Солнечный батарей: Солнечные батареи, модули и панели для дома

Солнечные батареи для дома и солнечные модули каркасные

Ежедневно на нашу планету попадает огромное количество солнечной энергии. Природа уже много миллионов лет успешно пользуется ее преимуществами. Теперь и человек в своем техническом развитии дошел до этой важной ступени — использования неисчерпаемой энергии солнца.В этом нам помогают солнечные батареи. Теперь эти поистине эффективные технологии доступны и в нашем городе Воронеже.

Каркасные солнечные модули для дома можно купить в нашем Интернет-магазине. К Вашему вниманию модификации различных мощностей. Помимо автономных комплектов для получения электроэнергии для загородных коттеджей, наша компания также предлагает финские солнечные панели NAPS для предприятий малого и среднего бизнеса, которые отличаются великолепным качеством. Кроме того, Вы найдете складные портативные солнечные батареи для туристов, рыбаков и охотников.

Наши специалисты помогут рассчитать мощность, которая потребуется Вашей системе, и проконсультируют при выборе оборудования.

Солнечные батареи в Воронеже

Для рынка Воронежа солнечные панели являются чем-то новым и труднодоступным. Наша важная цель — помочь Вам без особого труда и долгих поисков купить качественные солнечные модули в Воронеже по приемлемым ценам.

Солнечные батареи широко используются как в масштабах обеспечения электроэнергией целого дома, так и для работы небольших устройств. Среди таковых фонари и светильники на солнечных фотоэлектрических панелях. Одни из них могут быть небольшим аксессуаром для сада, другие же полноценно выполняют роль источников света. Если Вы хотите приобрести светильник или фонарь на солнечных батареях, то Вы правильно сделали, что посетили наш сайт.

Воспользовавшись раз этой технологией, Вы не захотите с ней расставаться. Ведь все что нужно — это хорошо освещенное место. Хотя, конечно же, существуют требования к эксплуатации системы. Солнечные модули должны быть размещены так, чтобы свет попадал на поверхность равномерно. Необходимо избегать тряски при транспортировке.

Также важно соблюдать температурный режим, который указан в паспорте (обычно от -40 до +50 градусов Цельсия).

Устройство солнечных батарей

Каркасный солнечный модуль для дома или фонаря и светильника — это компактная панель, которая состоит из ячеек монокристаллического кремния. Устройство позволяет преобразовывать радиацию солнца в  электричество. 

С точки зрения физики солнечные батареи или устройства, надежно прикрепляющиеся к поверхности дома и т.д. — это фотоэлектрический генератор с модульной конструкцией. Модули соединены между собой последовательно или параллельно и представляют преобразователь.

Каждый солнечный модуль имеет защитное покрытие — закаленное стекло. Вся конструкция обрамлена алюминиевым каркасом с клеммной коробкой с контактами, герметичной и ударостойкой. Последняя позволяет подключать  солнечные панели к контроллеру заряда или сетевому инвертору.

Идеальная толщина. Предложен универсальный подход к моделированию параметров солнечных батарей

Среди альтернативных источников энергии свет обладает наиболее широким спектром применения — от крошечного фотоэлемента для подзарядки гаджетов до гигантских «крыльев» космических спутников. Города могут обеспечиваться электроэнергией за счет покрытия солнечными элементами свободного пространства разных архитектурных сооружений.

Основной элемент солнечной батареи — поглощающий свет слой, расположенный между двумя накапливающими заряд пластинами — электродами. Частицы света — фотоны — поглощаются молекулами среднего слоя, а их энергия способствует «выбиванию» электронов из атомов материала. На месте «удара» возникают так называемые дырки — носители положительного заряда. За счет движения электронов и дырок к противоположно заряженным электродам и возникает электрический ток. Эффективность солнечной батареи зависит от природы и толщины фотоактивного слоя. Среди поглощающих свет материалов для солнечных элементов нового поколения наиболее перспективны кристаллы перовскита и пленки из полимерной смеси.

Ранее ученые предпринимали попытки моделировать процессы внутри солнечных батарей, но для каждого материала в отдельности. Ученые из Института физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН (Москва) совместно с коллегами из Университета Куинс в Кингстоне (Канада) смоделировали оптические параметры перовскитного и полимерного фотоактивных слоев, используя метод матриц переноса. Этот математический прием позволяет рассчитать распространение светового потока в фотоактивном материале и оценить толщину, при которой устанавливается оптимальное соотношение между концентрациями поглощаемых фотонов и рождающихся после этого электронов и дырок в единицу времени.

Чтобы проверить расчеты, ученые сконструировали солнечные батареи на основе перовскитных и полимерных материалов и измерили их характеристики. Результаты эксперимента полностью подтвердили предсказания математической модели для обоих типов батарей.

«Результаты наших исследований показывают, что моделирование с применением метода матриц переноса позволяет рассчитывать оптимальные параметры солнечных батарей независимо от природы фотоактивного слоя. Мы полагаем, что предложенная модель поможет снизить затраты времени и материалов при разработке солнечных элементов и фотодиодов с применением новых фотоактивных соединений. Исходя из полученных данных, мы планируем создать компьютерную программу для расчета параметров, тестирования и диагностики фотоэлементов на основе неизученных материалов. Разработка новых материалов для таких устройств выполняется сотрудниками Института органического синтеза им. И. Я. Постовского УрО РАН и Института физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН в рамках проекта РНФ»,— сообщил Алексей Тамеев, руководитель проекта по гранту РНФ, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник Института физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН.

 

Покупайте лучшие в отрасли и качественные цена панели солнечных батарей

О продукте и поставщиках:

 Стремясь обеспечить экологическую устойчивость и минимизировать затраты на электроэнергию, большая часть населения мира вложила средства в первоклассные цена панели солнечных батарей.  Каким бы ни был дизайн и стиль цена панели солнечных батарей, Alibaba.com предлагает потрясающий ассортимент высокоэффективных, долговечных и надежных вариантов. Эти невероятные и высокоэффективные солнечные элементы, представленные в продаже, являются сверхэффективными и долговечными, их поставляют ведущие мировые производители и поставщики. 
 Для превосходных характеристик и высокой эффективности в сочетании с невероятной эстетикой рассмотрим монокристаллические цена панели солнечных батарей, которые имеют более высокую цену. Для более портативных и гибких решений, сочетающих эстетику и легкий дизайн, рассмотрите поликристаллические или тонкопленочные элементы. Откройте для себя высококачественные и надежные панели, которые работают на фотоэлектрических, монокристаллических или поликристаллических кремниевых элементах, разработанные для обеспечения постоянной прочности и превосходных характеристик. 
 Широкий ассортимент цена панели солнечных батарей, продаваемых на Alibaba. com предлагает впечатляющий диапазон номиналов мощности, форм и размеров, которые напрямую влияют на производительность и производительность. Найдите высококачественные панели высшего класса с мощностью до 300, способные обеспечить превосходную мощность в коммерческих и жилых помещениях. Откройте для себя самый большой выбор панелей без стекла, PERC, BIPV и гибких вариантов, большинство из которых имеют длительный срок службы около 25 лет. 
 Откройте для себя самые конкурентоспособные. цена панели солнечных батарей на Alibaba.com и сэкономьте деньги на освещении и электроснабжении жилых и коммерческих помещений. Большинство продаваемых панелей имеют сертификаты RoHS, ISO и CE, что гарантирует оптимальную аутентичность и надежность. Заказывайте у проверенных и известных поставщиков, которые закупают свою продукцию у ведущих в отрасли брендов и производителей. 

