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Caractéristiques et classification des cellules solaires de réverbère

2021-08-09 14:30:13

Caractéristiques des cellules solaires de réverbère

La production d'énergie solaire photovoltaïque présente de nombreux avantages, qui sont très nécessaires dans l'énergie future. ① Il n'est pas limité par région et peut générer de l'électricité lorsqu'il y a du soleil; ② Le processus de production d'électricité est un processus physique simple, sans gaz résiduel ni décharge, et n'a fondamentalement aucun impact sur l'environnement; ③ Fonctionnement statique des cellules solaires, pas de pièces en marche, pas d'usure, Haute fiabilité et pas de bruit; ④ L'énergie de production est déterminée par la cellule solaire et peut être assemblée en n'importe quelle taille selon la puissance requise; ⑤ Il est non seulement facile à utiliser comme source d'énergie indépendante, mais également en réseau avec d'autres sources d'énergie; ⑥ Longue durée de vie (Jusqu'à plus de 20 ans); la cellule solaire présente les avantages d'une performance légère et stable et d'une sensibilité élevée; la durée de vie du soleil atteint 6 milliards d'années, de sorte que la production d'énergie solaire est une énergie relativement illimitée. Il est une technologie de puissance générale, qui peut être utilisé dans de nombreux grands ou petits champs, peut être utilisé dans n'importe quel endroit avec le soleil, peut être installé sur la surface de n'importe quel objet, et peut également être intégré dans la structure du bâtiment. Il est facile de réaliser une automatisation sans pilote et complète. En raison de ces caractéristiques, les cellules solaires sont largement utilisées dans la technologie spatiale dans divers pays. L'énergie renouvelable est principalement la bioénergie et l'énergie solaire représente une petite proportion. Cependant, d'ici 2050, la proportion d'énergie conventionnelle et d'énergie nucléaire tombera à 47% et celle d'énergie renouvelable passera à 53%. Parmi les sources d'énergie renouvelables, l'énergie solaire (y compris l'utilisation solaire thermique et la production d'énergie solaire) occupera la première place, représentant 29% de l'énergie totale. En particulier, la production d'énergie solaire représente à elle seule 25% de l'énergie totale.

Caractéristiques et classification des cellules solaires de réverbère 1

Classification des cellules lumineuses solaires

Dans l'ensemble du processus de développement des cellules solaires, les gens ont développé des cellules avec différentes structures et matériaux. En termes de structure, il comprend principalement une batterie à jonction PN homogène, une batterie Schottky (MS), une batterie MIS, une batterie MINP et une batterie à hétérojonction, parmi lesquelles une batterie à jonction PN homogène joue un rôle de premier plan du début à la fin; En termes de matériaux, il existe principalement des cellules solaires en silicium, Cellules solaires à couche mince multi-composés, cellules solaires à couche mince à semi-conducteur organique, cellules solaires chimiques nanocristallines, etc.; Du point de vue des caractéristiques de la forme du matériau, il peut être divisé en matériaux en vrac et en matériaux à couche mince.

Cellule solaire de silicium cristallin pour les lumières extérieures

Les cellules solaires en silicium cristallin sont divisées en cellules solaires en silicium monocristallin et cellules solaires en silicium polycristallin.

La cellule solaire en silicium monocristallin est la cellule solaire avec le rendement de conversion le plus élevé et la technologie la plus mature. En effet, le matériau en silicium monocristallin et sa technologie de traitement connexe sont matures et stables, la structure en silicium monocristallin est uniforme, la teneur en impuretés et en défauts est faible et l'efficacité de conversion de la batterie est élevée. Afin de produire une faible résistance de contact, la surface de la batterie nécessite un dopage intense, et une concentration élevée en impuretés augmentera le taux de recombinaison des porteurs minoritaires dans cette zone et rendra la vie des porteurs minoritaires de cette couche très faible, elle est donc appelée "couche morte". Cette zone est la zone d'absorption de lumière la plus forte. La lumière pourpre et bleue est principalement absorbée ici. Habituellement, l'épaisseur de N   Couche de cellule solaire amincie est de 0,1 ~ 0,2 μm. Autrement dit, la technologie de «jonction peu profonde» est adoptée et la concentration de phosphore de surface est contrôlée en dessous de la valeur limite de solubilité solide. De cette manière, la cellule solaire peut surmonter l'influence de la «couche morte» et améliorer la réponse de la lumière violette bleue et l'efficacité de conversion de la cellule. Ce genre de cellule est appelé "cellule pourpre".

