Hvordan Thin-Film Solceller Arbejder

{h1}

Tyndfilm solceller er mere fleksible og billigere end traditionelle solceller. Lær mere om, hvad der gør tynde film solceller forskellige.

Solpanelet er et varigt ikon for søgen efter vedvarende energi. Du vil se de svarte panorerede rektangler på hustagens huse eller samles i arrays på tværs af marker og prairier. Men panelet som vi har fået kendskab til det - 5,5 fod med 2,7 meter med 1,7 cm med 0,8 m ved 5 cm - kan være historie. Det skyldes, at en ny type teknologi står klar til at tage sit retmæssige sted ud for traditionelle siliciumplader-baserede paneler som en effektiv og omkostningseffektiv måde at konvertere sollys til elektricitet. Teknologien er den tyndfilm fotovoltaisk (PV) celle, som i 2010 vil producere 3.700 megawatt elektricitet over hele verden [kilde: National Renewable Energy Laboratory].

Ud over 2010 vil produktionskapaciteten stige endnu mere, da tyndfilm-PV-celler finder vej ind i soldrevne kommercielle bygninger og boliger, fra Californien til Kenya til Kina.

Bortset fra deres fleksibilitet, hvordan sammenligner tyndfilm solceller med traditionelle solceller? Hvorfor er de mere omkostningseffektive? Og er de den slags energikilde, der vil gøre solenergi til et virkelig rentabelt alternativ til kul og atomkraft? Læs videre for at finde ud af mere.

Hvad er en tyndfilms solcelle?

En kobber indium gallium deselenid solcelle ved hjælp af glas

En kobber indium gallium deselenid solcelle ved hjælp af glas

Hvis du har brugt en soldrevne regnemaskine, har du set en solcelle baseret på tyndfilmsteknologi. Det er klart, at den lille celle i en regnemaskine ikke er stor og omfangsrig. De fleste er omkring en tomme (2,5 cm) lang, en fjerdedel tommer (0,6 cm) bred og wafer-tynd. Cellens tyndhed er den afgørende karakteristik ved teknologien. I modsætning til silicium-waferceller, der har lysabsorberende lag, der traditionelt er 350 mikrometer tykke, har tyndfilm solceller lysabsorberende lag, der kun er 1 mikron tykke. En mikron, som reference, er en million million meter (1 / 1.000.000 m eller 1 μm).

Tyndfilm-solcelleproducenter begynder at opbygge deres solceller ved at deponere flere lag af et lysabsorberende materiale, en halvleder på et substratbelagt glas, metal eller plast. Materialerne der anvendes som halvledere behøver ikke at være tykke, fordi de absorberer energi fra solen meget effektivt. Som et resultat er tyndfilm solceller letvægts, holdbare og nemme at bruge.

Der er tre hovedtyper af tyndfilm solceller afhængigt af hvilken type halvleder der anvendes: amorft silicium (a-Si), cadmium tellurid (CdTe) og kobberindium gallium deselenid (CIGS). Amorft silicium er dybest set en trimmet version af den traditionelle silicium-wafercelle. Som sådan er a-Si godt forstået og bruges almindeligvis i solenergi-elektronik. Det har dog nogle ulemper.

Et af de største problemer med a-Si solceller er det materiale, der anvendes til sin halvleder. Silicon er ikke altid let at finde på markedet, hvor efterspørgslen ofte overstiger udbuddet. Men a-Si-cellerne er ikke særlig effektive. De har en betydelig nedbrydning i effekten, når de udsættes for solen. Tyndere a-Si-celler overvinder dette problem, men tyndere lag absorberer også sollys mindre effektivt. Samlet set gør disse kvaliteter en a-Si-celler, der er gode til mindre applikationer, såsom regnemaskiner, men mindre end ideelle til større applikationer, såsom soldrevne bygninger.

Lovende fremskridt i ikke-silicium-tyndfilm-PV-teknologier begynder at overvinde problemerne forbundet med amorf silicium. På næste side tager vi et kig på CdTe og CIGS tyndfilm solceller for at se, hvordan de sammenligner.

Struktur af tyndfilm-solceller

En kobber indium gallium deselenid solcelle ved hjælp af folie

En kobber indium gallium deselenid solcelle ved hjælp af folie

Fordi struktur og funktion er så tæt forbundet med solceller, lad os tage et øjeblik at gennemgå, hvordan de virker. Den grundlæggende videnskab bag tyndfilm solceller er den samme som traditionelle silicium-wafer celler.

