الگوریتم افزایش راندمان پنل های خورشیدی. چه چیزی بر کارایی و عملکرد پنل های خورشیدی تأثیر می گذارد؟ سلول های خورشیدی لایه نازک

شرکت تایوانی Mega Sunergy یک ماژول فتوولتائیک آرایه‌ای 315 واتی جدید منتشر کرده است که عملکرد یک پنل خورشیدی سنتی را 17 درصد بیشتر می‌کند. این رقم به لطف آرایش ویژه 60 فتوسل جداگانه در باتری خورشیدی به دست آمد. مهندسان به جای قرار دادن کامل این 60 سلول - با فضاهای کوچک مساوی بین آنها - اجازه دادند که لبه های آنها روی یکدیگر همپوشانی داشته باشند و تعداد سلول ها در واحد سطح را به 68 افزایش دهند.

طبق محاسبات این شرکت، طرح جدید تولید ماژول های فتوولتائیک بسته به نوع، کارایی آنها را بین 5 تا 17 درصد افزایش می دهد. در واقع، Mega Sunergy توانست با کاهش میانگین خروجی هر سلول، کارایی کل پنل خورشیدی را افزایش دهد.

این شرکت در پنل های خورشیدی جدید خود از سلول های فتوولتائیک پلی سیلیکونی نسبتا ارزان استفاده می کند. هر کدام 4.5 وات هستند و حدود 22.5 سنت در هر وات به فروش می رسند. بنابراین، 8 سلول اضافی 8.10 دلار به هزینه کل پانل اضافه می کند و هزینه هر وات در آن به 25 سنت افزایش می یابد. برای این سلول های خورشیدی، با استفاده از طرح جدید، می توانید حداکثر افزایش راندمان را بدست آورید.

همانطور که در تصویر زیر مشاهده می کنید، به جای سلول های خورشیدی سنتی با شکل نزدیک به مربع، از مقاطع مستطیلی کشیده تری استفاده شده است. اگر پنل در تولید خواهد شد اندازه های استانداردبه جای 60 سلول خورشیدی، از 20 آرایه چند لایه مجزا تشکیل خواهد شد.

به گفته Mega Sunergy، فناوری جدید بسته‌بندی سلول‌های فتوولتائیک را می‌توان با سلول‌های خورشیدی PERC با راندمان بالاتر (با یک تابش غیرفعال شده در پشت سلول خورشیدی)، اما با افزایش بهره‌وری کمتر (حدود 5 درصد) استفاده کرد. این به این دلیل است که سلول‌های PERC مدرن از نوری استفاده می‌کنند که از فضای خالی عبور کرده و در پشت سلول جمع‌آوری می‌شود.

در حال حاضر هزینه پنل های خورشیدی جدید هنوز توسط این شرکت اعلام نشده است. محصولات مگا انرژی در کارخانه ای در تایوان با ظرفیت تولید 300 مگاوات در سال تولید می شود که در سال آینده به 400 مگاوات افزایش خواهد یافت.

همچنین بخوانید:

اخیراً انرژی خورشیدی با چنین سرعتی در حال توسعه است

اخیراً انرژی خورشیدی با چنان سرعتی در حال توسعه بوده است که طی 10 سال، سهم برق خورشیدی در تولید برق سالانه جهانی از 0.02 درصد در سال 2006 به تقریباً یک درصد در سال 2016 افزایش یافته است.

پارک خورشیدی دام بزرگترین نیروگاه خورشیدی در جهان است. توان 850 مگاوات

ماده اصلی نیروگاه های خورشیدی سیلیکون است که ذخایر آن در زمین عملاً پایان ناپذیر است. یکی از مشکلات این است که کارایی سلول های خورشیدی سیلیکونی چیزهای زیادی را برای دلخواه باقی می گذارد. کارآمدترین پنل های خورشیدی بازدهی بیش از 23 درصد ندارند. و میانگین نرخ بهره وری از 16٪ تا 18٪ است. بنابراین، محققان در سراسر جهان در زمینه فتوولتائیک های خورشیدی در تلاش هستند تا مبدل های نور خورشیدی را از تصویر یک منبع برق گران قیمت آزاد کنند.

یک مبارزه واقعی برای ایجاد یک ابرسلول خورشیدی شکل گرفته است. معیارهای اصلی راندمان بالا و هزینه کم است. آزمایشگاه ملی انرژی های تجدیدپذیر (NREL) در ایالات متحده حتی به صورت دوره ای یک خبرنامه منتشر می کند که نتایج موقت این مبارزه را منعکس می کند. و هر قسمت برنده ها و بازنده ها، خارجی ها و تازه کارها را نشان می دهد که به طور تصادفی در این مسابقه شرکت کردند.

لیدر: سلول چند لایه خورشیدی

این مبدل های هلیوم شبیه یک ساندویچ از مواد مختلفاز جمله پروسکایت، سیلیکون و لایه های نازک. در این حالت هر لایه فقط نور با طول موج مشخصی را جذب می کند. در نتیجه، این سلول های هلیوم چند لایه، با سطح کاری برابر، انرژی بیشتری نسبت به سایرین تولید می کنند.

رکوردشکنی راندمان مبدل های نوری چندلایه در پایان سال 2014 توسط یک تیم تحقیقاتی مشترک آلمانی-فرانسوی به سرپرستی دکتر فرانک دیمروث در موسسه Fraunhofer برای سیستم ها به دست آمد. انرژی خورشیدی. بازده 46 درصد به دست آمد. این مقدار کارایی فوق العاده توسط یک مطالعه مستقل در NMIJ/AIST - بزرگترین مرکز اندازه شناسی در ژاپن - تأیید شد.