De plus, un gradient de concentration de la même impureté est établi entre le substrat de batterie et l'électrode inférieure pour préparer un p P   Ou N-N   Jonction haute-basse pour former un champ électrique arrière, qui peut améliorer la collecte efficace des transporteurs, améliorer la réponse en ondes longues des cellules solaires et améliorer le courant de court-circuit et la tension en circuit ouvert. Cette cellule est appelée "batterie de champ arrière". Dans les années 1980, le groupe vert a développé la «batterie rainurée» en intégrant les technologies ci-dessus. Par rapport à la méthode d'impression, l'efficacité de la batterie est améliorée de 10% ~ 15%. Depuis les années 1980, la technologie de passivation de surface a été développée. À partir de la couche d'oxyde mince ( <10nm) de la batterie PESC à la couche d'oxyde épaisse (environ 110m) de la batterie perc et Perl, la technologie de passivation de surface d'oxydation thermique peut réduire la densité de surface des États à 10 10   /Cm ²En dessous, la vitesse de recombinaison de surface est réduite à moins de 100 cm/s. L'utilisation de diverses technologies a amélioré l'efficacité de conversion des cellules en silicium monocristallin à 24,7%, et les experts prédisent que l'efficacité ultime des cellules en silicium monocristallin est de 29%. Afin de réduire le coût de la batterie, tout en améliorant l'efficacité de conversion, les gens explorent pour réduire l'épaisseur de la batterie, c'est-à-dire pour obtenir une feuille mince.

Les cellules solaires en silicium polycristallin utilisent généralement des matériaux en silicium polycristallin spécialement produits pour l'utilisation de cellules solaires. À l'heure actuelle, la méthode de fabrication de silicium polycristallin la plus largement utilisée est la méthode de coulée, également connue sous le nom de méthode de coulée. Les cellules solaires en silicium polycristallin utilisent généralement du silicium polycristallin semi-conducteur de faible qualité, et la plupart des puces de silicium polycristallin sont découpées dans des lingots de silicium contrôlés ou coulés. Le lingot de silicium polycristallin est composé de silicium défectueux, de monocristal secondaire de déchets et de poudre de silicium de qualité métallurgique dans l'industrie des semi-conducteurs. À l'heure actuelle, avec le développement explosif de la production de cellules solaires, les matières premières ci-dessus ne peuvent plus répondre aux besoins de l'industrie des cellules solaires. Maintenant, une industrie de production avec des cellules solaires en polysilicium comme cible est en cours de formation, qui sera décrite plus tard.

Afin de réduire la perte de découpe de la plaquette de silicium, la plaquette de silicium polycristallin requise pour les cellules solaires est préparée directement à partir de silicium fondu. Les cellules préparées par cette méthode sont généralement appelées silicium avec des cellules en silicium. Il existe deux méthodes pour préparer le silicium: l'une est appelée «méthode d'alimentation par film à bord fixe» EFG, qui consiste à faire pousser des tubes octaédriques en polysilicium dans des applications industrielles, puis à couper chaque côté en plaquettes de silicium; L'autre est appelé «méthode de cristallisation palmée», qui est adoptée par le solaire à feuilles persistantes. La méthode consiste à limiter le silicium fondu avec une tige de carbone fin et à le retirer de la piscine fondue. Le liquide de silicium limité dans les deux fines tiges est refroidi et solidifié pour former une courroie de silicium. Par rapport aux cellules solaires en silicium monocristallin, les cellules solaires en silicium polycristallin ont un coût inférieur et l'efficacité de conversion est proche des cellules solaires en silicium monocristallin. Par conséquent, les cellules à haute efficacité en silicium polycristallin se sont développées rapidement ces dernières années, parmi lesquelles les cellules Geogia tech, les cellules UNSW, les cellules de Kyocera, etc. Parmi les cellules solaires produites ces dernières années, les cellules solaires en silicium polycristallin représentent 52% de plus que le silicium monocristallin. C'est l'un des principaux produits des cellules solaires. Cependant, par rapport aux prix de l'énergie existants, les cellules solaires au silicium cristallin ne peuvent pas être largement commercialisées car le coût de production d'électricité est encore trop élevé.

