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Características e classificação de luz de rua-células solares

2021-08-09 14:30:13

Características das células solares de luz de rua

A geração de energia solar fotovoltaica tem muitas vantagens, que são muito necessárias na energia futura. ① Não é limitado por região e pode gerar eletricidade quando há luz do sol; O processo de geração de energia é um processo físico simples, sem qualquer gás residual e descarga de resíduos, e basicamente não tem impacto no meio ambiente; Static operação de células solares, sem peças em execução, sem desgaste, Alta confiabilidade e sem ruído;-A energia geradora é determinada pela célula solar e pode ser montada em qualquer tamanho de acordo com a energia necessária; A informação não é apenas fácil de ser usada como uma fonte de energia independente, mas também em rede com outras fontes de energia; revida de serviço longa (Até mais de 20 anos); A célula solar tem as vantagens de leve, desempenho estável e alta sensibilidade; A vida do sol atinge 6 bilhões de anos, então a geração de energia solar é relativamente ilimitada. É uma tecnologia de energia geral, que pode ser usada em muitos campos grandes ou pequenos, pode ser usada em qualquer lugar com a luz do sol, pode ser instalada na superfície de qualquer objeto e também pode ser integrada na estrutura do edifício. É fácil realizar automação não tripulada e completa. Por causa dessas características, as células solares são amplamente utilizadas na tecnologia espacial em vários países. A energia renovável é principalmente bioenergia, e a energia solar é responsável por uma pequena proporção. No entanto, até 2050, a proporção de energia convencional e energia nuclear cairá para 47% e a de energia renovável aumentará para 53%. Entre as fontes de energia renováveis, a energia solar (incluindo a utilização de energia solar térmica e geração de energia solar) ocupará o primeiro lugar, respondendo por 29% da energia total. Em particular, a geração de energia solar sozinha é responsável por 25% da energia total.

Características e classificação de luz de rua-células solares 1

Classificação de células de luz solar

Em todo o processo de desenvolvimento de células solares, as pessoas desenvolveram células com diferentes estruturas e materiais. Em termos de estrutura, inclui principalmente bateria de junção PN homogênea, bateria Schottky (MS), bateria MIS, bateria MINP e bateria de heterojunção, entre as quais a bateria de junção PN homogênea desempenha um papel de liderança do início ao fim; Em termos de materiais, existem principalmente células solares de silício, Células solares de filme fino composto, células solares de filme fino semicondutor orgânico, células solares químicas nanocristalinas, etc; Do aspecto das características da forma do material, pode ser dividido em materiais a granel e materiais de filme fino.

Célula solar de silício cristalino para luzes ao ar livre

As células solares de silício cristalino são divididas em células solares de silício monocristalino e células solares de silício policristalino.

A célula solar de silício monocristalino é a célula solar com a maior eficiência de conversão e a tecnologia mais madura. Isso ocorre porque o material de silício monocristalino e sua tecnologia de processamento relacionada são maduros e estáveis, a estrutura de silício monocristalino é uniforme, o conteúdo de impurezas e defeitos é pequeno e a eficiência de conversão da bateria é alta. A fim de produzir baixa resistência de contato, a área de superfície da bateria requer dopagem pesada, e alta concentração de impureza aumentará a taxa de recombinação de portadores minoritários nesta área e tornará a vida portadora minoritária desta camada muito baixa, por isso é chamada de "camada morta". Esta área é a área de absorção de luz mais forte. A luz roxa e azul é absorvida principalmente aqui. Geralmente, a espessura de N   Camada de célula solar diluída é de 0,1 ~ 0,2 μm. Ou seja, a tecnologia de "junção rasa" é adotada e a concentração de fósforo da superfície é controlada abaixo do valor limite da solubilidade sólida. Desta forma, a célula solar pode superar a influência da "camada morta" e melhorar a resposta da luz roxa azul e a eficiência de conversão da célula. Esse tipo de célula é chamado de "célula roxa".

