Pin mặt trời màng mỏng

Có tới 85% pin mặt trời trên thị trường hiện nay là các mô-đun năng lượng mặt trời tinh thể. Tuy nhiên, các chuyên gia đảm bảo rằng công nghệ màng mỏng để sản xuất pin mặt trời hóa ra hiệu quả hơn và do đó hứa hẹn nhất trong số các mô-đun tinh thể đã biết.

Ưu điểm chính của công nghệ màng mỏng là chi phí thấp, đó là lý do tại sao nó có mọi cơ hội để trở thành người dẫn đầu trong những năm tới. Các mô-đun của cơ sở mới làm cho các tấm pin mặt trời linh hoạt, theo nghĩa đen của từ này. Chúng nhẹ và linh hoạt, cho phép bạn đặt những cục pin như vậy trên bất kỳ bề mặt nào, kể cả bề mặt quần áo.

Pin mặt trời linh hoạt dựa trên màng polymer, silicon vô định hình, nhôm, cadmium Telluride và các chất bán dẫn khác, đã được sử dụng trong sản xuất bộ sạc di động cho điện thoại di động, máy tính xách tay, máy tính bảng, máy quay video và các thiết bị khác, ở dạng nhỏ có thể gập lại pin mặt trời . Nhưng nếu cần nhiều năng lượng hơn thì diện tích của mô-đun sẽ phải lớn hơn.

Các mẫu pin mặt trời màng mỏng đầu tiên được chế tạo bằng silicon vô định hình lắng đọng trên đế và hiệu suất chỉ từ 4 đến 5% và tuổi thọ không dài. Bước tiếp theo của cùng một công nghệ là tăng hiệu suất lên 8% và kéo dài thời gian sử dụng, nó trở nên tương đương với những người tiền nhiệm pha lê của nó. Cuối cùng, thế hệ thứ ba của các mô-đun màng mỏng đã có hiệu suất 12%, đây đã là một bước tiến và khả năng cạnh tranh đáng kể.

Selenua đồng indi và cadmium Tellurua được sử dụng ở đây đã giúp tạo ra pin mặt trời linh hoạt và bộ sạc di động với hiệu suất lên tới 10%, và đây đã là một thành tựu đáng kể, xét rằng các nhà vật lý đang đấu tranh để đạt được từng phần trăm hiệu quả bổ sung. Bây giờ chúng ta hãy xem xét kỹ hơn cách tạo ra pin màng mỏng.

Đối với cadmium Telluride, nó bắt đầu được nghiên cứu như một vật liệu hấp thụ ánh sáng từ những năm 1970, khi cần tìm ra phương án tốt nhất để sử dụng trong không gian. Cho đến ngày nay, cadmium Telluride vẫn là hứa hẹn nhất cho pin mặt trời. Tuy nhiên, câu hỏi về độc tính của cadmium vẫn còn bỏ ngỏ trong một thời gian.

Theo kết quả của nghiên cứu, người ta đã chỉ ra rằng mối nguy hiểm là tối thiểu, mức độ cadmium thải vào khí quyển không nguy hiểm. Hiệu suất là 11%, trong khi giá mỗi watt thấp hơn một phần ba so với các chất tương tự silicon.

Bây giờ cho đồng indi selenua. Một lượng đáng kể indi ngày nay được sử dụng để tạo màn hình phẳng, vì vậy indi vẫn được thay thế bằng gali, chất có cùng tính chất đối với năng lượng mặt trời… Pin phim trên cơ sở này đạt hiệu suất 20%.

Gần đây, các tấm polymer đã bắt đầu được phát triển.Ở đây, các chất bán dẫn hữu cơ đóng vai trò là vật liệu hấp thụ ánh sáng: carbon fullerene, polyphenylene, đồng phthalocyanine, v.v. Độ dày của pin mặt trời là 100 nm, nhưng hiệu suất chỉ đạt 5 đến 6%. Nhưng đồng thời, chi phí sản xuất khá thấp, phim có giá cả phải chăng, nhẹ và hoàn toàn thân thiện với môi trường. Vì lý do này, các tấm nhựa rất phổ biến ở những nơi thân thiện với môi trường và tính linh hoạt cơ học là quan trọng.

Vậy hiệu suất của pin mặt trời màng mỏng sản xuất hiện nay:

• Đơn tinh thể — từ 17 đến 22%;

• Đa tinh thể — từ 12 đến 18%;

• Silic vô định hình — 5 đến 6%;

• Cadmium Telluride — từ 10 đến 12%;

• Đồng-indium selenua — từ 15 đến 20%;

• Polyme hữu cơ — 5 đến 6%.

