Гибкие солнечные батареи: виды и свойства

Тем, кто хочет обзавестись собственной солнечной электростанцией, сначала необходимо определиться с мощностью панелей, их количеством и видом. На рынке продукции фотоэлементов представлено несколько вариантов солнечных батарей. Они отличаются между собой стоимостью, способом производства и техническими характеристиками. Что представляют из себя гибкие панели? Чем они отличаются от кремниевых и какие могут дать преимущества?

Содержание статьи

Строение и принципы работы гибких панелей

Принцип работы гибких солнечных панелей заложен в таком понятии, как фотовольтаика. Суть ее заключается в том, что солнечный свет распознается как волна и как поток фотонов и в дальнейшем преобразовании его в энергию. От этого и пошло такое название. Ток вырабатывается при помощи 2-х типов материалов, которые заложены в фотоэлемент модуля в виде слоев. Один полупроводник направлен на создание свободных электронов n-типа, а второй p-типа. В результате хаотичного движения и особого строения атомов они образуют энергию, которая далее перерабатывается в привычное для всех электричество с напряжением 220В.

Сегодня инженеры пытаются не только найти идеальную формулу производства солнечных батарей – с низкой себестоимостью и высоким уровнем эффективности, но и сделать солнечные панели максимально удобными для эксплуатации. Одним из таких решений стало облегчение конструкции, поэтому на смену пришли гибкие модули.

Принцип работы шибких солнечных панелей

Гибкие панели с каждым днем набирают популярность. Они отличаются не только ценой, но и принципом работы:

• Сначала солнечный свет попадает на поверхность фотопленки со стороны того материала, где находятся электроны n-типа.
• Фотоны соединяются с атомами полупроводника и выводят лишние электроны.
• Оставшиеся свободные частицы направляются к слою р-типа и соединяются с теми атомами, где недостает р-частиц.
• Как результат, возникает напряжение, где верхний слой – это катод, а нижний – это анод.

Заряженные частицы попадают в аккумулятор, где они сохраняются и накапливаются, а после переходят в инвертор, который при определенном объеме накопленных электронов выдает ток с напряжением 220В.

Полупроводником могут выступать кремний, селен, галлий и прочие. Главным отличием гибкого модуля является его сверхтонкое напыление с алюминиевыми проводниками, что делает панели легкими и удобными в эксплуатации, а также размещении. Сейчас от тяжелых и громоздких батарей потребители все чаще стали отказываться в пользу гибких панелей.

Преимущества и недостатки гибких батарей

Что нового мы можем получить от гибких панелей? Какими преимуществами они наделены перед другими солнечными батареями?

• Вес и размер. Такой вид батарей отличается легкостью и компактностью. Это особенно важно для тех, кто не располагает лишней площадью. К примеру, для размещения тяжелых стандартных панелей на крыше иногда приходится усиливать конструкцию здания, а с гибкими модулями в этом нет необходимости.
• Экологичность. Для некоторых покупателей этот показатель является одним из главных, особенно если солнечные батареи используются на даче, в загородном доме, где важно сохранить чистоту окружающей среды. Работа гибких модулей не отражается на состоянии воздуха.
• Производительность. Эффективность батарей несмотря на их нестандартное воплощение достаточно высокая. Конечно, они не смогут перебить по выработке монокристаллические, но гибкие кремниевые панели также не в отстающих. Показатель КПД при соблюдении всех правил эксплуатации может доходить до 18%.
• Универсальность. Полупроводниковые гибкие батареи более устойчивы к температурным изменениям, и погодные условия меньше отражаются на их продуктивности.
• Простота. Вы сможете самостоятельно подключить и использовать гибкие панели для личных или промышленных нужд. Они отличаются простотой эксплуатации.

Большинство потребителей делают выбор в пользу гибких солнечных панелей ввиду их экономичности и экологичности. Используя такой вид альтернативной энергии, вы не наносите ущерба атмосфере.

Но, как и у любого устройства, здесь не может не быть недостатков. Гибкие панели не пользуются такой популярностью, как кремниевые пластины, и это может быть связано со следующими причинами:

• Показатель КПД здесь существенно ниже, и чтобы обеспечить весь дом электроэнергией, придется закупить больше конструкцией с высокой мощностью.
• Минимальный слой напыления и тонкая фольга не смогут прослужить 20, 30, а то и 40 лет, как это удается кремниевым кристаллическим батареям.
• Гарантийный срок эксплуатации от производителя составляет всего 3 года.
• Уже после 5 лет некоторые фотоэлементы могут приходить в непригодность.

Гибкие панели – это новый вид технологий в мире солнечных электростанций. Они еще не достигли пика своих возможностей, и инженеры каждый день работают над их усовершенствованием. Как и любые другие панели, они отличаются высокой стоимостью и длительным сроком окупаемости. Поэтому в большинстве случаев их используют в качестве дополнительного источника питания.

Область применения

Область применения гибких солнечных панелей достаточно широка. Они использовались еще несколько десятков лет назад в космических целях, а сегодня наиболее часто применяются для домашнего и промышленного получения электроэнергии, а также в электронике и автомобилестроении. Гибкие панели также можно встретить у туристов, которые путешествуют и снабжают себя электричеством в любом уголке земного шара. В этих целях гибкие панели представлены в виде портативных устройств.

Недавно конструкторами была разработана и воплощена идея, где дорожное полотно стало основой для работы гибких панелей. То есть теперь можно обеспечить электроэнергией окрестности, где всегда происходят перебои с электропитанием. При реализации такого решения использовались специальные элементы, которые позволили защитить панели от сильных ударов и нагрузок.

Особенности установки

Ввиду несложности конструкции гибких панелей их можно установить самостоятельно. Монтаж можно производить на крыше дома, на крыше любого другого здания, на южную сторону фасада дома, на специально установленные конструкции на земле, другой вариант или комбинированная схема. Из всех вариантов наиболее подходящее место для солнечной системы – это крыша. Так как там можно избежать затемнений и солнечные лучи попадают на всю поверхность пластин под оптимальным углом. Если доступ на крышу невозможен, не подходит ее конфигурация или создает какие-то трудности, тогда выбирайте наземное размещение при помощи специальных конструкций.

Подключение гибких солнечных панелей

Суть монтажа зависит напрямую от типа панелей. Гибкие модули для установки оснащены специальным смолянистым липким слоем с нижней стороны. Вам потребуется только снять защитную пленку и стандартным образом на выбранное место аккуратно приклеить модули. Однако перед тем, как произвести их монтаж липкой стороной фотоэлемента, сначала нужно очистить поверхность, на которой будут держаться панели. Размещайте гибкие батареи таким образом, чтобы два выведенных кабеля было удобно подсоединить к другим модулям и вывести к общему аккумулятору.

Особенности обслуживания

Важным условием высокой производительности солнечной системы является ее регулярное и правильное обслуживание. Что нужно делать после установки батарей?

1. Постоянно следить за чистотой поверхности панелей. На них не должно быть пыли, грязи, снега, птичьего помета. Загрязненная поверхность фотоэлементов меньше принимает на себя солнечного света и соответственно снижается эффективность.
2. Оградите солнечную станцию от деревьев. Если поблизости имеются высокие насаждения, то при сильном ветре ветки могут отлететь и повредить поверхность панелей, что скажется на ее сроке службы и общей выработке.
3. Установите защитные стенды на время сильных снегопадов, а также следите за наличием наледи.
4. Чтобы сохранить эффективность работы панелей на заявленном производителем уровне, следите за углом наклона в зависимости от времени года.

Когда будете очищать гибкие солнечные панели от снега и грязи, делайте это аккуратно, чтобы не повредить тонкий слой модулей.

Каждый день следить за чистотой солнечной станции не нужно. Достаточно проверять ее надлежащее состояние один раз в несколько недель и в зависимости от погодных условий. Если солнечные панели размещены на крыше, то для очистительных работ используйте специальное оснащение или воспользуйтесь помощью профессионалов.

Методы производства солнечных элементов

Более 85% солнечных батарей производятся на основе моно и поли кремния. Технология их производства достаточно трудная, длительная и энергоемкая. Но обо всем по порядку.