سلول خورشیدی چند لایه راندمان - 46٪

این سلول ها از چهار لایه و عدسی تشکیل شده اند که نور خورشید را روی آنها متمرکز می کند. از معایب آن می توان به وجود ژرمانیوم در ساختار زیرلایه اشاره کرد که هزینه ماژول خورشیدی را اندکی افزایش می دهد. اما تمام کاستی‌های سلول‌های چندلایه را می‌توان در نهایت برطرف کرد و محققان مطمئن هستند که در آینده بسیار نزدیک توسعه آنها از دیوارهای آزمایشگاه‌ها خارج می‌شود و وارد دنیای بزرگ می‌شود.

تازه کار سال - پروسکایت

کاملاً غیر منتظره ، یک تازه وارد در مسابقه رهبران - پروسکایت دخالت کرد. پروسکایت نام کلی تمام موادی است که ساختار کریستالی مکعبی خاصی دارند. اگرچه پروسکایت ها برای مدت طولانی شناخته شده اند، تحقیقات در مورد سلول های خورشیدی ساخته شده از این مواد تنها بین سال های 2006 و 2008 آغاز شد. نتایج اولیه ناامید کننده بود: راندمان مبدل های نوری پروسکایت از 2٪ تجاوز نمی کند. در عین حال، محاسبات نشان داد که این رقم می تواند یک مرتبه بزرگتر باشد. در واقع، پس از یک سری آزمایش‌های موفقیت‌آمیز، محققان کره‌ای در مارس 2016 اثربخشی تایید شده 22٪ را دریافت کردند که به خودی خود تبدیل به یک احساس شد.

سلول خورشیدی پروسکایت

مزیت سلول های پروسکایت این است که کار کردن با آنها راحت تر و تولید آسان تر از سلول های سیلیکونی مشابه است. با تولید انبوه مبدل های نوری پروسکایت، قیمت یک وات برق می تواند به 0.10 دلار برسد. اما کارشناسان بر این باورند که تا زمانی که سلول‌های هلیوم پروسکایت به حداکثر بازدهی رسیده و شروع به تولید در مقادیر صنعتی می‌کنند، هزینه یک وات سیلیکونی برق می‌تواند به میزان قابل توجهی کاهش یابد و به همان سطح 0.10 دلار برسد.

تجربی: نقاط کوانتومی و سلول های خورشیدی آلی

این نوع مبدل نور خورشیدی هنوز در مراحل اولیه توسعه است و هنوز نمی توان آن را به عنوان رقیب جدی برای سلول های هلیوم موجود در نظر گرفت. با این حال، توسعه دهنده، دانشگاه تورنتو، ادعا می کند که بر اساس محاسبات نظری، بازده سلول های خورشیدی مبتنی بر نانوذرات - نقاط کوانتومی - بالای 40 درصد خواهد بود. ماهیت اختراع دانشمندان کانادایی این است که نانوذرات - نقاط کوانتومی - می توانند نور را در محدوده های طیفی مختلف جذب کنند. با تغییر اندازه این نقاط کوانتومی، امکان انتخاب محدوده عملکرد بهینه فتو مبدل وجود خواهد داشت.

سلول خورشیدی بر اساس نقاط کوانتومی

و با توجه به اینکه این نانولایه را می توان با پاشیدن بر روی هر لایه اعم از شفاف، پایه اعمال کرد کاربرد عملیچشم اندازهای امیدوارکننده ای برای این کشف وجود دارد. و اگرچه امروزه آزمایشگاه ها در هنگام کار با نقاط کوانتومی به نرخ بازدهی تنها 11.5 درصد دست یافته اند، هیچ کس در چشم انداز این جهت شک ندارد. و کار ادامه دارد.

پنجره خورشیدی – سلول های خورشیدی جدید با بازده 50 درصد

شرکت پنجره خورشیدی از مریلند (ایالات متحده آمریکا) ارائه کرد تکنولوژی انقلابی"شیشه خورشیدی" که به طور اساسی ایده های سنتی در مورد پانل های خورشیدی را تغییر می دهد.

پیش از این، گزارش هایی در مورد فن آوری های شفاف هلیوم و همچنین این که این شرکت قول می دهد تا کارایی ماژول های خورشیدی را به میزان قابل توجهی افزایش دهد، وجود داشت. و همانطور که رویدادهای اخیر نشان داده است، اینها فقط وعده ها نبودند، بلکه 50 درصد راندمان بودند - دیگر فقط خوشحالی نظری محققان شرکت نیست. در حالی که سایر تولیدکنندگان به تازگی وارد بازار شده‌اند و نتایج متوسط‌تری دارند، پنجره خورشیدی در حال حاضر پیشرفت‌های واقعاً انقلابی خود را با فناوری بالا در زمینه فتوولتائیک هلیوم ارائه کرده است.

