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Características y clasificación de la calle-luz-células solares

2021-08-09 14:30:13

Características de las células solares de la luz de calle

La generación de energía solar fotovoltaica tiene muchas ventajas, que son muy necesarias en la energía futura. ① No está limitado por la región y puede generar electricidad cuando hay sol; ② El proceso de generación de energía es un proceso físico simple, sin residuos de gas y descarga de residuos, y básicamente no tiene impacto en el medio ambiente; ③ Operación estática de células solares, sin piezas de funcionamiento, sin desgaste, Alta fiabilidad y sin ruido; ④ La energía generadora está determinada por la célula solar y se puede ensamblar en cualquier tamaño de acuerdo con la energía requerida; ⑤ No solo es fácil de usar como fuente de energía independiente, sino que también está conectado a otras fuentes de energía; ⑥ Larga vida útil (Hasta más de 20 años); la célula solar tiene las ventajas de un rendimiento ligero, estable y de alta sensibilidad; la vida del sol alcanza los 6 mil millones de años, por lo que la generación de energía solar es una energía relativamente ilimitada. Es una tecnología de energía general, que se puede utilizar en muchos campos grandes o pequeños, se puede utilizar en cualquier lugar con sol, se puede instalar en la superficie de cualquier objeto y también se puede integrar en la estructura del edificio. Es fácil realizar una automatización completa y no tripulada. Debido a estas características, las células solares son ampliamente utilizadas en la tecnología espacial en varios países. La energía renovable es principalmente bioenergía, y la energía solar representa una pequeña proporción. Sin embargo, para 2050, la proporción de energía convencional y energía nuclear se reducirá al 47% y la de energía renovable se elevará al 53%. Entre las fuentes de energía renovables, la energía solar (incluida la utilización de la energía solar térmica y la generación de energía solar) ocupará el primer lugar, representando el 29% de la energía total. En particular, la generación de energía solar por sí sola representa el 25% de la energía total.

Características y clasificación de la calle-luz-células solares 1

Clasificación de las células de luz solar

En todo el proceso de desarrollo de las células solares, las personas han desarrollado células con diferentes estructuras y materiales. En términos de estructura, incluye principalmente batería de unión PN homogénea, batería Schottky (MS), batería MIS, batería MINP y batería heterounction, entre las cuales la batería de unión PN homogénea juega un papel de liderazgo de principio a fin; En términos de materiales, hay principalmente células solares de silicio, Células solares de la película fina del multi compuesto, células solares de la película fina del semiconductor orgánico, células solares químicas nanocristalinas, etc; Desde el aspecto de las características materiales de la forma, se puede dividir en materiales a granel y materiales finos de la película.

Célula solar de silicio cristalino para luces al aire libre

Las células solares de silicio cristalino se dividen en células solares de silicio monocristalino y células solares de silicio policristalino.

La célula solar de silicio monocristalino es la célula solar con la mayor eficiencia de conversión y la tecnología más madura. Esto se debe a que el material de silicio monocristalino y su tecnología de procesamiento relacionada son maduros y estables, la estructura de silicio monocristalino es uniforme, el contenido de impurezas y defectos es pequeño y la eficiencia de conversión de la batería es alta. Para producir una baja resistencia de contacto, el área de la superficie de la batería requiere un dopaje intenso, y la alta concentración de impureza mejorará la tasa de recombinación de los portadores minoritarios en esta área y hará que la vida del portador minoritario de esta capa sea muy baja, por lo que se llama "capa muerta". Esta área es el área de absorción de luz más fuerte. La luz púrpura y azul se absorbe principalmente aquí. Por lo general, el espesor de N   La capa de célula solar adelgazada es de 0,1 ~ 0,2 μm. Es decir, se adopta la tecnología de "unión poco profunda", y la concentración de fósforo de la superficie se controla por debajo del valor límite de solubilidad sólida. De esta manera, la célula solar puede superar la influencia de la "capa muerta" y mejorar la respuesta de la luz azul púrpura y la eficiencia de conversión de la célula. Este tipo de célula se llama "célula púrpura".

