Algorithmus zur Effizienzsteigerung von Solarbatterien. Was beeinflusst die Effizienz und Effizienz von Solarmodulen? Dünnschicht-Solarmodule

Das taiwanesische Unternehmen Mega Sunergy hat ein neues 315-W-Stacked-Array-PV-Modul auf den Markt gebracht, das die Leistung herkömmlicher Solarmodule um 17 % übertrifft. Dieser Indikator wurde durch die spezielle Anordnung von 60 einzelnen Photovoltaikzellen in der Solarbatterie erreicht. Anstatt diese 60 Elemente ideal zu platzieren – mit den gleichen kleinen Abständen zwischen ihnen – ließen die Ingenieure zu, dass ihre Kanten einander überlappten, wodurch die Anzahl der Zellen pro Flächeneinheit auf 68 Stück erhöht wurde.

Nach Berechnungen des Unternehmens wird das neue System zur Herstellung von Photovoltaikmodulen deren Effizienz je nach Typ um 5-17% steigern. Tatsächlich gelang es Mega Sunergy, die Effizienz des gesamten Solarmoduls zu steigern, indem die durchschnittliche Leistung jedes einzelnen Elements reduziert wurde.

Das Unternehmen verwendet in seinen neuen Solarmodulen relativ billige Polysilizium-Photovoltaikzellen. Sie haben eine Leistung von jeweils 4,5 Watt und kosten etwa 22,5 Cent pro Watt. Somit erhöhen 8 zusätzliche Zellen die Kosten des gesamten Panels um 8,10 $, und die Kosten für ein Watt darin steigen auf 25 Cent. Es wird für diese Solarzellen verwendet neues Schema, können Sie die maximale Effizienzsteigerung erzielen.

Wie Sie im Bild unten sehen können, werden anstelle traditioneller quadratischer Solarzellen länglichere rechteckige Abschnitte verwendet. Wenn das Panel in produziert wird Standardgrößen, wird es aus 20 separaten gestapelten Arrays statt aus 60 Solarzellen bestehen.

Laut Mega Sunergy kann die neue PV-Stapeltechnologie auf PERC-Solarmodule mit höherem Wirkungsgrad angewendet werden, jedoch mit einer geringeren Leistungssteigerung (etwa 5 %). Dies liegt daran, dass moderne PERC-Elemente Licht verwenden, das durch Hohlräume wandert und sich auf der Rückseite der Zelle sammelt.

Derzeit hat das Unternehmen die Kosten für neue Solarmodule noch nicht bekannt gegeben. Die Produkte von Mega Energy werden in Taiwan mit einer Produktionskapazität von 300 MW pro Jahr hergestellt, die im nächsten Jahr auf 400 MW erweitert wird.

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Die Solarenergie hat sich in den letzten Jahren rasant entwickelt.

In jüngster Zeit hat sich die Solarenergie so schnell entwickelt, dass der Anteil des Solarstroms an der weltweiten jährlichen Stromerzeugung in 10 Jahren von 0,02 % im Jahr 2006 auf fast ein Prozent im Jahr 2016 gestiegen ist.

Der Dam Solar Park ist das größte SPP der Welt. Leistung 850 Megawatt.

Hauptmaterial für Solarkraftwerke ist Silizium, dessen Vorräte auf der Erde praktisch unerschöpflich sind. Ein Problem: Der Wirkungsgrad von Silizium-Solarzellen lässt zu wünschen übrig. Die effizientesten Solarmodule haben einen Wirkungsgrad von nicht mehr als 23 %. Und der durchschnittliche Wirkungsgrad liegt zwischen 16 % und 18 %. Deshalb arbeiten Forscher auf dem Gebiet der Solarphotovoltaik weltweit daran, solare Fotokonverter vom Image eines teuren Stromlieferanten zu befreien.

Ein echter Kampf um die Schaffung einer solaren Superzelle hat sich entfaltet. Die Hauptkriterien sind hohe Effizienz und niedrige Kosten. Das National Renewable Energy Laboratory (NREL) in den USA veröffentlicht sogar ein periodisches Bulletin, das die Zwischenergebnisse dieses Kampfes widerspiegelt. Und jede Ausgabe zeigt Gewinner und Verlierer, Außenseiter und Aufsteiger, die zufällig in dieses Rennen geraten sind.

Leader: Solar-Mehrschichtzelle

Diese Heliumkonverter sind wie ein Sandwich aus verschiedene Materialien, einschließlich aus Perowskit, Silizium und dünnen Filmen. Jede Schicht absorbiert nur Licht einer bestimmten Wellenlänge. Dadurch erzeugen diese Multilayer-Heliumzellen bei gleicher Arbeitsfläche deutlich mehr Energie als andere.

Den Rekordwert der Effizienz von Multilayer-Photokonvertern erreichte Ende 2014 ein gemeinsames deutsch-französisches Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Frank Dimroth am Fraunhofer-Institut für Systemtechnik Solarenergie. Es wurde ein Wirkungsgrad von 46 % erreicht. Dieser fantastische Leistungswert wurde durch eine unabhängige Studie am NMIJ/AIST, dem größten Metrologiezentrum Japans, bestätigt.