این پیشرفت‌ها راه را برای تولید سلول‌های خورشیدی شفاف هموار می‌کند که در مقایسه با سلول‌های سنتی راندمان قابل توجهی بالاتری دارند. اما این تنها مزیت ماژول های خورشیدی جدید مریلند نیست. سلول‌های هلیوم جدید را می‌توان به راحتی به هر سطح شفاف (مثلاً پنجره‌ها) متصل کرد و می‌تواند در سایه یا زیر نور مصنوعی کار کند. با توجه به هزینه پایین آنها، سرمایه گذاری در تجهیز یک ساختمان به چنین ماژول هایی می تواند ظرف یک سال هزینه خود را پرداخت کند. در مقایسه، دوره بازپرداخت پنل‌های خورشیدی سنتی از پنج تا ده سال متغیر است که تفاوت بسیار زیادی دارد.

سلول های خورشیدی از شرکت پنجره خورشیدی

شرکت پنجره خورشیدی جزئیاتی را اعلام کرده است تکنولوژی جدیدبه دست آوردن سلول های خورشیدی با چنین بازده بالا. البته دانش اصلی از معادله خارج شد. تمام سلول های هلیوم عمدتاً از مواد آلی ساخته شده اند. لایه های عناصر از هادی های شفاف، کربن، هیدروژن، نیتروژن و اکسیژن تشکیل شده است. به گفته این شرکت، تولید این ماژول های خورشیدی به قدری بی ضرر است که 12 برابر کمتر روی آن تاثیر می گذارد محیطنسبت به تولید ماژول های سنتی هلیوم. طی 28 ماه آینده، اولین پنل های خورشیدی شفاف در برخی از ساختمان ها، مدارس، ادارات و آسمان خراش ها نصب خواهد شد.

اگر در مورد چشم انداز توسعه فتوولتائیک هلیوم صحبت کنیم، به احتمال زیاد سلول های خورشیدی سیلیکونی سنتی می توانند به گذشته تبدیل شوند و جای خود را به عناصر بسیار کارآمد، سبک و چند منظوره بدهند که گسترده ترین افق ها را برای انرژی هلیوم باز می کند. منتشر شده

روزانه میلیاردها کیلووات انرژی خورشیدی به سیاره ما می رسد. مردم از مدت ها قبل شروع به استفاده از این انرژی برای نیازهای خود کرده اند. با پیشرفت پیشرفت، استفاده از پنل های خورشیدی برای تبدیل انرژی نور خورشید آغاز شد. اما آیا این دستگاه ها موثر هستند؟ بازده پنل های خورشیدی چقدر است و به چه چیزی بستگی دارد؟ دوره بازپرداخت آنها چقدر است و چگونه می توان سودآوری استفاده از پنل های خورشیدی را محاسبه کرد؟ این سؤالات مربوط به همه کسانی است که در حال برنامه ریزی هستند یا قبلاً تصمیم به خرید پنل های خورشیدی گرفته اند، بنابراین این مقاله به این موضوع فوری اختصاص دارد.

بیایید به طور خلاصه نگاه کنیم که اصل عملکرد پانل های خورشیدی بر چه اساسی استوار است. این بر اساس ویژگی فیزیکی نیمه هادی ها است. به دلیل کوبیدن الکترون ها از مدار بیرونی اتم ها توسط فوتون های نور، تعداد کافی الکترون آزاد تشکیل می شود. پس از بسته شدن مدار، اتفاق می افتد برق. اما، به عنوان یک قاعده، یک یا دو سلول خورشیدی برای تولید انرژی کافی کافی نیست، بنابراین، ماژول های خورشیدی اغلب شامل چندین باتری خورشیدی هستند. هر چه سلول‌های خورشیدی بیشتر به یکدیگر متصل شوند، یعنی هر چه مساحت پنل‌های خورشیدی بیشتر باشد، قدرت بیشتری تولید می‌کنند. علاوه بر مساحت پانل ها، شدت نور خورشید و زاویه تابش پرتوها تأثیر محسوسی بر توان تولیدی دارد.

بیایید مفهوم کارایی را درک کنیم

مقدار کارایی یک پانل از تقسیم توان انرژی الکتریکی بر قدرت نور خورشید که بر روی پانل می افتد به دست می آید. امروزه، مقدار متوسط ​​این شاخص در عمل 12-25٪ است، اما در تئوری این رقم نزدیک به 80-85٪ است. دلیل این تفاوت بزرگ چیست؟ اول از همه، این بستگی به مواد مورد استفاده برای ساخت پنل های خورشیدی دارد. همانطور که قبلاً مشخص است ، عنصر اصلی موجود در پانل ها سیلیکون است. یکی از معایب اصلی این ماده توانایی آن در جذب تنها اشعه مادون قرمز است، یعنی انرژی اشعه ماوراء بنفش هدر می رود. بنابراین، یکی از مسیرهای اصلی که دانشمندان در تلاش برای افزایش کارایی پنل های خورشیدی هستند، توسعه ماژول های چند لایه است.

باتری های چند لایه ساختاری متشکل از لایه هایی از مواد مختلف هستند. آنها بر اساس کوانتوم انرژی های مختلف انتخاب می شوند. یعنی یک لایه انرژی سبز را جذب می کند، دوم - آبی، سوم - قرمز. در تئوری، ترکیب های مختلف این لایه ها می تواند مقدار کارایی 87٪ را به دست دهد. اما متاسفانه این فقط یک نظریه است. همانطور که تمرین نشان می دهد، ساخت چنین سازه هایی در مقیاس تولید یک کار بسیار پر زحمت است و هزینه چنین ماژول ها بسیار بالا است.

