Elementul cheie al tehnologiei fotovoltaice este celula solară fotovoltaică. Dezvoltarea celulelor solare fotovoltaice poate fi împărțită aproximativ în trei generații. Prima generație este celule solare cu siliciu; a doua generație este celule solare cu peliculă subțire; noile tehnologii, cum ar fi celulele de concentrare de mare putere, celulele solare organice, celulele solare flexibile și celulele nano-solare sensibilizate la colorant sunt denumite în mod colectiv celule solare de a treia generație. În prezent, curentul principal este prima generație de celule solare pe bază de siliciu, iar cota de piață a celulelor cu peliculă subțire se extinde treptat. Cu excepția celulelor concentratoare de mare putere, majoritatea celulelor din a treia generație sunt încă în stadiul de cercetare și dezvoltare de laborator.
Celule solare din siliciu
Dintre celulele solare cu siliciu, tehnologia siliciului monocristalin este cea mai matură. Eficiența și costul unor astfel de celule sunt afectate în primul rând de procesele lor de fabricație. Procesul de fabricație este împărțit în principal în mai multe etape, cum ar fi turnarea lingoului, felierea, difuzia, texturarea, serigrafia și sinterizarea. Eficiența conversiei fotoelectrice a celulelor solare produse prin acest proces comun este în general de 16 la sută -18 la sută .
Eficiența de conversie a celulelor solare cu siliciu monocristalin este cea mai mare, dar costul este și mai mare. Celulele solare din siliciu policristalin pot reduce costurile foarte bine. Avantajul este că poate produce direct lingouri pătrate de siliciu de dimensiuni mari, potrivite pentru producția la scară largă. Echipamentul este relativ simplu, astfel încât procesul de fabricație este simplu, economisește energie și economisește material de siliciu. Cerințele de material sunt, de asemenea, relativ scăzute.
Pe lângă reducerea costului materialelor și a costului celulelor solare, aceasta se realizează în principal prin două aspecte: unul este reducerea consumabilelor, cum ar fi reducerea grosimii plachetelor de siliciu; celălalt este de a îmbunătăți eficiența conversiei. Modalitățile de îmbunătățire a eficienței includ următoarele aspecte: Primul este de a crește absorbția luminii, cum ar fi texturarea suprafeței, pregătirea straturilor anti-reflex și reducerea lățimii electrodului frontal. Al doilea este de a reduce recombinarea purtătorilor fotogenerați și de a îmbunătăți utilizarea fotonilor, cum ar fi tehnologia de pasivare a emițătorului. Al treilea este de a reduce rezistența și de a crește absorbția fotocurentului de către electrod, cum ar fi dopajul de partiție și tehnologia câmpului electric înapoi.
Recordul actual pentru eficiența conversiei fotoelectrice a celulelor solare din siliciu monocristalin este de 24,7% creat de celulele solare cu structură PERL ale Universității din New South Wales. Caracteristicile sale tehnice includ: concentrația de dopaj cu fosfor pe suprafața de siliciu este scăzută pentru a reduce recombinarea suprafeței și pentru a evita existența „straturilor moarte” de suprafață; difuzia locală de concentrație ridicată este utilizată sub electrozii de suprafață din față și din spate pentru a reduce recombinarea zonei electrodului și a forma un contact Ohmic bun; electrodul de suprafață frontală este îngustat prin procesul de fotolitografie pentru a crește zona de absorbție a luminii; electrodul de suprafață frontală folosește o combinație de metale mai potrivite, cum ar fi titan, paladiu și argint, pentru a reduce rezistența de contact dintre electrod și siliciu; suprafețele din față și din spate ale bateriei folosesc SiO2 și metode de contact punctual pentru a reduce recombinarea suprafeței celulelor. Cu toate acestea, tehnologia nu a fost încă industrializată.
Pe lângă tehnologia PERL, pot fi utilizate și alte tehnologii pentru a îmbunătăți eficiența conversiei. Cum ar fi celula de piele de căprioară canelată la suprafață și electrodul din spate (EWT) de la BP Solar prin tehnologie. Primul reduce în principal lățimea electrodului frontal prin procesul de canelare cu laser și crește aria de absorbție a luminii solare, iar producția la scară largă poate atinge o eficiență de 18,3 la sută; Partea din spate, crescând astfel aria de absorbție a luminii din față, poate atinge o eficiență de 21,3%.