Cellule lumineuse solaire à couche mince

Les cellules solaires à couche mince peuvent être divisées en catégories suivantes en fonction des matériaux de préparation des cellules solaires.

(1) cellule de lumière solaire à couche mince composé multicomposant

Cuivre indium sélénium:  CuInse   A une bande interdite de 1,53ev et est considéré comme un matériau photovoltaïque idéal. Il ne peut former de type p et de type n avec une conductivité élevée qu'en introduisant ses propres défauts, ce qui réduit les exigences de la cellule en matière de taille des grains, de teneur en impuretés et de défauts, et l'efficacité de la cellule a atteint 15,4%. La bande interdite peut être augmentée en ajoutant une quantité appropriée de GA, A1 ou s, qui peut être utilisée pour fabriquer une jonction unique à haute efficacité ou des batteries stratifiées.  CulnSe Est un ternaire I Ⅲ-  Ⅵ   Composé semi-conducteur. Il s'agit d'un matériau semi-conducteur à bande interdite directe avec un taux d'absorption de 105 / cm. L'affinité électronique de CulnSe Est 4,58ev, ce qui est très différent de celui des CD (4,50ev) (0,08eV), ce qui fait que l'hétérojonction formée par eux n'a pas de pic de bande de conduction et réduit la barrière de potentiel des supports photogénérés.  CulnSe   Processus de croissance du film: méthode d'évaporation sous vide, méthode de traitement du sélénium d'un film d'alliage cu-1n (y compris la méthode d'électrodéposition et la méthode de réduction thermique chimique), méthode de transport de phase gazeuse dans un espace fermé (CCVT), méthode de pyrolyse par pulvérisation, méthode d'émission par radiofréquence, Etc. La cellule solaire CIS est un dispositif photovoltaïque composé de couches minces multicouches déposées sur du verre ou d'autres substrats bon marché. Sa structure est: lumière & rarr; électrode en grille métallique/film antireflet/couche de fenêtre (ZnO) /couche de transition (CDS) /couche d'absorption de la lumière (CLS) /électrode arrière métallique (MO)/substrat.

Tellurure de cadmium: CdTe a une bande interdite directe de 1,5ev, sa réponse spectrale est très cohérente avec le spectre solaire et a un coefficient d'absorption élevé dans la bande visible, 1 μm d'épaisseur peut absorber 90% de la lumière visible. CdTe est un composé de Ⅱ. Étant donné que le film CdTe a une structure de bande interdite directe et que son coefficient d'absorption optique est très important, le besoin de longueur de diffusion du matériau est réduit. Le matériau semi-conducteur à couche mince avec CdTe comme absorbeur forme une cellule solaire à hétérojonction avec des CD à couche de fenêtre. Sa structure est: light & rarr; film antireflet (MgF) )/Substrat de verre/électrode transparente (SnO : F) /couche de fenêtre (CDS) /couche d'absorption (CdTe) /couche de transition de contact ohmique/électrode arrière métallique. Les méthodes de préparation comprennent la sublimation, la MOCVD, la CVD, l'électrodéposition, la sérigraphie, l'évaporation sous vide et l'épitaxie de la couche atomique. Des cellules solaires à couche mince CdTe avec une efficacité de conversion supérieure à 10% ont été fabriquées selon diverses méthodes. Parmi eux, l'efficacité de la batterie déposée à la jonction CdS / CdTe est de 16,5%.