کارایی ماژول های خورشیدی نیز تحت تأثیر نوع سیلیکون مورد استفاده قرار می گیرد. پانل های ساخته شده از سیلیکون مونو کریستال کارایی بالاتری نسبت به پانل های ساخته شده از سیلیکون پلی کریستال دارند. اما قیمت باتری های تک کریستالی بالاتر است.

قانون اساسی: با راندمان بالاتر، برای تولید برق یک توان معین، به یک ماژول مساحت کوچکتر نیاز است، یعنی تعداد کمتری فتوسل در پنل خورشیدی گنجانده می شود.

پنل های خورشیدی چقدر سریع هزینه خود را پرداخت می کنند؟

هزینه پنل های خورشیدی امروزه بسیار بالاست. و با توجه به راندمان پایین پنل ها، موضوع بازپرداخت آنها بسیار مطرح است. عمر باتری هایی که با انرژی خورشیدی کار می کنند حدود 25 سال یا بیشتر است. ما کمی بعد در مورد اینکه چه چیزی باعث چنین عمر طولانی می شود صحبت خواهیم کرد، اما در حال حاضر اجازه دهید سوال مطرح شده در بالا را روشن کنیم.

دوره بازپرداخت تحت تأثیر موارد زیر است:

• نوع تجهیزات انتخاب شده فتوسل های تک لایه در مقایسه با چند لایه بازده کمتری دارند اما قیمت بسیار پایین تری نیز دارند.
• موقعیت جغرافیایی، یعنی هرچه نور خورشید در منطقه شما بیشتر باشد، ماژول نصب شده سریعتر هزینه خود را پرداخت می کند.
• هزینه تجهیزات. هر چه پول بیشتری را برای خرید و نصب عناصر تشکیل دهنده سیستم صرفه جویی در انرژی خورشیدی خرج کنید، دوره بازپرداخت طولانی تر می شود.
• هزینه منابع انرژی در منطقه شما

متوسط ​​دوره بازپرداخت برای کشورهای جنوب اروپا 1.5-2 سال، برای کشورهای اروپای مرکزی - 2.5-3.5 سال و در روسیه دوره بازپرداخت تقریباً 2-5 سال است. در آینده نزدیک، راندمان پنل های خورشیدی به طور قابل توجهی افزایش خواهد یافت، این به دلیل توسعه فناوری های پیشرفته تر است که باعث افزایش کارایی و کاهش هزینه پنل ها می شود. و در نتیجه مدت زمانی که سیستم صرفه جویی در انرژی خورشیدی هزینه خود را پرداخت می کند نیز کاهش می یابد.

پنل های خورشیدی چقدر عمر می کنند؟

پنل های خورشیدی حاوی قطعات متحرک مکانیکی نیستند، بنابراین کاملاً قابل اعتماد و بادوام هستند. همانطور که در بالا ذکر شد، عمر مفید آنها بیش از 25 سال است. در عملکرد صحیحآنها می توانند 50 سال دوام بیاورند. مزیت بزرگ این است که چنین عمر طولانی نیازی به خرابی های عمده ندارد. این برای جذب بهتر انرژی و در نتیجه برای نرخ بازده بالاتر ضروری است.

عمر طولانی یکی از معیارهای اصلی هنگام تصمیم گیری در مورد خرید یا عدم خرید پنل های خورشیدی است. بعد از اینکه باتری ها برای خودشان پرداخت می کنند، مبلغی که دریافت می کنید انرژی الکتریکی، کاملا رایگان خواهد بود. حتی اگر دوره بازپرداخت حداکثر (حدود 6 سال) باشد، حداقل برای 20-25 سال هزینه ای برای منابع انرژی نخواهید داشت.

آخرین پیشرفت هایی که کارایی را افزایش می دهد

تقریباً هر روز دانشمندان در سراسر جهان از توسعه روش جدیدی برای افزایش کارایی ماژول های خورشیدی خبر می دهند. بیایید با جالب ترین آنها آشنا شویم. شارپ سال گذشته یک سلول خورشیدی با راندمان 43.5 درصد را به عموم مردم معرفی کرد. آنها توانستند با نصب عدسی برای تمرکز انرژی به طور مستقیم به عنصر به این رقم دست یابند.

فیزیکدانان آلمانی چندان از شرکت شارپ عقب نیستند. آنها در ژوئن 2013 فتوسل خود را با مساحت تنها 5.2 متر مربع ارائه کردند. میلی متر، متشکل از 4 لایه از عناصر نیمه هادی. این فناوری دستیابی به راندمان 44.7 درصدی را ممکن کرد. حداکثر کارایی در این مورد نیز با قرار دادن یک آینه مقعر در فوکوس به دست می آید.

در اکتبر 2013، نتایج کار دانشمندان از استانفورد منتشر شد. آنها یک کامپوزیت مقاوم در برابر حرارت جدید ساخته اند که می تواند عملکرد سلول های خورشیدی را افزایش دهد. مقدار بازده نظری حدود 80٪ است. همانطور که در بالا نوشتیم، نیمه هادی هایی که حاوی سیلیکون هستند، فقط می توانند تابش IR را جذب کنند. بنابراین، عمل ماده کامپوزیت جدید با هدف تبدیل تشعشعات فرکانس بالا به مادون قرمز است.