Mehrschichtige Solarzelle. Effizienz - 46 %

Diese Zellen bestehen aus vier Schichten und einer Linse, die das Sonnenlicht auf sie konzentriert. Zu den Nachteilen gehört das Vorhandensein von Germanium in der Struktur des Substrats, was die Kosten des Solarmoduls etwas erhöht. Aber alle Mängel der Vielschichtzellen sind endgültig beseitigt, und die Forscher sind zuversichtlich, dass ihre Entwicklung in naher Zukunft aus den Laborwänden hinaus in die große Welt gehen wird.

Rookie des Jahres - Perowskit

Völlig unerwartet mischte sich ein Newcomer, Perowskit, in das Rennen der Führer ein. Perowskit ist die allgemeine Bezeichnung für alle Materialien, die eine bestimmte kubische Kristallstruktur haben. Obwohl Perowskite schon lange bekannt sind, begann die Forschung an Solarzellen aus diesen Materialien erst zwischen 2006 und 2008. Die ersten Ergebnisse waren enttäuschend: Die Effizienz von Perowskit-Photokonvertern lag nicht über 2 %. Gleichzeitig zeigten Berechnungen, dass diese Zahl um eine Größenordnung höher liegen könnte. Tatsächlich erhielten koreanische Forscher nach einer Reihe erfolgreicher Experimente im März 2016 einen bestätigten Wirkungsgrad von 22 %, was an sich bereits eine Sensation geworden ist.

Perowskit-Solarzelle

Der Vorteil von Perowskit-Zellen besteht darin, dass sie bequemer zu handhaben und einfacher herzustellen sind als ähnliche Siliziumzellen. Mit der Massenproduktion von Perowskit-Photokonvertern könnte der Preis für ein Watt Strom 0,10 $ erreichen. Experten glauben jedoch, dass die Kosten für ein „Silizium“-Watt Strom erheblich gesenkt und das gleiche Niveau von 0,10 US-Dollar erreichen können, bis Perowskit-Heliumzellen den maximalen Wirkungsgrad erreichen und beginnen, in industriellen Mengen produziert zu werden.

Experimentell: Quantenpunkte und organische Solarzellen

Diese Art von Solar-Photokonverter befindet sich noch in einem frühen Entwicklungsstadium und kann noch nicht als ernsthafte Konkurrenz zu bestehenden Heliumzellen angesehen werden. Dennoch behauptet der Entwickler, die University of Toronto, dass nach theoretischen Berechnungen der Wirkungsgrad von Solarzellen auf Basis von Nanopartikeln – Quantenpunkten – über 40 % liegen wird. Die Essenz der Erfindung kanadischer Wissenschaftler besteht darin, dass Nanopartikel – Quantenpunkte – Licht in verschiedenen Bereichen des Spektrums absorbieren können. Durch Ändern der Größe dieser Quantenpunkte ist es möglich, den optimalen Betriebsbereich des Photokonverters auszuwählen.

Solarzelle auf Basis von Quantenpunkten

Und da diese Nanoschicht durch Sprühen auf jede, auch transparente, Unterlage aufgebracht werden kann, dann hinein praktische Anwendung Diese Entdeckung zeigt vielversprechende Aussichten. Und obwohl heute in Laboren bei der Arbeit mit Quantenpunkten nur eine Effizienzkennzahl von 11,5 % erreicht wird, zweifelt niemand an den Aussichten in diese Richtung. Und die Arbeit geht weiter.

Solar Window - neue Solarzellen mit 50% Wirkungsgrad

Solar Window Company aus Maryland (USA) vorgestellt revolutionäre Technologie"Solarglas", das die traditionellen Vorstellungen von Sonnenkollektoren radikal verändert.

Es wurde bereits über transparente Helium-Technologien berichtet, sowie dass dieses Unternehmen verspricht, die Effizienz von Solarmodulen um ein Vielfaches zu steigern. Und wie die jüngsten Ereignisse gezeigt haben, waren dies nicht nur Versprechungen, sondern 50 % Effizienz – nicht mehr nur theoretische Freuden der Forscher des Unternehmens. Während andere Hersteller erst mit bescheideneren Ergebnissen auf den Markt kommen, hat Solar Window bereits seine wirklich revolutionären Hightech-Entwicklungen im Bereich der Helium-Photovoltaik präsentiert.

Diese Entwicklungen ebnen den Weg für die Herstellung von transparenten Solarzellen mit deutlich höherem Wirkungsgrad im Vergleich zu herkömmlichen. Doch das ist nicht das einzige Plus der neuen Solarmodule aus Maryland. Neue Heliumzellen lassen sich leicht an allen transparenten Oberflächen (z. B. an Fenstern) anbringen und können im Schatten oder bei künstlicher Beleuchtung arbeiten. Aufgrund ihrer geringen Kosten können sich Investitionen in die Ausstattung eines Gebäudes mit solchen Modulen innerhalb eines Jahres amortisieren. Zum Vergleich sei angemerkt, dass die Amortisationszeit herkömmlicher Solarmodule zwischen fünf und zehn Jahren liegt, und das ist ein großer Unterschied.