Photovoltaic celler er afhængige af stoffer kendt som halvledere. Halvledere er isolatorer i deres rene form, men er i stand til at føre elektricitet, når de opvarmes eller kombineres med andre materialer. En halvlederblandet eller "doteret" med phosphor udvikler et overskud af frie elektroner. Dette er kendt som en n-type halvleder. En halvleder doteret med andre materialer, såsom bor, udvikler et overskud af "huller" mellemrum, der accepterer elektroner. Dette er kendt som a p-type halvleder.

En PV-celle forbinder n-type og p-type materialer, med et lag derimellem kendt som a junction. Selv i mangel af lys bevæger et lille antal elektroner over krydset fra n-typen til p-type halvlederen, hvilket giver en lille spænding. I lysets tilstedeværelse fjernes fotoner et stort antal elektroner, der strømmer over krydset for at skabe en strøm. Denne strøm kan bruges til strømforsyning af elektriske apparater, fra pærer til mobiltelefon opladere.

Traditionelle solceller bruger silicium i n-type og p-type lag. Den nyeste generation af tyndfilm solceller bruger i stedet tynde lag af enten cadmium tellurid (CdTe) eller kobber indium gallium deselenid (CIGS). Et firma, Nanosolar, der er baseret i San Jose, Californien, har udviklet en måde at gøre CIGS-materialet til som en blæk indeholdende nanopartikler. En nanopartikel er en partikel med mindst en dimension mindre end 100 nanometer (en milliardedel af en meter eller 1 / 1.000.000.000 m). Eksisterende som nanopartikler, samler de fire elementer sig selv i en ensartet fordeling og sikrer, at elementernes atomforhold altid er korrekt.

Lagene, der udgør de to solceller uden tyndfilm, er vist nedenfor. Bemærk, at der er to grundlæggende konfigurationer af CIGS solcellen. CIGS-on-glass cellen kræver et lag molybdæn for at skabe en effektiv elektrode. Dette ekstra lag er ikke nødvendigt i CIGS-på-folie cellen, fordi metalfolien fungerer som elektroden. Et lag af zinkoxid (ZnO) spiller rollen som den anden elektrode i CIGS-cellen. Sandwichet imellem er to lag - halvledermaterialet og cadmiumsulfidet (CdS). Disse to lag virker som n-type og p-type materialer, som er nødvendige for at skabe en strøm af elektroner.

CdTe solcellen har en lignende struktur. En elektrode er lavet af et lag af carbonpasta infunderet med kobber, den anden fra tinoxid (SnO2) eller cadmiumstannat (Cd2SnO4). Halvlederen i dette tilfælde er cadmium tellurid (CdTe), som sammen med cadmiumsulfid (CdS) skaber de n-type og p-type lag, der kræves for at PV-cellen skal fungere.

Men hvordan sammenligner effektiviteten af ​​tyndfilm-solceller med traditionelle celler? Det teoretiske maksimum for siliciumwaferceller er ca. 50 procent effektivitet, hvilket betyder at halvdelen af ​​den energi, der rammer cellen, bliver omdannet til elektricitet. I virkeligheden opnår silicium-waferceller i gennemsnit 15 til 25 procent effektivitet. Tyndfilm solceller bliver endelig konkurrencedygtige. CdTe solceller har nået mere end 15 procent, og CIGS solceller har nået 20 procent effektivitet.

Der er sundhedsmæssige problemer med brugen af ​​cadmium i tyndfilm solceller. Cadmium er et meget giftigt stof, der som kviksølv kan akkumulere i fødekæder. Dette er en ulempe ved enhver teknologi, der fancy sig selv i den grønne revolution. National Renewable Energy Laboratory og flere andre agenturer og virksomheder undersøger for øjeblikket cadmiumfri tyndfilm solceller. Mange af disse teknologier viser sig at være lige så effektive som dem, der kræver cadmium.

Så hvordan fremstilles disse næste generationens solceller? Læs videre og find ud af. -

Fremstilling af tyndfilm-solceller

Nanosolar fremstiller tyndfilm solceller ved at deponere lag af halvledere på aluminiumsfolie i en proces svarende til trykning af avis.

