Тонкопленочные солнечные батареи

До 85% солнечных батарей, выпускаемых сегодня на рынок, являются кристаллическими солнечными модулями. Однако специалисты уверяют, что тонкопленочная технология производства солнечных батарей оказывается более эффективной и поэтому наиболее перспективной, чем уже привычные кристаллические модули.

Основное преимущество тонкопленочной технологи — низкая себестоимость, именно по этой причине она имеет все шансы на то, чтобы стать лидером уже в ближайшие годы. Модули на новой базе позволяют сделать солнечные батареи гибкими, в буквальном смысле этого слова. Они получаются легкими и эластичными, что позволяет размещать такие батареи буквально на любых поверхностях, включая поверхность одежды.

В основе гибких солнечных элементов — полимерные пленки, аморфный кремний, алюминий, теллурид кадмия и прочие полупроводники, которые уже применяются при производстве портативных зарядных устройств для сотовых телефонов, ноутбуков, планшетов, видеокамер и других гаджетов, в виде складных солнечных батарей небольшого размера. Но если потребуется больше энергии, то и площадь модуля должна будет быть больше.

Самые первые образцы тонкопленочных солнечных элементов изготавливались с применением наносимого на подложку аморфного кремния, и КПД получался всего от 4 до 5%, а срок службы не был долгим. Следующим шагом все той же технологии стало повышение КПД до 8% и продление срока службы, он стал сравним с кристаллическими предшественниками. И наконец, третье поколение тонкопленочных модулей обладало уже КПД в 12%, а это уже значительное продвижение и конкурентоспособность.

Примененные здесь селенид меди-индия и теллурид кадмия, позволили создать гибкие солнечные батареи и портативные зарядные устройства с КПД до 10%, а это уже значительное достижение, если учесть, что физики ведут борьбу за каждый дополнительный процент КПД. Теперь остановимся более подробно на том, как делают тонкопленочные батареи.

Что касается теллурида кадмия, то в качестве светопоглощающего материала его начали исследовать еще в 70-е, когда нужно было подобрать лучший вариант для использования в космосе. И по сей день именно теллурид кадмия остается наиболее перспективным для солнечных батарей. Однако вопрос о токсичности кадмия оставался некоторое время открытым.

В результате исследований было показано, что опасность минимальна, уровень кадмия, высвобождаемого в атмосферу не опасен. КПД же составил 11%, при этом стоимость одного ватта получилась на треть ниже, чем у кремниевых аналогов.

Теперь про селенид меди-индия. Значительная часть индия сегодня уходит на создание плоских мониторов, поэтому индий все же заменяют на галлий, обладающий теми же свойствами для солнечной энергетики. Пленочные же батареи на данной основе достигают КПД в 20%.

Недавно начали разрабатывать полимерные панели. Здесь светопоглощающими материалами служат органические полупроводники: углеродные фуллерены, полифенилен, фталоцианин меди и т. д. Толщина солнечного элемента получается 100 нм, однако КПД составляет всего от 5 до 6%. Но при этом стоимость производства довольно низка, пленки доступны, легки, и полностью экологичны. По этой причине полимерные панели популярны там, где важны экологичность при утилизации и механическая эластичность.

Итак, КПД тонкопленочных солнечных элементов, выпускаемых сегодня:

• Монокристалл — от 17 до 22%;

• Поликристалл — от 12 до 18%;

• Аморфный кремний — от 5 до 6%;

• Теллурид кадмия — от 10 до 12%;

• Селенид меди-индия — от 15 до 20%;

• Органические полимеры — от 5 до 6%.

В чем же заключаются особенности тонкопленочных батарей? В первую очередь стоит отметить высокую производительность модулей даже при рассеянном свете, что дает до 15% больше мощности в течение года по сравнению с кристаллическими аналогами. Далее идет преимущество в стоимости производства. В мощных системах, от 10 кВт, именно тонкопленочные модули показывают большую эффективность, хотя площадь требуется в 2,5 раза больше.

Таким образом, можно назвать условия, когда тонкопленочные модули приобретают оправданное преимущество. В регионах с преимущественно пасмурной погодой именно тонкопленочные батареи будут эффективно работать (рассеянный свет). Для регионов с жарким климатом тонкие пленки оказываются более эффективными (при высокой температуре они так же эффективно работают, как и при невысокой). Возможность использования в качестве декоративных дизайнерских решений при отделке фасадов зданий. Возможна прозрачность до 20%, что опять же на руку дизайнерам.

Между тем, еще в 2008 году американская компания Solyndra предложила размещать тонкопленочные батареи на цилиндрах, когда слой фотоэлемента наносится на стеклянную трубку, которая размещается внутри другой трубки, оснащенной электрическими контактами. Применяемые материалы — медь, селен, галлий, индий.

Цилиндрическое исполнение позволяет поглощать больше света, и набор из 40 цилиндров умещается на панели размером метр на два. Изюминка здесь в том, что белое покрытие крыши способствует высокой эффективности такого решения, ведь тогда отраженные лучи тоже работают, добавляя свои 20% энергии. К тому же цилиндрические наборы устойчивы даже к сильному ветру с порывами до 55 м/с.

Большинство солнечных элементов, производимых сегодня, содержат всего один p-n переход, и фотоны с энергией меньшей, чем ширина запрещенной зоны, просто не участвуют в генерации. Тогда ученые придумали путь преодоления этого ограничения, были разработаны каскадные элементы многослойной структуры, где каждый слой обладает своей шириной запрещенной зоны, то есть каждый слой имеет индивидуальный p-n переход с индивидуальным значением энергии поглощаемых фотонов.

Верхний слой формируют из сплава на основе гидрогенизированного аморфного кремния, второй — аналогичный сплав с добавлением германия (10-15%), третий — с добавлением от 40 до 50% германия. Таким образом, каждый следующий слой имеет запрещенную зону уже, чем у предыдущего слоя, и не поглощенные фотоны в верхних слоях, поглощаются нижележащими слоями пленки.

При таком подходе стоимость генерируемой энергии снижается вдвое по сравнению с традиционными кристаллическими кремниевыми элементами. В результате достигнут КПД 31% на трехпереходной пленке, а пятипереходная сулит все 43%.

Недавно специалисты из МГУ разработали солнечные батареи рулонного типа на основе полимера, нанесенного на подложку из гибкого органического материала. КПД получился всего 4%, зато работать такие батареи могут даже при + 80°С в течение 10000 часов. Эти исследования еще не завершены.

Швейцарские ученые достигли на полимерной подложке КПД 20,4%, а в качестве полупроводников использовали индий, медь, селен и галлий. Сегодня это рекорд для элементов на тонкой полимерной пленке.

В Японии достигли аналогичным образом (индий, селен, медь) 19,7% КПД, наносили полупроводники методом напыления. А еще в Японии занялись изготовлением солнечной ткани, тканевые солнечные панели разработали, применив цилиндрические элементы диаметром около 1,2 миллиметра, прикрепленные к ткани. В начале 2015 они планировали начать производство одежды и тентов на этой основе.

Судя по всему, именно тонкопленочные солнечные батареи станут наконец общедоступными для широких слоев населения в ближайшем будущем. Не зря же с целью снижения себестоимости ведется столько исследований по всему миру.