Фотоэлектрический элемент третьего поколения

Фотоэлектрические элементы третьего поколения — это солнечные элементы , которые потенциально способны преодолеть предел Шокли-Кейсера в 31–41% энергоэффективности для однозонных солнечных элементов. Сюда входит ряд альтернатив ячейкам, изготовленным из полупроводниковых pn-переходов («первое поколение») и тонкопленочным элементам («второе поколение»). Обычные системы третьего поколения включают многослойные («тандемные») элементы, изготовленные из аморфного кремния или арсенида галлия , в то время как более теоретические разработки включают преобразование частоты (т.е. изменение частот света, которые клетка не может использовать, на частоты света, которые ячейка может использовать). использование - таким образом производя больше мощности), эффекты горячей несущей и другие методы выброса нескольких несущих. ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}^{[ 3 ]}^{[ 4 ]}^{[ 5 ]}

К новым фотоэлектрическим технологиям относятся:

Солнечный элемент на основе сульфида меди, цинка и олова (CZTS) и производных CZTSe и CZTSSe.
Сенсибилизированный красителем солнечный элемент , также известный как «элемент Гретцеля».
Органический солнечный элемент
Перовскитовый солнечный элемент
Солнечная батарея на квантовых точках

Огромное внимание общественности привлекли достижения в исследовании перовскитных клеток, поскольку эффективность их исследований недавно превысила 20 процентов. Они также предлагают широкий спектр недорогих приложений. ^{[ 6 ]}^{[ 7 ]}^{[ 8 ]} Кроме того, еще одна новая технология — фотоэлектрические концентраторы (CPV) — использует высокоэффективные многопереходные солнечные элементы в сочетании с оптическими линзами и системой слежения.

Технологии

Солнечные элементы можно рассматривать как видимые аналоги радиоприемников . Ресивер состоит из трех основных частей; антенна, которая преобразует радиоволны (свет) в волнообразные движения электронов в материале антенны, электронный клапан, который улавливает электроны, когда они выскакивают из конца антенны, и тюнер, который усиливает электроны выбранной частоты. Можно построить солнечный элемент, идентичный радиоприемнику, систему, известную как оптическая ректенна , но на сегодняшний день это непрактично.

Большую часть рынка солнечной электроэнергии составляют устройства на основе кремния. В кремниевых ячейках кремний действует как антенна (или донор электронов , технически), а также электронный клапан. Кремний широко доступен, относительно недорог и имеет запрещенную зону, идеальную для сбора солнечной энергии. С другой стороны, массовое производство кремния энергетически и экономически дорого, и были предприняты большие усилия, чтобы сократить необходимое количество. Более того, он механически хрупкий, поэтому обычно требуется использовать лист прочного стекла в качестве механической опоры и защиты от непогоды. Одно только стекло составляет значительную часть стоимости типичного солнечного модуля.

Согласно пределу Шокли-Кейссера, большая часть теоретической эффективности ячейки обусловлена разницей в энергии между запрещенной зоной и солнечным фотоном. Любой фотон с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны, может вызвать фотовозбуждение, но любая энергия выше энергии запрещенной зоны теряется. Рассмотрим солнечный спектр; лишь небольшая часть света, достигающего земли, является синей, но энергия этих фотонов в три раза превышает энергию красного света. Ширина запрещенной зоны кремния составляет 1,1 эВ, что примерно так же, как у красного света, поэтому в этом случае энергия синего света теряется в кремниевой ячейке. Если ширина запрещенной зоны настроена выше, скажем, на синий цвет, эта энергия теперь улавливается, но только за счет отклонения фотонов с более низкой энергией.