Основные этапы изготовления солнечных монокристаллических элементов:

Получение «солнечного» кремния. В качестве сырья используется кварцевый песок с высоким массовым содержанием диоксида кремния (SiO2). Он проходит многоступенчатую очистку, чтобы избавиться от кислорода. Происходит путем высокотемпературного плавления и синтеза с добавлением химических веществ. Выращивание кристаллов. Очищенный кремний представляет собой просто разрозненные куски. Для упорядочивания структуры и выращиваются кристаллы по методу Чохральского. Происходит это так: куски кремния помещаются в тигель, где раскаляются и плавятся. В расплав опускается затравка – так сказать, образец будущего кристалла. Атомы, располагаются в четкую структуру, нарастают на затравку слой за слоем. Процесс наращивания длительный, но в результате образуется большой, красивый, а главное однородный кристалл. Обработка. Этот этап начинается с измерения, калибровки и обработки монокристалла для придания нужной формы. Дело в том, что при выходе из тигля в поперечном сечении он имеет круглую форму, что не очень удобно для дальнейшей работы. Поэтому ему придается псевдо квадратная форма. Далее обработанный монокристалл стальными нитями в карбид — кремниевой суспензии или алмазно — импрегнированной проволокой режется на пластинки толщиной 250-300 мкм. Они очищаются, проверяются на брак и количество вырабатываемой энергии. Создание фотоэлектрического элемента. Чтобы кремний мог вырабатывать энергию, в него добавляют бор (B) и фосфор (P). Благодаря этому слой фосфора получает свободные электроны (сторона n-типа), сторона бора – отсутствие электронов, т.е. дырки (сторона p-типа). По причине этого между фосфором и бором появляется p-n переход. Когда свет будет падать на ячейку, из атомной решетки будут выбиваться дырки и электроны, появившись на территории электрического поля, они разбегаются в сторону своего заряда. Если присоединить внешний проводник, они будут стараться компенсировать дырки на другой части пластинки, появится напряжение и ток. Именно для его выработки с обеих сторон пластины припаиваются проводники. Сборка модулей. Пластинки соединяются сначала в цепочки, потом в блоки. Обычно одна пластина имеет 2 Вт мощности и 0,6 В напряжения. Чем больше будет ячеек, тем мощнее получится батарея. Их последовательное подключение дает определенный уровень напряжения, параллельное увеличивает силу образующегося тока. Для достижения необходимых электрических параметров всего модуля последовательно и параллельно соединенные элементы объединяются. Далее ячейки покрывают защитной пленкой, переносят на стекло и помещают в прямоугольную рамку, крепят распределительную коробку. Готовый модуль проходит последнюю проверку – измерение вольт — амперных характеристик. Все, можно использовать!

Соединение самих солнечных батарей тоже может быть последовательным, параллельным или последовательно-параллельным для получения требуемых силы тока и напряжения.

Наглядное видео о этапах автоматической сборки, включая: пайку, ламинирование, коммутацию ячеек, установку распределительной коробки, стекла и алюминиевой рамы:

Производство поликристаллических батарей отличается только выращиванием кристалла. Есть несколько способов производства, но самый популярный сейчас и занимающий 75% всего производства это Сименс — процесс. Суть метода заключается в восстановлении силана и осаждении свободного кремния в результате взаимодействия парогазовой смеси из водорода и силана с поверхностью кремниевых слитков, разогретой до 650-1300°C. Освободившиеся атомы кремния, образовывают кристалл с древовидной (дендритной) структурой.

 

Тонкопленочные батареи производятся в основном по технике испарительной фазы. Сырьем для аморфных фотопреобразователей является кремневодород (силан, SinH_2n+2). Он напыляется на материал подложки (стекло, керамика, металлические или полимерные ленты и пр.) слоем менее 1 мкм. Водород в составе аморфного кремния (5-20%) меняет его электрофизические свойства и придает ему полупроводниковые качества.

Производство аморфных преобразователей значительно проще кристаллических: без труда создаются пластины площадью более 1 м при температурах осаждения всего 250-400°C. К тому же их полупроводниковыми свойствами можно управлять, подбирая соединения компонентов пленки для получения требуемых параметров.

Технология производства солнечных CIGS батарей тоже заключается в напылении полупроводников. Делается это с помощью вакуумных камер и электронных пушек. Медь (Cu), индий (In) или галлий (Ga) напыляются путем последовательного осаждения на подложку из стекла, покрытой молибденом слоем в 1 мкм. Полученная структура обрабатывается парами селена (Se).

Есть еще один способ изготовления CIGS батарей – метод трафаретной печати или струйного напыления. Основан он на использовании суспензии из частиц металлических оксидов. Ее вязкость позволяет получать как бы чернила для печати. «Бумагой» же могут быть разные материалы: стекло, фольга, пластик.

Метод трафаретной печати для изготовления тонкопленочных батарей используется только известными «солнечными» производителями. Имеет такие преимущества, как высокий коэффициент использования материалов (от 90%), сравнительная дешевизна оборудования, приличный КПД готового продукта – 14%.

Производство кристаллов арсенид галлия, может осуществляться, как и монокристаллов кремния, методом Чохральского — горизонтальной или вертикальной направленной кристаллизации. Кристаллы получаются  путем вытягивания их вверх от свободной поверхности большого объёма расплава с инициацией начала кристаллизации путём приведения затравочного кристалла. На картинке приведены схемы выращивания. 

 

Читайте также:

Разновидность солнечных батарей

Сравнение моно, поли и аморфных солнечных батарей

Расчет мощности солнечных батарей

КПД солнечной батареи — что это?

 

ТОП-10 производителей солнечных панелей в 2021 году (обновлено 2021) • solarpanel.today

Выбор качественной солнечной панели из сотен различных моделей и производителей может быть непростой задачей. Определить, какой вариант лучше, сложно еще и потому, что солнечную батарею нельзя просто так разобрать и проверить. Панели могут быть оценены только с использованием специального оборудования, которое определяет небольшие неисправности или острые моменты, либо качество проявится со временем.  Но есть некоторые нюансы, о которых можно узнать заранее, и в первую очередь – репутация и особенности бренда-производителя панелей. Важно, к примеру, знать, где и как производят солнечные панели, их технические характеристики, на чем специализируется бренд. Опираясь на эту информацию, можно сделать определенные выводы, чтобы не ошибиться при покупке и выбрать надежную компанию, продукция которой зарекомендовала себя наилучшим образом.

Основные критерии выбора производителей панелей

Распространенным термином, который используют торговые компании и производители, является рейтинг «Tier1» или «Уровень1». Он был разработан Bloomberg New Energy Finance Corporation и в основном используется для оценки производителей солнечных панелей с точки зрения финансовой устойчивости. Однако это не означает, что панель обеспечивает высочайшую производительность или качество. Рейтинг уровня «Tier1», конечно, играет большую роль при выборе панелей, но иногда он может вводить в заблуждение, поскольку не гарантирует, что панель совсем без дефектов или будет работать в течение срока службы системы. Поэтому, чтобы выбрать качественную и надежную панель, в дополнение к рейтингу «Tier1»  нужно учитывать, как делают солнечные панели, а также целый ряд других параметров. Среди них:

• гарантия на сам продукт – гарантия производителя, которая защищает клиента от дефектов компонентов или материалов, возникающих в процессе эксплуатации в течение гарантийного срока;
• гарантия производительности или гарантия выходной мощности – подтверждает, что солнечная панель будет выдавать заявленную минимальную выходную мощность через определенное время;
• репутация и история деятельности компании, срок работы на рынке и реальные результаты;
• поддержка и обслуживание клиентов производителем после покупки;
• ценовая политика – как и большинство вещей, оборудование премиум-класса поставляется по более высокой цене, поэтому, чем выше цена, тем лучше качество панелей, вне зависимости, где производят солнечные батареи данного бренда.