Además, se establece un gradiente de concentración de la misma impureza entre el sustrato de la batería y el electrodo inferior para preparar un p P +  O N-N +  Unión alta-baja para formar un campo eléctrico trasero, que puede mejorar la colección efectiva de portadores, mejorar la respuesta de onda larga de las células solares y mejorar la corriente de cortocircuito y el voltaje de circuito abierto. Esta celda se llama "batería de campo trasero". En la década de 1980, el grupo ecológico desarrolló la "batería ranurada" integrando las tecnologías anteriores. En comparación con el método de impresión, la eficiencia de la batería se mejora en un 10% ~ 15%. Desde la década de 1980, se ha desarrollado la tecnología de pasivación de superficie. A partir de la fina capa de óxido ( <10nm) de la batería de PESC a la capa gruesa de óxido (aproximadamente 110m) de la batería perc y Perl, la tecnología de pasivación superficial de oxidación térmica puede reducir la densidad superficial de los estados a 10 10   /Cm ²A continuación, la velocidad de recombinación de la superficie se reduce a menos de 100 cm/s. El uso de diversas tecnologías ha mejorado la eficiencia de conversión de las células de silicio monocristalino al 24,7%, y los expertos predicen que la eficiencia final de las células de silicio monocristalino es del 29%. Para reducir el costo de la batería, al tiempo que mejora la eficiencia de conversión, las personas están explorando para reducir el grosor de la batería, es decir, para lograr una hoja delgada.

Las células solares de silicio policristalino generalmente utilizan materiales de silicio policristalino producidos especialmente para el uso de células solares. En la actualidad, el método de fabricación de polisilicio más utilizado es el método de fundición, también conocido como método de fundición. Las células solares de silicio policristalino generalmente usan silicio policristalino semiconductor de bajo grado, y la mayoría de los chips de silicio policristalino se cortan de lingotes de silicio controlados o fundidos. El lingote de silicio policristalino está hecho de silicio defectuoso, un solo cristal secundario de desecho y polvo de silicio de grado metalúrgico en la industria de los semiconductores. En la actualidad, con el desarrollo explosivo de la salida de las células solares, las materias primas anteriores ya no pueden satisfacer las necesidades de la industria de las células solares. Ahora se está formando una industria de producción con células solares de polisilicio como objetivo, que se describirá más adelante.

Para reducir la pérdida de corte de obleas de silicio, la oblea de silicio policristalino requerida para las células solares se prepara directamente a partir de silicio fundido. Las células preparadas por este método generalmente se denominan silicio con células de silicio. Hay dos métodos para preparar silicio: uno se llama EFG "método de alimentación de película de borde fijo", que consiste en cultivar tubos de polisilicio octaédricos en aplicaciones industriales, y luego cortar cada lado en obleas de silicio; El otro se llama "método de cristalización de tejido", que es adoptado por evergreen solar. El método consiste en limitar el silicio fundido con una varilla de carbono fina y sacarlo de la piscina fundida. El líquido de silicio limitado en las dos varillas finas se enfría y solidifica para formar una correa de silicio. En comparación con las células solares de silicio monocristalino, las células solares de silicio policristalino tienen un costo menor y la eficiencia de conversión es cercana a las células solares de silicio monocristalino. Por lo tanto, las células de silicio policristalino de alta eficiencia se han desarrollado rápidamente en los últimos años, entre las que las células de tecnología Geogia, las células UNSW, las células Kyocera, etc. Entre las células solares producidas en los últimos años, las células solares de silicio policristalino representan un 52% más que el silicio monocristalino. Es uno de los principales productos de las células solares. Sin embargo, en comparación con los precios de la energía existentes, las células solares de silicio cristalino no se pueden comercializar ampliamente porque el costo de generación de energía sigue siendo demasiado alto.

Célula de luz solar de película delgada

Las células solares de película delgada se pueden dividir en las siguientes categorías de acuerdo con los materiales para preparar las células solares.