بعدی دانشمندان انگلیسی بودند. آنها فناوری توسعه داده اند که می تواند کارایی سلول ها را تا 22 درصد افزایش دهد. آنها پیشنهاد کردند که نانو سنبله های آلومینیومی روی سطح صاف پانل های لایه نازک قرار گیرند. این فلز به این دلیل انتخاب شد که نور خورشید توسط آن جذب نمی شود، بلکه برعکس، پراکنده است. در نتیجه میزان جذب انرژی خورشیدی افزایش می یابد. از این رو عملکرد باتری خورشیدی افزایش یافته است.

در اینجا فقط تحولات اصلی است، اما موضوع به آنها محدود نمی شود. دانشمندان برای هر دهم درصد می جنگند و تاکنون موفق بوده اند. امیدواریم در آینده نزدیک راندمان پنل های خورشیدی در سطح مناسبی باشد. پس از همه، مزایای استفاده از پانل ها حداکثر خواهد بود.

این مقاله توسط عبدالینا رجینا تهیه شده است

مسکو در حال حاضر از فناوری های جدید برای روشنایی خیابان ها و پارک ها استفاده می کند، فکر می کنم بازده اقتصادی در آنجا محاسبه شده است:

تاریخ اضافه شدن: 1394/04/30

امروزه انرژی های تجدیدپذیر، به ویژه در جاهایی که از انرژی خورشیدی استفاده می شود، به شدت در حال توسعه است. در این راستا، جستجوی فعال برای روش‌ها و دستگاه‌های افزایش بهره‌وری ادامه دارد سیستم های موجودامکان تبدیل کارآمدترین انرژی خورشیدی به برق را فراهم می کند. در اینجا دو جهت قابل تشخیص است - تبدیل مستقیم تابش خورشید به جریان الکتریکی، و تبدیل مکرر انرژی خورشیدی - به گرما، سپس به کار مکانیکی و سپس به برق. تاکنون نتایج بهتری در جهت دوم حاصل شده است - نیروگاه های خورشیدی صنعتی با متمرکز کننده ها، توربین ها یا موتورهای استرلینگ بهره وری بسیار خوبی در تبدیل انرژی خورشیدی نشان می دهند. بنابراین، در یک ایستگاه خورشیدی فعال در نیومکزیکو با متمرکز کننده های خورشیدی و موتورهای استرلینگ، با در نظر گرفتن مصرف انرژی برای سیستم جهت گیری و غیره، بازده خروجی 31.25٪ به دست آمد.

اما چنین تاسیسات خورشیدی بسیار پیچیده و گران هستند، در شرایط تابش خورشیدی بسیار بالا موثر هستند و هنوز توسعه کافی در جهان پیدا نکرده اند. بنابراین، مبدل های مستقیم تابش خورشیدی - پنل های خورشیدی ، از نظر تاسیسات و دامنه کاربرد، جایگاه پیشرو در دنیای انرژی خورشیدی را به خود اختصاص داده است. بهره وری از پنل های خورشیدی صنعتی سریال امروزه بسته به تکنولوژی بین 7 تا 20 درصد است. فن‌آوری‌ها ثابت نمی‌مانند، در حال توسعه و بهبود هستند، سلول‌های جدید در حال توسعه و آزمایش هستند، حداقل دو برابر نمونه‌های موجود. بیایید سعی کنیم به طور خلاصه مسیرهای اصلی توسعه پانل های فتوولتائیک، فناوری ها و بهره وری آنها را در نظر بگیریم.

اکثریت قریب به اتفاق سلول های مبدل خورشیدی فتومژول های سریال مدرن از سیلیکون تک کریستالی (C-Si) یا پلی کریستالی (MS-Si) ساخته شده اند. امروزه، چنین ماژول های فتوولتائیک سیلیکونی حدود 90 درصد از بازار مبدل های فتوولتائیک را به خود اختصاص داده اند که تقریباً 2/3 آن سیلیکون پلی کریستال و 1/3 آن تک کریستال است. در مرحله بعد، ماژول های خورشیدی قرار می گیرند که فتوسل های آنها با استفاده از فناوری لایه نازک ساخته می شوند - روش رسوب یا کندوپاش مواد حساس به نور بر روی بسترهای مختلف. مزیت قابل توجه ماژول های ساخته شده از این عناصر، هزینه کمتر تولید است، زیرا در مقایسه با ویفرهای سیلیکونی، تقریباً 100 برابر مواد کمتری نیاز دارند. و تاکنون کمترین نشان داده شده سلول های خورشیدی چند پیوندی از سلول های پشت سر هم یا چند پیوندی هستند.

سهم بازار پانل های فتوولتائیک با فناوری های مختلف:

فتو ماژول های کریستالی سیلیکون.

راندمان سلول های ماژول سیلیکونی امروزه حدود 15 تا 20 درصد است (پلی کریستال - تک کریستال). این رقم در مجموع ممکن است به زودی چندین درصد افزایش یابد. به عنوان مثال، SunTech Power، یکی از بزرگترین تولید کنندگان ماژول های سیلیکون کریستالی در جهان، اعلام کرده است که قصد دارد ماژول های عکس را با بازدهی 22 درصدی در چند سال آینده راه اندازی کند. نمونه‌های آزمایشگاهی موجود از سلول‌های مونو کریستال، بهره‌وری 25%، پلی کریستالی 20.5% را نشان می‌دهند. حداکثر بازده تئوری عناصر unjunction سیلیکونی (p-n) 33.7٪ است. هنوز محقق نشده است و وظیفه اصلی سازندگان علاوه بر افزایش راندمان سلول ها، بهبود فناوری تولید و کاهش هزینه فوتوماژول ها است.