Популярность многих производителей зачастую зависит от региона и страны, где используются солнечные батареи. Некоторые бренды известнее в одних странах мира, а какие-то пользуются большей популярностью в других. Но есть и общая тенденция. Если в начале развития гелиоэнергетики наиболее надежными считались немецкие, японские и американские солнечные панели, то сегодня достойную конкуренцию им составляет азиатская, в частности, китайская продукция. Многие хорошо зарекомендовавшие себя китайские компании постоянно улучшают качество изготовления, производительность панелей, вкладывают большие средства в исследования и развитие производства. Но при этом не забывайте, что по-прежнему существует много панелей низкого качества, поступающих из Китая, всегда следите за тем, где и кем изготовлены солнечные панели, обратите внимание, чтобы у компании был хороший послужной список, прежде чем покупать такие устройства какого-либо незнакомого бренда.

Объединив многолетний опыт и отзывы профессионалов в области солнечной энергетики, мы составили список из 10 наиболее надежных и популярных производителей  солнечных панелей на сегодняшний день.

1. LG Energy

Считается одним из ведущих мировых производителей с превосходным ассортиментом качественных, надежных и высокопроизводительных панелей. Имеет длительную историю солнечной фотоэлектрической энергетики, которая началась более 30 лет назад, когда LG впервые начали исследования кремниевых кристаллических элементов. Многолетние исследования и разработки заложили прочную основу, прежде чем LG начала масштабное производство фотоэлектрических модулей в 2009 году на своем предприятии в Гуми (Южная Корея). LG – один из немногих производителей, предлагающий длительную гарантию на производительность (25 лет). Компания является брендом с уровнем «Tier1», получившим множество наград.  Линейки панелей премиум-класса LG особенно популярны в Австралии, США и Европе. При номинальной мощности 320 Вт – 375 Вт, такие панели имеют эффективность 19,3 – 21,7%. Находятся в среднем и высоком ценовом диапазоне.

2. REC Group

Компания REC, основанная в Норвегии в 1996 году – самый большой европейский бренд с офисами, представительствами и партнерами по всему миру. Является ведущим новатором в области солнечных фотоэлектрических технологий, имеет современное производственное предприятие в Сингапуре. REC производит качественные, экономичные панели и считается одним из лидеров отрасли в области высокопроизводительных модулей. Солнечные панели от REC имеют 20-летнюю гарантию на оборудование и небольшие показатели временной деградации. Компания ориентирована на высокое качество, отслеживание эффективности работоспособности всех компонентов систем. Также известна тем, что ее солнечные батареи проходят тестирование в существенно более строгих условиях, чем действующие стандарты. При номинальной мощности  290 Вт – 355 Вт, панели бренда имеют эффективность 18 – 20,7%. Находятся в среднем и высоком ценовом диапазоне.

3. SunPower

Американская корпорация SunPower начала свою работу в 80-х годах прошлого века, имеет долгую и богатую историю в области солнечной энергетики, является рекордсменом по показателям эффективности солнечных панелей. Сегодня у компании есть  производственные мощности в США, Мексике, Европе и Азии. SunPower известна широким использованием передовых технологий, а многие считают ее лидером в области солнечной энергетики. Это очень большая претензия, но с ней трудно не согласиться, поскольку в настоящее время бренд производит наиболее эффективные бытовые солнечные панели с самой низкой степенью износа и гарантией лучшей производительности на рынке – 92% сохраняемой емкости панелей спустя 25 лет эксплуатации плюс 25-летняя гарантия на продукцию производителя. Хотя, как и большинство вещей, высокая производительность достигается за немалую цену – вот почему солнечные панели SunPower такие дорогие.

Особой популярностью бренд пользуется в Северной Америке и считается одним из самых надежных, но дорогих производителей. При номинальной мощности 340 Вт – 400 Вт, такие панели имеют эффективность 19 – 22,8%. Находятся в среднем и очень высоком ценовом диапазоне.

4. Panasonic

Японский бренд Panasonic в специальном представлении не нуждается, а солнечные панели этой фирмы признаны одним из лучших и оптимальных решений в гелиоэнергетике. 25-летняя гарантия на продукт и производительность – одна из самых больших в отрасли производства солнечных батарей – обеспечивается столетней историей бренда. Panasonic гарантирует выходную мощность панелей до 90,76% через 25 лет их работы, что намного больше, чем у других производителей. Солнечные батареи бренда имеют комплексную долгосрочную гарантию, долговечны и износостойки, при их производстве используются инновационные технологии в постоянно меняющихся социальных ландшафтах. При номинальной мощности  245 Вт – 330 Вт, такие панели имеют эффективность 18–20,4%. Находятся в среднем и высоком ценовом диапазоне.

5. Hanwha Q Cells

Немецко-корейская компания Hanwha Q Cells (производственные мощности расположены Малайзии, Южной Корее, Китае, Турции и США) – один из крупнейших и очень известных производителей качественных панелей, предлагающий широкий ассортимент высокотехнологичных устройств для всех областей гелиоэнергетики. Компания производит полный спектр фотоэлектрических продуктов, приложений и решений – от модулей к наборам для систем до крупномасштабных солнечных электростанций. Солнечные модули бренда установили многочисленные мировые рекорды эффективности. Например, одна из применяемых компанией технологий, разработанная немецкими инженерами, – Q.ANTUM DUO, за счёт которой обеспечивается ощутимо высокая эффективность и продуктивность на ограниченных площадях. Еще одно преимущество – тщательная проверка абсолютно всей продукции бренда с помощью непредвзятой и независимой программы обеспечения качества немецкого института сертификации VDE.

Компания предоставляет 12-летнюю гарантии на продукцию, а также 25-летнюю гарантия на производительность с обеспечением, как минимум 97,5% номинальной мощности в течение первого года, 91,2 % – до 10 лет эксплуатации и, как минимум, 82% до 25 лет. При номинальной мощности  270 Вт – 330 Вт, панели бренда имеют эффективность 16–19,9%. Находятся в среднем ценовом диапазоне.

 6. Trina Solar

Trina Solar – китайская компания, основанная в 1997 году. Является одним из крупнейших в мире производителей солнечных панелей и активно инвестирует в новое поколение недорогих высокоэффективных панелей. Trina Solar предлагает широкий ассортимент панелей – экономичных поликристаллических панелей, эффективных ячеистых панелей с половинным вырезом и современных двухфазных панелей. На данный момент солнечные панели Trina Solar находятся на лидирующих позициях рейтинга продаж в мире, имеют широкую сферу применения благодаря своим оптимальным характеристикам, а основным направлением их использования являются солнечные электростанции сетевого типа. Одна из самых известных линеек бренда – Trina Honey  – считается примером превосходного соотношения цены и качества.

Солнечные батареи бренда обладают 10-летней гарантией на производительность не менее 90%. При номинальной мощности  280 Вт – 340 Вт, панели Trina Solar имеют эффективность 16–19,4%. Находятся в низком и среднем ценовом диапазоне.

7. Jinko Solar

Jinko Solar – китайский бренд, несомненный лидер по объему производства и продаж солнечных батарей, хороший пример того, как производят солнечные панели для разных нужд потребителя. Является одним из крупнейших и наиболее инновационных производителей солнечных модулей в мире и выпускает широкий ассортимент экономически эффективных и надежных панелей. Jinko Solar -продает свои решения и услуги в разные страны на всех континентах. Инженеры Jinko Solar -достигли нескольких рекордов эффективности за годы работы благодаря постоянным исследованиям и разработкам в области новых технологий фотоэлементов. К примеру, панели Eagle 60 (поликристаллические) и Eagle PERC 60 (монокристаллические) от Jinko Solar -входят в число самых популярных недорогих панелей на рынке с хорошей репутацией и поддержкой местных офисов. Jinko Solar имеет линейки моделей панелей с повышенной эффективностью, улучшенной производительностью в облачные дни, а, например, такие панели, как Eagle Dual, представляют собой модули из двойного стекла с низким уровнем деградации и 25-30-летней гарантией. При номинальной мощности  280 Вт – 340 Вт, панели Jinko Solar — обладают эффективностью 16–19,4%. Находятся в низком и среднем ценовом диапазоне.

