Гибкие исследования солнечных батарей
 | Эта статья требует внимания эксперта в области технологий . Конкретная проблема: Необходимо начать с обзора. ( октябрь 2011 г. ) |
Исследование гибких солнечных элементов — это технология исследовательского уровня, пример которой был создан в Массачусетском технологическом институте , в котором солнечные элементы производятся путем нанесения фотоэлектрического материала на гибкие подложки, такие как обычная бумага, с использованием химического осаждения из паровой фазы . технологии [1]
Солнечные элементы для печати
[ редактировать ]Технология изготовления солнечных элементов на бумаге была разработана группой исследователей Массачусетского технологического института при поддержке Национального научного фонда и программы Eni-MIT Alliance Solar Frontiers.
Функции
[ редактировать ]Исследователи из Массачусетского технологического института разработали метод печати солнечных элементов на тканевых или бумажных подложках. Схемы из органических фотоэлектрических материалов наносятся в пять слоев на обычные бумажные подложки в вакуумной камере. Это делается путем покрытия конформных проводящих полимерных электродов окислительными химическими парами - процесс, известный как химическое осаждение из паровой фазы . Такие солнечные панели способны вырабатывать напряжение, превышающее 50 В, что, в свою очередь, может питать приборы при нормальных условиях освещения. Также показано, что солнечный элемент является гибким. [2] Проводящая сетка солнечного элемента аналогична [ нужна ссылка ] на струйную распечатку фотографий с узорчатыми прямоугольниками. Когда провода прикреплены к электрической подложке, показано, что они питают электроприборы. Утверждается, что стоимость «печати» (как ее описывает Массачусетский технологический институт) аналогична стоимости струйной фотопечати. [3] В этой технологии используется температура осаждения из паровой фазы менее 120°C, что упрощает производство на обычной бумаге. [3] Текущая эффективность панели составляет около 1%, и исследователь надеется улучшить ее в ближайшем будущем. [3]
Поскольку бумага стоит примерно тысячную часть стекла, солнечные элементы, использующие процессы печати, могут быть намного дешевле, чем обычные солнечные панели. [3] Также другие методы, включающие покрытие бумаги материалами, включают сначала покрытие бумаги гладким материалом для противодействия молекулярном шероховатости бумаги на уровне. Но в этом методе фотоэлектрический материал можно наносить непосредственно на необработанную бумагу. [3]
Тестирование
[ редактировать ]Схема также была протестирована путем нанесения фотоэлектрических материалов на подложку из полиэтилентерефталата (ПЭТ). Лист ПЭТ был сложен и развернут 1000 раз, и явного ухудшения характеристик не наблюдалось. [ нужна ссылка ] тогда как обычные фотоэлектрические материалы, нанесенные на ПЭТ, ухудшились всего в один раз. [ нужна ссылка ] Солнечный элемент также был пропущен через лазерный принтер, чтобы продемонстрировать его постоянную работоспособность после воздействия [несколько] высоких температур, и он все еще сохранил свои характеристики после процедуры. [3]
Складные кремниевые пластины
[ редактировать ]Обзор
[ редактировать ]Кристаллический кремний (c-Si) — чрезвычайно популярный полупроводник, из которого изготавливают пластины , которые затем используются в производстве 95% фотогальваники в мире. [4] Из-за его распространенности в производстве солнечных батарей он может оказаться идеальным субстратом для гибких солнечных элементов. К сожалению, c-Si хрупкий, и хотя некоторые исследователи сделали гибкие солнечные элементы из аморфного кремния , эти элементы имеют некоторые серьезные недостатки, такие как плохая производительность и нестабильные условия эксплуатации. [5]
Изготовление