Além disso, um gradiente de concentração da mesma impureza é estabelecido entre o substrato da bateria e o eletrodo inferior para preparar um p P   Ou N-N   Junção alta-baixa para formar um campo elétrico traseiro, que pode melhorar a coleta eficaz de portadores, melhorar a resposta de ondas longas das células solares e melhorar a corrente de curto-circuito e a tensão de circuito aberto. Esta célula é chamada de "bateria de campo traseiro". Na década de 1980, o grupo verde desenvolveu a "bateria ranhurada" integrando as tecnologias acima. Comparado com o método de impressão, a eficiência da bateria é melhorada em 10% ~ 15%. Desde a década de 1980, a tecnologia de passivação de superfície foi desenvolvida. A partir da fina camada de óxido ( <10nm) da bateria PESC para a camada de óxido espesso (cerca de 110m) de perc e bateria Perl, a tecnologia de passivação da superfície de oxidação térmica pode reduzir a densidade da superfície dos estados para 10 10   /Cm ²Abaixo, a velocidade de recombinação da superfície é reduzida para menos de 100 cm/s. O uso de várias tecnologias melhorou a eficiência de conversão de células de silício monocristalino para 24,7%, e os especialistas prevêem que a eficiência final das células de silício monocristalino é de 29%. A fim de reduzir o custo da bateria, enquanto melhora a eficiência de conversão, as pessoas estão explorando para reduzir a espessura da bateria, ou seja, para obter uma folha fina.

As células solares de silício policristalino geralmente usam materiais de silício policristalino especialmente produzidos para o uso de células solares. Atualmente, o método de fabricação de polissilício mais amplamente utilizado é o método de fundição, também conhecido como método de fundição. As células solares de silício policristalino geralmente usam silício policristalino semicondutor de baixo grau, e a maioria dos chips de silício policristalino são cortados de lingotes de silício controlados ou fundidos. O lingote de silício policristalino é feito de silício defeituoso, cristal único secundário residual e pó de silício de grau metalúrgico na indústria de semicondutores. Atualmente, com o desenvolvimento explosivo da produção de células solares, as matérias-primas acima não podem mais atender às necessidades da indústria de células solares. Agora, uma indústria de produção com células solares de polissilício como alvo está sendo formada, o que será descrito mais tarde.

A fim de reduzir a perda de corte de wafer de silício, a bolacha de silício policristalino necessária para as células solares é preparada diretamente do silício fundido. As células preparadas por este método são geralmente chamadas de silício com células de silício. Existem dois métodos para preparar o silício: um é chamado de EFG "método de alimentação de filme de borda fixa", que é cultivar tubos de polissilício octaédrico em aplicações industriais e, em seguida, cortar cada lado em wafers de silício; O outro é chamado de "método de cristalização com membranas", que é adotado pela energia solar perene. O método é limitar o silício fundido com uma haste de carbono fina e retirá-lo da poça fundida. O líquido de silício limitado nas duas hastes finas é resfriado e solidificado para formar uma correia de silício. Em comparação com as células solares de silício monocristalino, as células solares de silício policristalino têm menor custo e a eficiência de conversão está próxima das células solares de silício monocristalino. Portanto, as células de silício policristalino de alta eficiência desenvolveram-se rapidamente nos últimos anos, entre as quais as células de tecnologia da Geogia, células UNSW, células Kyocera, etc. Entre as células solares produzidas nos últimos anos, as células solares de silício policristalino representam 52% mais do que o silício monocristalino. É um dos principais produtos das células solares. No entanto, em comparação com os preços de energia existentes, as células solares de silício cristalino não podem ser amplamente comercializadas porque o custo de geração de energia ainda é muito alto.

Célula de luz solar de filme fino

As células solares de filme fino podem ser divididas nas seguintes categorias de acordo com os materiais para a preparação de células solares.

(1) célula de luz solar de filme fino composto multicomponente

Selênio de índio de cobre:  Cuesse 'Da   Tem um gap de 1,53ev e é considerado um material fotovoltaico ideal. Ele pode formar o tipo p e o tipo n com alta condutividade apenas introduzindo seus próprios defeitos, o que reduz os requisitos da célula para o tamanho do grão, conteúdo de impureza e defeitos, e a eficiência da célula atingiu 15,4%. O gap da banda pode ser aumentado adicionando uma quantidade apropriada de GA, A1 ou s, que pode ser usada para fazer baterias de junção única ou laminadas de alta eficiência.  CulnSe 'Da É um ternário I Ⅲ-  Ⅵ 'Da   Semicondutor composto. É um material semicondutor de gap direto com uma taxa de absorção de 105 / cm. A afinidade eletrônica de CulnSe 'Da É 4.58ev, o que é muito diferente do dos CDs (4.50ev) (0.08eV), o que faz com que a heterojunção formada por eles não tenha pico de banda de condução e reduza a barreira potencial dos portadores fotogerados.  CulnSe 'Da   Processo de crescimento de filme: método de evaporação a vácuo, método de tratamento de selênio de filme de liga de cu-1n (incluindo método de eletrodeposição e método de redução térmica química), método de transporte em fase de gás em espaço fechado (CCVT), método de pirólise por pulverização, método de emissão de radiofrequência, Etc. A célula solar CIS é um dispositivo fotovoltaico composto de filmes finos multicamadas depositados em vidro ou outros substratos baratos. Sua estrutura é: light & rarr; eletrodo de grade de metal/filme anti-reflexo/camada de janela (ZnO) /camada de transição (CDS) /camada de absorção de luz (CLS) /eletrodo traseiro de metal (MO) /substrato.

