Allikas: www.energy.gov
Kui valgus paistab fotogalvaanilisele (PV) elemendile, mida nimetatakse ka päikesepatareiks, võib see valgus peegelduda, neelata või minna otse läbi elemendi. PV -element koosneb pooljuhtmaterjalist; “pool” tähendab, et see suudab elektrit juhtida paremini kui isolaator, kuid mitte nii hästi kui metall. PV -elementides kasutatakse mitmeid erinevaid pooljuhtmaterjale.
Kui pooljuht on valguse käes, neelab see valguse energia ja kannab selle negatiivselt laetud osakestele materjalis, mida nimetatakse elektronideks. See lisaenergia võimaldab elektronidel elektrivooluna materjalist läbi voolata. See vool eraldatakse juhtivate metallkontaktide-päikesepatareide võrgutaoliste joonte kaudu-ja seejärel saab seda kasutada teie kodu ja ülejäänud elektrivõrgu toiteks.
PV -elemendi efektiivsus on lihtsalt elemendist väljuva elektrienergia hulk võrreldes sellele särava valguse energiaga, mis näitab, kui tõhus on rakk energia muundamisel ühest vormist teise. PV -elementidest toodetud elektrienergia kogus sõltub saadaoleva valguse omadustest (näiteks intensiivsusest ja lainepikkustest) ning elemendi mitmest jõudlusomadusest.
PV pooljuhtide oluline omadus on ribalaius, mis näitab, millise lainepikkusega valgust suudab materjal neelata ja muundada elektrienergiaks. Kui pooljuhi ribalaius vastab PV -elemendile paistva valguse lainepikkustele, saab see element kogu olemasolevat energiat tõhusalt kasutada.
Lisateavet allpool leiate PV-elementide kõige sagedamini kasutatavate pooljuhtmaterjalide kohta.
SILICON
Siliconis on siiani kõige levinum päikesepatareides kasutatav pooljuhtmaterjal, mis moodustab ligikaudu 95% täna müüdavatest moodulitest. See on ühtlasi suuruselt teine materjal Maal (hapniku järel) ja kõige levinum pooljuht, mida kasutatakse arvutikiipides. Kristallilised ränielemendid on valmistatud räni aatomitest, mis on omavahel ühendatud kristallvõre moodustamiseks. See võre pakub organiseeritud struktuuri, mis muudab valguse muundamise elektrienergiaks tõhusamaks.
Ränist valmistatud päikesepatareid pakuvad praegu kõrget efektiivsust, madalaid kulusid ja pikka kasutusiga. Eeldatakse, et moodulid kestavad 25 aastat või kauem, andes pärast seda aega siiski üle 80% oma esialgsest võimsusest.
ÕHNAKILMINE FOTOVOLTAIKA
Õhukese kilega päikesepatarei valmistatakse ühe või mitme õhukese PV-kihi kandmisega tugimaterjalile, nagu klaas, plast või metall. Tänapäeval on turul kaks peamist õhukese kilega pooljuhtide tüüpi: kaadmiumtelluriid (CdTe) ja vask-indium-gallium-disseniid (CIGS). Mõlemat materjali saab ladustada otse mooduli pinna esi- või tagaküljele.
CdTe on räni järel kõige levinum PV-materjal ja CdTe-elemente saab valmistada odavate tootmisprotsesside abil. Kuigi see muudab need kulutõhusaks alternatiiviks, ei ole nende efektiivsus siiski nii kõrge kui räni. CIGS -rakkudel on PV -materjali jaoks optimaalsed omadused ja kõrge efektiivsus laboris, kuid nelja elemendi kombineerimise keerukus muudab ülemineku laborist tootmisele keerukamaks. Nii CdTe kui ka CIGS vajavad pikaajalist õues töötamist rohkem kaitset kui räni.
PEROVSKITE FOTOVOLTAIKA
Perovskitesolaarsed rakud on õhukese kilega rakkude tüüp ja need on nime saanud nende iseloomuliku kristallstruktuuri järgi. Perovskiidi rakud on ehitatud materjalikihtidega, mis on trükitud, kaetud või vaakumiga kaetud aluskihile, mida nimetataksesubstraat.Neid on tavaliselt lihtne kokku panna ja need võivad saavutada kristalse räni sarnase efektiivsuse. Laboris on perovskite päikesepatareide efektiivsus paranenud kiiremini kui mis tahes muu PV -materjal, 3% -lt 2009. aastal üle 25% -ni aastal 2020. Kaubanduslikult elujõuliseks peavad perovskite PV -elemendid muutuma piisavalt stabiilseks, et elada väljas 20 aastat, nii et teadlased töötavad selle nimel, et muuta need vastupidavamaks ja arendada suuremahulisi odavaid tootmistehnikaid.