8. Longi Solar

За последние несколько лет Longi Solar быстро выросла, став не только одним из крупнейших производителей солнечных панелей по объему в Китае, но и одним из признанных лидеров по производству солнечных панелей в мире. Longi Solar выпускает широкий ассортимент экономичных и надежных панелей, в которых используются только монокристаллические элементы. Бренд предлагает высококачественные панели  уровня «Tier 1», которые показывают высокую производительность даже при низких температурах или малой освещенности. Продукцию компании отличает технологичность, надежность и приемлемая цена. К примеру, солнечные панели Hi-MO3 и Hi-MO4 mono PERC от Longi Solar считаются одними из самых популярных на рынке высокоэффективных и недорогих панелей. При номинальной мощности 310 Вт – 365 Вт, панели этого бренда имеют эффективность 18–19,6%.  Находятся в низком и среднем ценовом диапазоне.

 9. Canadian Solar

Компания Canadian Solar была основана в 2001 году в Канаде и в 2006 году превратилась в одного из крупнейших мировых производителей солнечных батарей и разработчиков проектов в сфере гелиоэнергетики. Сегодня Canadian Solar имеет дочерние предприятия в более чем 24 странах на 6 континентах. Большая часть ее производственных мощностей находится в Канаде и Китае. В этих странах также расположены три современных исследовательских центра компании. Благодаря серьезным исследованиям, внедрению инновационных технологий и большим инвестициям солнечные панели и решения от Canadian Solar отличаются надежностью, хорошей производительностью, высоким качеством. Панели с усиленными рамами подходят для эксплуатации в суровых климатических регионах. Станции обеспечивают высокий уровень КПД при минимальной активности солнца. Модули бренда входят в список уровня «Tier 1», а жесткий контроль качества на всех этапах производства позволяет компании предлагать максимально высокий гарантийный срок – 25-30 лет, и обеспечивать поддержку своих заказчиков в более чем 20 странах мира. При номинальной мощности  260 Вт – 400Вт, панели бренда имеют эффективность 18–23,8%. Находятся в низком и среднем ценовом диапазоне.

10. JA Solar

Китайская компания JA Solar была основана в 2005 году и входит в рейтинг лучших производителей солнечных батарей. Ее сфера деятельности – комплексное производство от кремниевых пластин, элементов и модулей до комплектных фотоэлектрических систем электропитания, а продукция JA Solar продается более чем в 120 странах мира. Благодаря постоянным технологическим инновациям, стабильному финансовому состоянию, хорошо развитой глобальной сети продаж и поддержки клиентов, JA Solar была признана авторитетными отраслевыми ассоциациями одним из ведущих мировых производителей высокоэффективных фотоэлектрических продуктов. Компания постоянно работает над усовершенствованием своих модулей, имеет собственный исследовательский центр. Так, JA Solar стала первым производителем, который применил технологию двойной печати во всех производственных линиях по выпуску фотовольтаических ячеек, благодаря чему полностью исключается возможность отслойки токопроводящих шин, а также технику пассивации на обратной стороне. Для повышения эффективности панелей производство фотоэлектрических модулей ведется по селективной диффузной технологии. Компания дает 10-летнюю гарантию на материалы и 25 лет гарантии на производительность на уровне не менее 80%. При номинальной мощности  270 Вт – 400Вт, панели бренда  имеют эффективность 16–19,6%. Находятся в низком и среднем ценовом диапазоне.

Несколько слов об отечественных брендах

Мы назвали лишь 10 известных производителей, популярных в разных странах и регионах мира. Потребности отечественной гелиоэнергетики, в основном, покрываются за счет импорта. Но поскольку солнечная энергетика развивается повсеместно, появляются и местные производители. Предприятий, где производят солнечные панели в Украине, не так много. Этот процесс идет медленно, так как производство фотомодулей – наукоемкое и дорогостоящее, а конкурировать с мировыми брендами нелегко. Вот почему солнечные панели такие дорогие и собственных заводов в стране мало. Из наиболее известных компаний можно назвать киевские завод «Квазар» и старейшего в Украине производителя пластин из кремния фирму «Пролог Семикор», предприятие «Энхол» (Энергодар, Запорожская обл.), завод в Виннице (основанный KNESS Group), небольшое производство на базе предприятия «Промсвязь» (Одесса) и компанию «Чистые энергетические технологии» (г. Александрия, Кировоградская обл.) География регионов, где производят солнечные панели в Роcсии, следующая. Здесь можно выделить компанию «Телеком-СТВ» (г. Зеленоград), завод в Чувашии «Хевел», Рязанский завод металлокерамических приборов, предприятие «Сатурн» в Краснодаре, научно-производственное предприятие «Квант» (Москва). А вот в соседней Беларуси, например, собственного производства панелей фактически нет. Правда, осенью 2019 года завод по производству панелей в этой стране запустила немецкая компания Recom, чтобы увеличить свои европейские производственные мощности.

Frontiers | Полимерные солнечные элементы — межфазные процессы, связанные с проблемами производительности

Введение

Солнечные элементы на основе полимеров были предметом более целенаправленных и непрерывных исследований с последнего десятилетия, в результате которых их эффективность преобразования энергии резко выросла с 6% до 17% менее чем за десять лет, как показано в таблице 1 ( Dam et al., 1999; Winder and Sariciftci, 2004; Mühlbacher et al., 2006; Vanlaeke et al., 2006; Hou et al., 2008; Jørgensen et al., 2008; Park et al., 2009; Норрман и др., 2010; Цай и др., 2010; Чу и др., 2011; Альбрехт и др., 2012; He et al., 2012, 2015; Ли и др., 2012, 2018; Лу и др., 2013; You et al., 2013; Zhang et al., 2013; Чжоу и др., 2013, 2015; Chi et al., 2014; Лю и др., 2014b; Лю С. и др., 2015; Meng et al., 2018). Такое замечательное достижение стало возможным только с введением новых материалов, включая полимеры с малой шириной запрещенной зоны и новые производные фуллерена (Spanggaard and Krebs, 2004; Brabec et al., 2005; Бундгаард и Кребс, 2007; Rand et al., 2007; Kroon et al., 2008) и других акцепторных молекул (Li et al., 2018; Meng et al., 2018), улучшая свойства существующих материалов, такие как растворимость и запрещенная зона фуллеренов (Spanggaard and Krebs, 2004; Krebs, 2005; Shaheen et al., 2005), успехи в архитектуре устройства (Coakley and McGehee, 2004; Janssen et al., 2005), добавление новых буферных слоев в традиционную архитектуру и принятие новых подходов к термическому отжигу и отжигу растворителем. (Coakley et al., 2005; Mayer et al., 2007) и др. Действительно, проблема более низкой эффективности полимерных солнечных элементов по сравнению с другими органическими или гибридными подходами [такими как элемент Гретцеля (Gratzel, 2005) и органо-неорганические солнечные элементы на перовските (Hu et al., 2017)] была приписана такие факторы, как архитектура устройства, материалы, используемые для изготовления солнечных элементов, и их свойства (молекулярная масса полимера-донора, чистота материалов, выравнивание уровней энергии и ширина запрещенной зоны) (Bundgaard and Krebs, 2007; Rand et al., 2007; Tress et al., 2011), параметры обработки и условия во время изготовления солнечных элементов, такие как условия центрифугирования, используемый растворитель и добавки (Wu et al., 2011), термическая обработка и обработка отжигом растворителем и их продолжительность ( Coakley et al., 2005; Mayer et al., 2007), которые определяют толщину и морфологию различных органических слоев и границ раздела (Matturro et al., 1986; Lögdlund and Brédas, 1994; de Jong et al., 2000; Norrman et al., 2006; Tress et al., 2011; Wu et al., 2011; Gusain et al., 2013). Помимо их эффективности, другими важными аспектами работы устройства являются стабильность и деградация полимерных солнечных элементов во время работы (Norrman et al., 2006). Это также объясняется свойствами материалов, которые делают их склонными к структурным изменениям после реакции с окружающим кислородом и влагой, когда они подвергаются их воздействию (Matturro et al., 1986; Lögdlund and Brédas, 1994; Dam et al., 1999 ; de Jong et al., 2000; Norrman et al., 2006, 2010; Jørgensen et al., 2008).

