WikiDer > Фотоэлемент третьего поколения

Third-generation photovoltaic cell

Фотоэлементы третьего поколения находятся солнечные батареи которые потенциально способны преодолеть Предел Шокли – Кайссера КПД 31–41% для одиночных запрещенная зона солнечные батареи. Это включает в себя ряд альтернатив ячеек из полупроводников. p-n переходы («первое поколение») и тонкопленочные клетки ("второе поколение"). Обычные системы третьего поколения включают многослойные («тандемные») ячейки, изготовленные из аморфный кремний или арсенид галлия, в то время как другие теоретические разработки включают преобразование частоты (то есть изменение частот света, которые ячейка не может использовать, на световые частоты, которые ячейка может использовать - таким образом, производя больше мощности), эффекты горячей несущей и другие методы выброса нескольких несущих.[1][2][3][4]

Новые фотоэлектрические системы включают:

Достижения в исследованиях перовскитных ячеек особенно привлекли огромное внимание общественности, поскольку эффективность их исследований в последнее время выросла до более чем 20 процентов. Они также предлагают широкий спектр недорогих приложений.[5][6][7] Кроме того, еще одна новая технология, концентратор фотовольтаики (CPV), использует высокоэффективные, многопереходные солнечные элементы в сочетании с оптическими линзами и системой слежения.

Технологии

Солнечные элементы можно рассматривать как видимый свет аналоги радиоприемники. Ресивер состоит из трех основных частей; антенна, которая преобразует радиоволны (свет) в волновые движения электроны в материале антенны - электронный клапан, который улавливает электроны, когда они вылетают из конца антенны, и тюнер, усиливающий электроны выбранной частоты. Можно построить солнечный элемент, идентичный радио, систему, известную как оптическая ректенна, но до настоящего времени это не было практичным.

Большую часть рынка солнечной электроэнергии составляют устройства на основе кремния. В кремниевых элементах кремний действует как антенна (или донор электронов, технически), а также электронный вентиль. Кремний широко доступен, относительно недорог и имеет ширину запрещенной зоны, которая идеально подходит для сбора солнечной энергии. С другой стороны, производство кремния в больших объемах является энергетически и экономически дорогостоящим, и были предприняты большие усилия для уменьшения требуемого количества. Кроме того, он является механически хрупким, что обычно требует использования листа прочного стекла в качестве механической опоры и защиты от элементов. Одно только стекло составляет значительную часть стоимости типичного солнечного модуля.

Согласно пределу Шокли – Кейссера, большая часть теоретической эффективности ячейки связана с разницей в энергии между шириной запрещенной зоны и солнечным фотоном. Любой фотон с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны, может вызвать фотовозбуждение, но любая энергия, превышающая энергию запрещенной зоны, теряется. Рассмотрим солнечный спектр; только небольшая часть света, достигающего земли, является синей, но эти фотоны имеют в три раза больше энергии, чем красный свет. Ширина запрещенной зоны кремния составляет 1,1 эВ, что примерно равно ширине запрещенной зоны красного света, поэтому в этом случае энергия синего света теряется в кремниевой ячейке. Если ширина запрещенной зоны увеличена, например, на синий, эта энергия теперь улавливается, но только за счет отбрасывания фотонов с более низкой энергией.

Можно значительно улучшить однопереходную ячейку, наложив друг на друга тонкие слои материала с различной шириной запрещенной зоны - "тандемная ячейка" или "многопереходная" подход. Традиционные методы получения кремния не подходят для этого подхода. Вместо этого использовались тонкие пленки аморфного кремния, в частности Uni-Solar'', но другие проблемы не позволяют им соответствовать характеристикам традиционных ячеек. Большинство структур с тандемными ячейками основано на полупроводниках с более высокими характеристиками, в частности арсенид галлия (GaAs). Трехслойные ячейки GaAs достигли эффективности 41,6% для экспериментальных примеров.[8] В сентябре 2013 года четырехслойная ячейка достигла эффективности 44,7%.[9]

Численный анализ показывает, что «идеальный» однослойный солнечный элемент должен иметь ширину запрещенной зоны 1,13 эВ, почти точно такую ​​же, как у кремния. Такой элемент 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 КПД 48%. Теоретическая ячейка с «бесконечным слоем» будет иметь теоретическую эффективность 68,2% для рассеянного света.[10]

Хотя новые солнечные технологии, которые были открыты, сосредоточены вокруг нанотехнологий, в настоящее время используется несколько различных методов обработки материалов.