Solarzellen von Solar Window

Solar Window Company gab einige Details bekannt neue Technologie Sonnenkollektoren mit einem so hohen Wirkungsgrad zu erhalten. Das Haupt-Know-how blieb natürlich außerhalb der Klammern. Alle Heliumzellen bestehen hauptsächlich aus organischem Material. Schichten von Elementen bestehen aus transparenten Leitern, Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff und Sauerstoff. Nach Angaben des Unternehmens ist die Produktion dieser Solarmodule so ungefährlich, dass sie 12-mal weniger Auswirkungen hat Umgebung als die Produktion herkömmlicher Heliummodule. Innerhalb der nächsten 28 Monate werden die ersten transparenten Solarmodule in einigen Gebäuden, Schulen, Büros sowie in Wolkenkratzern installiert.

Wenn wir über die Aussichten für die Entwicklung der Helium-Photovoltaik sprechen, ist es sehr wahrscheinlich, dass traditionelle Silizium-Solarzellen der Vergangenheit angehören und hocheffizienten, leichten, multifunktionalen Zellen weichen können, die der Heliumenergie die weitesten Horizonte eröffnen. veröffentlicht

Jeden Tag strömen Milliarden Kilowatt Sonnenenergie auf unseren Planeten. Die Menschen haben längst begonnen, diese Energie für ihre Bedürfnisse zu nutzen. Im Laufe des Fortschritts begann man, Sonnenkollektoren einzusetzen, um die Energie des Sonnenlichts umzuwandeln. Aber sind diese Geräte effektiv? Wie viel ist Solare Effizienz Batterien, und wovon hängt es ab? Was ist ihre Amortisationszeit und wie können Sie die Rentabilität der Verwendung von Solarmodulen berechnen? Diese Fragen betreffen alle, die den Kauf von Solarmodulen planen oder bereits beschlossen haben, daher ist dieses Thema diesem Artikel gewidmet.

Werfen wir einen kurzen Blick darauf, worauf das Funktionsprinzip von Solarmodulen basiert. Es basiert auf der physikalischen Eigenschaft von Halbleitern. Durch das Herausschlagen von Elektronen aus der äußeren Atombahn durch Lichtphotonen wird eine ausreichend große Anzahl freier Elektronen gebildet. Nachdem der Stromkreis geschlossen ist und da ist elektrischer Strom. In der Regel reichen jedoch eine oder zwei Fotozellen nicht aus, um eine ausreichende Leistung zu erhalten, daher enthalten Solarmodule meistens mehrere Solarpanels. Je mehr Solarzellen miteinander verbunden sind, dh je größer die Fläche der Solarmodule ist, desto mehr Strom erzeugen sie. Neben der Fläche der Panels haben die Intensität der Sonneneinstrahlung und der Einfallswinkel der Strahlen einen spürbaren Einfluss auf die Leistung.

Das Konzept der Effizienz verstehen

Der Modulwirkungsgrad ergibt sich aus der Division der elektrischen Energie durch die auf das Modul fallende Sonneneinstrahlung. Bis heute liegt der durchschnittliche Wert dieses Indikators in der Praxis bei 12-25 %, während dieser Wert theoretisch bei 80-85 % liegt. Was ist der Grund für einen so großen Unterschied? Zunächst einmal hängt es von den Materialien ab, die für die Herstellung von Solarmodulen verwendet werden. Wie bereits bekannt, ist das Hauptelement, aus dem die Paneele bestehen, Silizium. Einer der Hauptnachteile dieser Substanz ist die Fähigkeit, nur Infrarotstrahlung zu absorbieren, dh die Energie der ultravioletten Strahlen wird verschwendet. Daher ist einer der Hauptbereiche, in denen Wissenschaftler versuchen, die Effizienz von Solarmodulen zu steigern, die Entwicklung von Mehrschichtmodulen.

Mehrschichtbatterien sind eine Struktur, die aus Schichten verschiedener Materialien besteht. Sie werden auf der Grundlage von Quanten unterschiedlicher Energien ausgewählt. Das heißt, eine Schicht absorbiert grüne Energie, die zweite - blau, die dritte - rot. Theoretisch können verschiedene Kombinationen dieser Schichten einen Wirkungsgrad von 87 % ergeben. Aber das ist leider nur eine Theorie. Wie die Praxis zeigt, ist die Herstellung solcher Strukturen im industriellen Maßstab eine sehr mühsame Aufgabe, und die Kosten für solche Module sind sehr hoch.

Auch die Art des verwendeten Siliziums beeinflusst die Effizienz von Solarmodulen. Panels aus monokristallinem Silizium haben einen höheren Wirkungsgrad als polykristalline Silizium-Panels. Der Preis für monokristalline Batterien ist jedoch höher.

Als Faustregel gilt, dass bei höherem Wirkungsgrad zur Erzeugung von Strom mit einer bestimmten Leistung eine kleinere Modulfläche erforderlich ist, dh eine geringere Anzahl von Photovoltaikzellen im Solarmodul enthalten ist.

Wie schnell amortisieren sich Sonnenkollektoren?