[ редактировать ]Недавние научные открытия позволили разработать метод создания складных пластин c-Si. Первый этап – устранение повреждений от пилы. [6] который использует кислотный раствор для травления поверхности пластин. Это утончает пластины и текстурирует поверхность, образуя случайные пирамиды, что увеличивает гибкость и уменьшает поверхностное отражение обычно глянцевой пластины, тем самым увеличивая эффективность солнечного элемента. Чтобы свести к минимуму растрескивание, исследователи затупили впадины между пирамидами по краям пластины раствором фторида водорода (HF), чтобы скруглить впадины и сделать их менее острыми. химическое осаждение из паровой использовалось Для нанесения слоев Si:H на обе стороны пластины фазы, а схемы на устройствах печатались трафаретной печатью и приклеивались серебряной пастой. Стороны ячеек, которые должны были подвергаться воздействию солнечного света, были покрыты антибликовым слоем для повышения эффективности сбора света. [7]
Механическое поведение
[ редактировать ]Когда к текстурированной пластине приложили изгибающую силу, как COMSOL моделирование , так и изображения, полученные с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), показали, что растрескивание началось в впадинах между пирамидами. После затупления впадин испытание на трехточечный изгиб показало, что вертикальное смещение пластины увеличилось, а критический радиус изгиба в момент растрескивания уменьшился примерно с 74%. Такое улучшение гибкости было подтверждено атомистическим моделированием, при котором необработанная пластина демонстрировала растрескивание при нагрузке 9,3%, а обработанные пластины выдерживали до 17,3%. [8]
Более тщательный анализ морфологии затупленных пластин с использованием ступенчато сфокусированного ионного пучка (FIB) показал, что на поверхности излома имеется множество мест сколов и микротрещин, которые распространялись на критическую глубину под поверхностью. Ниже этой глубины линии вторичных полос сдвига распространяются в тангенциальных направлениях от первоначальных трещин. Эти особенности показывают сложное напряженное состояние во время процесса растрескивания, при котором первоначальное раскалывание потребляет большее количество энергии, прежде чем вдоль поверхности образуются видимые трещины. [9]
ПЭМ-изображения затупленных и традиционных пластин показали особенности деформации решетки под поверхностью излома. Искажения решетки вызвали деформации, а это означает, что остаточные особенности сохранились внутри атомных слоев и могут быть использованы в качестве индикатора режима растрескивания. Геометрический фазовый анализ [10] показали, что нормальные пластины демонстрируют растягивающую деформацию в направлении x, а также деформацию сжатия и расширения в направлении y, что соответствует типичному хрупкому разрушению. Затупленная пластина имела большие изменения деформации в обоих направлениях, а также большую деформацию расширения. В целом, эти особенности демонстрируют большее расширение решетки, а затупление пластин смягчает хрупкие характеристики c-Si.
Тестирование
[ редактировать ]Гибкая ячейка показала эффективность 24,5%. Чтобы проверить работоспособность, ячейку сгибали из угла в угол 1000 раз и удерживали не менее 10 секунд. После завершения циклов 100% первоначальных значений производительности были сохранены. Другие испытания включают имитацию ветра и воздействия экстремальных температур. В этих испытаниях солнечные элементы продемонстрировали незначительную потерю мощности, что свидетельствует о том, что они все еще могут работать, несмотря на негативные внешние факторы. [11]
Преимущества
[ редактировать ]В обычных солнечных панелях несущие конструкции панели, такие как стекло, кронштейны и т. д., обычно в два раза дороже, чем изготовленные на них фотоэлектрические материалы. Альтернативные решения и креативные подложки для солнечных батарей могут снизить эти затраты.
Приложения
[ редактировать ]Если такие солнечные элементы достигнут достаточной технологической зрелости, их можно будет использовать в качестве обоев и оконных штор для производства электроэнергии из освещения помещений. Их также можно изготавливать на одежде, которую, в свою очередь, можно использовать для зарядки портативных электронных устройств, таких как мобильные телефоны и медиаплееры. [1]
Гибкие солнечные модули можно использовать на изогнутых крышах или крышах, где нет смысла устанавливать стоечную систему крепления. Кроме того, их можно устанавливать на стенах зданий, чтобы сделать солнечную энергию жизнеспособным вариантом в районах, где на земле или на крышах невозможно установить солнечную энергию.