Положительное и отрицательное воздействие солнечных панелей на окружающую среду

Солнечные панели это исключительно «зеленый» источник энергии, как вы думаете? Есть ли хорошее и плохое воздействие солнечной энергии на окружающую среду? Действительно ли солнечные панели такие «зеленые»? Воздействие солнечных панелей на окружающую среду широко обсуждается и комментируется, но какие аргументы верны, и что лишь шум социальных сетей?

Основные аргументы против солнечных панелей заключаются в том, что они требуют больше энергии и оборудования для сжигания ископаемого топлива для добычи, производства и транспортировки, чем они экономят.

Другой аргумент заключается в том, что в производственном процессе используются токсичные химические вещества, которые приносят больше вреда, чем пользы. Да, солнечная энергия не идеальна.

С другой стороны, утверждается, что солнечные панели создают больше чистой энергии, чем требуется для их создания, и ведущие мировые компании действительно подают пример в отношении правильного использования химикатов. Здесь мы рассмотрим положительное и отрицательное воздействие солнечных панелей на окружающую среду, а также то, что ждет в будущем солнечную энергетику.

Отрицательное воздействие на окружающую среду солнечные панели

Начнем с очевидного: солнечная энергия не идеальна. Как и у всего в жизни, есть плюсы и минусы. Это особенно актуально для обсуждения таких тем, таких как производство энергии для 7 миллиардов человек устойчивым и экономичным способом.

Солнечная энергия не лишена недостатков. Давайте рассмотрим их здесь:

1. Потребность в энергии. Солнечная энергия требует для производства значительного количества энергии. Горнодобывающая промышленность, производство и транспортировка требуют значительного количества энергии. Кварц необходимо обрабатывать, очищать, а затем производить вместе с другими компонентами, которые могут поступать с разных предприятий (алюминий, медь и т. Д.), Для производства одного солнечного модуля. Для нагрева кварца на этапе обработки требуется очень большое количество тепла. Производство требует сочетания нескольких материалов с невероятной точностью для производства высокоэффективных панелей. Все это требует много энергии. При использовании традиционных видов топлива, таких как газ или уголь, они добываются, очищаются / обрабатываются и сжигаются в очень больших масштабах, как правило, в одном месте.

2. Химические вещества. Для производства кремния «солнечного» качества при обработке полупроводников обычно используются опасные химические вещества. В зависимости от производителя солнечных батарей и страны-производителя эти химические вещества могут утилизироваться, а могут и не утилизироваться. Как и в любой отрасли, есть компании, которые подают пример, а есть другие, которые стараются сэкономить деньги. Не каждая компания выбрасывает химические вещества, или не перерабатывает их побочные продукты должным образом, но есть и плохие примеры.

3. Утилизация — что происходит, когда солнечные панели ломаются или выводятся из эксплуатации? Хотя переработка солнечных панелей еще не стала серьезной проблемой, в ближайшие десятилетия она станет серьезной, поскольку солнечные панели необходимо заменить. В настоящее время солнечные модули можно утилизировать вместе с другими стандартными электронными отходами. Страны, не имеющие надежных средств удаления электронных отходов, подвергаются более высокому риску проблем, связанных с переработкой. ‍ Это основные экологические проблемы, связанные с фотоэлектрической отраслью. Опасения, безусловно, являются поводом для дальнейшего расследования, но, судя по цифрам, могут быть необоснованными.

Химические вещества, переработка и утилизация солнечных батарей

Переработка и утилизация солнечных панелей — одна из основных проблем. Есть явная проблема с решениями на перспективу. Это не так широко распространено, и не токсично, как может показаться. Кремниевые пластины стандартных солнечных модулей инкапсулируются, обычно этилвинилацетатом (EVA). Этот слой защищает кремниевую пластину. Если модули не утилизируются должным образом и подвергаются определенным условиям испытаний, возможно и некоторое выщелачивание. При нормальных условиях эксплуатации эти материалы не выделяются. Солнечная энергия очень эффективна для уменьшения выбросов углерода. Как и в случае со всеми технологиями, необходимо иметь дело с непреднамеренными отходами или побочными продуктами. Очевидный ответ — переработать солнечные панели и продавать их как базовые элементы. Теоретически это здорово, но этот путь не является экономичным и масштабируемым — пока.

Пути вперед

Крупномасштабные заводы по переработке солнечных панелей существуют, но они не так распространены, как хотелось бы. Это отставание всегда ожидаемо с новыми отраслями и технологиями.

Авторесайклеры не появились на следующий день после того, как Model T сошла с конвейера. Склады бутылок не ждали появления бутылок. Переработчики электронных отходов стали обычным явлением совсем недавно, спустя десятилетия после взрыва потребительской электроники. Второстепенным отраслям необходимо время, чтобы развиваться вокруг основных отраслей. Альтернативным или дополнительным решением, помогающим экономить на вторичной переработке, является взимание платы с производителей солнечных панелей, чтобы они упростили процесс вторичной переработки, или обязательное выполнение программы вторичной переработки со стороны производителей. Для реализации и совершенствования обоих вариантов потребуется время. Экономика переработки солнечных панелей будет улучшена по мере вывода из эксплуатации большего количества солнечных панелей. Более высокие объемы в любой отрасли позволяют возникнуть эффекту масштаба и творить чудеса. Простым решением проблемы химикатов, используемых в солнечных батареях, было бы найти альтернативные методы производства модулей. Это решение уже находится в стадии реализации, хотя сроки его коммерциализации трудно предсказать. Хотя химические вещества используются в производстве солнечных панелей, сравнение с традиционными видами топлива может дать полезный контекст. Производство любой формы энергии в массовом масштабе потребует определенного использования химических веществ в цепочке поставок. После добычи уголь необходимо подвергнуть химической очистке и переработке. При добыче фракционного природного газа используются химические смеси. И уголь, и газ сжигаются для производства электроэнергии. Сама ядерная энергия требует обогащения с чрезвычайно радиоактивными материалами. Нет идеального источника топлива, у каждого есть свои экологические преимущества и недостатки. Но одни могут быть лучше других.

Влияние производства солнечных панелей на окружающую среду

Как производятся солнечные панели и каково воздействие этого процесса на окружающую среду?

Солнечные панели состоят из нескольких компонентов: каркаса, ячеек, заднего листа, защитной пленки, проводников и крышки из закаленного стекла. Рама изготовлена из алюминия, элементы — из кремния, проводники — из меди, а задний лист и пленка — обычно из материала на основе полимера или пластика.

Для производства солнечных батарей сырье необходимо добывать, это в основном кварц, который перерабатывается в кремний. Алюминий, медь или серебро также являются ключевыми материалами, которые необходимо добывать или получать из переработанных источников, но в основном они добываются из-за возросшего расширения фотоэлектрической отрасли за последние 10 лет. После добычи сырья кварц перерабатывается в кремний «электронного» качества. Этот процесс включает нагревание кварца в высокотемпературной печи, и его реакцию с различными химическими веществами. Для формирования экструдированного алюминиевого каркаса и прокатки закаленного стекла требуются другие производственные процессы. Для производства чего-либо обычно требуется огромное количество энергии.