ماژول‌های عکس از Sanyo که با استفاده از فناوری HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin Layer) و با استفاده از چندین لایه سیلیکون، مشابه سلول‌های چند لایه پشت سر هم، تولید می‌شوند، به‌طور جداگانه قرار گرفته‌اند. راندمان چنین عناصری از C-Si تک کریستالی و چندین لایه نانوبلور nc-Si 23 درصد است. این بالاترین شاخص کارایی امروزی برای سلول های ماژول های کریستالی سریال، نوعی باتری نانو خورشیدی است.

کارایی سلول های خورشیدی لایه نازک

این نام به چندین فناوری مختلف اشاره دارد که عملکرد آنها به اختصار مورد بحث قرار خواهد گرفت. در حال حاضر، سه نوع اصلی سلول خورشیدی فیلم معدنی وجود دارد - فیلم‌های سیلیکونی آمورف (a-Si)، فیلم‌های تلورید کادمیوم (CdTe) و فیلم‌های گالیم سلنید ایندیم مس (CuInGaSe2 یا CIGS). راندمان سلول های خورشیدی لایه نازک مدرن مبتنی بر سیلیکون آمورف حدود 10٪ است، فتو ماژول های مبتنی بر تلورید کادمیوم - 10-11٪ (شرکت خورشیدی اول)، بر اساس مس - ایندیم - سلنید گالیم - 12-13٪ (خورشیدی ژاپنی ماژول SOLAR FRONTIER). شاخص های کارایی سلول های پیش سری: CdTe بازده 15.7% (ماژول های MiaSole) و سلول های CIGS بازده 18.7% (EMPA) دارند. بازده سلول های خورشیدی لایه نازک منفرد بسیار بالاتر است، به عنوان مثال، داده های مربوط به عملکرد نمونه های آزمایشگاهی سلول های سیلیکونی آمورف 12.2٪ (United Solar)، سلول های CdTe - 17.3٪ (First Solar)، سلول های CIGS - 20.5٪ است. (ZSW). تاکنون مبدل های خورشیدی مبتنی بر لایه های نازک سیلیکون آمورف در حجم تولید در میان سایر فناوری های لایه نازک - حجم بازار جهانی سلول های لایه نازک Si حدود 80 درصد است، سلول های خورشیدی مبتنی بر تلورید کادمیوم حدود 18 درصد از بازار و مس - ایندیم - سلنید گالیم 2 درصد بازار است. این اول از همه به دلیل هزینه و در دسترس بودن مواد اولیه و همچنین پایداری بیشتر ویژگی ها نسبت به سازه های چند لایه است. از این گذشته، سیلیکون یکی از رایج ترین عناصر در پوسته زمین است، در حالی که ایندیم (عناصر CIGS) و تلوریم (عناصر CdTe) در مقادیر کم پراکنده و استخراج می شوند. علاوه بر این، کادمیوم (سلول های CdTe) سمی است، اگرچه همه تولید کنندگان چنین ماژول های خورشیدی بازیافت کامل محصولات خود را تضمین می کنند. همچنین، فرآیند تخریب در عناصر ماژول های لایه نازک سریعتر از سلول های کریستالی پیش می رود. توسعه بیشتر مبدل های فوتوالکتریک مبتنی بر لایه های نازک معدنی با بهبود فناوری تولید و تثبیت پارامترهای آنها همراه است.

سلول های خورشیدی لایه نازک همچنین شامل عناصر حساس به نور لایه نازک آلی/پلیمری و رنگ های حساس می شوند. در این راستا، استفاده تجاری از سلول های خورشیدی هنوز محدود است، همه چیز در مرحله آزمایشگاهی و همچنین در بهبود فناوری برای تولید انبوه آینده است. تعدادی از منابع بیان کرده اند که بازده عناصر مبتنی بر مبدل های آلی به بیش از 10٪ رسیده است: شرکت آلمانیهلیاتک -10.7٪، دانشگاه کالیفرنیا UCLA - 10.6٪. گروهی از دانشمندان آزمایشگاهی در EPFL بازدهی 12.3 درصدی را برای سلول های ساخته شده از رنگ های حساس به دست آوردند. به طور کلی، جهت عناصر لایه نازک آلی، و همچنین رنگ های حساس به نور، یکی از امیدوار کننده ترین ها در نظر گرفته می شود. به طور مرتب اظهاراتی در مورد دستیابی به یک رکورد دیگر در بهره وری، فراتر رفتن فناوری از دیوار آزمایشگاه ها، و پوشش سریع تمام سطوح موجود با مبدل های خورشیدی بسیار کارآمد و ارزان - شرکت های Konarka، Dyesol، Solarmer Energy، بیان می شود. تمرکز کار بر افزایش پایداری ویژگی ها و کاهش هزینه فناوری است.

ویژگی های پانل های خورشیدی چند پیوندی (چند لایه، پشت سر هم).

سلول های ساخته شده از چنین عناصری حاوی لایه هایی از مواد مختلف هستند که چندین اتصال p-n را تشکیل می دهند. یک سلول خورشیدی ایده آل، در تئوری، صدها لایه مختلف (اتصالات pn) خواهد داشت که هر یک با طیف کوچکی از طول موج های نور در سراسر طیف، از ماوراء بنفش تا مادون قرمز تنظیم شده است. هر انتقال تابش خورشیدی را در طول موج خاصی جذب می کند، بنابراین کل طیف را پوشش می دهد. مواد اصلی برای چنین عناصری ترکیبات گالیوم (Ga) - فسفید گالیوم ایندیم، آرسنید گالیم و غیره است.