Celule solare cu peliculă subțire
Celulele solare cu siliciu cristalin sunt foarte eficiente și încă domină în aplicațiile la scară largă și în producția industrială. Cu toate acestea, din cauza prețului relativ ridicat al materialelor din siliciu, este foarte dificil să se reducă mult costul acestuia. Pentru a găsi alternative la celulele de siliciu cristalin, au apărut celule solare cu peliculă subțire, cu costuri reduse. Bateriile principale cu film subțire sunt baterii cu film subțire pe bază de siliciu, baterii cu film subțire cu telurura de cadmiu (CdTe) și baterii cu film subțire de cupru indiu galiu seleniură (CIGS).
Grosimea celulelor cu peliculă subțire pe bază de siliciu este de numai 2 microni. În comparație cu celulele de siliciu cristalin cu o grosime de aproximativ 180 de microni, cantitatea de material de siliciu este de numai aproximativ 1,5% din cea a celulelor de siliciu cristalin, iar costul este scăzut. În funcție de numărul de joncțiuni PN incluse, celulele cu peliculă subțire pe bază de siliciu sunt împărțite în celule cu o singură joncțiune, celule cu joncțiune dublă și celule cu mai multe joncțiuni. Diferitele joncțiuni PN pot absorbi lumina solară de diferite lungimi de undă. În prezent, cea mai mare eficiență a celulelor cu o singură joncțiune poate ajunge la 7%, iar celulele cu joncțiune dublă poate ajunge la 10%.
Datorită ratei bune de absorbție a luminii a materialului, eficiența de conversie a celulelor cu film subțire de telură de cadmiu este mai mare decât cea a celulelor cu film subțire pe bază de siliciu, iar eficiența curentă poate ajunge la 12%. Cu toate acestea, elementul cadmiu are efecte cancerigene, iar rezervele naturale de teluriu sunt limitate, ceea ce limitează dezvoltarea pe termen lung a acestei baterii.
Bateriile cu peliculă subțire cu seleniură de indiu și galiu sunt considerate a fi direcția viitoare de dezvoltare a bateriilor cu film subțire de înaltă eficiență, care pot îmbunătăți rata de absorbție a luminii solare prin ajustarea procesului de fabricație, îmbunătățind astfel eficiența conversiei. În prezent, eficiența de conversie a laboratorului poate ajunge la 20,1 la sută, iar eficiența produsului poate ajunge la 13-14 procente, care este cea mai mare dintre toate bateriile cu film subțire.
Celule solare de a treia generație
Celulele din a treia generație pot atinge, teoretic, eficiențe de conversie mai mari. În această etapă, cu excepția celulelor concentratoare, majoritatea se află încă în stadiul de cercetare de laborator.
Celulele concentratoare folosesc, în general, materiale semiconductoare III-V, în principal pentru că semiconductorii III-V au o rezistență mult mai mare la temperaturi ridicate decât siliciul, au încă o eficiență ridicată de conversie fotoelectrică în condiții de iluminare ridicată, iar structura multi-joncțiuni le face ca spectrul de absorbție și spectrul luminii solare. sunt aproape la fel, iar eficiența teoretică a conversiei poate ajunge la 68 la sută. În prezent, trei joncțiuni PN sunt formate din trei materiale semiconductoare diferite, germaniu, arseniură de galiu și fosfor de galiu indiu. Dacă se realizează producție pe scară largă, eficiența poate ajunge la mai mult de 40 la sută.
Celulele solare sunt ambalate în module solare, iar aplicarea diferitelor celule solare depinde de propriile caracteristici și de dezvoltarea cererii pieței. În primele zile, energia solară a fost folosită în principal în stațiile de bază de comunicații și sateliții artificiali, iar mai târziu a intrat treptat în domeniul civil, cum ar fi acoperișurile solare. În aceste scenarii, zona de instalare este mică, iar necesarul de densitate energetică este mare, astfel încât modulele de siliciu cristalin ocupă cota principală de piață. Odată cu dezvoltarea centralelor solare de deșert la scară largă și a clădirilor fotovoltaice, costul global a înlocuit treptat densitatea energiei ca un factor important de luat în considerare, iar aplicarea bateriilor cu peliculă subțire este în creștere. În plus, aplicarea diferitelor tehnologii este afectată și de alți factori precum mediul de utilizare și condițiile climatice.