Для создания солнечных панелей требуется много энергии, и общие выбросы значительны, но после установки солнечных панелей они производят энергию без выбросов в течение более 25 лет.

Процесс производства не имеет значения без контекста энергии, вырабатываемой за весь срок службы, а также от того, как складываются другие источники топлива.

Ответы на два ключевых вопроса дадут этот контекст:

1. Компенсирует ли чистая энергия, вырабатываемая солнечными панелями, негативное воздействие в процессе добычи и производства?

2. Как интенсивность выбросов солнечной энергии сравнивается с традиционными источниками электрической энергии, такими как уголь?

Интенсивность выбросов углерода из солнечных панелей и других видов топлива

Интенсивность выбросов — это совокупные выбросы углерода за весь срок службы, рассчитанные на единицу энергии. Это выражается в граммах эквивалента диоксида углерода на киловатт-час (gC02e / кВтч) или эквивалентном значении в тоннах эквивалента углекислого газа на мегаватт-час (tC02 / МВтч). Чем ниже интенсивность выбросов, тем лучше воздействие на окружающую среду, поскольку меньше CO2 выделяется для выработки того же количества энергии. Выбросы углерода от солнечной энергии в течение всего срока службы чтобы нарисовать четкую картину углеродного следа солнечной энергии, за последние пару десятилетий были проведены сотни исследований по оценке жизненного цикла профиля выбросов солнечной энергии. Эти оценки включали этапы добычи, эксплуатации и переработки электроэнергии из различных источников топлива, таких как солнечные фотоэлектрические, солнечные тепловые, ветровые, ядерные, природный газ и уголь. В 2014 году Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL) Министерства энергетики США проверила 400 из этих исследований с учетом расхождений, выбросов и других переменных факторов, влияющих на данные. Затем данные были согласованы с использованием дискретного набора допущений для целей сравнения. Результаты показали, что солнечным панелям требуется от 60% до 70% энергии на начальном этапе, примерно 25% во время работы и примерно от 5% до 20% после их продуктивного срока службы. С другой стороны, уголь генерирует ~ 98% выбросов в процессе эксплуатации (добыча, транспортировка, сжигание и т. Д.) И только 1% во время процессов добычи и переработки.

Солнечные панели сегодня почти на 50% эффективнее, чем когда проводилось это исследование. Как и следовало ожидать, методы производства энергии на основе ископаемого топлива производят больше CO2, чем возобновляемые источники на 1 кВтч. Чего нельзя было с начала ожидать, так как сразу не видно насколько велик разрыв между видами топлива.

Интенсивность выбросов в течение жизненного цикла солнечных фотоэлектрических систем составляет примерно 40 гСО2 / кВтч. Интенсивность выбросов угля в течение жизненного цикла составляет приблизительно 1 000 г CO2 / кВтч. Уголь производит в 25 раз больше углекислого газа, чем солнечная энергия, что позволяет производить такое же количество энергии.

Изменение интенсивности поглощения излучения как одно из предостережений не в пользу возобновляемых источников энергии заключалось в том, что кремниевые солнечные панели в гармонизации NREL были эффективны от 13,2% до 14,0%. Это было точно до 2014 года, но сегодня поликристаллические солнечные модули регулярно достигают КПД> 19,5%. Солнечные панели сегодня почти на 50% эффективнее, чем когда проводилось это исследование. Создание большего количества кВтч чистой энергии за счет того же производственного цикла, что еще больше снизит интенсивность выбросов солнечных фотоэлектрических систем. Даже худшие оценки для солнечных фотоэлектрических систем все еще в 3 раза лучше лучших оценок для угля. Средние и согласованные значения дают более точную картину интенсивности выбросов от различных видов топлива (с учетом статистических выбросов). Гармонизированное значение также учитывает значение солнечного излучения 1700 кВтч / м2, что примерно равно уровням, наблюдаемым в Альберте и Саскачеване.

Интенсивность выбросов — невероятно важный показатель, который необходимо учитывать при оценке воздействия солнечной энергии на окружающую среду. Были проведены другие исследования и мета-анализ, которые подтверждают влияние солнечных панелей на окружающую среду по сравнению с другими источниками топлива, обнаруженными NREL.

Дополнительный анализ в Брукхейвенской национальной лаборатории, Исследовательском центре окружающей среды PV, и в исследованиях энергетической политики.

Срок окупаемости солнечных панелей, если для создания солнечных панелей требуется больше энергии, чем они будут производить в течение своего срока службы, или аналогичным образом, если исходные эффекты производства солнечных панелей хуже, чем эксплуатационные преимущества, эта технология оценки в корне ошибочна. Люди часто смотрят на окупаемость инвестиций (ROI) или период окупаемости, чтобы оценить стоимость финансовых вложений. Как скоро я верну свои деньги? 25-летний период окупаемости не радует большинство людей, но трехлетний период окупаемости привлечет внимание большинства инвесторов. Тот же вопрос можно сформулировать для выработки энергии и оценки воздействия солнечных панелей на окружающую среду — сколько времени пройдет, пока солнечная энергетическая система вырабатывает достаточно энергии, чтобы компенсировать затраты на производство энергии? Срок окупаемости солнечной энергии зависит от вашего местоположения, поскольку различные погодные условия влияют на выработку солнечной энергии. Солнечная панель, установленная в пустыне Сахара, будет производить больше энергии и окупаться намного быстрее, чем такая же панель, установленная над полярным кругом. И снова NREL предоставляет некоторые заслуживающие внимания данные. Эти данные включают изготовление модуля, рамы и баланс компонентов системы.

Срок окупаемости монокристаллических солнечных батарей составляет всего 2 года. Еще одно важное предостережение, которое следует отметить, заключается в том, что значение основано на предполагаемой эффективности солнечной панели в 14%. Сегодня солнечные панели на 40-50% эффективнее. Имея это в виду, разумно предположить, что солнечные панели имеют приблизительный период окупаемости энергии от 1 до 2 лет. Если бы вам предложили инвестицию со сроком окупаемости 2 года, вы бы ее приняли?

Электроэнергетика. Источники топлива. Воздействие на окружающую среду

Экологические преимущества солнечной энергии также различаются в зависимости от того, какая форма энергии вытесняется. Как следует из приведенного ранее рисунка, производство солнечной энергии вместо использования электроэнергии из угольных электростанций будет гораздо более выгодным, чем если бы вы устанавливали солнечные панели, чтобы компенсировать в первую очередь гидро- или ветровую электроэнергию из сети. Существует ряд других причин для установки солнечных панелей, даже если ваша сеть питается от возобновляемых источников (например, снижение нагрузки на сеть, и снижение стоимости владения электроэнергией в течение всего срока службы), но они не будут здесь подробно описаны.

Производство энергии в Канаде по провинциям и типу топлива. Составлено Kuby Renewable Energy.