Các đặc điểm của pin màng mỏng là gì? Trước hết, điều đáng chú ý là hiệu suất cao của các mô-đun ngay cả trong ánh sáng khuếch tán, mang lại nhiều năng lượng hơn tới 15% trong năm so với các mô-đun tương tự tinh thể. Tiếp đến là lợi thế về chi phí sản xuất. Trong các hệ thống công suất cao, từ 10 kW, các mô-đun màng mỏng cho thấy hiệu quả cao hơn, mặc dù cần diện tích gấp 2,5 lần.

Do đó, chúng ta có thể đặt tên cho các điều kiện khi các mô-đun màng mỏng đạt được lợi thế chính đáng. Ở những vùng có thời tiết nhiều mây, pin màng mỏng sẽ hoạt động hiệu quả (ánh sáng khuếch tán). Đối với những vùng có khí hậu nóng, màng mỏng hiệu quả hơn (chúng hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ cao cũng như ở nhiệt độ thấp). Khả năng sử dụng làm giải pháp thiết kế trang trí để hoàn thiện mặt tiền của các tòa nhà. Độ trong suốt có thể lên đến 20%, điều này một lần nữa phụ thuộc vào tay các nhà thiết kế.

Trong khi đó, vào năm 2008, công ty Solyndra của Mỹ đã đề xuất đặt pin màng mỏng trên các xi lanh, trong đó một lớp tế bào quang điện được phủ lên một ống thủy tinh đặt bên trong một ống khác có tiếp điểm điện. Các vật liệu được sử dụng là đồng, selen, gali, indi.

Thiết kế hình trụ cho phép hấp thụ nhiều ánh sáng hơn và một bộ 40 hình trụ phù hợp với mỗi mét của hai tấm. Điểm nổi bật ở đây là lớp phủ mái màu trắng góp phần mang lại hiệu quả cao cho giải pháp này, bởi vì khi đó các tia phản xạ cũng hoạt động, bổ sung thêm 20% năng lượng của chúng. Ngoài ra, các bộ hình trụ có khả năng chống lại gió mạnh với tốc độ giật lên tới 55 m / s.

Hầu hết các pin mặt trời được sản xuất ngày nay chỉ chứa một tiếp giáp pn và các photon có năng lượng nhỏ hơn năng lượng vùng cấm đơn giản là không tham gia vào quá trình tạo ra. Sau đó, các nhà khoa học đã nghĩ ra một cách để khắc phục hạn chế này, các yếu tố xếp tầng của cấu trúc đa lớp đã được phát triển, trong đó mỗi lớp có độ rộng dải riêng, nghĩa là mỗi lớp có một điểm nối pn riêng với một giá trị riêng của năng lượng hấp thụ. photon.

Lớp trên được hình thành từ một hợp kim dựa trên silicon vô định hình đã hydro hóa, lớp thứ hai — một hợp kim tương tự có bổ sung germanium (10-15%), lớp thứ ba — có bổ sung 40 đến 50% germani. Do đó, mỗi lớp kế tiếp có khe hở hẹp hơn so với khe hở của lớp trước đó và các photon không bị hấp thụ ở các lớp trên được hấp thụ bởi các lớp bên dưới của màng.

Theo cách tiếp cận này, chi phí năng lượng được tạo ra giảm một nửa so với các tế bào silicon tinh thể truyền thống. Kết quả là, hiệu suất đạt được là 31% với phim ba lượt và phim năm lượt hứa hẹn tất cả là 43%.

Gần đây, các chuyên gia từ Đại học quốc gia Moscow đã phát triển pin mặt trời dạng cuộn dựa trên một loại polymer được áp dụng cho chất nền linh hoạt của vật liệu hữu cơ. Hiệu suất hóa ra chỉ là 4%, nhưng những loại pin như vậy có thể hoạt động ngay cả ở nhiệt độ + 80 ° C trong 10.000 giờ. Những nghiên cứu này vẫn chưa được hoàn thành.

Các nhà khoa học Thụy Sĩ đã đạt được hiệu suất 20,4% trên cơ sở polyme và indi, đồng, selen và gali được sử dụng làm chất bán dẫn. Ngày nay, đây là một kỷ lục về các nguyên tố trên màng polyme mỏng.

Ở Nhật Bản, họ đã đạt được hiệu suất 19,7% trong các chất bán dẫn lắng đọng phún xạ tương tự (indium, selen, đồng). Và tại Nhật Bản, họ bắt đầu sản xuất vải năng lượng mặt trời, các tấm pin mặt trời bằng vải được phát triển bằng cách sử dụng các phần tử hình trụ có đường kính khoảng 1,2 mm được gắn vào vải. Vào đầu năm 2015, họ đã lên kế hoạch bắt đầu sản xuất quần áo và tấm che nắng trên cơ sở này.

Rõ ràng là các tấm pin mặt trời màng mỏng cuối cùng sẽ trở nên phổ biến rộng rãi trong tương lai gần, không phải vô cớ mà rất nhiều nghiên cứu đang được tiến hành trên khắp thế giới để giảm chi phí.