(1) célula de luz solar de película delgada compuesta multicomponente

Cobre indio selenio:  CuInse Se   Tiene una banda prohibida de 1,53ev y se considera un material fotovoltaico ideal. Puede formar tipo p y tipo n con alta conductividad solo introduciendo sus propios defectos, lo que reduce los requisitos de la celda para el tamaño de grano, el contenido de impurezas y los defectos, y la eficiencia de la celda ha alcanzado el 15,4%. La banda prohibida se puede aumentar agregando una cantidad adecuada de GA, A1 o s, que se pueden usar para fabricar baterías laminadas o de una sola unión de alta eficiencia.  CulnSe Se Es un ternario I Ⅲ-  Personas Se   Semiconductor compuesto. Es un material semiconductor directo con banda prohibida con una tasa de absorción de 105 / cm. La afinidad electrónica de CulnSe Se Es 4.58ev, que es muy diferente al de los CD (4.50ev) (0.08eV), lo que hace que la heterounión formada por ellos no tenga un pico de banda de conducción y reduzca la barrera potencial de los portadores fotogenerados.  CulnSe Se   Proceso de crecimiento de la película: método de evaporación al vacío, método de tratamiento de selenio de la película de aleación de cu-1n (incluido el método de electrodeposición y el método de reducción térmica química), método de transporte de fase gaseosa en espacio cerrado (CCVT), método de pirólisis por pulverización, método de emisión de radiofrecuencia, Etc. La célula solar CIS es un dispositivo fotovoltaico compuesto de películas delgadas multicapa depositadas sobre vidrio u otros sustratos baratos. Su estructura es: luz y rarr; electrodo de rejilla de metal/película antirreflectante/capa de ventana (ZnO) /capa de transición (CDS) /capa de absorción de luz (CLS) /electrodo posterior de metal (MO) /sustrato.

Telururo de cadmio: CdTe tiene una brecha de banda directa de 1.5ev, su respuesta espectral es muy consistente con el espectro solar y tiene un alto coeficiente de absorción en la banda visible, 1 μm de espesor puede absorber el 90% de la luz visible. El CdTe es un compuesto de al que se puede. Debido a que la película CdTe tiene una estructura de banda directa y su coeficiente de absorción óptica es muy grande, se reduce el requisito de longitud de difusión del material. El material semiconductor de película delgada con CdTe como absorbedor forma una célula solar de heterounión con CD de capa de ventana. Su estructura es: luz & rarr; película antirreflectante (MgF Se )/Sustrato de vidrio/electrodo transparente (SnO Se : F) /capa de ventana (CDS) /capa de absorción (CdTe) /capa de transición de contacto óhmico/electrodo posterior de metal. Los métodos de preparación incluyen sublimación, MOCVD, CVD, electrodeposición, serigrafía, evaporación al vacío y epitaxia de capa atómica. Las células solares de película delgada CdTe con una eficiencia de conversión de más del 10% se han fabricado en varios métodos. Entre ellos, la eficiencia de la batería depositada con la unión CdS / CdTe es del 16,5%.

Arseniuro de galio: el material de la batería tiene una banda prohibida moderada y una resistencia a la radiación más fuerte y un rendimiento a altas temperaturas que el silicio. Las células solares pueden obtener una mayor eficiencia. La eficiencia máxima en el laboratorio ha alcanzado más del 24%, y la eficiencia de las células solares aeroespaciales generales también está entre 18% ~ 19,5%. La eficiencia de las células de unión única cultivadas en un solo sustrato es el 36% de la eficiencia teórica de GaInP Se   /Células en cascada GaAs. Células solares laminadas con un área de 4m ²Y se ha fabricado una eficiencia de conversión del 30,28% en el laboratorio. En la actualidad, las células solares de GaAs se preparan principalmente mediante epitaxia en fase líquida o tecnología de deposición de vapor químico orgánico metálico, por lo que el costo es alto y la producción es limitada. La reducción del costo y la mejora de la eficiencia de la producción se han convertido en el foco de la investigación. En la actualidad, las células solares de GaAs se utilizan principalmente en naves espaciales.

(2) célula de luz solar de película delgada semiconductor orgánico

Los semiconductores orgánicos tienen muchas propiedades especiales y se pueden utilizar para fabricar muchos dispositivos semiconductores de película delgada, como transistores de efecto de campo, moduladores electroópticos de efecto de campo, diodos emisores de luz, dispositivos fotovoltaicos, etc. Los semiconductores orgánicos absorben fotones para producir pares de orificios de electrones con energía de unión de 0,2 ~ 1.0ev, que es el límite entre los materiales semiconductores de tipo p y los materiales semiconductores de tipo n. La disociación de pares de agujeros de electrones conduce a una separación de carga eficiente y forma lo que comúnmente se conoce como células solares de heterounión. Los semiconductores orgánicos utilizados en dispositivos fotovoltaicos se dividen aproximadamente en semiconductores orgánicos moleculares y semiconductores orgánicos de polímeros. Más tarde, aparecieron células solares de heterounión semiconductora orgánica de doble capa. Los semiconductores orgánicos se pueden dividir en cristal soluble, insoluble y líquido según sus propiedades químicas; A veces también se divide en tintes, pigmentos y polímeros según los monómeros. Para el dopaje de semiconductores orgánicos, se pueden introducir otras moléculas y átomos, o se pueden oxidar por método electroquímico. Las impurezas que pueden hacerlo de tipo P incluyen Cl Se ¡Br Se , Yo Se ¡NO Se , Tcnqcn-ppv, etc.; El metal alcalino dopado puede hacerlo de tipo n.