Такие провинции, как Новая Шотландия, Саскачеван и Альберта, больше всего выиграют от солнечной энергии, поскольку энергия в этих провинциях поступает в основном из ископаемого топлива. Квебек меньше всего выиграет от использования солнечной энергии, поскольку их сеть уже почти полностью избавлена ​​от выбросов.

Заключение

Солнечная энергия не идеальна, но в целом она оказывает положительное чистое воздействие на окружающую среду и финансовые последствия. Да, для добычи / производства солнечных панелей требуется огромное количество энергии, и да, в процессе производства используются химические вещества. Эти два неопровержимых факта не означают, что солнечные панели имеют чистое негативное воздействие, как показывают данные. Энергия, необходимая для создания солнечной панели, окупится менее чем за 2 года. Даже с учетом стадии производства и обработки солнечной энергии, генерируемые выбросы в 3–25 раз меньше, чем при производстве того же количества энергии из ископаемого топлива. Снижение выбросов от использования солнечной энергии по сравнению с любым ископаемым топливом (особенно углем) делает эту технологию чрезвычайно выгодной.

Ученые выяснили, что делает перовскит таким впечатляющим для солнечных элементов

Перовскит, минерал, состоящий из солей свинца, стал многообещающим материалом для создания недорогих прочных солнечных элементов, поскольку он позволяет печатать технологию на 3D-принтере и прослужить до 25 лет — и вот новое исследование раскрыло структуру этого «волшебного» материала.

Ученые из Кембриджского университета обнаружили две формы беспорядка или структур, параллельных друг другу внутри перовскитов: электронный беспорядок и пространственный химический беспорядок.

Электронный беспорядок снижает производительность солнечной панели, а затем пространственный химический беспорядок, кажется, улучшает его, по словам аспиранта Кембриджского университета Кайла Фрохна.

‘И мы обнаружили, что химический беспорядок — в данном случае «хороший» беспорядок — смягчает «плохой» беспорядок от дефектов, отводя носители заряда от этих ловушек, в которые они иначе могли бы попасть. ‘Фрохна поделилась в пресс-релизе.

Перовскит, минерал с особой кристаллической структурой, продемонстрировал впечатляющие характеристики в создании эффективных и прочных солнечных элементов (на фото), которые могут прослужить около 25 лет — и теперь новое исследование раскрыло свойства этого «чудо-материала».

Перовскит — это термин, используемый для описания минеральной кристаллической структуры, обнаруженной в минеральных разновидностях оксида кальция и титана, состоящих из солей свинца. Впервые он был использован для солнечных элементов в 2009 году.

Этот материал продемонстрировал отличное поглощение света, заряд- мобильность носителей и увеличенный срок службы солнечных элементов с годами, что дает возможность создавать недорогие и долговечные солнечные элементы.

Поскольку перовскит содержит свинец, солнечные элементы, изготовленные из этого минерала, считаются токсичными для окружающей среды и представляют серьезную опасность для здоровья, согласно отдельному исследованию Швейцарского федерального технологического института в Лозанне.

Профессор Ласло Форро из Школы фундаментальных наук EPFL, который не участвовал в Кембриджском исследовании, сказал в заявлении: «Преобразование солнечной энергии в электричество у перовскитных солнечных элементов невероятно велико, около 25%, что сейчас составляет приближаясь по характеристикам к лучшим кремниевым солнечным элементам.

Перовскит — это термин, используемый для описания минеральной кристаллической структуры, обнаруженной в разновидностях минералов оксида кальция и титана, состоящих из титаната кальция. Впервые он был использован для солнечных элементов в 2009 году (стоковая фотография)

‘Но их центральным элементом является свинец , который является ядом; если солнечная панель выйдет из строя, она может вымыться в почву, попасть в пищевую цепочку и вызвать серьезные заболевания.

Большинство солнечных элементов изготавливаются из кристаллических силиконовых панелей, которые в среднем стоят 2,50 доллара за квадратный фут, тогда как элементы, изготовленные из перовскитных модулей, стоят около 0,25 доллара за квадратный фут.

«В обычных материалах солнечных элементов, таких как кремний (из которого состоит более 90% всех панелей), беспорядок (или беспорядок атомного масштаба в материале) всегда является плохой новостью», — сказал Фрохна DailyMail.com по электронной почте.

КПД солнечного элемента

Около 85 процентов используемых в настоящее время фотоэлектрических элементов сделаны из кристаллического кремния.

Это дорогое удовольствие в производстве и обычно имеет коэффициент конверсии в среднем 25 процентов.

Это заставило ученых искать альтернативу, например перовскиту.

Перовскит — это термин, используемый для описания минеральной кристаллической структуры, обнаруженной в разновидностях минералов оксида кальция и титана, состоящих из солей свинца. Впервые он был использован для солнечных элементов в 2009 году, но его эффективность была низкой.

Затем исследователи из Оксфорда использовали полимеры для изготовления твердых ячеек, эффективность которых в конечном итоге составила 16 процентов.

В 2012 году были продемонстрированы эффективные фотовольтаики на основе галогенидорганических перовскитов.

«Но здесь, в этих галогенидных перовскитных материалах, мы обнаружили две конкурирующие формы« беспорядка », одну плохую, а другую — полезную.

Та же команда из Кембриджа в прошлом году показала, как неупорядоченная структура увеличивает производительность перовскитной оптоэлектроники, и их последняя работа объясняет, почему.

Для этого команда использовала новую серию методов микроскопии в новом исследовании.

Работая с синхротронной установкой Diamond Light Source в Дидкот и Окинавским институтом науки и технологий в Японии, исследователи использовали несколько различных микроскопических методов, чтобы исследовать одни и те же области в перовскитовой пленке.

Это позволило им затем сравнить результаты всех этих методов, чтобы представить полную картину того, что происходит на наноразмерном уровне в этих многообещающих новых материалах.

‘Идея состоит в том, что мы делаем то, что называется мультимодальной микроскопией, что является очень причудливым способом сказать, что мы смотрим на одни и те же части образца с помощью нескольких разных микроскопов и в основном пытаемся соотнести свойства, которые мы извлекаем из одного, со свойствами мы вытаскиваем из другого, — сказала Фрохна.

Он объяснил, что «плохой» беспорядок состоит из более мелких областей, где электроны получают энергию от солнечного света, которые обычно извлекаются в виде электричества, и могут попасть в ловушку.

«Когда они застревают в этих ловушках, как мы их называем, они больше не могут быть извлечены в виде электричества и в конечном итоге теряют свою энергию в виде тепла», — сказал Фрохна DailyMail.com.

«Эта энергия тратится впустую и не преобразуется в электричество, что снижает производительность, как указано выше».

А «хорошее» расстройство — это химическая природа.

«Перовскит состоит из трех компонентов, организованных в определенную структуру« перовскита », — пояснил Фрохна.

‘Один из этих компонентов состоит из галогенидов (йода и брома), смешанных в определенном соотношении.

‘Изменение отношения йода к брому изменяет энергию, которую электроны сохраняют, когда они поглощают солнечный свет. Мы обнаружили, что на наноуровне отношение йода к брому сильно варьируется, так называемый химический беспорядок.

‘Этот химический беспорядок создает энергетические холмы и впадины для электронов в этих неупорядоченных материалах.

«Подобно тому, как шар на вершине холма катится вниз, электроны хотят сделать то же самое».