Arséniure de gallium: le matériau de la batterie a une bande interdite modérée, une résistance aux rayonnements et des performances à haute température plus fortes que le silicium. Les cellules solaires peuvent obtenir une efficacité plus élevée. L'efficacité maximale en laboratoire a atteint plus de 24%, et l'efficacité des cellules solaires aérospatiales générales est également comprise entre 18% ~ 19,5%. L'efficacité des cellules à jonction unique cultivées sur un seul substrat est de 36% de l'efficacité théorique de GaInP   /Cellules en cascade GaAs. Cellules solaires stratifiées d'une superficie de 4m ²Et une efficacité de conversion de 30,28% ont été fabriquées en laboratoire. À l'heure actuelle, les cellules solaires GaAs sont principalement préparées par épitaxie en phase liquide ou technologie de dépôt chimique en phase organique métallique, de sorte que le coût est élevé et le rendement est limité. La réduction des coûts et l'amélioration de l'efficacité de la production sont devenues l'objet de la recherche. À l'heure actuelle, les cellules solaires GaAs sont principalement utilisées dans les engins spatiaux.

(2) cellule de lumière solaire semi-conductrice organique à couche mince

Les semi-conducteurs organiques ont de nombreuses propriétés spéciales et peuvent être utilisés pour fabriquer de nombreux dispositifs à semi-conducteurs à couche mince, tels que les transistors à effet de champ, les modulateurs électro-optiques à effet de champ, les diodes électroluminescentes, les dispositifs photovoltaïques, etc. Les semi-conducteurs organiques absorbent les photons pour produire des paires de trous d'électrons avec une énergie de liaison de 0,2 à 1,0ev, qui est la frontière entre les matériaux semi-conducteurs de type p et les matériaux semi-conducteurs de type n. La dissociation des paires de trous d'électrons conduit à une séparation de charge efficace et forme ce que l'on appelle communément les cellules solaires à hétérojonction. Les semi-conducteurs organiques utilisés dans les dispositifs photovoltaïques sont grossièrement divisés en semi-conducteurs organiques moléculaires et semi-conducteurs organiques polymères. Plus tard, des cellules solaires à hétérojonction semi-conducteurs organiques à double couche sont apparues. Les semi-conducteurs organiques peuvent être divisés en cristaux solubles, insolubles et liquides en fonction de leurs propriétés chimiques; Parfois, il est également divisé en colorants, pigments et polymères selon les monomères. Pour le dopage des semi-conducteurs organiques, d'autres molécules et atomes peuvent être introduits, ou ils peuvent être oxydés par une méthode électrochimique. Les impuretés qui peuvent le rendre de type P incluent Cl , Br , Je , NON , Tcnqcn-ppv, etc.; Le dopage du métal alcalin peut le rendre de type n.

(3) Teinture sensible nano couche mince cellule de lumière solaire

La batterie nano-couche mince sensibilisée à la teinture est une batterie inventée par le Dr Michel Graetzel de l'Institut fédéral suisse de technologie. Les cellules solaires nano-chimiques (cellules NPC en abrégé) sont formées en modifiant et en assemblant un matériau semi-conducteur à bande interdite étroite sur un autre matériau semi-conducteur à grand espace d'énergie. Le matériau semi-conducteur à bande interdite étroite adopte des colorants sensibilisés au métal de transition Ru et au composé organique. Le matériau semi-conducteur à grand écart d'énergie est un produit nano multi TiO   Et transformé en électrodes. De plus, les cellules NPC sélectionnent également les électrolytes redox appropriés. Principe de fonctionnement de TiO nano polycristallin : Les molécules de colorant absorbent l'énergie solaire et passent à l'état excité. L'état excité est instable. Les électrons sont rapidement injectés dans le TiO adjacent   Bande de conduction. Les électrons perdus dans le colorant sont rapidement compensés à partir de l'électrolyte. Les électrons entrant dans le TiO   La bande de conduction pénètre enfin dans le film conducteur, puis génère du photocourant à travers le circuit externe. C'est un nouveau type de cellule avec un film poreux de dioxyde de titane nano sensibilisé par des colorants photosensibles, ce qui améliore considérablement l'efficacité des cellules photoélectrochimiques. Cette cellule a une efficacité stable à l'extérieur. En 1998, l'efficacité des cellules de petite surface de l'Académie fédérale suisse des sciences était de 12%. Des essais pilotes ont été effectués dans certains pays. L'efficacité spécifique de la batterie est de 30cm de l'Allemagne INAP ×6% à 30cm; 10cm de st australien ×20cm est 5%. Le projet chinois de recherche sur les cellules solaires nano couche mince sensibilisées aux colorants de grande surface avec l'Institut de physique des plasmas de l'Académie chinoise des sciences, en tant que principale unité d'entreprise, a construit une petite centrale électrique de démonstration d'une échelle de 500W, faire de la Chine un leader mondial dans certains aspects de ce domaine de recherche.