Die Kosten für Solarmodule sind heute ziemlich hoch. Und angesichts des geringen Werts der Effizienz der Paneele ist die Frage ihrer Amortisation sehr relevant. Die Lebensdauer von Batterien, die mit Solarenergie betrieben werden, beträgt etwa 25 Jahre oder mehr. Wir werden etwas später darüber sprechen, was eine so lange Lebensdauer verursacht hat, aber jetzt werden wir die oben geäußerte Frage herausfinden.

Die Amortisationszeit wird beeinflusst durch:

• Ausgewählter Gerätetyp. Einschichtige Solarzellen haben im Vergleich zu mehrschichtigen Solarzellen einen geringeren Wirkungsgrad, aber auch einen viel niedrigeren Preis.
• Geografische Lage, dh je mehr Sonnenlicht in Ihrer Nähe, desto schneller amortisiert sich das installierte Modul.
• Kosten der Ausrüstung. Je mehr Geld Sie für den Kauf und die Installation von Elementen ausgeben, aus denen das Solarenergiesparsystem besteht, desto länger ist die Amortisationszeit.
• Die Kosten für Energieressourcen in Ihrer Region.

Die durchschnittliche Amortisationszeit für die Länder Südeuropas beträgt 1,5-2 Jahre, für die Länder Mitteleuropas 2,5-3,5 Jahre und in Russland beträgt die Amortisationszeit etwa 2-5 Jahre. In naher Zukunft wird die Effizienz von Solarmodulen erheblich steigen, was auf die Entwicklung fortschrittlicherer Technologien zurückzuführen ist, die die Effizienz steigern und die Kosten der Module senken. Und damit verkürzt sich auch die Zeit, in der sich das Energiesparsystem auf Solarenergie amortisiert.

Wie lange halten Solarmodule?

Die Zusammensetzung von Sonnenkollektoren enthält keine mechanisch beweglichen Teile, daher sind sie ziemlich zuverlässig und langlebig. Wie oben erwähnt, beträgt ihre Lebensdauer mehr als 25 Jahre. Bei korrekter Betrieb sie können bis zu 50 Jahre halten. Ein großes Plus ist, dass eine so lange Lebensdauer ohne größere Ausfälle auskommt, es reicht aus, die Spiegel der Fotozellen systematisch von Staub und anderen Verunreinigungen zu reinigen. Dies ist für eine bessere Energieaufnahme und damit für einen höheren Wirkungsgrad erforderlich.

Eine lange Lebensdauer ist eines der Hauptkriterien bei der Entscheidung, Solarmodule zu kaufen oder nicht. Nachdem sich die Batterien bezahlt gemacht haben, erhalten Sie Elektrische Energie wird absolut kostenlos sein. Selbst wenn die Amortisationszeit maximal ist (ca. 6 Jahre), zahlen Sie mindestens 20-25 Jahre lang nicht für Energieressourcen.

Neueste Entwicklungen, die die Effizienz steigern

Fast täglich verkünden Wissenschaftler auf der ganzen Welt die Entwicklung einer neuen Methode zur Effizienzsteigerung von Solarmodulen. Lernen wir die interessantesten von ihnen kennen. Letztes Jahr stellte Sharp der Öffentlichkeit eine Solarzelle mit einem Wirkungsgrad von 43,5 % vor. Sie konnten diese Zahl erreichen, indem sie eine Linse installierten, um die Energie direkt im Element zu fokussieren.

Deutsche Physiker hinken Sharp nicht hinterher. Im Juni 2013 stellten sie ihre Solarzelle mit einer Fläche von nur 5,2 Quadratmetern vor. mm, bestehend aus 4 Schichten Halbleiterelementen. Mit dieser Technologie konnte ein Wirkungsgrad von 44,7 % erreicht werden. Maximale Effizienz wird auch hier durch die Fokussierung des Hohlspiegels erreicht.

Im Oktober 2013 wurden die Ergebnisse der Arbeit von Wissenschaftlern aus Stanford veröffentlicht. Sie haben einen neuen hitzebeständigen Verbundstoff entwickelt, der die Leistung von Photovoltaikzellen steigern kann. Der theoretische Wirkungsgrad liegt bei etwa 80 %. Wie wir oben geschrieben haben, können Halbleiter, zu denen auch Silizium gehört, nur IR-Strahlung absorbieren. Die Wirkung des neuen Verbundmaterials zielt also darauf ab, hochfrequente Strahlung in Infrarot umzuwandeln.

Die nächsten waren englische Wissenschaftler. Sie entwickelten eine Technologie, die die Zelleffizienz um 22 % steigern kann. Sie schlugen vor, Aluminium-Nanospikes auf der glatten Oberfläche von Dünnschichtplatten zu platzieren. Dieses Metall wurde aufgrund der Tatsache ausgewählt, dass es das Sonnenlicht nicht absorbiert, sondern im Gegenteil streut. Folglich nimmt die Menge an absorbierter Sonnenenergie zu. Daher die Leistungssteigerung der Solarbatterie.