Полученные данные позволят группе и другим специалистам в этой области дополнительно уточнить, как производятся перовскитные солнечные элементы, чтобы добиться максимальной эффективности.

Мигель Анайя, научный сотрудник Королевской академии инженерных исследований Департамента химической инженерии и биотехнологии Кембриджа, заявил в своем заявлении: «Что касается новизны экспериментального подхода, мы следовали стратегии корреляционной мультимодальной микроскопии, но не только. Каждый отдельный метод сам по себе является передовым.

«Мы визуализировали и объяснили причины, по которым мы можем назвать эти материалы устойчивыми к дефектам. Эта методология позволяет оптимизировать новые маршруты на наноуровне, чтобы, в конечном итоге, лучше работать для целевого приложения.

«Теперь мы можем взглянуть на другие типы перовскитов, которые подходят не только для солнечных элементов, но и для светодиодов или детекторов, и понять их принципы работы».

Ультратонкие солнечные элементы с использованием двумерных перовскитов получают импульс

Двумерное покрытие из перовскитного компаунда является основой для эффективного солнечного элемента, который может выдерживать экологический износ, в отличие от более ранних перовскитов. Инженеры из Университета Райса повысили фотоэлектрическую эффективность 2D-перовскитов до 18%. Предоставлено: Джефф Фитлоу / Университет Райса

.

Рисовая лаборатория обнаружила, что перовскитовый компаунд 2D имеет все необходимое, чтобы бросить вызов более объемным продуктам.

Инженеры Университета Райса достигли нового уровня в конструкции атомарно тонких солнечных элементов из полупроводниковых перовскитов, повысив их эффективность, сохранив при этом их способность противостоять окружающей среде.

Лаборатория Адитьи Мохите из Райса Джорджа Р.Школа инженеров Брауна обнаружила, что солнечный свет сам по себе сокращает пространство между атомными слоями в 2D-перовските в достаточной степени, чтобы повысить фотоэлектрическую эффективность материала до 18%, что является поразительным скачком в области, где прогресс часто измеряется долями процента.

«За 10 лет эффективность перовскитов резко выросла с 3% до более чем 25%», — сказал Мохите. «Другим полупроводникам потребовалось около 60 лет, чтобы достичь этого. Вот почему мы так взволнованы ».

Исследование опубликовано в журнале « Nature Nanotechnology».

Перовскиты — это соединения с кубической кристаллической решеткой, которые являются высокоэффективными сборщиками света. Об их потенциале известно уже много лет, но они представляют собой загадку: они хорошо преобразуют солнечный свет в энергию, но солнечный свет и влага их разлагают.

«Ожидается, что технология солнечных элементов будет работать в течение 20–25 лет», — сказал Мохите, доцент кафедры химической и биомолекулярной инженерии, материаловедения и наноинженерии.

«Мы работаем много лет и продолжаем работать с объемными перовскитами, которые очень эффективны, но не так стабильны. Напротив, двухмерные перовскиты обладают огромной стабильностью, но недостаточно эффективны для установки на крышу.

«Большой проблемой было сделать их эффективными без ущерба для стабильности», — сказал он.

Инженеры Райса и их сотрудники из университетов Пердью и Северо-Запада, национальных лабораторий Министерства энергетики США в Лос-Аламосе, Аргонне и Брукхейвене, а также Института электроники и цифровых технологий (INSA) в Ренне, Франция, обнаружили, что в некоторых 2D-перовскитах эффективно действует солнечный свет. сокращает пространство между атомами, улучшая их способность проводить ток.

Аспирант Университета Райса Сирадж Сидхик готовится к центрифугированию подложки компаундом, который затвердевает в двумерный перовскит. Инженеры Rice обнаружили, что перовскит перспективен для создания эффективных и надежных солнечных элементов. Предоставлено: Джефф Фитлоу / Университет Райса

.

«Мы обнаружили, что когда вы освещаете материал, вы как бы сжимаете его, как губку, и соединяете слои вместе, чтобы улучшить перенос заряда в этом направлении», — сказал Мохайт. Исследователи обнаружили, что размещение слоя органических катионов между йодидом сверху и свинцом снизу усиливает взаимодействие между слоями.

«Эта работа имеет важное значение для изучения возбужденных состояний и квазичастиц, в которых положительный заряд лежит на одном слое, а отрицательный — на другом, и они могут разговаривать друг с другом», — сказал Мохайт. «Это так называемые экситоны, которые могут обладать уникальными свойствами.

«Этот эффект дал нам возможность понять и адаптировать эти фундаментальные взаимодействия света и вещества без создания сложных гетероструктур, таких как двухмерные дихалькогениды переходных металлов», — сказал он.

Эксперименты подтверждены компьютерными моделями коллег из Франции. «Это исследование дало уникальную возможность объединить современные методы моделирования ab initio, исследования материалов с использованием крупномасштабных национальных синхротронных установок и определение характеристик работающих солнечных элементов на месте», — сказал Джеки Эвен, профессор физики INSA. «В статье впервые показано, как явление перколяции внезапно высвобождает ток заряда в перовскитном материале.”

Аспирант Университета Райса Вэньбинь Ли готовит 2D перовскитовый солнечный элемент для тестирования на солнечном симуляторе. Инженеры Rice повысили эффективность ячеек из двумерных перовскитов, сохранив при этом их прочность. Предоставлено: Джефф Фитлоу / Университет Райса

.

Оба результата показали, что после 10 минут пребывания под солнечным симулятором при интенсивности одного солнца двумерные перовскиты сжались на 0,4% по своей длине и примерно на 1% сверху вниз. Они продемонстрировали, что эффект можно увидеть через 1 минуту при интенсивности пяти солнечных лучей.

«Звучит не так уж и много, но это сокращение на 1% шага решетки приводит к значительному усилению потока электронов», — сказал аспирант Райс и со-ведущий автор Вэньбинь Ли. «Наши исследования показывают трехкратное увеличение электронной проводимости материала».

В то же время природа решетки сделала материал менее склонным к разрушению даже при нагревании до 80 градусов Цельсия (176 градусов Фаренгейта). Исследователи также обнаружили, что решетка быстро вернулась к своей нормальной конфигурации после выключения света.

«Одно из главных преимуществ двумерных перовскитов в том, что они обычно содержат органические атомы, которые действуют как барьеры для влажности, являются термически стабильными и решают проблемы миграции ионов», — сказал аспирант и соавтор исследования Сирадж Сидхик. «3D-перовскиты склонны к тепловой и световой нестабильности, поэтому исследователи начали наносить 2D-слои поверх объемных перовскитов, чтобы посмотреть, смогут ли они получить лучшее из обоих.

«Мы подумали, давайте просто перейдем только к 2D и сделаем его более эффективным», — сказал он.

Аспирант Университета Райса Венбин Ли, инженер-химик и биомолекуляр Адитья Мохите и аспирант Сирадж Сидхик руководили проектом по производству упрочненных перовскитов 2D для эффективных солнечных элементов.Предоставлено: Джефф Фитлоу / Университет Райса

.

Для наблюдения за сжатием материала в действии команда использовала два пользовательских объекта Управления науки Министерства энергетики США: Национальный синхротронный источник света II в Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики и усовершенствованный источник фотонов (APS) в Аргоннском офисе Министерства энергетики США. Национальная лаборатория.