Telureto de cádmio: CdTe tem um gap direto de 1,5ev, sua resposta espectral é muito consistente com o espectro solar e tem um alto coeficiente de absorção na banda visível, 1 μm de espessura pode absorver 90% da luz visível. CdTe é um composto de Nova CdTe. Como o filme CdTe tem uma estrutura de gap de banda direta e seu coeficiente de absorção óptica é muito grande, a exigência de comprimento de difusão do material é reduzida. O material semicondutor de filme fino com CdTe como absorvedor forma uma célula solar de heterojunção com CDs de camada de janela. Sua estrutura é: light & rarr; filme anti-reflexo (MgF 'Da )/Substrato de vidro/eletrodo transparente (SnO 'Da : F) /camada de janela (CDS) /camada de absorção (CdTe) /camada de transição de contato ôhmico/eletrodo traseiro de metal. Os métodos de preparação incluem sublimação, MOCVD, CVD, eletrodeposição, serigrafia, evaporação a vácuo e epitaxia da camada atômica. CdTe células solares de película fina com eficiência de conversão de mais de 10% foram feitas em vários métodos. Entre eles, a eficiência da bateria depositada com a junção CdS / CdTe é de 16,5%.

Arsenieto de gálio: o material da bateria tem gap moderado e resistência à radiação mais forte e desempenho de alta temperatura do que o silício. As células solares podem obter maior eficiência. A eficiência máxima no laboratório atingiu mais de 24%, e a eficiência das células solares aeroespaciais gerais também está entre 18% ~ 19,5%. A eficiência das células de junção única cultivadas em substrato único é 36% da eficiência teórica do GaInP 'Da   /Células em cascata GaAs. Células solares laminadas com uma área de 4m ²E uma eficiência de conversão de 30,28% foram fabricadas em laboratório. Atualmente, as células solares GaAs são preparadas principalmente por epitaxia em fase líquida ou tecnologia de deposição de vapor químico orgânico de metal, portanto, o custo é alto e a saída é limitada. Reduzir o custo e melhorar a eficiência da produção tornaram-se o foco da pesquisa. Atualmente, as células solares GaAs são usadas principalmente em espaçonaves.

(2) célula de luz solar de película fina semicondutor orgânico

Os semicondutores orgânicos têm muitas propriedades especiais e podem ser usados para fabricar muitos dispositivos semicondutores de filme fino, como transistores de efeito de campo, moduladores eletro-ópticos de efeito de campo, diodos emissores de luz, dispositivos fotovoltaicos e assim por diante. Semicondutores orgânicos absorvem fótons para produzir pares de orifícios de elétrons com energia de ligação de 0,2 ~ 1,0ev, que é a fronteira entre materiais semicondutores do tipo p e materiais semicondutores do tipo n. A dissociação de pares de buracos de elétrons leva a uma separação eficiente de carga e forma o que é comumente conhecido como células solares de heterojunção. Os semicondutores orgânicos usados em dispositivos fotovoltaicos são aproximadamente divididos em semicondutores orgânicos moleculares e semicondutores orgânicos de polímero. Mais tarde, células solares de heterojunção de semicondutores orgânicos de camada dupla apareceram. Os semicondutores orgânicos podem ser divididos em cristal solúvel, insolúvel e líquido de acordo com suas propriedades químicas; Às vezes, também é dividido em corantes, pigmentos e polímeros de acordo com os monômeros. Para a dopagem de semicondutores orgânicos, outras moléculas e átomos podem ser introduzidos, ou podem ser oxidados pelo método eletroquímico. As impurezas que podem torná-lo tipo P incluem Cl 'Da , Br 'Da , Eu 'Da , NÃO 'Da , Tcnqcn-ppv, etc; O metal alcalino doping pode torná-lo do tipo n.