یکی از راه حل های خصوصی برای تبدیل کل طیف خورشیدی استفاده از منشورهایی است که نور خورشید را به طیف تجزیه می کنند و بر عناصر تک پیوندی با دامنه های مختلف تبدیل تابش متمرکز می شوند. علیرغم اینکه تحقیقات در زمینه سلول‌های خورشیدی چند پیوندی دو دهه است که ادامه دارد و فوتوماژول‌های چنین سلول‌هایی با موفقیت در فضا کار می‌کنند (باتری‌های خورشیدی ایستگاه میر، مریخ‌نورد اکتشافی مریخ و غیره)، استفاده عملی زمینی از آنها انجام شده است. نسبتاً اخیراً آغاز شده است. اولین محصولات تجاری مبتنی بر چنین عناصری چندین سال پیش وارد بازار شد و خودنمایی کرد نتیجه عالی، و تحقیق در این راستا مدام جلب توجه می کند. واقعیت این است که بازده نظری سلول های دو لایه می تواند 42٪ بازده، سلول های سه لایه 49٪ و سلول هایی با تعداد بی نهایت لایه - 68٪ از نور خورشید غیر متمرکز باشد. حد بهره وری سلول های با تعداد بی نهایت لایه در هنگام اعمال تابش خورشیدی متمرکز 86.8٪ است. امروزه، نتایج کارایی عملی برای سلول‌های چند اتصالی در نور خورشید غیرمتمرکز حدود 30 درصد است. این برای جبران هزینه تولید چنین سلول‌هایی کافی نیست - هزینه یک سلول چند پیوندی تقریباً 100 برابر بیشتر از سلول سیلیکونی با منطقه مشابه است، بنابراین طراحی‌های ماژول از سلول‌های چند پیوندی از متمرکز کننده‌ها برای تمرکز نور 500 تا 1000 بار استفاده می‌کنند. یک متمرکز کننده به شکل عدسی فرنل و یک آینه سهموی نور خورشید را از ناحیه ای 1000 برابر بزرگتر از ناحیه سلول جمع آوری می کند. هزینه کل فوتومژول های ساخته شده از سلول های چند پیوندی با استفاده از متمرکز کننده ها (CPV) به دلیل لنزها و بسترهای ارزان قیمت به طور قابل توجهی کاهش می یابد و هزینه های بالای تولید خود سلول را جبران می کند. در عین حال، بهره وری سلول تا 40 درصد افزایش می یابد.

ویژگی های باتری های خورشیدی به عنوان مثال، کارایی سلول های SolFocus با ابعاد 5.5 میلی متر در 5.5 میلی متر در هنگام استفاده از متمرکز کننده ها 40٪ است. و اندازه سلول های متوسط ​​در سیستم های CPV از 5.5 میلی متر در 5.5 میلی متر تا 1 سانتی متر در 1 سانتی متر است. سلول ها در مقایسه با سلولی با بهره وری مشابه ساخته شده از سیلیکون کریستالی، به 1000/1 ماده خام نیاز دارند. برای کار با سلول های چند پیوندی حداکثر بهره وریبرای این کار از سیستم های جهت گیری دو محوره سیستم های CPV استفاده می شود. مکان های استقرار مزارع خورشیدی بر اساس ماژول های ساخته شده از سلول های چند اتصالی با متمرکز کننده ها، مناطقی با تابش خورشیدی بالا هستند.

حداکثر راندمان سلول های چند پیوندی که در شرایط آزمایشگاهی با استفاده از متمرکز کننده ها به دست می آید، در حال حاضر 43.5 درصد (Solar Junction) است و پیش بینی می شود در چند سال آینده به 50 درصد افزایش یابد.

همانطور که می بینیم امروزه سلول های خورشیدی با بهره وری بالا وجود دارند که با استفاده از فناوری های مختلف ساخته می شوند و وظیفه اصلی سازندگان کاهش هزینه محصول نهایی و تطبیق تحقیقات آزمایشگاهی برای تولید انبوه است. علیرغم مصرف کم مواد اولیه در سلول های خورشیدی لایه نازک، هزینه برخی از قطعات آن است انواع متفاوتبسیار بالا است، همانطور که خود فناوری های تولید انرژی بر هستند. پایداری طولانی مدت پارامترها مورد تردید است. سلول های خورشیدی چند اتصالی هنوز هم برای حداکثر قیمت بسیار گران هستند کار کارآمدکه نیاز به افزایش غلظت تابش خورشیدی نیز دارند. بنابراین، عناصر سیلیکونی کریستالی در آینده نزدیک جایگاه پیشرو را در بازار مبدل های فتوولتائیک خواهند داشت و قیمت آنها کاهش می یابد. آنها فقط با ماژول های لایه نازک کارآمد و ارزان جایگزین می شوند که احتمالاً از نیمه هادی های پلیمری یا رنگ های حساس به نور ساخته شده اند. اما پیش بینی توسعه این یا آن فناوری کار مفیدی نیست. صبر کن و ببین.

دارنده رکورد بازدهی در بین باتری های خورشیدی موجود در بازار امروز، باتری های خورشیدی مبتنی بر فتوسل های چندلایه است که توسط موسسه سیستم های انرژی خورشیدی Fraunhofer در آلمان ساخته شده است. از سال 2005، اجرای تجاری آنها توسط Soitec انجام شده است.