Таблица 1 . Краткое изложение недавно опубликованных данных об эффективности различных полимерных солнечных элементов BHJ.

Несмотря на то, что были приняты многочисленные подходы к пониманию факторов, лежащих в основе этого недостатка, и были разработаны методы их устранения в ходе исследований по полимерным солнечным элементам, в последнее время становится все более очевидным, что интерфейсы играют решающую роль в производительности устройства. и стабильность (Matturro et al., 1986; Лёгдлунд и Бредас, 1994; Dam et al., 1999; де Йонг и др., 2000; Brabec et al., 2001b, 2005; Coakley and McGehee, 2004; Хоппе и Саричифтчи, 2004; Спанггаард и Кребс, 2004; Winder and Sariciftci, 2004; Coakley et al., 2005; Янссен и др., 2005; Кребс, 2005; Шахин и др., 2005; Мюльбахер и др., 2006; Норрман и др., 2006, 2010; Vanlaeke et al., 2006; Бундгаард и Кребс, 2007; Günes et al., 2007; Ллойд и др., 2007; Mayer et al., 2007; Rand et al., 2007; Hou et al., 2008; Jørgensen et al., 2008; Kroon et al., 2008; Томпсон и Фреше, 2008 г .; Park et al., 2009; Цай и др., 2010; Чу и др., 2011; Tress et al., 2011; Wu et al., 2011; Альбрехт и др., 2012; He et al., 2012, 2015; Ли и др., 2012; Gusain et al., 2013; Лу и др., 2013; You et al., 2013; Zhang et al., 2013; Чжоу и др., 2013, 2015; Chi et al., 2014; Лю и др., 2014b; Лю С. и др., 2015). На самом деле этого следовало ожидать, поскольку эти устройства основаны на сверхтонких многослойных органических пленках, и заряд должен передаваться через множество границ раздела, включая как органические, так и неорганические материалы с самыми разными свойствами.Поэтому презентация обзора, посвященного исключительно межфазным вопросам в солнечных элементах на основе полимеров, становится важной. Фактически, некоторые из этих проблем также будут актуальны и для других органических или гибридных тонкопленочных элементов. Этот обзор начинается с описания базовой физики и архитектуры устройств, используемых в полимерных солнечных элементах, с последующим отчетом о наиболее важных физических явлениях, происходящих на интерфейсах, которые влияют на производительность и стабильность солнечных элементов, описанных на молекулярном уровне и сгруппированных по четырем категориям. разделы: (i) генерация заряда и рекомбинация на донорно-акцепторных интерфейсах; (ii) вопрос морфологии поверхности раздела и ее влияние на производительность и стабильность устройства; (iii) формирование барьеров для инжекции и извлечения и их роль в электрических характеристиках ячейки; (iv) подходы, используемые для контроля барьеров, включая использование интерфейсных диполей.

Физика и архитектура базовых устройств

Механизм прямого преобразования энергии поглощенного фотона в электрическую энергию возможен только в фотоэлектрическом устройстве, основной принцип которого заключается в полупроводниковом элементе, имеющем электронный зазор, равный или меньший, чем энергия поглощенного фотона ( h ν). Непосредственным следствием этого поглощения является образование пары электрон-дырка; затем под действием внутреннего поля, создаваемого разницей работы выхода электродов, свободные носители заряда проводятся к соответствующим электродам, где они захватываются.В массивном солнечном элементе с гетеропереходом (BHJ) поглощающий компонент представляет собой ультратонкий активный слой, обычно состоящий из сопряженного полимера, смешанного с электроотрицательной молекулой, образующего наноструктурированную смесь. Типичное однопереходное органическое устройство BHJ показано на рисунке 1A и состоит из слоев различных материалов, таких как прозрачный нижний электрод из оксида индия-олова (ITO), слой переноса дырок (HTL), такой как PEDOT: PSS (poly (3 , 4-этилендиокситиофен): полистиролсульфонат), смесь донорного полимера / акцепторной молекулы в качестве активного слоя и верхнего электродного слоя (обычно металлического).Напротив, ячейка BHJ с тандемным переходом, как показано на рисунке 1C, состоит из нескольких стопок однопереходных BHJ, каждый из которых имеет разные комбинации активных слоев донора / акцептора, причем промежуточные слои (IL) служат для согласования переноса заряда между обеими ячейками. .

Рис. 1. (A) Архитектура BHJ с одним переходом. (B) Диаграмма уровней энергии для ячейки BHJ с одним переходом. (C) Тандемная архитектура BHJ. (D) Диаграммы уровней энергии для ячейки BHJ с тандемным переходом.

Диаграмма уровней энергии для солнечного элемента BHJ показана на рисунке 1B. По мере того как фотон падающего света поглощается донорным полимером в активном слое, электрон с самой высокой занятой молекулярной орбитали (ВЗМО) донорного полимера возбуждается до его самой низкой незанятой молекулярной орбитали (НСМО), создавая кулоновски связанный электрон. пара дырок, известная как экситон. Такой экситон диффундирует внутри донорного полимера до тех пор, пока не достигнет границы раздела донор / акцептор, где он диссоциирует за счет энергетически выгодного переноса электронов от LUMO _D донорного полимера к LUMO _A акцептора фуллерена.В этом процессе донорно-акцепторная разность энергий НСМО для электрона теряется на колебания (тепло). Затем электрон переносится через акцепторную фазу и через границу раздела акцептор / металлический электрод, в то время как отверстие, оставшееся в HOMO _D донорного полимера, переносится через него, собирается в HTL и транспортируется через HTL / ITO электрод. интерфейс. На каждом интерфейсе смещение энергии теряется на тепло по мере передачи заряда через интерфейс. Следовательно, минимизация этих смещений оказывает прямое влияние на повышение напряжения холостого хода солнечного элемента и, следовательно, на его эффективность преобразования энергии.Аналогичный каскад переноса заряда происходит, если свет поглощается в молекуле акцептора, за исключением того, что первая стадия (диссоциация экситона) теперь происходит из-за благоприятного переноса дырок от HOMO _A акцептора к HOMO _D акцептора. донор.

Основные электрические характеристики фотоэлектрического диода выполняются путем получения кривых зависимости плотности электрического тока от внешнего напряжения (смещения), так называемых кривых J-V. Типичная кривая J-V для солнечного элемента показана на рисунке 2 в темноте (пунктирная линия) и при освещении (сплошная линия).Плотность фототока Дж _ph представляет собой вычитание между двумя кривыми СП (освещенной и темной), которые описываются уравнениями (1, 2), где Дж _o — обратный темновой ток, В, — напряжение смещения, n — добротность диода, k — постоянная Больцмана и T — температура (Sze and Kwok Ng, 2007).

J (V) = Jo [exp (eVnKT) -1] (уравнение Шокли) (1) J (V) = Jo [exp (eVnKT) -1] + Jph (при освещении) (2)

Рисунок 2.(A) Вольт-амперные характеристики солнечного элемента и фотоэлектрические параметры. (B) Кривая J-V с S-образным перегибом и без него.

Параметры, которые характеризуют солнечные элементы в целом, показаны на рисунке 2: плотность тока короткого замыкания ( Дж, _sc ), напряжение холостого хода ( В, _oc, ) и максимальное рабочая мощность ( P, _max ), которые определяют коэффициент заполнения (FF).Напряжение холостого хода определяется как максимальное напряжение, которое получается, когда солнечный элемент не генерирует ток. Точно так же плотность тока короткого замыкания — это максимальная плотность тока, которая получается при отсутствии напряжения на солнечном элементе. Коэффициент заполнения определяется как отношение максимальной рабочей мощности ( P _max ) к максимальной извлекаемой мощности идеального солнечного элемента, которая будет произведением площади устройства A, В _oc и J _sc .Таким образом, эффективность преобразования мощности — это отношение максимальной рабочей мощности P _max к входной мощности падающего света на солнечный элемент. Следовательно, при интенсивности падающего света I _в , FF и эффективность преобразования мощности (η) определяются уравнениями (3, 4).