(3) corante sensibilizado nano película fina célula de luz solar

A bateria de película nano fina sensibilizada com tinta é uma bateria inventada pelo Dr. Michel Graetzel, do Instituto Federal Suíço de Tecnologia. Nano células solares químicas (células NPC para abreviar) são formadas pela modificação e montagem de um material semicondutor de gap de banda estreita em outro material semicondutor de grande lacuna de energia. O material semicondutor de gap estreito adota metal de transição Ru e corantes sensibilizados compostos orgânicos. O material semicondutor de grande lacuna de energia é nano multi produto TiO 'Da   E transformado em eletrodos. Além disso, as células NPC também selecionam eletrólitos redox apropriados. Princípio de funcionamento do nano policristalino TiO 'Da : As moléculas de corante absorvem a energia solar e fazem a transição para o estado excitado. O estado excitado é instável. Os elétrons são rapidamente injetados no TiO adjacente 'Da   Banda de condução. Os elétrons perdidos no corante são rapidamente compensados pelo eletrólito. Os elétrons entrando no TiO 'Da   A banda de condução finalmente entra no filme condutor e, em seguida, gera fotocorrente através do circuito externo. É um novo tipo de célula com filme poroso de dióxido de titânio nano sensibilizado por corantes fotossensíveis, o que melhora muito a eficiência das células fotoeletroquímicas. Esta célula tem eficiência estável ao ar livre. Em 1998, a eficiência das células de pequenas áreas da Academia Federal de Ciências da Suíça era de 12%. Testes piloto foram realizados em alguns países. A eficiência específica da bateria é de 30cm da Alemanha INAP ×6% a 30cm; 10cm de st australiano ×20cm é 5%. Projeto de pesquisa de células solares de película fina nano sensibilizada por corante de grande área da China com o Instituto de física de plasma da Academia Chinesa de Ciências, já que a principal unidade de empreendimento construiu uma pequena estação de energia de demonstração com uma escala de matriz de 500W, tornando a China líder mundial em alguns aspectos deste campo de pesquisa.

O silício amorfo é a primeira bateria comercial de filme fino. Silício amorfo típico (   Α -Si) células solares depositam filme condutor transparente (TCO) no substrato de vidro, e três camadas do tipo P, tipo I e tipo N são depositadas por reação de plasma   Α -Si, e depois evaporar o eletrodo de metal Al / Ti nele. A luz é incidente a partir da camada de vidro, e a corrente da bateria é conduzida para fora através do filme condutor transparente e eletrodo de metal Al / Ti. Sua estrutura é de vidro/TCO/p-I-N / Al / Ti, e o substrato também pode adotar filme plástico, chapa de aço inoxidável, etc. Depois que uma grande quantidade de hidrogênio (10%) é introduzida no silício amorfo, o gap de banda aumenta de 1.1eV para 1.7eV, que tem forte absorção de luz. Além disso, uma espessa "camada intrínseca" é adicionada entre a camada p mais fina e a camada N para formar uma estrutura p1n. Uma camada com menos defeitos de impureza é usada como a principal camada de absorção para formar um campo elétrico na região de geração de portadores fotogerados, o que aumenta o efeito de coleta de portadores. A fim de reduzir a perda causada pela grande resistência transversal da camada dopada fina superior, o eletrodo superior da bateria adota um filme condutor transparente. Além disso, a transmissão de luz aprimorada com textura é preparada no filme condutor transparente. Atualmente, os materiais condutores transparentes mais usados são SnO 'Da   E ITO (mistura de In 'Da O   E SnO 'Da ), E Zao (óxido de zinco dopado com alumínio) é considerado um novo material condutor transparente excelente. Devido à ampla distribuição de energia da luz solar, os materiais semicondutores só podem absorver fótons com energia superior ao seu valor de lacuna de energia, e os fótons restantes serão convertidos em energia térmica, mas não podem ser transferidos para a carga através de portadores fotogerados para converter em energia elétrica eficaz. Portanto, para células solares de junção única, mesmo que sejam feitas de materiais de produto, o limite teórico de eficiência de conversão é de apenas cerca de 29%. No passado, as células de silício não padronizadas estavam principalmente na forma de células de junção única. Posteriormente, foram desenvolvidas células empilhadas de dupla junção, que podem coletar portadores fotogerados de forma mais eficaz. A BP solar usa liga SiGe como material da bateria inferior. Como o gap da liga SiGe é estreito, ele aumenta a resposta espectral da bateria como o material da bateria inferior. Beckert usa silício amorfo com conteúdo Ge diferente para fazer uma bateria de três séries de junções com duas baterias de fundo, criando a maior eficiência estável do módulo de bateria de silício amorfo de 6,3%. Entre as células solares de filme fino, as células de silício não padrão foram comercializadas e usadas pela Sanyo Electric Company em 1980   Α -Si A calculadora de bolso feita de células solares Si foi industrializada em 1981, Α -Si O volume anual de vendas de células Si já foi responsável por 40% do volume de vendas fotovoltaicas do mundo. Com a melhoria contínua do desempenho e custo de células de silício não padronizadas, seus campos de aplicação também estão se expandindo, de calculadoras a vários produtos de consumo e outros campos, como rádios solares, lâmpadas de rua, estações de transmissão de microondas, lâmpadas de sinal de cruzamento de tráfego, monitoramento meteorológico, bombas de água fotovoltaicas, fonte de alimentação independente do agregado familiar, Geração de energia conectada à rede, etc. Esta parte será discutida em detalhes nos capítulos seguintes.