Недостатки
[ редактировать ]Чтобы прослужить более 20 лет на открытом воздухе под воздействием элементов, такие солнечные элементы должны быть отделаны передним слоем из устойчивого к ультрафиолетовому излучению фторполимера или термопластичного олефина, а не стекла, используемого в обычных солнечных элементах, что сравнительно недорого. [ нужна ссылка ] . Солнечные элементы должны быть герметично закрыты, чтобы вода и кислород не могли проникнуть в них и разрушить их посредством окислительной деградации.
См. также
[ редактировать ]
- Тонкопленочный солнечный элемент
- Органический солнечный элемент
- Фотовольтаика без солнца
- Поляризационные органические фотоэлектрические элементы
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б «Гибкие солнечные панели: печать фотоэлектрических элементов на бумаге» . green-buildings.com. Архивировано из оригинала 31 марта 2015 г. Проверено 9 сентября 2011 г.
- ^ Барр, Майлз К.; Роуэл, Джилл А.; Лант, Ричард Р.; Сюй, Цзинцзин; Ван, Энни; Бойс, Кристофер М.; Гап Им, Сун; Булович, Владимир; Глисон, Карен К. (16 августа 2011 г.). «Прямая монолитная интеграция органических фотоэлектрических цепей на немодифицированной бумаге». Продвинутые материалы . 23 (31). Интернет-библиотека Wiley : 3500–3505. Бибкод : 2011AdM....23.3500B . дои : 10.1002/adma.201101263 . ПМИД 21739489 . S2CID 205240838 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж «Пока вы не спите, распечатайте мне солнечный элемент. Новые материалы, разработанные Массачусетским технологическим институтом, позволяют изготавливать фотоэлектрические элементы на бумаге или ткани «почти так же просто», как печатать документ» . Новости МТИ . Проверено 9 сентября 2011 г.
- ^ Баллиф, Кристоф; Хауг, Франц-Иосиф; Боккар, Матье; Верлинден, Пьер Дж.; Хан, Гисо (август 2022 г.). «Состояние и перспективы фотовольтаики кристаллического кремния в исследованиях и промышленности» . Материалы обзоров природы . 7 (8): 597–616. дои : 10.1038/s41578-022-00423-2 . ISSN 2058-8437 .
- ^ Седерстрем, Т.; Хауг, Ф.-Ж.; Терраццони-Даудрикс, В.; Баллиф, К. (1 июня 2008 г.). «Оптимизация тонкопленочных солнечных элементов из аморфного кремния для гибких фотоэлектрических систем» . Журнал прикладной физики . 103 (11). дои : 10.1063/1.2938839 .
- ^ Пак, Хаёнг; Квон, Сунву; Ли, Джун Сон; Лим, Хи Джин; Юн, Севанг; Ким, Донхван (октябрь 2009 г.). «Улучшение текстурирования поверхности монокристаллического кремния для солнечных элементов путем травления повреждений пилой с использованием кислотного раствора» . Материалы для солнечной энергии и солнечные элементы . 93 (10): 1773–1778. дои : 10.1016/j.solmat.2009.06.012 .
- ^ Лю, Вэньчжу; Ян, Цзыцян; Ли, Сяодун; Ши, Цзюньлин; Ян, Юхао; Сюй, Цзянь; Цзяцзя, Цзюнь; Юй, Дин, Бинь; Ли, Цзян, Янчу; Лань, Фу, Хаосинь; Хэ, Вэй, Фэнжун; Чжоу, Цян; Ван, Гуанъюань; Ян, Синьбо; Ван, Чжэчао; Сигурдур; Вэй, Фухай; Син, Гоцян; Лю, Сяочунь; Чжан, Фаньин . Природа 617 ( 7962 ): 717–723 ; . /s41586-023-05921-z.hdl 10754/692110 : . ISSN 1476-4687
- ^ Лю 2023 г.
- ^ Лю 2023 г.
- ^ Хитч, MJ; Снук, Э.; Килаас, Р. (август 1998 г.). «Количественное измерение полей перемещений и деформаций по микрофотографиям HREM» . Ультрамикроскопия . 74 (3): 131–146. дои : 10.1016/S0304-3991(98)00035-7 .
- ^ Лю 2023 г.