Можно значительно улучшить однопереходную ячейку, укладывая друг на друга тонкие слои материала с различной шириной запрещенной зоны - подход «тандемной ячейки» или «многопереходного» . Традиционные методы получения кремния не подходят для такого подхода. Вместо них использовались тонкие пленки аморфного кремния, в частности продукция Uni-Solar , но другие проблемы не позволили им достичь производительности, сравнимой с традиционными элементами. Большинство структур тандемных ячеек основаны на полупроводниках с более высокими характеристиками, в частности на арсениде галлия (GaAs). Трехслойные элементы GaAs достигли эффективности 41,6% для экспериментальных примеров. ^{[ 9 ]} В сентябре 2013 года четырехслойная ячейка достигла эффективности 44,7 процента. ^{[ 10 ]}

Численный анализ показывает, что «идеальный» однослойный солнечный элемент должен иметь ширину запрещенной зоны 1,13 эВ, что почти точно так же, как у кремния. Такая ячейка может иметь максимальную теоретическую эффективность преобразования энергии 33,7% — солнечная энергия ниже красного (в инфракрасном диапазоне) теряется, а также теряется дополнительная энергия более высоких цветов. Для двухслойной ячейки один слой должен быть настроен на 1,64 эВ, а другой на 0,94 эВ, с теоретической производительностью 44%. Трехслойная ячейка должна быть настроена на 1,83, 1,16 и 0,71 эВ с эффективностью 48%. Теоретическая ячейка с «бесконечным слоем» будет иметь теоретическую эффективность 68,2% для рассеянного света. ^{[ 11 ]}

Хотя новые открытые солнечные технологии основаны на нанотехнологиях, в настоящее время используется несколько различных методов работы с материалами.

Маркировка третьего поколения охватывает множество технологий, в том числе неполупроводниковые технологии (включая полимеры и биомиметики ), квантовые точки , тандемные/многопереходные элементы , солнечные элементы с промежуточной полосой , ^{[ 12 ]}^{[ 13 ]} ячейки с горячими носителями , преобразования фотонов с повышением и понижением частоты технологии , а также солнечные тепловые технологии, такие как термофотоника , которая является одной из технологий, которую Грин определил как третье поколение. ^{[ 14 ]}

Он также включает в себя: ^{[ 15 ]}

Кремниевые наноструктуры
Изменение спектра падающего излучения ( фотоэлектрические концентраторы ) для достижения 300–500 солнц и эффективности 32% (уже достигнуто в ячейках Sol3g). ^{[ 16 ]}) до +50%.
Использование избыточного тепловыделения (вызванного ультрафиолетовым излучением ) для повышения напряжения или сбора носителей.
Использование инфракрасного спектра для производства электроэнергии в ночное время.

См. также

Ссылки

^ Шокли, В.; Квайссер, HJ (1961). «Подробный балансовый предел эффективности солнечных элементов с pn-переходом». Журнал прикладной физики . 32 (3): 510. Бибкод : 1961JAP....32..510S . дои : 10.1063/1.1736034 .
^ ЛУЧЕ, Антонио; Лопес Араухо, Херардо (1990). Физические ограничения преобразования фотоэлектрической энергии . Бристоль: Адам Хильгер. ISBN 0-7503-0030-2 .
^ Грин, Массачусетс (2001). «Фотоэлектрическая энергетика третьего поколения: сверхвысокая эффективность преобразования при низкой стоимости». Прогресс в фотоэлектрической энергетике: исследования и приложения . 9 (2): 123–135. дои : 10.1002/pip.360 .
^ Марти, А.; Луке, А. (1 сентября 2003 г.). Фотогальваника следующего поколения: высокая эффективность за счет использования полного спектра . ЦРК Пресс. ISBN 978-1-4200-3386-1 .
^ Конибир, Г. (2007). «Фотовольтаика третьего поколения» . Материалы сегодня . 10 (11): 42–50. дои : 10.1016/S1369-7021(07)70278-X .
^ «Новый стабильный и экономичный тип перовскитных солнечных элементов» . PHYS.org . 17 июля 2014 года . Проверено 4 августа 2015 г.
^ «Нанесение распылением направляет перовскитные солнечные элементы к коммерциализации» . Мир химии . 29 июля 2014 года . Проверено 4 августа 2015 г.
^ «Перовскитовые солнечные элементы» . Оссила . Проверено 4 августа 2015 г.
^ Дэвид Бьелло, «Новый рекорд эффективности солнечных батарей» , Scientific American , 27 августа 2009 г.
^ «Солнечная батарея установила новый мировой рекорд с эффективностью 44,7 процента» . Проверено 26 сентября 2013 г.
^ Грин, Мартин (2006). Фотовольтаика третьего поколения . Нью-Йорк: Спрингер. п. 66.
^ Луке, Антонио; Марти, Антонио (1997). «Повышение эффективности идеальных солнечных элементов за счет фотонных переходов на промежуточных уровнях» . Письма о физических отзывах . 78 (26): 5014–5017. doi : 10.1103/PhysRevLett.78.5014 .
^ Веймин Ван; Альберт С. Лин; Джейми Д. Филлипс (2009). «Фотоэлектрический солнечный элемент промежуточного диапазона на основе ZnTe:O». Прил. Физ. Летт . 95 (1): 011103. Бибкод : 2009ApPhL..95a1103W . дои : 10.1063/1.3166863 .
^ Грин, Мартин (2003). Фотоэлектрическая энергия третьего поколения: усовершенствованное преобразование солнечной энергии . Springer Science+Business Media . ISBN 978-3-540-40137-7 .
^ Школа фотоэлектрической инженерии UNSW. «Фотовольтаика третьего поколения» . Проверено 20 июня 2008 г.
^ Sol3g защищает солнечные элементы с тройным соединением из Azur Space