(3) célula de luz solar de película delgada nano sensibilizada tinte

La batería de película nano delgada sensibilizada con tinte es una batería inventada por el Dr. Michel Graetzel del Instituto Federal Suizo de tecnología. Las células solares nano químicas (células NPC para abreviar) se forman modificando y ensamblando un material semiconductor de banda estrecha en otro gran material semiconductor de brecha energética. El material semiconductor de banda estrecha adopta tintes sensibilizados de metal de transición Ru y compuestos orgánicos. El material semiconductor de gran espacio de energía es Nano multiproducto TiO Se   Y hecho en electrodos. Además, las celdas NPC también seleccionan electrolitos redox apropiados. Principio de funcionamiento de TiO policristalino nano Se : Las moléculas de tinte absorben la energía solar y la transición al estado excitado. El estado excitado es inestable. Los electrones se inyectan rápidamente en el TiO adyacente Se   Banda de conducción. Los electrones perdidos en el tinte se compensan rápidamente con el electrolito. Los electrones que entran en el TiO Se   La banda de conducción finalmente ingresa a la película conductora y luego genera fotocorriente a través del circuito externo. Es un nuevo tipo de célula con película porosa de nano dióxido de titanio sensibilizada por tintes fotosensibles, que mejora en gran medida la eficiencia de las células fotoelectroquímicas. Esta celda tiene una eficiencia estable al aire libre. En 1998, la eficiencia de las celdas de áreas pequeñas de la Academia Federal de Ciencias de Suiza fue del 12%. En algunos países se realizaron pruebas piloto. La eficiencia específica de la batería es de 30cm de Alemania INAP ×6% a 30cm; 10cm de st australiano ×20cm es 5%. El proyecto de investigación de células solares de película nano delgada de gran área sensibilizada con tinte de China con el Instituto de física del plasma de la Academia de Ciencias de China, ya que la principal unidad de empresa ha construido una pequeña central eléctrica de demostración con una escala de matriz de 500W. haciendo de China un líder en el mundo en algunos aspectos de este campo de investigación.

El silicio amorfo es la primera batería comercial de película delgada. Silicio amorfo típico (   Α -Si) las células solares depositan película conductora transparente (TCO) sobre el sustrato de vidrio, y las tres capas de tipo P, tipo I y tipo N se depositan por reacción de plasma   Α -Si, y luego evaporar el electrodo de metal Al / Ti en él. La luz incide en la capa de vidrio y la corriente de la batería sale a través de la película conductora transparente y el electrodo de metal Al / Ti. Su estructura es de vidrio/TCO/I-N/Al / Ti, y el sustrato también puede adoptar película de plástico, chapa de acero inoxidable, etc. Después de introducir una gran cantidad de hidrógeno (10%) en el silicio amorfo, la banda prohibida aumenta de 1.1eV a 1.7eV, que tiene una fuerte absorción de luz. Además, se añade una "capa intrínseca" gruesa entre la capa p más delgada y la capa N para formar una estructura p1n. Se utiliza una capa con menos defectos de impureza como capa de absorción principal para formar un campo eléctrico en la región de generación de portadores fotogenerados, lo que mejora el efecto de recolección de los portadores. Para reducir la pérdida causada por la gran resistencia transversal de la capa dopada delgada superior, el electrodo superior de la batería adopta una película conductora transparente. Además, se prepara una transmisión de luz mejorada de textura sobre la película conductora transparente. En la actualidad, los materiales conductores transparentes más utilizados son SnO Se   E ITO (mezcla de In Se O   Y SnO Se ), Y Zao (óxido de zinc dopado con aluminio) se considera un nuevo material conductor transparente excelente. Debido a la amplia distribución de energía de la luz solar, los materiales semiconductores solo pueden absorber fotones con energía más alta que su valor de brecha de energía, y los fotones restantes se convertirán en energía térmica, pero no se pueden transferir a la carga a través de portadores fotogenerados para convertirse en energía eléctrica efectiva. energía. Por lo tanto, para las células solares de una sola unión, incluso si están hechas de materiales del producto, el límite teórico de eficiencia de conversión es solo alrededor del 29%. En el pasado, las células de silicio no estándar estaban principalmente en forma de células de unión única. Más tarde, se desarrollaron células apiladas de doble unión, que pueden recolectar portadores fotogenerados de manera más efectiva. BP solar utiliza aleación SiGe como material de la batería inferior. Debido a que la banda prohibida de la aleación de SiGe es estrecha, mejora la respuesta espectral de la batería como el material de la batería inferior. Beckert utiliza silicio amorfo con diferente contenido de Ge para hacer una batería de la serie de tres uniones con dos baterías inferiores, creando la eficiencia estable más alta del módulo de batería de silicio amorfo de 6.3%. Entre las células solares de película delgada, las células de silicio no estándar fueron comercializadas y utilizadas por primera vez por Sanyo Electric Company en 1980.   Α -Si La calculadora de bolsillo hecha de células solares Si se industrializó en 1981, Α -Si El volumen de ventas anual de las células Si alguna vez representó el 40% del volumen de ventas fotovoltaicas del mundo. Con la mejora continua del rendimiento y el costo de las células de silicio no estándar, sus campos de aplicación también se están expandiendo, desde calculadoras a varios productos de consumo y otros campos, como radios solares, farolas, estaciones de retransmisión de microondas, lámparas de señal de cruce de tráfico, monitoreo meteorológico, bombas de agua fotovoltaicas, fuente de alimentación independiente del hogar, Generación de energía conectada a la red, etc. Esta parte se discutirá en detalle en los siguientes capítulos.