FF = PmaxAJscVoc (3) η = JscVocIinFF (4)

Производительность солнечных элементов напрямую зависит от основных свойств материала.Например, образование свободных электронов и дырок зависит от HOMO _D донора и от LUMO _A акцептора, как будет подробно объяснено в разделе «Физические процессы на границе донор / акцептор». Этот энергетический зазор между HOMO _D -LUMO _A (E _{g, DA} на рисунке 1B) также является основным ограничивающим фактором для напряжения холостого хода ( В, _oc, ) устройства. Плотность тока короткого замыкания ( Дж, _sc ) зависит от эффективности генерации заряда в смеси донор / акцептор и вероятности того, что эти заряды просачиваются через смесь и собираются электродами.Наконец, третий важный параметр, напрямую связанный с эффективностью солнечного элемента, — это коэффициент заполнения ( FF ), на который влияют шунт и последовательные сопротивления. Здесь следует подчеркнуть, что сопротивление устройства зависит не только от проводимости слоев (активного и транспортного слоев), но особенно от интерфейсных сопротивлений. Коэффициент заполнения напрямую связан с эффективностью извлечения заряда из солнечного элемента. С микроскопической точки зрения, чем выше потери носителей заряда при бимолекулярной рекомбинации, тем меньше FF .В солнечных элементах типа BHJ бимолекулярная рекомбинация происходит в основном на донорно-акцепторных интерфейсах в активном слое, а также на границах раздела промежуточных слоев.

Еще одно важное свойство материалов — ширина запрещенной зоны. Спектр поглощения полимерных солнечных элементов зависит от ширины запрещенной зоны полимера-донора (E _g на рисунке 1B), что примерно равно разнице между его HOMO и LUMO. Предполагая, что акцептор электронов такой же и имеет незначительное поглощение света (как в случае производных C ₆₀ ), использование донорного полимера с более низкой шириной запрещенной зоны увеличивает поглощение солнечного спектра и, следовательно, увеличивает фототок и эффективность преобразования энергии. солнечного элемента.С другой стороны, E _{g, DA} , так называемая эффективная запрещенная зона, также будет уменьшена с донором E _g , поскольку между LUMO _D и LUMO _A должно существовать минимальное смещение для переноса электронов. . Таким образом, напряжение холостого хода также снижается, что снижает эффективность солнечных элементов. Следовательно, для достижения максимальной эффективности существует компромисс между уменьшением ширины запрещенной зоны полимера для увеличения поглощения солнечного спектра и сохранением разумного напряжения холостого хода, которое определяется E _{g, DA} .При этих предположениях оптимальная ширина запрещенной зоны для донорного полимера должна составлять около 1,5–1,8 эВ для ячейки с одним переходом (Scharber and Sariciftci, 2013).

Дополнительным подходом к повышению эффективности устройства является использование солнечных элементов BHJ с тандемным переходом, как показано на рисунке 1D. Поскольку два перехода соединены последовательно, ток через оба должен быть одинаковым, и поэтому общая мощность от тандемной ячейки увеличивается из-за суммы напряжений от каждого перехода (You et al., 2013). Хороший баланс генерируемых токов от каждого отдельного перехода (если работает отдельно) гарантирует, что оба они вносят значительный вклад в общую мощность, генерируемую устройством в тандемной конфигурации. Основным преимуществом тандемного элемента является то, что его несколько активных слоев состоят из донорных полимеров с разной шириной запрещенной зоны, что приводит к поглощению света в разных частях солнечного спектра. В случае солнечного элемента с одним переходом фотоны с энергией, намного превышающей ширину запрещенной зоны (E _g ), приводят к появлению высоковозбужденных носителей (или экситонов), которые теряют свою избыточную энергию на решеточные фононы или молекулярные колебания, тем самым охлаждаясь до край запрещенной зоны.Такие потери энергии обычно называют потерями термализации. Следовательно, уменьшение ширины запрещенной зоны полимера увеличивает поглощение света, но поглощенные фотоны с более высокой энергией могут привести к большим потерям на термализацию. Таким образом, общее повышение эффективности может быть не таким высоким, как ожидалось, из-за повышенного поглощения, поскольку общее напряжение элемента ограничено низкой запрещенной зоной D-A, E _{g, DA} . Напротив, для тандемной ячейки поглощение падающего света с разными длинами волн отдельными ячейками увеличивает общую эффективность устройства за счет снижения потерь на термализацию.Первый активный слой с полимером с большей шириной запрещенной зоны поглощает фотоны с более высокой энергией, что приводит к более высокому значению V _oc для этой первой ячейки. Второй активный слой имеет полимер с малой шириной запрещенной зоны, который поглощает неиспользуемые фотоны первой ячейкой и генерирует дополнительное напряжение. Поскольку эти фотоны имеют более низкие энергии, их потери на термализацию также сохраняются небольшими в активном слое этой второй полимерной ячейки с малой шириной запрещенной зоны.

Несмотря на то, что примерно за десять лет исследований и разработок новых материалов, процедур изготовления и архитектур произошло заметное повышение эффективности ячеек, как показано в Таблице 1, существуют также огромные различия в эффективности, о которых сообщается в литературе для тех же материалы при аналогичных условиях изготовления.Это явно указывает на отсутствие воспроизводимости эффективности, что может быть результатом различий в чистоте материала, выбора растворителя, незначительных различий в условиях производства и использования добавок для улучшения морфологии BHJ. Эти вопросы не будут здесь подробно обсуждаться, и мы отсылаем читателя к другим обзорам в литературе (Coakley, McGehee, 2004; Spanggaard, Krebs, 2004; Brabec et al., 2005; Coakley et al., 2005; Janssen et al. al., 2005; Krebs, 2005; Shaheen et al., 2005; Bundgaard, Krebs, 2007; Mayer et al., 2007; Rand et al., 2007; Kroon et al., 2008).

Еще одним важным аспектом коммерческой жизнеспособности органических солнечных элементов является их стабильность в окружающей атмосфере. Чтобы предотвратить деградацию солнечных элементов, необходимо детально понимать факторы, ответственные за деградацию. Сообщалось, что материалы, используемые при производстве полимерных солнечных элементов (особенно материалы активного слоя и металлические электроды), подвергаются химическим взаимодействиям с кислородом и влагой, присутствующими в окружающей атмосфере (Jørgensen et al., 2008). Механизм реакции кислорода и влаги с донорным полимером для каждого материала различен (Matturro et al., 1986; Jørgensen et al., 2008). Однако такое химическое разложение не только изменяет материал в объемной пленке, но также может привести к изменениям на границах раздела, которые приводят к снижению эффективности устройства. Например, деградация алюминиевого электрода может быть вызвана акцепторным производным фуллерена PCBM, который имеет высокое сродство к электронам, что делает их склонными к реакции с металлическими электродами (Lögdlund and Brédas, 1994).Эта деградация алюминиевых электродов приводит к неэффективной передаче заряда через границу раздела металл / активный слой, эффекты которой будут кратко обсуждены ниже и более подробно в разделе Барьеры инжекции и извлечения.

Неэффективная передача заряда через различные интерфейсы внутри устройства — один из наиболее важных факторов, ответственных за снижение производительности полимерных солнечных элементов. Это снижает такие параметры устройства, как напряжение холостого хода, плотность тока короткого замыкания и коэффициент заполнения, и, следовательно, общий КПД устройства.Эта проблема определяется типом и качеством различных интерфейсов между слоями солнечного элемента. Появление так называемого «S-изгиба» в J-V характеристиках (см. Рис. 2B) хорошо известно, что сильно снижает коэффициент заполнения (FF) и, следовательно, эффективность солнечного элемента BHJ. S-изгиб наблюдается во многих органических устройствах BHJ и объясняется морфологией интерфейса, а также несовпадением барьеров для ввода и извлечения через интерфейс (Kumar et al., 2009; Tress et al., 2011). Помимо низкого качества интерфейсов, к другим факторам, ответственным за появление S-изгиба, относятся кислородное легирование, наличие органических примесей, вертикальная фазовая сегрегация, снижение поверхностной рекомбинации, образование зарядового диполя и т. Д. (Gusain et al., 2016) . Таким образом, изготовление высококачественных солнечных элементов BHJ требует надежной характеристики, чтобы гарантировать, что ключевые физические параметры, такие как толщина слоя, качество поверхности и морфология, хорошо контролируются.