Hier werden nur die Hauptentwicklungen angegeben, aber die Angelegenheit ist nicht darauf beschränkt. Wissenschaftler kämpfen um jedes Zehntelprozent, und bisher haben sie Erfolg. Hoffen wir, dass die Effizienz von Solarmodulen in naher Zukunft das richtige Niveau erreicht. Denn dann ist der Nutzen aus der Verwendung der Panels maximal.

Der Artikel wurde von Abdullina Regina erstellt

Moskau verwendet bereits neue Technologien zur Beleuchtung von Straßen und Parks, ich denke, die Wirtschaftlichkeit wurde dort berechnet:

Datum hinzugefügt: 30.04.2015

Heutzutage entwickeln sich erneuerbare Energien, insbesondere dort, wo Sonnenenergie genutzt wird, sehr intensiv. In dieser Hinsicht wird eine aktive Suche nach Methoden und Geräten fortgesetzt, um die Produktivität zu steigern bestehende Systeme, die die effizienteste Umwandlung von Sonnenenergie in Strom ermöglicht. Dabei lassen sich zwei Richtungen unterscheiden – die direkte Umwandlung von Sonnenstrahlung in elektrischen Strom und die mehrfache Umwandlung von Sonnenenergie – in Wärme, dann in mechanische Arbeit und dann in Elektrizität. Bessere Ergebnisse wurden bisher in der zweiten Richtung erzielt – industrielle Solaranlagen mit Konzentratoren, Turbinen oder Stirlingmotoren zeigen eine hervorragende Produktivität bei der Umwandlung von Sonnenenergie. So wurde an einer in New Mexico betriebenen Solarstation mit Solarkonzentratoren und Stirlingmotoren unter Berücksichtigung des Energieverbrauchs für das Orientierungssystem usw. eine Ausgangseffizienz von 31,25% erhalten.

Solche Solaranlagen sind jedoch äußerst komplex und teuer, sie sind unter Bedingungen sehr hoher Sonneneinstrahlung wirksam und wurden weltweit noch nicht ausreichend entwickelt. Daher direkte Wandler der Sonnenstrahlung - Sonnenkollektoren , nehmen in Bezug auf Installationen und Anwendungsbereiche eine führende Position in der Welt der Solarenergie ein. Die Produktivität von Serien-Industrie-Solarmodulen liegt heute je nach Technologie im Bereich von 7 bis 20 %. Technologien stehen nicht still, sie entwickeln und verbessern sich, neue Zellen werden bereits entwickelt und getestet, mindestens doppelt so produktiv wie bestehende. Lassen Sie uns versuchen, kurz die Hauptentwicklungsrichtungen von Photovoltaikmodulen, Technologien und deren Produktivität zu betrachten.

Die überwiegende Mehrheit der Solarkonverterzellen moderner serieller Fotomodule besteht aus einkristallinem (C-Si) oder polykristallinem (MC-Si) Silizium. Bis heute nehmen solche Silizium-Photovoltaik-Module etwa 90 % des Marktes für Photovoltaik-Konverter ein, von denen etwa 2/3 polykristallines Silizium und 1/3 monokristallines Silizium sind. Als nächstes kommen die Solarmodule, deren Fotozellen in Dünnschichttechnologie hergestellt werden - durch das Verfahren der Abscheidung oder Abscheidung lichtempfindlicher Substanzen auf verschiedenen Substraten. Ein wesentlicher Vorteil von Modulen aus diesen Elementen sind die geringeren Herstellungskosten, da sie im Vergleich zu Siliziumwafern etwa 100-mal weniger Material benötigen. Und bisher am wenigsten vertreten sind Mehrfachsolarzellen von den sogenannten Tandem- oder Multijunction-Zellen.

Marktanteile von Photovoltaikmodulen verschiedener Technologien:

Kristalline Fotomodule aus Silizium.

Der Wirkungsgrad von Silizium-Modulzellen liegt heute bei ca. 15 - 20 % (Polykristalle - Einkristalle). Dieser Indikator insgesamt könnte bald um mehrere Prozent erhöht werden. So hat beispielsweise SunTech Power, einer der weltweit größten Hersteller von Modulen aus kristallinem Silizium, angekündigt, in den nächsten Jahren Photovoltaikmodule mit einem Wirkungsgrad von 22 % auf den Markt bringen zu wollen. Die vorhandenen Laborproben von Einkristallzellen zeigen eine Produktivität von 25 %, polykristallin - 20,5 %. Der theoretische maximale Wirkungsgrad für Siliziumelemente mit einem einzigen Übergang (p-n) beträgt 33,7 %. Bis dahin besteht die Hauptaufgabe der Hersteller neben der Effizienzsteigerung der Zellen darin, die Produktionstechnik zu verbessern und die Kosten der Fotomodule zu senken.

Separat positioniert sind Sanyo-Fotomodule, die mit der HIT-Technologie (Heterojunction with Intrinsic Thin Layer) aus mehreren Siliziumschichten hergestellt werden, ähnlich wie bei Tandem-Mehrschichtzellen. Der Wirkungsgrad solcher Elemente aus einkristallinem C-Si und mehreren Schichten aus nanokristallinem nc-Si beträgt 23 %. Dies ist der höchste Effizienzindex für Zellen serieller kristalliner Module, eine Art Nano-Solarbatterien.