(5) célula de luz solar de filme fino de silício policristalino

O trabalho de pesquisa da bateria de filme fino de silício policristalino começou na década de 1970, que foi anterior ao da bateria de filme fino de silício amorfo. No entanto, naquela época, as pessoas se concentravam principalmente na bateria de filme fino de silício amorfo. Após o trabalho de pesquisa da bateria de filme fino de silício amorfo encontrou problemas difíceis, as pessoas naturalmente começaram a prestar atenção à bateria de filme fino de silício policristalino. Uma vez que as células de película fina de silício policristalino usam muito menos materiais de silício do que as células de silício monocristalino, não há problema de fotoatenuação de células de película fina de silício amorfo, e é possível prepará-las em substratos baratos. O custo esperado é muito menor do que as células de silício monocristalino. As pessoas esperam reduzir o custo dos módulos de células solares para cerca de US $1 / W. A bateria de filme fino de silício policristalino também pode ser usada como a bateria inferior da bateria de junção da série de silício amorfo, que pode melhorar a resposta espectral e a vida útil da bateria. Portanto, desenvolveu-se rapidamente desde 1987. Agora, o desempenho fotoelétrico da bateria de filme fino de silício policristalino é estável, e a eficiência laboratorial máxima da empresa Astropower atingiu 16%. Atualmente, as células de película fina de silício policristalino são preparadas por deposição química de vapor, incluindo deposição química de vapor de baixa pressão (LPCVD) e deposição de vapor químico aprimorada por plasma (PECVD). Além disso,A epitaxia em fase líquida (LPE) e a deposição de pulverização catódica também podem ser usadas para preparar células de película fina de silício policristalino. A tecnologia de crescimento LPE tem sido amplamente utilizada em heteroestruturas de semicondutores compostos e de alta qualidade, como GaAs, AlGaAs, SiGe e SiGe. Seu princípio é reduzir a temperatura e precipitar os filmes de silício derretendo o silício na matriz. A eficiência da bateria preparada pela potência Astro com PE pode chegar a 12,2%. Chen Zheliang, do centro de tecnologia de desenvolvimento fotoelétrico da China, usou epitaxia de fase líquida para cultivar grãos de silício em wafers de silício de grau metalúrgico e projetou uma nova célula solar semelhante às células solares de filme fino de silício cristalino, chamadas de células solares de "grão de silício".

Atualmente, o chamado centro de pesquisa de células solares de terceira geração da Universidade de New South Wales, liderado pelo professor Martin Green, está realizando ativamente pesquisas teóricas e experimentos científicos sobre eficiência ultra-alta ( >50%) células solares, com foco em como coletar totalmente os portadores da transição da banda de valência para a banda de alta condução. Atualmente, as baterias estudadas e testadas incluem principalmente células de superrede, células "portadoras quentes", novas células "laminadas" e células "fotovoltaicas térmicas".

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