Аргоннский физик Джо Стрзалка, соавтор статьи, использовал сверхъяркие рентгеновские лучи APS для фиксации мельчайших структурных изменений в материале в реальном времени.Чувствительные инструменты на линии 8-ID-E APS позволяют проводить «оперативные» исследования, то есть те, которые проводятся, когда устройство подвергается контролируемым изменениям температуры или окружающей среды в нормальных рабочих условиях. В этом случае Стржалка и его коллеги подвергли фотоактивный материал солнечного элемента воздействию имитированного солнечного света, сохраняя при этом постоянную температуру, и наблюдали крошечные сокращения на атомном уровне.

В качестве контрольного эксперимента Стржалка и его соавторы также поддерживали темноту в комнате и повышали температуру, наблюдая обратный эффект — расширение материала.Это показало, что преобразование вызвал сам свет, а не выделяемое им тепло.

«Для подобных изменений важно проводить исследования операндо», — сказал Стшалка. «Точно так же, как ваш механик хочет запустить ваш движок, чтобы увидеть, что внутри него, мы хотим, по сути, снять видео этой трансформации, а не один снимок. Такие объекты, как APS, позволяют нам это делать ».

Стржалка отметил, что APS находится в процессе серьезной модернизации, которая увеличит яркость его рентгеновских лучей до 500 раз.По его словам, когда он будет завершен, более яркие лучи и более быстрые и четкие детекторы улучшат способность ученых обнаруживать эти изменения с еще большей чувствительностью.

Это может помочь команде Райса настроить материалы для еще большей производительности. «Мы находимся на пути к достижению эффективности более 20% за счет разработки катионов и интерфейсов», — сказал Сидхик. «Это изменило бы все в области перовскитов, потому что тогда люди начали бы использовать 2D-перовскиты для тандемов 2D-перовскит / кремний и 2D / 3D-перовскит, что могло бы обеспечить эффективность, приближающуюся к 30%.Это сделало бы его привлекательным для коммерциализации ».

Ссылка: «Активируемое светом сокращение межслоев в двумерных перовскитах для высокоэффективных солнечных элементов» Венбин Ли, Сирадж Сидхик, Бубакар Траоре, Реза Асадпур, Джин Хоу, Хао Чжан, Остин Фер, Джозеф Эссман, Яфэй Ван, Джастин М. Хоффман, Иоаннис Спанопулос, Джаред Дж. Кроше, Эстер Цай, Джозеф Стрзалка, Клодин Катан, Мухаммад А. Алам, Меркури Г. Канатзидис, Джеки Эвен, Жан-Кристоф Бланкон и Адитья Д. Мохите, 22 ноября 2021 г., Nature Нанотехнологии .
DOI: 10.1038 / s41565-021-01010-2

Соавторами статьи являются аспиранты Райс Цзинь Хоу, Хао Чжан и Остин Фер, студент Джозеф Эссман, студент по обмену Яфэй Ван и соавтор-корреспондент Жан-Кристоф Бланкон, старший научный сотрудник лаборатории Мохите; Бубакар Траоре, Клодин Катан из INSA; Реза Асадпур и Мухаммад Алам из Пердью; Джастин Хоффман, Иоаннис Спанопулос и Меркури Канатзидис из Северо-Запада; Джаред Кроше из Лос-Аламоса и Эстер Цай из Брукхейвена.

Служба исследований армии, Академический институт Франции, Национальный научный фонд (20-587, 1724728), Управление военно-морских исследований (N00014-20-1-2725) и Управление науки Министерства энергетики (AC02-06Ch21357) поддержали исследование.

Тайна новых высокоэффективных материалов для солнечных элементов раскрыта с потрясающей четкостью

Художественное изображение потока электронов в высококачественные области перовскита. Предоставлено: Алекс Т.в Ella Maru Studios

Исследователи из Кембриджского университета использовали набор методов корреляционной мультимодальной микроскопии, чтобы впервые визуализировать, почему перовскитовые материалы кажутся такими устойчивыми к дефектам в своей структуре. Их результаты были опубликованы сегодня в журнале « Nature Nanotechnology ».

Наиболее часто используемым материалом для производства солнечных панелей является кристаллический кремний, но для достижения эффективного преобразования энергии требуется энергоемкий и трудоемкий производственный процесс для создания необходимой высокоупорядоченной пластинчатой ​​структуры.

В последнее десятилетие перовскитовые материалы стали многообещающей альтернативой.

Соли свинца, используемые для их изготовления, намного более многочисленны и дешевле в производстве, чем кристаллический кремний, и их можно приготовить жидкими чернилами, которые просто напечатаны для получения пленки материала. Они также демонстрируют большой потенциал для других оптоэлектронных приложений, таких как энергоэффективные светодиоды (светодиоды) и детекторы рентгеновского излучения.

Впечатляющие характеристики перовскитов удивляют.Типичная модель превосходного полупроводника — это очень упорядоченная структура, но совокупность различных химических элементов, объединенных в перовскитах, создает гораздо более «беспорядочный» ландшафт.

Эта неоднородность вызывает дефекты в материале, которые приводят к наноразмерным «ловушкам», которые снижают фотоэлектрические характеристики устройств. Но, несмотря на наличие этих дефектов, перовскитные материалы по-прежнему демонстрируют уровни эффективности, сравнимые с их кремниевыми альтернативами.

Фактически, более раннее исследование группы показало, что неупорядоченная структура может фактически повысить производительность перовскитной оптоэлектроники, и их последняя работа пытается объяснить, почему.

Комбинируя серию новых методов микроскопии, группа представляет полную картину наноразмерного химического, структурного и оптоэлектронного ландшафта этих материалов, которая выявляет сложные взаимодействия между этими конкурирующими факторами и, в конечном итоге, показывает, какие из них лучше.

«Мы видим, что две формы беспорядка происходят параллельно», — объясняет доктор философии.D. студент Кайл Фрохна, «электронный беспорядок, связанный с дефектами, которые снижают производительность, а затем пространственный химический беспорядок, который, кажется, улучшает его».

«И мы обнаружили, что химический беспорядок — в данном случае« хороший »беспорядок — смягчает« плохой »беспорядок от дефектов, отводя носители заряда от этих ловушек, в которые они иначе могли бы попасть».

В сотрудничестве с Кембриджской лабораторией Кавендиша, синхротронной установкой Diamond Light Source в Дидкоте и Окинавским институтом науки и технологий в Японии исследователи использовали несколько различных микроскопических методов, чтобы исследовать одни и те же области в перовскитовой пленке.Затем они могли бы сравнить результаты всех этих методов, чтобы представить полную картину того, что происходит на наноразмерном уровне в этих многообещающих новых материалах.

«Идея состоит в том, что мы делаем так называемую мультимодальную микроскопию, которая представляет собой очень причудливый способ сказать, что мы смотрим на одну и ту же область образца с помощью нескольких разных микроскопов и в основном пытаемся сопоставить свойства, которые мы извлекаем из одного, со свойствами, которые мы вытащить из другого «, — говорит Фрохна. «Эти эксперименты отнимают много времени и ресурсов, но вы получаете отличную награду в виде информации, которую вы можете извлечь.«

Полученные данные позволят группе и другим специалистам в этой области дополнительно уточнить, как производятся перовскитные солнечные элементы, чтобы добиться максимальной эффективности.