Wirkungsgrad von Dünnschichtsolarzellen.

Dieser Name bezieht sich auf mehrere verschiedene Technologien, deren Leistungsfähigkeit kurz beschrieben wird. Gegenwärtig gibt es drei Haupttypen von Solarzellen mit anorganischem Film – Siliziumfilme auf der Basis von amorphem Silizium (a-Si), Filme auf der Basis von Cadmiumtellurid (CdTe) und Kupfer-Indium-Gallium-Selenid-Filme (CuInGaSe2 oder CIGS). Der Wirkungsgrad moderner Dünnschichtsolarzellen auf Basis von amorphem Silizium beträgt etwa 10 %, Fotomodule auf Basis von Cadmiumtellurid - 10-11 % (First Solar), auf Basis von Kupfer-Indium-Galliumselenid - 12-13 % (japanische Solarmodule SOLARE GRENZE). Effizienzkennzahlen für Vorserienzellen: CdTe haben einen Wirkungsgrad von 15,7 % (MiaSole-Module) und CIGS-Zellen 18,7 % (EMPA). Der Wirkungsgrad einzelner Dünnschicht-Solarzellen ist viel höher, zum Beispiel Daten zur Leistung von Labormustern von Zellen aus amorphem Silizium - 12,2% (United Solar), CdTe-Zellen - 17,3% (First Solar), CIGS-Zellen - 20,5 % (ZSW). Bisher sind unter anderen Dünnschichttechnologien Solarkonverter auf Basis von Dünnschichten aus amorphem Silizium produktionsführend - das Volumen des Weltmarktes für Dünnschicht-Si-Elemente beträgt etwa 80 %, Solarzellen auf Basis von Cadmiumtellurid - etwa 18 % des Marktes und Kupfer-Indium-Gallium-Selenid - 2 % des Marktes. Dies liegt zum einen an den Kosten und der Verfügbarkeit der Rohstoffe sowie an einer höheren Eigenschaftsstabilität als bei Mehrschichtaufbauten. Schließlich ist Silizium eines der häufigsten Elemente in der Erdkruste, während Indium (CIGS-Elemente) und Tellur (CdTe-Elemente) in geringen Mengen verstreut und abgebaut werden. Außerdem ist Cadmium (CdTe-Elemente) giftig, obwohl alle Hersteller solcher Solarmodule die vollständige Entsorgung ihrer Produkte garantieren. Auch der Degradationsprozess in den Elementen von Dünnschichtmodulen läuft schneller ab als bei Kristallzellen. Die Weiterentwicklung von photoelektrischen Wandlern auf Basis anorganischer Dünnschichten ist mit der Verbesserung der Produktionstechnologie und der Stabilisierung ihrer Parameter verbunden.

Dünnschicht-Solarzellen umfassen auch organische/polymere lichtempfindliche Dünnschichtelemente und sensibilisierte Farbstoffe. In dieser Richtung ist die kommerzielle Nutzung von Solarzellen noch begrenzt, alles befindet sich im Laborstadium sowie in der Verbesserung der Technologie der zukünftigen Massenproduktion. Eine Reihe von Quellen meldete das Erreichen der Effizienz von Elementen in organischen Konvertern von mehr als 10%: Deutsches Unternehmen Heliatek -10,7 %, University of California UCLA - 10,6 %. Eine Gruppe von Wissenschaftlern eines Labors der EPFL erzielte eine Effizienz von 12,3 % für Zellen, die aus sensibilisierten Farbstoffen hergestellt wurden. Im Allgemeinen gilt die Richtung organischer Dünnfilmelemente sowie lichtempfindlicher Farbstoffe als eine der vielversprechendsten. Es werden regelmäßig Aussagen darüber gemacht, dass ein weiterer Effizienzrekord erreicht wird, eine Technologie, die über die Laborwände hinausgeht und in naher Zukunft alle verfügbaren Flächen mit hocheffizienten und billigen Solarkonvertern abdeckt - Unternehmen von Konarka, Dyesol, Solarmer Energy. Die Arbeit konzentriert sich auf die Verbesserung der Stabilität der Eigenschaften und die Reduzierung der Technologiekosten.

Eigenschaften von Multijunction-Solarmodulen (Multilayer, Tandem).

Zellen solcher Elemente enthalten Schichten aus verschiedenen Materialien, die mehrere p-n-Übergänge bilden. Eine ideale Solarzelle sollte theoretisch Hunderte verschiedener Schichten (p-n-Übergänge) haben, die jeweils auf einen kleinen Bereich von Lichtwellenlängen über das gesamte Spektrum von Ultraviolett bis Infrarot abgestimmt sind. Jeder Übergang absorbiert Sonnenstrahlung bei einer bestimmten Wellenlänge und deckt somit das gesamte Spektrum ab. Das Hauptmaterial für solche Elemente sind Gallium (Ga)-Verbindungen - Gallium-Indium-Phosphid, Galliumarsenid usw.