Le silicium amorphe est la première batterie commerciale à couche mince. Silicium amorphe typique (   Α -Si) les cellules solaires déposent un film conducteur transparent (TCO) sur un substrat de verre, et trois couches de type P, de type I et de type N sont déposées par réaction de plasma   Α -Si, puis évaporer l'électrode métallique Al / Ti dessus. La lumière provient de la couche de verre et le courant de la batterie est conduit à travers le film conducteur transparent et l'électrode métallique Al / Ti. Sa structure est en verre/TCO/I-N/Al / Ti, et le substrat peut également adopter un film plastique, une feuille d'acier inoxydable, etc. Après une grande quantité d'hydrogène (10%) est introduite dans le silicium amorphe, la bande interdite augmente de 1,1 eV à 1,7 eV, qui a une forte absorption de la lumière. De plus, une "couche intrinsèque" épaisse est ajoutée entre la couche p et la couche N plus minces pour former une structure p1n. Une couche avec moins de défauts d'impureté est utilisée comme couche d'absorption principale pour former un champ électrique dans la région de génération de supports photogénérés, ce qui améliore l'effet de collecte des porteurs. Afin de réduire la perte causée par la grande résistance transversale de la couche supérieure fine dopée, l'électrode supérieure de la batterie adopte un film conducteur transparent. De plus, la transmission de la lumière améliorée de texture est préparée sur le film conducteur transparent. À l'heure actuelle, les matériaux conducteurs transparents les plus utilisés sont SnO   Et ITO (mélange de Dans O   Et SnO ) Et le Zao (oxyde de zinc dopé à l'aluminium) est considéré comme un nouvel excellent matériau conducteur transparent. En raison de la large distribution d'énergie de la lumière du soleil, les matériaux semi-conducteurs ne peuvent absorber que des photons avec une énergie supérieure à sa valeur de l'écart d'énergie, et les photons restants seront convertis en énergie thermique, mais ne peuvent pas être transférés à la charge via des supports photogénérés pour les convertir en énergie électrique. Par conséquent, pour les cellules solaires à jonction unique, même si elles sont constituées de matériaux de produits, la limite théorique d'efficacité de conversion n'est que d'environ 29%. Dans le passé, les cellules en silicium non standard étaient principalement sous la forme de cellules à jonction unique. Plus tard, des cellules empilées à double jonction ont été développées, qui peuvent collecter plus efficacement les porteurs photogénérés. BP solaire utilise l'alliage SiGe comme matériau de la batterie inférieure. Parce que la bande interdite de l'alliage SiGe est étroite, elle améliore la réponse spectrale de la batterie en tant que matériau de la batterie inférieure. Beckert utilise du silicium amorphe avec un contenu de Ge différent pour fabriquer une batterie de la série à trois jonctions avec deux batteries de fond, créant ainsi la plus haute efficacité stable du module de batterie en silicium amorphe de 6,3%. Parmi les cellules solaires à couche mince, les cellules en silicium non standard ont été commercialisées et utilisées pour la première fois par Sanyo Electric Company en 1980   Α -Si La calculatrice de poche faite de cellules solaires Si a été industrialisée en 1981, Α -Si Le volume annuel des ventes de cellules Si représentait autrefois 40% du volume des ventes photovoltaïques dans le monde. Avec l'amélioration continue des performances et du coût des cellules en silicium non standard, leurs domaines d'application se développent également, des calculatrices à divers produits de consommation et autres domaines, tels que les radios solaires, les lampadaires, les stations relais micro-ondes, les lampes de signalisation de passage de la circulation, la surveillance météorologique, les pompes à eau photovoltaïques, alimentation électrique indépendante de ménage, Production d'électricité connectée au réseau, etc. Cette partie sera discutée en détail dans les chapitres suivants.