اندازه خود فتوسل‌ها از 4 میلی‌متر تجاوز نمی‌کند و تمرکز نور خورشید روی آنها با استفاده از لنزهای متمرکز کمکی به دست می‌آید که به لطف آن نور اشباع شده خورشید با بازدهی 47٪ به برق تبدیل می‌شود.

باتری شامل چهار عدد است اتصال p-n، به طوری که چهار بخش مختلف فتوسل می توانند به طور مؤثر تابش یک طول موج خاص را از نور خورشید متمرکز شده 297.3 بار در محدوده طول موج از مادون قرمز به ماوراء بنفش دریافت و تبدیل کنند.

محققان به رهبری فرانک دیمیروت در ابتدا وظیفه رشد یک کریستال چند لایه را بر عهده گرفتند و راه حلی پیدا شد - آنها بسترهای رشد را به هم متصل کردند و نتیجه یک کریستال با لایه های نیمه هادی مختلف با چهار زیرسلول فتوولتائیک بود.

فتوسل‌های چندلایه مدت‌هاست که در فضاپیماها مورد استفاده قرار می‌گرفتند، اما اکنون ایستگاه‌های خورشیدی مبتنی بر آنها در 18 کشور جهان راه‌اندازی شده‌اند. این به لطف فناوری پیشرفته و ارزان تر امکان پذیر می شود. در نتیجه، تعداد کشورهای مجهز به ایستگاه های خورشیدی جدید افزایش می یابد و تمایل به رقابت در بازار پنل های خورشیدی صنعتی وجود دارد.

در رتبه دوم باتری های خورشیدی مبتنی بر فوتوسل های سه لایه شارپ قرار دارند که راندمان آنها به 44.4 درصد رسیده است. ایندیوم گالیوم فسفید اولین لایه سلول خورشیدی، گالیم آرسنید دومین لایه و ایندیم گالیوم آرسنید لایه سوم است. این سه لایه توسط یک دی الکتریک از هم جدا می شوند که برای رسیدن به یک اثر تونلی عمل می کند.

تمرکز نور بر روی فتوسل به لطف یک لنز فرنل مانند توسعه دهندگان آلمانی به دست می آید - نور خورشید 302 بار متمرکز شده و توسط یک فوتوسل نیمه هادی سه لایه تبدیل می شود.

تحقیقات علمی در مورد توسعه این فناوری توسط شارپ از سال 2003 به طور مداوم با حمایت NEDO، یک سازمان دولتی ژاپنی که تحقیقات و توسعه علمی و همچنین انتشار فناوری های صنعتی، انرژی و زیست محیطی را ترویج می کند، انجام شده است. شارپ تا سال 2013 به رکورد 44.4 درصدی دست یافت.

دو سال قبل از شارپ، در سال 2011، شرکت آمریکایی Solar Junction قبلاً باتری‌های مشابهی را منتشر کرده است، اما با راندمان 43.5 درصد، عناصر آن دارای ابعاد 5 در 5 میلی‌متر بودند و فوکوس نیز توسط لنزهایی انجام می‌شد که نور خورشید را 400 بار متمرکز می‌کرد. سلول‌های خورشیدی سلول‌های مبتنی بر ژرمانیوم سه اتصالی بودند و تیم حتی برنامه‌ریزی کرد تا سلول‌های خورشیدی پنج و شش پیوندی را برای گرفتن بهتر طیف ایجاد کند. تحقیقات هنوز توسط این شرکت ادامه دارد.

بنابراین، حداکثر رکورد بهره وریدارای پنل های خورشیدی ساخته شده در ترکیب با متمرکز کننده ها هستند که همانطور که می بینیم در اروپا، آسیا و آمریکا تولید می شوند. اما این باتری ها عمدتاً برای ساخت نیروگاه های خورشیدی زمینی در مقیاس بزرگ و برای تامین انرژی کارآمد فضاپیماها ساخته می شوند.

اخیراً رکوردی برای پنل های خورشیدی مصرفی معمولی به ثبت رسیده است که برای اکثر افرادی که می خواهند آنها را مثلاً روی پشت بام خانه نصب کنند مقرون به صرفه هستند.

در اواسط پاییز 2015، شرکت ایلان ماسک SolarCity کارآمدترین پنل های خورشیدی مصرفی را معرفی کرد که بازده آنها بیش از 22٪ است.

این شاخص با اندازه گیری های انجام شده توسط آزمایشگاه مرکز تست انرژی های تجدید پذیر تایید شد. کارخانه بوفالو در حال حاضر هدف تولید روزانه 9 تا 10 هزار پنل خورشیدی را تعیین کرده است که مشخصات دقیق آنها هنوز گزارش نشده است. این شرکت در حال حاضر قصد دارد سالانه حداقل 200000 خانه را با باتری های خود تامین کند.

نکته این است که بهینه شده است فرآیند تکنولوژیکیبه شرکت اجازه داد تا هزینه تولید را به میزان قابل توجهی کاهش دهد، در حالی که راندمان را 2 برابر در مقایسه با پانل های خورشیدی سیلیکونی رایج مصرف کننده افزایش داد. ماسک مطمئن است که پنل های خورشیدی او در آینده نزدیک محبوب ترین در بین صاحبان خانه خواهد بود.