Eine der besonderen Lösungen zur Umwandlung des gesamten Sonnenspektrums ist die Verwendung von Prismen, die das Sonnenlicht in Spektren zerlegen, die auf Single-Junction-Elemente mit unterschiedlichen Bereichen der Strahlungsumwandlung konzentriert sind. Trotz der Tatsache, dass auf dem Gebiet der Mehrfachsolarzellen seit zwei Jahrzehnten geforscht wird und Fotomodule aus solchen Zellen erfolgreich im Weltraum betrieben werden (Solarbatterien der Mir-Station, Mars Exploration Rover usw.), sind sie praktisch terrestrisch Die Verwendung hat relativ vor kurzem begonnen. Die ersten kommerziellen Produkte, die auf solchen Elementen basieren, kamen vor einigen Jahren auf den Markt und zeigten sich hervorragendes Ergebnis, und die Forschung in dieser Richtung zieht ständig Aufmerksamkeit auf sich. Tatsache ist, dass der theoretische Wirkungsgrad von zweischichtigen Zellen 42%, von dreischichtigen Zellen 49% und von Zellen mit einer unendlichen Anzahl von Schichten - 68% des unfokussierten Sonnenlichts betragen kann. Die Produktivitätsgrenze von Zellen mit unendlich vielen Schichten liegt bei 86,8 % bei Nutzung konzentrierter Sonnenstrahlung. Bis heute liegen praktische Effizienzergebnisse für Mehrfachzellen in der Größenordnung von 30 % bei unfokussiertem Sonnenlicht. Dies reicht nicht aus, um die Produktionskosten solcher Zellen zu kompensieren - die Kosten einer Mehrfachzellenzelle sind etwa 100-mal höher als die einer Siliziumzelle mit ähnlicher Fläche, daher beim Design von Modulen aus Mehrfachzellenzellen, Konzentratoren werden verwendet, um Licht um das 500- bis 1000-fache zu fokussieren. Ein Konzentrator in Form einer Fresnel-Linse und eines Parabolspiegels sammelt Sonnenlicht aus einer Fläche, die das 1000-fache der Zellfläche beträgt. Die Gesamtkosten von Fotomodulen aus Mehrfachverbindungszellen unter Verwendung von Konzentratoren (CPV) werden aufgrund kostengünstiger Linsen und Substrate erheblich reduziert, wodurch die hohen Herstellungskosten der Zelle selbst kompensiert werden. Gleichzeitig steigt die Zellproduktivität um bis zu 40 %.

Spezifikationen für Sonnenkollektoren. Beispielsweise haben die 5,5 mm x 5,5 mm großen Zellen von SolFocus einen Wirkungsgrad von 40 % bei Verwendung von Konzentratoren; und die durchschnittlichen Zellgrößen in CPV-Systemen reichen von 5,5 mm x 5,5 mm bis 1 cm x 1 cm. Was braucht es, um 1 cm herzustellen? Zellen benötigen 1/1000 Rohmaterial im Vergleich zu einer Zelle ähnlicher Produktivität aus kristallinem Silizium. Damit Multi-Junction-Zellen funktionieren maximale Effizienz, eine konstant hohe Intensität der Sonneneinstrahlung erforderlich ist, werden hierfür zweiachsige Orientierungssysteme CPV-Systeme eingesetzt. Einsatzgebiete für Solarparks auf Basis von Modulen aus Mehrfachzellen mit Konzentratoren sind Regionen mit hoher Sonneneinstrahlung.

Der maximale Wirkungsgrad von Mehrfachzellen, der unter Laborbedingungen mit Konzentratoren erzielt wird, beträgt derzeit 43,5 % (Solar Junction) und soll in den nächsten Jahren auf 50 % steigen.

Wie Sie sehen können, gibt es heute Solarzellen mit hoher Produktivität, die mit verschiedenen Technologien hergestellt werden, und die Hauptaufgabe der Hersteller besteht darin, die Kosten des Endprodukts zu senken und die Laborforschung für die Massenproduktion anzupassen. Trotz des geringen Rohstoffverbrauchs bei Dünnschicht-Solarzellen fallen die Kosten einiger Komponenten an verschiedene Typen ziemlich hoch, ebenso wie die Produktionstechnologien selbst energieintensiv sind. Die Langzeitstabilität der Parameter bleibt fraglich. Mehrfachsolarzellen sind maximal noch sehr teuer effektive Arbeit die auch eine erhöhte Konzentration der Sonnenstrahlung erfordern. Daher werden kristalline Siliziumzellen in naher Zukunft eine führende Position auf dem Markt der photovoltaischen Konverter einnehmen und im Preis sinken. Sie werden nur durch effiziente und billige Dünnschichtmodule ersetzt, möglicherweise aus polymeren Halbleitern oder lichtempfindlichen Farbstoffen. Aber Prognosen in der Entwicklung dieser oder jener Technologie sind keine dankbare Aufgabe. Kommt Zeit, kommt Rat.

Die Rekordhalter in Bezug auf die Effizienz unter den heute auf dem Markt erhältlichen Solarbatterien sind die vom Institut für Solare Energiesysteme der Fraunhofer-Gesellschaft in Deutschland entwickelten Solarbatterien auf der Basis von Mehrschicht-Photovoltaikzellen. Seit 2005 vermarktet Soitec sie.