(5) cellule de lumière solaire à couche mince de silicium polycristallin

Les travaux de recherche sur la batterie à couche mince en silicium polycristallin ont commencé dans les années 1970, qui était antérieure à celle de la batterie à couche mince en silicium amorphe. Cependant, à cette époque, les gens se concentraient principalement sur la batterie à couche mince en silicium amorphe. Après les travaux de recherche de la batterie à couche mince de silicium amorphe ont rencontré des problèmes difficiles, les gens ont naturellement commencé à prêter attention à la batterie à couche mince de silicium polycristallin. Étant donné que les cellules à couche mince en silicium polycristallin utilisent beaucoup moins de matériaux en silicium que les cellules en silicium monocristallin, il n'y a pas de problème de photoatténuation des cellules à couche mince en silicium amorphe, et il est possible de les préparer sur des substrats bon marché. Le coût attendu est bien inférieur à celui des cellules en silicium monocristallin. Les gens espèrent réduire le coût des modules de cellules solaires à environ 1 $/W. La batterie à couche mince en silicium polycristallin peut également être utilisée comme batterie inférieure de la batterie de jonction de série en silicium amorphe, ce qui peut améliorer la réponse spectrale et la durée de vie de la batterie. Par conséquent, il s'est développé rapidement depuis 1987. Maintenant, les performances photoélectriques de la batterie à couche mince de silicium polycristallin sont stables et l'efficacité maximale du laboratoire de la société Astropower a atteint 16%. Actuellement, les cellules à couche mince de silicium polycristallin sont préparées par dépôt chimique en phase vapeur, y compris le dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (LPCVD) et le dépôt chimique en phase vapeur amélioré par plasma (PECVD). En outre,L'épitaxie en phase liquide (LPE) et le dépôt par pulvérisation peuvent également être utilisés pour préparer des cellules à couche mince de silicium polycristallin. La technologie de croissance LPE a été largement utilisée dans les hétérostructures semi-conductrices de haute qualité et composées, telles que GaAs, AlGaAs, SiGe et SiGe. Son principe est de réduire la température et de précipiter des films de silicium en faisant fondre du silicium dans la matrice. L'efficacité de la batterie préparée par Astro power avec PE peut atteindre 12,2%. Chen Zheliang, du centre de technologie de développement photoélectrique de Chine, a utilisé l'épitaxie en phase liquide pour faire pousser des grains de silicium sur des plaquettes de silicium de qualité métallurgique et a conçu une nouvelle cellule solaire similaire aux cellules solaires à couche mince de silicium cristallin, appelées cellules solaires à «grain de silicium».

À l'heure actuelle, le soi-disant centre de recherche sur les cellules solaires de troisième génération de l'Université de Nouvelle-Galles du Sud, dirigé par le professeur Martin Green, mène activement des recherches théoriques et des expériences scientifiques sur l'ultra-haute efficacité ( >50%) des cellules solaires, en se concentrant sur la façon de collecter complètement les porteurs de la transition de la bande de valence vers la bande de conduction élevée. À l'heure actuelle, les batteries étudiées et testées comprennent principalement des cellules super-réseaux, des cellules «porteurs chauds», de nouvelles cellules «stratifiées» et des cellules «photovoltaïques thermiques».

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