(5) célula de luz solar de película delgada de silicio policristalino

El trabajo de investigación de la batería de película delgada de silicio policristalino comenzó en la década de 1970, que era anterior a la de la batería de película delgada de silicio amorfo. Sin embargo, en ese momento, las personas se centraron principalmente en la batería de película delgada de silicio amorfo. Después de que el trabajo de investigación de la batería de película delgada de silicio amorfo encontró problemas difíciles, la gente naturalmente comenzó a prestar atención a la batería de película delgada de silicio policristalino. Dado que las células de película delgada de silicio policristalino utilizan mucho menos materiales de silicio que las células de silicio monocristalino, no hay ningún problema de fotoatenuación de las células de película delgada de silicio amorfo, y es posible prepararlas en sustratos baratos. El costo esperado es mucho más bajo que las células de silicio monocristalino. La gente espera reducir el costo de los módulos de células solares a aproximadamente nosotros $1 / W. La batería de película delgada de silicio policristalino también se puede utilizar como la batería inferior de la batería de unión de la serie de silicio amorfo, que puede mejorar la respuesta espectral y la vida útil de la batería. Por lo tanto, se ha desarrollado rápidamente desde 1987. Ahora el rendimiento fotoeléctrico de la batería de película delgada de silicio policristalino es estable, y la eficiencia máxima de laboratorio de la compañía Astropower ha alcanzado el 16%. En la actualidad, las células de película delgada de silicio policristalino se preparan mediante deposición química de vapor, incluida la deposición química de vapor a baja presión (LPCVD) y la deposición química de vapor mejorada por plasma (PECVD). Además,La epitaxia en fase líquida (LPE) y la deposición por pulverización catódica también se pueden utilizar para preparar células de película delgada de silicio policristalino. La tecnología de crecimiento de LPE se ha utilizado ampliamente en heteroestructuras semiconductores compuestos y de alta calidad, como GaAs, AlGaAs, SiGe y SiGe. Su principio es reducir la temperatura y precipitar películas de silicio fundiendo silicio en la matriz. La eficiencia de la batería preparada por Astro power con PE puede alcanzar el 12,2%. Chen Zheliang, del centro de tecnología de desarrollo fotoeléctrico de China, utilizó epitaxia de fase líquida para cultivar granos de silicio en obleas de silicio de grado metalúrgico y diseñó una nueva célula solar similar a las células solares de película delgada de silicio cristalino, llamadas células solares de "grano de silicio".

En la actualidad, el llamado centro de investigación de células solares de tercera generación de la Universidad de Nueva Gales del Sur, dirigido por el profesor Martin Green, está llevando a cabo activamente investigaciones teóricas y experimentos científicos sobre la eficiencia ultra alta ( >50%) células solares, centrándose en cómo recopilar completamente los portadores de la transición de la banda de valencia a la banda de alta conducción. En la actualidad, las baterías estudiadas y probadas incluyen principalmente células de superred, células "portadoras calientes", nuevas células "laminadas" y células "fotovoltaicas térmicas".

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