повысив тем самым их автономность.

Использование солнечной энергии является перспективным направлением, однако современные технологии не позволяют полностью перейти на этот метод, отказавшись от традиционных и менее экологичных решений. Исследователи из Национальной лаборатории возобновляемой энергии (США) уверяют, что им удалось совершить технологический прорыв в области солнечных элементов, который ранее считался невозможным.


Традиционная технология паровой фазовой эпитаксии гидрида (HVPE) долгое время считалась наилучшей техникой для производства светодиодов и фотоприёмников. В 1980-х годах появился более эффективный метод MOVPE. После длительных экспериментов учёные рапортуют о создании новой техники D-HVPE, которая позволит совершить прорыв в выпуске солнечных батарей нового поколения.

Как сообщается, исследователи успешно интегрировали источник алюминия в свой гидридный парофазный эпитаксиальный реактор (HVPE), а затем продемонстрировали рост полупроводников фосфида алюминия-индия (AlInP) и фосфида алюминия-галлия-индия (AlGaInP) с помощью этой методики. Ранее считалось, что сделать это невозможно.

Благодаря своим особенностям технология D-HVPE значительно сокращает время изготовления солнечного элемента. Она позволяет за одну минуту произвести солнечную батарею, на производство которой с помощью MOVPE потребуется час или два. Однако MOVPE всё ещё обладает другим важным преимуществом — возможностью создавать максимально эффективные солнечные элементы.

«Мы пытались продвигать технологию поэтапно, а не делать всё сразу. Мы подтвердили, что можем выращивать высококачественные материалы. После этого научились выращивать более сложные устройства. Следующим шагом для развития технологии является алюминий», — рассказывают специалисты.

Ранее исследователи из Национальной лаборатории возобновляемой энергии научились изготавливать солнечные элементы из арсенида галлия (GaAs) и фосфида индия-галлия (GaInP). После того как дешёвый алюминий был добавлен в смесь, исследователи надеются достичь паритета в эффективности с MOVPE

---

что-то я не понял смысл этой технологии (((

Покрыв графеновой пленкой СБ из перовскита, добились улучшения её ресурса под воздействием света

Исследователи из Университета штата Орегон добавили в структуру перовскита соль пиперидина, благодаря чему удалось получить солнечную панель со значительно более стабильными характеристиками. Позднее учёные Национального института науки и технологий Ульсана (Южная Корея) представили ещё более продвинутое решение — они армировали кристаллическую рабочую поверхность с помощью графена, поместив покрытую им сетку между металлическим электродом и слоем перовскита.

Использование двумерной решётки атомов углерода позволяет усилить конструкцию солнечной панели, не препятствуя прохождению фотонов. В ходе испытаний образцы из перовскита не потеряли своей эффективности, сохранив уровень КПД в 16,4% против 17,5% у аналогов, лишённых подобной «брони». Ещё одним преимуществом использования графенового каркаса стала защита от ультрафиолетового излучения, продлевающая срок службы элементов.

Ключевое преимущество панелей из перовскита — сравнительная дешевизна изготовления при высокой эффективности преобразования солнечной энергии в электричество. Армирование при помощи графена способно избавить материал от его главного недостатка — нестабильности при постоянном воздействии солнечного света. В перспективе разработка южнокорейских исследователей открывает возможность серийного производства «долгоиграющих» панелей нового поколения.

В России создали рекордно эффективный материал для солнечных батарей

Инновационная технология создания материала для фотовольтаики (раздел науки на стыке физики, фотохимии и электрохимии, изучающий процесс возникновения электрического тока в различных материалах под действием падающего на него света), разработанная в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете "ЛЭТИ", позволит повысить эффективность солнечных батарей до рекордных значений, рассказали РИА Новости в пресс-службе вуза.

Солнечная энергетика как одна из разновидностей альтернативных источников энергии является перспективным и востребованным направлением науки. Существующие высокоэффективные многопереходные солнечные элементы по уровню КПД уже приблизились к своему теоретическому пределу, поэтому сегодня все усилия мирового научного сообщества направлены на создание и внедрение более эффективных и экономически выгодных подходов к их изготовлению.

Петербургские ученые создали высокоэффективные солнечные батареи
"Инновационная технология создания материала для фотовольтаики позволит повысить эффективность солнечных элементов до рекордных значений. Разработку предложил профессор кафедры фотоники Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета "ЛЭТИ" (вуз – участник Проекта 5-100), доктор технических наук Александр Гудовских. Технология основана на использовании кремниевых подложек, формируемых с помощью совмещения технологии атомно-слоевого осаждения на начальном этапе роста, и метода газофазной эпитаксии из металлорганических соединений (МОС-гибридной эпитаксии)", - говорится в сообщении.

Уточняется, что принципиальное отличие от предыдущих разработок состоит в том, что рост "нуклеационного слоя осуществляется методом плазмохимического атомно-слоевого осаждения при сравнительно низких температурах с последующим эпитаксиальным ростом верхнего перехода на основе A3B5 квантоворазмерных структур методом МОС-гидридной эпитаксии".

"Одним из направлений фотовольтаики является формирование решеточно-рассогласованных A3B5 солнечных элементов на кремниевых подложках. Однако такой подход имеет существенный недостаток – значительная плотность дислокаций в приборах за счет несоответствия постоянных решетки приводит к низкому качеству слоев соединений A3B5 и их сильной деградации, что ограничивает их использование для фотоэлектрического преобразования солнечной энергии", - поясняют разработчики.

Автор проекта профессор Гудовских рассказал, что "существующие способы создания фотоэлементов предполагают высокотемпературный (900-1000 °C) отжиг кремниевой подложки на начальной стадии роста для удаления оксида и реконструкции поверхности, что в дальнейшем приводит к деградации времени жизни в подложке". "Новая технология предполагает уменьшение температуры эпитаксиального роста GaP на Si подложках до 600-750 °C, а также формирование структур GaP/Si с нуклеационным слоем GaP методом атомно-слоевого плазмохимического осаждения при температуре 380 °C", - сообщают разработчики.

Результаты научного исследования опубликованы в журнале Physica Status Solidi (a) – applications and materials science.