Die Größe der Solarzellen selbst überschreitet 4 Millimeter nicht, und die Fokussierung des Sonnenlichts auf sie wird durch die Verwendung von Hilfsbündelungslinsen erreicht, wodurch gesättigtes Sonnenlicht mit einem Wirkungsgrad von bis zu 47% in Strom umgewandelt wird.

Die Batterie enthält vier p-n-Übergang so dass vier verschiedene Abschnitte der Fotozelle Strahlung mit einer bestimmten Wellenlänge, vom 297,3-fach konzentrierten Sonnenlicht, im Wellenlängenbereich von Infrarot bis Ultraviolett effizient empfangen und umwandeln können.

Forscher um Frank Dimiroth stellten sich zunächst die Aufgabe, einen mehrschichtigen Kristall zu züchten, und die Lösung wurde gefunden - sie spleißten Wachstumssubstrate, und das Ergebnis war ein Kristall mit verschiedenen Halbleiterschichten mit vier photovoltaischen Subzellen.

Mehrschichtige Photovoltaikzellen werden seit langem in Raumfahrzeugen verwendet, aber jetzt wurden darauf basierende Solarstationen bereits in 18 Ländern gestartet. Möglich wird dies durch die Verbesserung und Reduzierung der Technologiekosten. Dadurch wird die Zahl der Länder, die mit neuen Solarstationen beliefert werden, steigen und es gibt einen Trend zum Wettbewerb im industriellen Solarmarkt.

An zweiter Stelle stehen Solarmodule auf Basis von dreischichtigen Sharp-Fotozellen, deren Wirkungsgrad 44,4% erreichte. Indium-Gallium-Phosphid ist die erste Schicht der Solarzelle, Galliumarsenid ist die zweite und Indium-Galliumarsenid ist die dritte Schicht. Die drei Schichten sind durch ein Dielektrikum getrennt, das zur Erzielung des Tunneleffekts dient.

Die Konzentration des Lichts auf der Fotozelle wird dank der Fresnel-Linse erreicht, wie die deutschen Entwickler - das Licht der Sonne wird 302-fach gebündelt und von einer dreischichtigen Halbleiterfotozelle umgewandelt.

Seit 2003 führt Sharp mit Unterstützung von NEDO, einer japanischen Organisation der öffentlichen Verwaltung, die Forschung und Entwicklung sowie die Verbreitung von Industrie-, Energie- und Umwelttechnologien fördert, kontinuierlich wissenschaftliche Forschung zur Entwicklung dieser Technologie durch. Bis 2013 hatte Sharp einen Rekord von 44,4 % erreicht.

Zwei Jahre vor Sharp, im Jahr 2011, Amerikanisches Unternehmen Solar Junction hat bereits ähnliche Batterien auf den Markt gebracht, jedoch mit einem Wirkungsgrad von 43,5%, deren Elemente eine Größe von 5 x 5 mm hatten, und die Fokussierung erfolgte ebenfalls durch Linsen, wodurch das Sonnenlicht 400-mal konzentriert wurde. Die Photovoltaikzellen waren auf Germanium basierende Dreifach-Übergangszellen, und die Gruppe plante sogar, Fotozellen mit fünf und sechs Übergängen herzustellen, um das Spektrum besser zu erfassen. Bis heute wird im Unternehmen geforscht.

So haben Solarmodule, die in Kombination mit Konzentratoren hergestellt werden, die, wie wir sehen, in Europa, Asien und Amerika hergestellt werden, den höchsten Rekordwirkungsgrad. Aber diese Batterien werden hauptsächlich für den Bau großer bodengestützter Solarkraftwerke und für die effiziente Stromversorgung von Raumfahrzeugen hergestellt.

Kürzlich wurde ein Rekord auf dem Gebiet der konventionellen Verbraucher-Solarmodule aufgestellt, die den meisten Menschen zur Verfügung stehen, die damit beispielsweise das Dach eines Hauses versorgen möchten.

Mitte Herbst 2015 stellte das Unternehmen SolarCity von Elon Musk die effizientesten Verbraucher-Solarmodule vor, deren Wirkungsgrad 22 % übersteigt.

Dieser Indikator wurde durch Messungen des Labors des Renewable Energy Test Center bestätigt. Das Werk in Buffalo hat sich bereits ein tägliches Produktionsziel von 9.000 bis 10.000 Solarmodulen gesetzt, dessen genaue Spezifikationen noch bekannt gegeben werden müssen. Schon jetzt plant das Unternehmen, jährlich mindestens 200.000 Haushalte mit seinen Batterien zu versorgen.

Der Punkt ist, dass die optimiert technologischer Prozess ermöglichte es dem Unternehmen, die Produktionskosten erheblich zu senken und gleichzeitig die Effizienz im Vergleich zu weit verbreiteten Silizium-Solarmodulen für Verbraucher um das Zweifache zu steigern. Musk ist zuversichtlich, dass seine Solarmodule in naher Zukunft bei Hausbesitzern am beliebtesten sein werden.