«В течение долгого времени люди не обращали внимания на термин« терпимость к дефектам », но это первый случай, когда кто-либо правильно визуализировал его, чтобы понять, что на самом деле означает« терпимость к дефектам в этих материалах ».

«Зная, что эти два конкурирующих расстройства противопоставляются друг другу, мы можем подумать о том, как эффективно модулировать одно, чтобы смягчить эффекты другого наиболее благоприятным образом.«

«Что касается новизны экспериментального подхода, мы следовали стратегии корреляционной мультимодальной микроскопии, но не только это, каждый отдельный метод является передовым сам по себе», — говорит Мигель Анайя, научный сотрудник Королевской академии инженерных исследований в Кембриджском отделении исследований. Химическая инженерия и биотехнология

«Мы визуализировали и объяснили причины, по которым мы можем назвать эти материалы устойчивыми к дефектам. Эта методология позволяет новым маршрутам оптимизировать их в наномасштабе, чтобы, в конечном итоге, работать лучше для целевого приложения.Теперь мы можем взглянуть на другие типы перовскитов, которые подходят не только для солнечных элементов, но и для светодиодов или детекторов, и понять их принципы работы.

«Что еще более важно, набор инструментов сбора данных, которые мы разработали в этой работе, может быть расширен для изучения любого другого оптоэлектронного материала, что может представлять большой интерес для более широкого сообщества материаловедов».

«Благодаря этим визуализациям мы теперь намного лучше понимаем наноразмерный ландшафт этих удивительных полупроводников — хороших, плохих и уродливых», — говорит Сэм Стрэнкс, доцент кафедры энергетики Кембриджского факультета химической инженерии и биотехнологии.

«Эти результаты объясняют, как эмпирическая оптимизация этих материалов в полевых условиях привела к таким высоким характеристикам перовскитов смешанного состава. Но они также выявили чертежи для разработки новых полупроводников, которые могут иметь аналогичные атрибуты — где беспорядок может быть использован для адаптации представление.»

---

Металлогалогенные полупроводники на основе перовскита могут составить конкуренцию кремниевым аналогам для солнечных элементов и светодиодов.

---

Дополнительная информация: Мигель Анайя, Наноразмерная химическая неоднородность доминирует в оптоэлектронном отклике солнечных элементов из легированного перовскита, Nature Nanotechnology (2021).DOI: 10.1038 / s41565-021-01019-7. www.nature.com/articles/s41565-021-01019-7 Предоставлено Кембриджский университет

Ссылка : Тайна новых высокоэффективных материалов для солнечных элементов раскрыта с потрясающей ясностью (2021, 22 ноября) получено 27 ноября 2021 г. с https: // физ.org / news / 2021-11-mystery-high-solar-cell-materials.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.

Эти солнечные панели тоньше карандаша, они произведут революцию в солнечной энергетике.

Солнечные панели тоньше карандаша были изобретены только что, и они могут произвести революцию в области возобновляемых источников энергии.

Ультратонкие и легкие панели производятся сингапурской компанией Maxeon Solar Technologies , и, по прогнозам, они очень скоро захватят европейский рынок.

Солнечная энергия является особенно эффективным возобновляемым источником энергии, поскольку она бесплатна. Солнце дает нам больше энергии, чем мы могли бы когда-либо использовать.

Фактически, первым, кто предсказал, что эта форма власти может стать реальностью, был Леонардо да Винчи в 15 веке. Первый солнечный элемент был разработан в 19 веке, но его солнечный КПД составлял всего 1 процент.

Пользователи солнечной энергии экономят до 75 миллионов баррелей нефти и 35 миллионов тонн углекислого газа в год.

Эти «воздушные солнечные панели» тоньше карандаша и вдвое легче (в кг / м2) большинства обычных панелей. Это означает, что их можно использовать на старых крышах, которые не рассчитаны на такой большой вес.

Зачем нужны легкие солнечные батареи?

На здания приходится 28 процентов мировых выбросов, однако слишком много крыш — около 40 процентов существующих коммерческих зданий — не могут работать на солнечной энергии, потому что большинство солнечных панелей слишком тяжелые.

Эти легкие панели открывают большие возможности для большинства существующих коммерческих зданий, которые в настоящее время не могут разместить традиционную солнечную систему. В панели не используется металлический каркас и тяжелое стекло, а клейкая система крепления еще больше снижает вес, так как не требуется установка в стойку.

В результате вес около 6 кг / м² меньше, чем половина обычных систем, и значительно снижает нагрузку на крышу. По оценкам Maxeon, только в Европе существует необслуживаемый годовой рынок «крыш с малой нагрузкой» мощностью более 4 ГВт.

«Воздействие этой новой конструкции на цепочки поставок солнечной энергии, затраты и сроки развертывания будет огромным, — говорит генеральный директор Maxeon Джефф Уотерс.

«Они упрощают цепочку поставок за счет значительного снижения веса, объема и затрат при транспортировке, помогая предприятиям намного быстрее достигать своих нулевых целей».

Он добавляет: «Панели представляют собой пик инноваций в отрасли солнечных технологий. Мы рассматриваем это нововведение как потенциально трансформационное для солнечной отрасли и надеемся на впечатляющие результаты в Европе.«

Панели солнечных батарей

Maxeon будут производиться в Порселетте, Франция, и будут использоваться в отдельных проектах в Европе во второй половине 2021 года. Начало общей доступности продукции запланировано на первый квартал 2022 года.

Устройство

действует как солнечные батареи. Элемент и батарея

19 ноября 2021 г. & bullet; Physics 14, 163

Новое фотоэлектрическое устройство может преобразовывать свет в заряд, который затем может храниться бесконечно.

эвокс24 / сток.adobe.com

Энергия солнечного света. Сбор световой энергии с помощью солнечных элементов обычно требует их подключения к устройству хранения энергии, например к батарее. Новое устройство может обеспечивать как фотоэлектрическую энергию, так и накопление энергии.

evoks24 / stock.adobe.com

Энергия солнечного света. Сбор световой энергии с помощью солнечных элементов обычно требует их подключения к устройству хранения энергии, например к батарее. Новое устройство может обеспечивать как фотоэлектрическую энергию, так и накопление энергии.×

Фотоэлектрические устройства, преобразующие световую энергию в электричество, играют жизненно важную роль в экологически чистых энергетических технологиях. Их часто необходимо подключать к батареям, которые хранят захваченную энергию, но теперь исследователи создали устройство, сочетающее генерацию фотоэлектрического заряда с накоплением заряда. Возбужденные электроны могут удерживаться не менее недели, пока они не разрядятся в виде электрического тока. Команда говорит, что устройство может найти применение в производстве энергии, фотодетекторах или световой памяти.

Хорошее фотоэлектрическое устройство вносит носитель заряда в электрический ток почти каждый раз, когда оно поглощает фотон; другими словами, он имеет высокую «внешнюю квантовую эффективность» (EQE). Проблема в том, что отрицательно заряженный электрон и положительно заряженная дырка, генерируемые фотоном, часто рекомбинируют вскоре после своего создания. Один из способов увеличить EQE устройства — временно захватить носители заряда — например, на дефекты кристалла — до того, как может произойти рекомбинация.