Действительно, другим типом деградации солнечных элементов является морфологическая нестабильность материалов в различных слоях устройства.Тонкопленочные материалы могут претерпевать морфологические изменения при комнатной температуре в период эксплуатации (Wu et al., 2011). Кроме того, эти изменения в морфологии активного слоя могут также зависеть от процесса и метода изготовления солнечных элементов (Matturro et al., 1986; Lögdlund and Brédas, 1994; Dam et al., 1999; de Jong et al. ., 2000; Winder, Sariciftci, 2004; Mühlbacher et al., 2006; Norrman et al., 2006, 2010; Vanlaeke et al., 2006; Hou et al., 2008; Jørgensen et al., 2008; Park et al., 2009; Цай и др., 2010; Чу и др., 2011; Tress et al., 2011; Wu et al., 2011; Альбрехт и др., 2012; He et al., 2012, 2015; Ли и др., 2012; Gusain et al., 2013; Лу и др., 2013; You et al., 2013; Zhang et al., 2013; Чжоу и др., 2013, 2015; Chi et al., 2014; Лю и др., 2014b; Лю С. и др., 2015). Различия в морфологии активного слоя, возникающие на интерфейсах, и их возможное влияние на производительность устройства будут обсуждаться в разделе «Морфология интерфейса».

Теперь мы представим описание нескольких физических процессов, происходящих на интерфейсах, которые влияют на производительность устройства.

Физические процессы на интерфейсе донор / акцептор

Органические солнечные элементы с объемным гетеропереходом (BHJ-OSCs) отличаются от других тонкопленочных солнечных элементов, поскольку они имеют активный слой, состоящий из двухфазной наноструктурированной смеси сопряженного с донором полимера и молекул акцептора, как показано на рисунке 1A. Поглощение одного фотона полимером генерирует один экситон, который диффундирует к границе раздела донор-акцептор (D-A). Морфология этого слоя такова, что разделение фаз D-A находится в диапазоне 10–20 нм, что короче диффузионной длины экситона.В устройствах BHJ площадь поверхности раздела D-A значительно увеличивается по сравнению с традиционным двухслойным устройством D-A. Это огромное преимущество, поскольку эффективность преобразования каждого экситона в пару свободных электронов и дырок составляет почти 100%. Это преобразование, однако, не является прямым процессом, а вместо этого опосредуется состоянием переноса заряда (CT), образованным при диссоциации экситона; т.е. акцептор захватывает электрон экситона, покидающего дырку в полимере, и эта пара носителей заряда остается связанной кулоновски, что является состоянием CT (рис. 3A).С этого момента запускается генерация свободных носителей, их рекомбинация, а также сбор электродами, как описано ниже.

Рис. 3. (A) Энергетическая диаграмма, показывающая диссоциацию экситонов на носители заряда через CT-состояния. (B) Процессы, включающие состояния CT и их скорости: k _f — скорость распада в основное состояние, k _dis — скорость диссоциации состояния CT на свободные заряды и R — скорость рекомбинации свободных зарядов обратно в состояние CT.

Поскольку положительные и отрицательные заряды связаны кулоновски, дырка находится в HOMO полимера, а электрон — в LUMO акцептора, они могут либо разделяться на свободные носители (диссоциация), либо рекомбинировать (геминальная рекомбинация). Если они разделятся, есть шанс снова поймать в состоянии CT. В этом смысле CT-состояние является промежуточным звеном в процессе рекомбинации и генерации свободных носителей заряда (Braun, 1984). Основываясь на схеме, представленной на рисунке 3B, мы можем сделать вывод, что вероятность P того, что CT диссоциирует на свободные носители заряда, определяется уравнением (5):

P = kdisskf + kdiss (5)

, где эти ставки показаны на рисунке 3B.

Как только происходит диссоциация СТ, электроны движутся в акцепторной фазе, а дырки в донорной фазе к соответствующим электродам под действием внутреннего электрического поля, создаваемого встроенным напряжением. Однако в этом путешествии потери носителей обычно очень велики из-за бимолекулярной рекомбинации, которая может иметь место только на границе D-A. Было предложено несколько моделей молекулярной рекомбинации в активном слое BHJ-OSC (Hall, 1951; Shockley, Read, 1952; Koster et al., 2006; Пиврикас и др., 2007; Deibel et al., 2009; Hilczer, Tachiya, 2010). С точки зрения кинетики рекомбинации наиболее вероятными являются кинетика первого и второго порядка. Кинетика рекомбинации первого порядка для интерфейса D-A возникает, когда один из носителей захвачен в глубокое локализованное состояние вблизи границы раздела, образуя центр рекомбинации для противоположно заряженных носителей. На рисунке 4A схематически показан этот тип рекомбинации, который аналогичен процессу Шокли-Рида-Холла (SRH) (Hall, 1951; Shockley and Read, 1952), в котором член рекомбинации R задается как R = n / τ, где n — концентрация свободного носителя заряда, а τ — время его жизни.Рекомбинация второго порядка объясняется, когда положительный и отрицательный носители одновременно прибывают к границе раздела, где они захватываются локализованными состояниями, а затем уничтожаются рекомбинацией, как показано на рисунке 4B. В этом случае рекомбинация, в силу симметрии процесса, имеет тип Ланжевена, то есть R = γ np , где n и p — концентрации положительных и отрицательных носителей заряда соответственно, и γ — коэффициент рекомбинации.Коэффициент рекомбинации Ланжевена γ _L определяется как γ _L = ( e / εε _o ) (μ _n + μ _p ), где e — заряд электрона, ε — диэлектрическая проницаемость, ε _o — диэлектрическая проницаемость вакуума, μ _n и μ _p — подвижности электронов и дырок соответственно. Однако Пиврикас и др.(2007) наблюдали снижение скорости рекомбинации на порядки для BHJ-OSCs на основе P3HT: PCBM. Это уменьшение часто учитывается путем умножения скорости рекомбинации Ланжевена на префактор β (γ = βγ _L ), где β изменяется в пределах от 10 ⁻³ до значений, близких к 1. Это отношение β известно. так как уменьшается рекомбинация Ланжевена и зависит от материалов активного слоя. Koster et al. (2006) показали, что действительно рекомбинация Ланжевена не совсем подходит для фотоэлектрических откликов BHJ-OSCs, и они предложили другое значение для коэффициента рекомбинации, не отказываясь от сути концепций Ланжевена.Они определяют новый коэффициент как γ = ( e / εε _o

Полимерные солнечные элементы могут отставать от традиционных кремниевых солнечных элементов по долговечности и эффективности, но в конечном итоге могут питать автономные удаленные датчики и носимые устройства — ScienceDaily

В отличие от традиционных кремниевых солнечных элементов, органические полимерные солнечные элементы (PSC) могут никогда не покрыть склоны мегаваттной солнечной фермы. Но эти легкие, гибкие элементы обладают потенциалом для обеспечения солнечной энергией удаленных микроваттных датчиков, носимых устройств и Wi-Fi. подключенные к сети устройства, составляющие «Интернет вещей».«

PSC используют органические полимеры для поглощения света и преобразования его в электричество. Хотя PSC не могут сравниться по долговечности или эффективности с неорганическими солнечными элементами, возможность массового производства нетоксичных одноразовых солнечных панелей с использованием рулонного производства делает их привлекательными для дополнительных приложений. В статье, опубликованной на этой неделе в журнале Journal of Renewable and Sustainable Energy от AIP Publishing, Пол Бергер и Минджэ Ким из Университета штата Огайо анализируют последние достижения и нерешенные проблемы в технологии PSC.

Исследования PSC быстро росли за последние два десятилетия, генерируя все большее количество публикаций и патентов. Однако эта новая технология вряд ли заменит традиционные неорганические солнечные элементы. Напротив, Бергер рассматривает PSC как дополнительные. Они могут обходить высоковольтные линии электропередачи и обеспечивать электроэнергией те устройства, которые в противном случае потребовали бы токсичных батарей.