Внешние ссылки

[1] Шокли, В.; Квайссер, HJ (1961). «Подробный балансовый предел эффективности солнечных элементов с pn-переходом». Журнал прикладной физики . 32 (3): 510. Бибкод : 1961JAP....32..510S . дои : 10.1063/1.1736034 .

[2] ЛУЧЕ, Антонио; Лопес Араухо, Херардо (1990). Физические ограничения преобразования фотоэлектрической энергии . Бристоль: Адам Хильгер. ISBN 0-7503-0030-2 .

[3] Грин, Массачусетс (2001). «Фотоэлектрическая энергетика третьего поколения: сверхвысокая эффективность преобразования при низкой стоимости». Прогресс в фотоэлектрической энергетике: исследования и приложения . 9 (2): 123–135. дои : 10.1002/pip.360 .

[MartíLuque2003-4] Марти, А.; Луке, А. (1 сентября 2003 г.). Фотогальваника следующего поколения: высокая эффективность за счет использования полного спектра . ЦРК Пресс. ISBN 978-1-4200-3386-1 .

[5] Конибир, Г. (2007). «Фотовольтаика третьего поколения» . Материалы сегодня . 10 (11): 42–50. дои : 10.1016/S1369-7021(07)70278-X .

[6] «Новый стабильный и экономичный тип перовскитных солнечных элементов» . PHYS.org . 17 июля 2014 года . Проверено 4 августа 2015 г.

[7] «Нанесение распылением направляет перовскитные солнечные элементы к коммерциализации» . Мир химии . 29 июля 2014 года . Проверено 4 августа 2015 г.

[8] «Перовскитовые солнечные элементы» . Оссила . Проверено 4 августа 2015 г.

[9] Дэвид Бьелло, «Новый рекорд эффективности солнечных батарей» , Scientific American , 27 августа 2009 г.

[10] «Солнечная батарея установила новый мировой рекорд с эффективностью 44,7 процента» . Проверено 26 сентября 2013 г.

[11] Грин, Мартин (2006). Фотовольтаика третьего поколения . Нью-Йорк: Спрингер. п. 66.

[12] Луке, Антонио; Марти, Антонио (1997). «Повышение эффективности идеальных солнечных элементов за счет фотонных переходов на промежуточных уровнях» . Письма о физических отзывах . 78 (26): 5014–5017. doi : 10.1103/PhysRevLett.78.5014 .

[13] Веймин Ван; Альберт С. Лин; Джейми Д. Филлипс (2009). «Фотоэлектрический солнечный элемент промежуточного диапазона на основе ZnTe:O». Прил. Физ. Летт . 95 (1): 011103. Бибкод : 2009ApPhL..95a1103W . дои : 10.1063/1.3166863 .

[14] Грин, Мартин (2003). Фотоэлектрическая энергия третьего поколения: усовершенствованное преобразование солнечной энергии . Springer Science+Business Media . ISBN 978-3-540-40137-7 .

[15] Школа фотоэлектрической инженерии UNSW. «Фотовольтаика третьего поколения» . Проверено 20 июня 2008 г.

[16] Sol3g защищает солнечные элементы с тройным соединением из Azur Space

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]