MAHE FOTOVOLTAIKA
Orgaanilised PV või OPV rakud koosnevad süsinikurikastest (orgaanilistest) ühenditest ja neid saab kohandada PV-raku spetsiifilise funktsiooni, näiteks ribalaiuse, läbipaistvuse või värvi, täiustamiseks. OPV -rakud on praegu vaid umbes poole tõhusamad kui kristallilised ränielemendid ja nende kasutusiga on lühem, kuid nende tootmine suurtes kogustes võib olla odavam. Neid saab rakendada ka mitmesugustele tugimaterjalidele, näiteks painduvale plastikule, mis võimaldab OPV -l olla mitmesuguseid kasutusvõimalusi.
QUANTUM DOTS
Kvantpunktiga päikesepatareid juhivad elektrit erinevate pooljuhtmaterjalide väikeste osakeste kaudu, mille laius on vaid paar nanomeetrit, mida nimetatakse kvantpunktideks. Kvantpunktid pakuvad uut võimalust pooljuhtmaterjalide töötlemiseks, kuid nende vahel on raske elektriühendust luua, seega pole need praegu eriti tõhusad. Neid on aga lihtne päikesepatareideks teha. Neid saab hoiustada aluspinnal, kasutades tsentrifuugimismeetodit, pihustust või rull-rull-printereid, nagu ajalehtede trükkimiseks.
Kvantpunktid on erineva suurusega ja nende ribalaius on kohandatav, võimaldades neil koguda valgust, mida on raske tabada, ja siduda seda teiste pooljuhtidega, näiteks perovskiitidega, et optimeerida mitmeühendusega päikesepatarei toimivust (lähemalt allpool).
MULTIJUNCTION PHOTOVOLTAICS
Teine strateegia PV -elementide tõhususe parandamiseks on mitme pooljuhi kihistamine makemultijunction päikesepatareidega. Need rakud on sisuliselt erinevate pooljuhtmaterjalide virnad, erinevalt ühe ristmikuga elementidest, millel on ainult üks pooljuht. Igal kihil on erinev ribalaius, seega neelavad nad igaüks erineva osa päikesespektrist, kasutades rohkem päikesevalgust kui ühe ristmikuga elemendid. Mitmefunktsioonilised päikesepatareid võivad saavutada rekordilise efektiivsuse taseme, sest valgus, mida esimene pooljuhtkiht ei ima, haarab selle all oleva kihi.
Kui kõik rohkem kui ühe ribalaiusega päikesepatareid on mitmeühendusega päikesepatareid, siis täpselt kahe ribalaiusega päikesepatareid nimetatakse tandem -päikesepatareideks. Mitmeühendusega päikesepatareid, mis ühendavad perioodilise tabeli III ja V veerust pooljuhte, nimetatakse mitmeühendusega III-V päikesepatareideks.
Mitmefunktsioonilised päikesepatareid on näidanud efektiivsust üle 45%, kuid need on kulukad ja raskesti valmistatavad, seega on need reserveeritud kosmoseuuringuteks. Sõjavägi kasutab droonides III-V päikesepatareid ja teadlased uurivad nende muid kasutusvõimalusi, kus kõrge efektiivsus on võtmetähtsusega.
KONTSENTRATSIOONI FOTOVOLTAIKA
Kontsentratsioon PV, tuntud ka kui CPV, keskendub päikesevalguse päikesepatareile peegli või läätse abil. Keskendudes päikesevalgusele väikesele alale, on vaja vähem PV -materjali. PV -materjalid muutuvad valguse kontsentreeritumaks muutudes tõhusamaks, nii et CPV -elementide ja moodulitega saavutatakse suurim üldine efektiivsus. Siiski on vaja kallimaid materjale, tootmistehnikaid ja võimet jälgida päikese liikumist, seega on vajaliku kulueelise demonstreerimine tänapäeva' mahukate ränimoodulite ees muutunud keeruliseks.