Например, PSC могут приводить в действие датчики свежести на упаковке пищевых продуктов, просто используя верхнее освещение в продуктовых магазинах.Кроме того, они могут выйти за рамки управления запасами в магазине и подключиться к «умной кухне», чтобы сократить количество пищевых отходов и автоматизировать списки продуктов. «У PSC есть такая способность быть гибкими, потому что они в основном пластиковые, поэтому вы можете надевать их на рюкзаки, куртки и даже сливки для кофе — целый ряд вещей, где они используются», — сказал Бергер. «Это разрушительная бизнес-модель».

Полимеры можно растворять в растворителях и печатать на гибкой основе с помощью доступного по цене производства рулонов, что делает эту технологию особенно привлекательной.«Этот печатный станок мало чем отличается от печатного станка для воскресной газеты, но вместо трех основных цветов и черного вы печатаете четыре или пять различных слоев, необходимых для солнечных элементов, диодов и транзисторов», — сказал Бергер. Длинные рулоны солнечных элементов также открывают новые возможности, например, для обертывания транспортных средств или покрытия фасадов и окон зданий. Бергер, однако, предупреждает, что некоторые дорогостоящие сырьевые материалы для PSC, а именно оксид индия, олова и фуллерены, которые сложно заменить, могут ограничить доступность в ближайшем будущем.

Долговечность — еще одна проблема, потому что полимеры и катоды из химически активных металлов окисляются под воздействием воды и кислорода. «Они имеют тенденцию к разложению довольно быстро», — сказал Бергер, в связи с чем необходимо изолировать солнечные элементы для защиты. Эта инкапсуляция может быть очень эффективной для стекла, но более сложна для гибких поверхностей, таких как пакеты для картофельных чипсов.

В лаборатории эффективность PSC достигает примерно 13 процентов, что далеко от 20 процентов эффективности коммерческих солнечных панелей.PSC, в которых используются полимеры P3HT: PCBM, представленные в 2002 году, являются стандартной «рабочей лошадкой» и обеспечивают эффективность около 3,5%. Последние достижения в химии, геометрии и разработка тандемных солнечных элементов, которые объединяют несколько слоев вместе, сделали возможной эту большую эффективность.

Несколько компаний в США и Европе работают над выводом на рынок жизнеспособных PSC. В случае успеха PSC могут занять свою собственную нишу помимо кремниевых солнечных элементов, питая все виды удаленных устройств.

История Источник:

Материалы предоставлены Американским институтом физики . Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

Новый мировой рекорд для безфуллереновых полимерных солнечных элементов

Полимерные солнечные элементы, изготовленные с использованием недорогой технологии печати с рулона на рулон, продемонстрировали здесь профессора Олле Инганас (справа) и Шимелис Адмасси. Фото: Стефан Йерреванг / Университет Линчёпинга

Полимерные солнечные элементы могут быть еще дешевле и надежнее благодаря открытиям ученых из Университета Линчёпинга и Китайской академии наук (CAS).Эта работа направлена ​​на то, чтобы избежать дорогостоящих и нестабильных фуллеренов.

Полимерные солнечные элементы в последние годы появились как недорогая альтернатива кремниевым солнечным элементам. Для достижения высокой эффективности в полимерных солнечных элементах обычно требуются фуллерены для разделения носителей заряда. Однако фуллерены нестабильны при освещении и образуют крупные кристаллы при высоких температурах.

Теперь группа химиков под руководством профессора Цзяньхуэй Хоу из CAS установила новый мировой рекорд по безфуллереновым полимерным солнечным элементам, разработав уникальную комбинацию полимера под названием PBDB-T и небольшой молекулы под названием ITIC.С помощью этой комбинации солнечная энергия преобразуется с эффективностью 11%, значением, которое поражает большинство солнечных элементов с фуллеренами, и все без фуллеренов.

Фен Гао, вместе со своими коллегами Олле Инганасом и Дэпингом Цянем из Университета Линчёпинга, охарактеризовали спектроскопию потерь фотоэдс (Voc), ключевой показатель для солнечных элементов, и предложили подходы к дальнейшему улучшению характеристик устройства.

Две исследовательские группы теперь представляют свои результаты в престижном журнале Advanced Materials .

— Мы продемонстрировали, что можно достичь высокой эффективности без использования фуллерена, и что такие солнечные элементы также очень устойчивы к нагреванию. Поскольку солнечные элементы работают при постоянном солнечном излучении, очень важна хорошая термическая стабильность, — сказал Фэн Гао, физик с факультета физики, химии и биологии Университета Линчёпинга.

— Сочетание высокой эффективности и хорошей термостойкости позволяет предположить, что полимерные солнечные элементы, которые можно легко изготовить с использованием недорогой технологии печати с рулона на рулон, теперь еще на шаг ближе к коммерциализации, — сказал Фэн Гао.

---

Новый пластиковый солнечный элемент сводит к минимуму потерю энергии фотонов

---

Дополнительная информация: Венчао Чжао и др. Полимерные солнечные элементы без фуллерена с эффективностью более 11% и превосходной термической стабильностью, Advanced Materials (2016).DOI: 10.1002 / adma.201600281 Предоставлено Линчёпингский университет

Ссылка : Новый мировой рекорд по безфуллереновым полимерным солнечным элементам (2016, 19 апреля) получено 16 января 2021 г. с https: // физ.org / news / 2016-04-world-фуллерен-свободные-полимерные-солнечные-элементы.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

Оптимальное использование полимерных солнечных элементов

В отчете, недавно опубликованном в онлайн-журнале Advanced Materials, отмечается, что исследователи из Университета штата Айова и Лаборатории Эймса разработали процесс, который может производить тонкий и постоянный светопоглощающий материал. слои на текстурированных подложках.Это увеличивает поглощение света полимерными солнечными элементами, тем самым повышая их эффективность и позволяя использовать их наилучшим образом.

Почему до сих пор не удалось добиться успеха в технологии полимерных солнечных элементов?

Г-н Чаудхари говорит, что, поскольку он уже используется в солнечных элементах на основе кремния, использование текстурированной подложки для увеличения работоспособности солнечных элементов не ново. Есть признаки того, что при правильном сочетании текстуры подложки и покрытия на основе раствора вырабатываемая мощность может быть увеличена.Но пока эта технология не работает по двум причинам. Во-первых, необходимы дополнительные этапы обработки, а затем — технологии нанесения покрытий, которые являются технически сложной задачей. Также были предприняты попытки использовать солнечные элементы в долинах с использованием различных методов для создания светопоглощающих слоев. Но эффективность солнечных элементов в долинах и гребнях была низкой из-за потери заряда и короткого замыкания.

Как работает технология полимерных солнечных элементов

Сумит Чаудхари, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники Университета штата Айова и сотрудник лаборатории Эймса Министерства энергетики США, сообщила, что исследователи создают полимерные элементы, способные улавливать больше света внутри гребни.Это включает свет, который они поглощают извне, и свет, отражающийся от одного гребня к другому. Эти солнечные элементы состоят из легких, простых в изготовлении и гибких полимеров. Их функционирование улучшается за счет текстурированного рисунка подложки, который позволяет удалить тонкий светопоглощающий слой. Поскольку светопоглощающий слой проходит через небольшие выступы, он сохраняет хорошие свойства электрического переноса в ячейках.

Преимущества технологии полимерных солнечных элементов

• Наиболее эффективно использует системы улавливания солнца.
• КПД солнечных элементов повышается на 20 процентов.

Эффективность преобразования энергии световозвращающих элементов на 20% больше, чем у плоских солнечных элементов из полимеров. Также было 100% увеличение количества света, захваченного на краю красного / ближнего инфракрасного диапазона.

Команда профессора Сумита Чаудхари, работавшая над технологией полимерных солнечных элементов

Помимо профессора Сумита Чаудхари, в команду, работающую над этим проектом, входили Кай-Мин Хо, заслуженный профессор физики и астрономии штата Айова и научный сотрудник лаборатории Эймса, Канвар Сингх Налва, аспирант в области электротехники и вычислительной техники, и научный сотрудник лаборатории Эймса и Пак Джунг-Мок, научный сотрудник лаборатории Эймса.