Nanosolar fremstiller tyndfilm solceller ved at deponere lag af halvledere på aluminiumsfolie i en proces svarende til trykning af avis.

Omkostningerne har været den største barriere for udbredt vedtagelse af solteknologi. Traditionelle silicium-wafer solpaneler kræver en kompleks, tidskrævende fremstillingsproces, der styrker per-watt omkostningerne ved elektricitet. Ikke-silicium tynde solceller er meget nemmere at fremstille og fjerner derfor disse barrierer.

De største seneste gennembrud har for nylig været med CIGS-on-foil-fremstilling. Nanosolar gør sine solceller ved hjælp af en proces, der ligner offsettryk. Sådan fungerer det:

  1. Rammene af aluminiumfolie ruller gennem store presser, der ligner dem, der anvendes til avisudskrivning. Folierullerne kan være meter brede og mil lange. Dette gør produktet meget mere tilpasset til forskellige applikationer.
  2. En printer, der arbejder i et åbent miljø, aflejrer et tyndt lag halvlederfarve på aluminiumsubstratet. Dette er en enorm forbedring i forhold til CIGS-on-glass- eller CdTe-celleproduktion, hvilket kræver, at halvlederen deponeres i et vakuumkammer. Udskrivning er meget hurtigere og meget billigere.
  3. En anden presse indstiller CdS- og ZnO-lagene. Zinkoxidlaget er ikke reflekterende for at sikre, at sollys er i stand til at nå halvlederlaget.
  4. Endelig skæres folien i ark af solceller. Sorted-celle samling, der ligner den, der anvendes i konventionel silicium solteknologi, er mulig i Nanosolars fremstillingsproces. Det betyder, at cellernes elektriske egenskaber kan matches for at opnå den højeste panel effektivitetsfordeling og udbytte. CIGS-on-glass solpaneler tilbyder ikke sorteret-celle samling. Fordi deres paneler består af celler, der ikke er godt matchet elektrisk, har deres udbytte og effektivitet betydeligt.

Presserne, der anvendes i halvlederprint, er nemme at bruge og vedligeholde. Ikke kun det, meget lille råmateriale er spildt. Dette bidrager til den samlede effektivitet i processen og reducerer omkostningerne ved elproduktionen fra solpanelerne. Elektricitet fra traditionelle solpaneler koster omkring $ 3 pr. Watt. Konventionel visdom tyder på, at sol ikke vil være konkurrencedygtig, før den kan producere elektricitet på $ 1 pr. Watt. Nanosolar hævder, at dens supereffektive fremstillingsproces og revolutionerende halvledende blæk kan reducere omkostningerne ved at gøre elektricitet fra sollys til kun 30 cent per watt. Hvis det er sandt, kan solenergi endelig være konkurrencedygtig med kul.

Hvordan Thin-film solceller arbejder: hvordan

Personaleingeniør Addison Shelton arbejder med en solcelleproduktionscoater på Nanosolar.

Tyndfilm-solteknologi er ikke science fiction. Nanosolar har i øjeblikket en 12 måneders ordreforsyning, det forsøger at opfylde. Kunder omfatter virksomheder og kommuner over hele verden. Andre tyndfilm-solcelleproducenter er lige så travlt. Ohio-baserede First Solar arbejder sammen med Juwi Solar for at konstruere et 40 megawatt tyndfilm CdTe solfelt i Sachsen, Tyskland, der vil blive afsluttet i 2009. Og Honda eksperimenterer aktivt med bygningsintegrerede thin-film CIGS på et anlæg i Japan.

Hvis tyndfilm solceller opnår deres fulde potentiale, er det dog let at forestille sig en fremtid, hvor solenergi er så allestedsnærværende som godt sollys. Tyndfilmceller kunne tæppe tagene eller danne facader af bygninger på tværs af byer. De kunne integreres i tagbjælke for nem installation i hvert nyt hus, der bygges. Og de kunne hjælpe med at drive en ny generation af solbiler og lastbiler.

For mere information om solenergi, elektricitet og beslægtede emner, se næste side.


Video Supplement: Take Back Your Power 2017 (Official) - smart meter documentary.




DA.WordsSideKick.com
All Rights Reserved!
Reproduktion Af Materialer Tilladt Kun Prostanovkoy Aktivt Link Til Webstedet DA.WordsSideKick.com

© 2005–2019 DA.WordsSideKick.com