Этикетка третьего поколения охватывает несколько технологий, хотя и не включаетполупроводник технологии (в том числе полимеры и биомиметика), квантовая точка, тандемные / многопереходные ячейки, солнечная батарея промежуточного диапазона,[11] ячейки горячего носителя, преобразование фотона с повышением частоты и понижающая конверсия технологии и солнечная тепловая энергия технологии, такие как термофотоника, это одна из технологий, которую Green считает технологией третьего поколения.[12]

Он также включает:[13]

  • Кремниевые наноструктуры
  • Изменение падающего спектра (концентрация), чтобы достичь 300–500 солнц и эффективности 32% (уже достигнуты в ячейках Sol3g[14]) до + 50%.
  • Использование избыточного тепловыделения (вызванного УФ-излучение) для увеличения напряжения или сбора носителей.
  • Использование инфракрасный спектр для производства электроэнергии в ночное время.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Шокли, В .; Кайссер, Х. Дж. (1961). «Детализированный предел баланса эффективности солнечных элементов p-n-перехода». Журнал прикладной физики. 32 (3): 510. Bibcode:1961JAP .... 32..510S. Дои:10.1063/1.1736034.
  2. ^ Грин, М.А. (2001). «Фотоэлектрические системы третьего поколения: сверхвысокая эффективность преобразования при низкой стоимости». Прогресс в фотоэлектрической технике: исследования и приложения. 9 (2): 123–135. Дои:10.1002 / пункт. 360.
  3. ^ Martí, A .; Луке, А. (1 сентября 2003 г.). Фотоэлектрические системы нового поколения: высокая эффективность за счет использования полного спектра. CRC Press. ISBN 978-1-4200-3386-1.
  4. ^ Конибер, Г. (2007). «Фотовольтаика третьего поколения». Материалы сегодня. 10 (11): 42–50. Дои:10.1016 / S1369-7021 (07) 70278-X.
  5. ^ «Новый стабильный и экономичный тип перовскитовых солнечных элементов». PHYS.org. 17 июля 2014 г.. Получено 4 августа 2015.
  6. ^ «Распыление способствует коммерциализации перовскитных солнечных элементов». ХимияМир. 29 июля 2014 г.. Получено 4 августа 2015.
  7. ^ «Перовскитовые солнечные элементы». Оссила. Получено 4 августа 2015.
  8. ^ Дэвид Бьелло, «Новый рекорд эффективности солнечных батарей», Scientific American, 27 августа 2009 г.
  9. ^ «Солнечная батарея побила новый мировой рекорд с эффективностью 44,7%». Получено 26 сентября 2013.
  10. ^ Грин, Мартин (2006). Фотогальваника третьего поколения. Нью-Йорк: Спрингер. п. 66.
  11. ^ Вейминг Ван; Альберт С. Лин; Джейми Д. Филлипс (2009). «Промежуточный фотоэлектрический фотоэлемент на основе ZnTe: O». Appl. Phys. Латыш. 95 (1): 011103. Bibcode:2009ApPhL..95a1103W. Дои:10.1063/1.3166863.
  12. ^ Грин, Мартин (2003). Фотоэлектрические системы третьего поколения: передовое преобразование солнечной энергии. Springer Science + Business Media. ISBN 978-3-540-40137-7.
  13. ^ Школа фотоэлектрической инженерии UNSW. «Фотоэлектрические системы третьего поколения». Получено 20 июн 2008.
  14. ^ Sol3g защищает солнечные элементы с тройным переходом от Azur Space

Солнечные элементы, использующие переменные частицы MEV-PPH и CdSe, захваченные в полимер, Арвинд Кумар Сингх, научный сотрудник NIET Greater Noida. Для получения более подробной информации, пожалуйста, обратитесь к патенту 245643-DTSFG55674466-EE45664.

внешние ссылки