Ючэн Цзян из Сучжоуского университета науки и технологий, Китай, и его коллеги решили использовать эту стратегию в устройстве, называемом гетеропереходом Ван-дер-Ваальса, в котором два материала удерживаются в контакте за счет относительно слабых ван-дер-ваальсовых взаимодействий. . Они использовали диселенид вольфрама, полупроводниковый материал, и прозрачный проводник из оксида титана стронция (STO). На поверхности STO команда создала почти двумерный «электронный газ» (состояние, в котором электроны движутся свободно и независимо), применив обработку поверхности.Использование электронного газа в качестве одного из компонентов такого гетероперехода было новым и привело к новым свойствам устройства.

Сделайте заряды, а затем сохраните их. Новое устройство состоит из тонкой пленки слоистого материала (диселенид вольфрама, зеленый цвет), нанесенного на оксид стронция титана (STO, серый цвет). Обработка STO бомбардировкой ионами аргона создает поверхностные дефекты, которые создают квазидвумерный электронный газ. Таким образом, этот материал действует в основном как переносчик электронов (это проводник типа n ), тогда как пленка диселенида вольфрама в основном проводит дырки (проводник типа p ).Таким образом, интерфейсная область представляет собой гетеропереход p — n , обычную структуру в солнечных элементах. Подвижные носители заряда возбуждаются в пленке диселенида вольфрама синим лазерным светом и могут задерживаться и храниться в течение длительных периодов времени в области вблизи границы раздела, пока не будут вытеснены достаточно большим приложенным напряжением. Сделайте заряды, а затем сохраните их. Новое устройство состоит из тонкой пленки слоистого материала (диселенид вольфрама, зеленый цвет), нанесенного на оксид стронция титана (STO, серый цвет).Обработка STO бомбардировкой ионами аргона создает поверхностные дефекты, которые … Показать больше Сделайте заряды, а затем сохраните их. Новое устройство состоит из тонкой пленки слоистого материала (диселенид вольфрама, зеленый цвет), нанесенного на оксид стронция титана (STO, серый цвет). Обработка STO бомбардировкой ионами аргона создает поверхностные дефекты, которые создают квазидвумерный электронный газ. Таким образом, этот материал действует в основном как переносчик электронов (это проводник типа n ), тогда как пленка диселенида вольфрама в основном проводит дырки (проводник типа p ).Таким образом, интерфейсная область представляет собой гетеропереход p — n , обычную структуру в солнечных элементах. Подвижные носители заряда возбуждаются в пленке диселенида вольфрама синим лазерным светом и могут задерживаться и храниться в течение длительных периодов времени в области вблизи границы раздела, пока не будут вытеснены достаточно большим приложенным напряжением.

Область раздела между двумя материалами образует так называемое соединение p — n , обычную структуру в солнечных элементах. Обычно фотоны генерируют пары электрон-дырка, которые могут быть разделены напряжением, хотя некоторые из них неизбежно рекомбинируют.Цзян и его коллеги надеялись, что в их структуре рекомбинация может происходить медленнее, чем в других фотоэлектрических устройствах p — n . Но, к своему удивлению, они обнаружили, что фотоиндуцированные носители заряда могут сохраняться очень долгое время. После освещения своего устройства синим лазером и последующего хранения его в темноте при температуре 30 К в течение 7 дней они могли извлечь большой ток (2,9 мА) при подключении его к цепи. Фотовозбужденный заряд хранился без заметной деградации, как будто в батарее, которую можно было заряжать и разряжать по желанию.Они назвали это новое явление платной фотопроводимостью.

Исследователи полагают, что захват происходит в части пленки диселенида вольфрама, называемой областью пространственного заряда, примыкающей к границе раздела с кристаллом STO. Здесь индуцированные светом дыры могут накапливаться и удерживаться до тех пор, пока достаточно большое приложенное напряжение не втянет их в цепь. После этого устройство готово к повторной зарядке при свете. EQE устройства составляет 93,8%, тогда как многие фотоэлектрические элементы считаются «высокопроизводительными», если их EQE превышает 50%.Однако необходимость охлаждения устройства примерно до 30 К для поддержания стабильного заряда может ограничить его использование в определенных приложениях, говорит Цзян, если только улучшения с использованием других материалов не могут значительно повысить эту рабочую температуру.

Устройство с гетеропереходом может также действовать как оптическая память. Информация будет вводиться с помощью светового импульса и храниться до тех пор, пока не будет считана как импульс электрического тока. «Мы не знаем, каков предел этой стабильности, но мы думаем, что срок службы хранилища почти бесконечен», — говорит Цзян.

Другие слоистые материалы ранее использовались для создания устройств с гетеропереходом с фотоиндуцированной способностью накопления [2, 3]. Но Цзян говорит, что в таких случаях процесс захвата включается и выключается с меньшей легкостью, поскольку он включает «более сильные» ловушки (в дефектных участках кристалла).

Инженер по материалам Чжимэй Сунь из Университета Бейхан в Китае говорит, что наблюдаемый эффект может оказаться важным, но ему потребуется больше данных, чтобы убедиться, что исследователи полностью понимают механизм.

В статье «предлагается новая структура устройства для фотоэлектрического преобразования и хранения», — говорит Марк Херсам из Северо-Западного университета, штат Иллинойс, специалист по низкоразмерным наноэлектронным материалам. «Этот тип работ, вероятно, получит дальнейшее развитие в будущем, поскольку в области материалов Ван-дер-Ваальса все больше используются возможности для формирования гетероструктур», которые включают в себя многие другие типы материалов, — говорит он.

–Phillip Ball

Филип Болл — внештатный научный писатель из Лондона.Его последняя книга — The Modern Myths (University of Chicago Press, 2021).

Ссылки

1. Y. Jiang et al. , «Сосуществование фотоэлектрического преобразования и накопления в гетеропереходах Ван-дер-Ваальса», Phys. Rev. Lett. 127 , 217401 (2021 г.).
2. K. Roy et al. , «Гибридные структуры графен – MoS2 для многофункциональных фотореактивных запоминающих устройств», Нац. Nanotechnol. 8 , 826 (2013).
3. D. Xiang et al., «Двумерная многоразрядная оптоэлектронная память с широкополосным разделением спектра», Нац. Commun. 9 , 2966 (2018).

---

Сосуществование фотоэлектрического преобразования и хранения в гетеропереходах Ван-дер-Ваальса

Yucheng Jiang, Anpeng He, Run Zhao, Yu Chen, Guozhen Liu, Hao Lu, Jinlei Zhang, Qing Zhang, Zhuo Wang, Cingshen Longhao Weida Hu, Lin Wang, Yaping Qi, Ju Gao, Quanying Wu, Xiaotian Ge, Jiqiang Ning, Andrew T. S. Wee и Cheng-Wei Qiu

Phys.Rev. Lett. 127 , 217401 (2021)

Опубликовано 19 ноября 2021 г.

Тематические области

Статьи по теме

Другие статьи

Как работают солнечные элементы?

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 15 августа 2020 г.

Почему мы тратим время на бурение в поисках нефти и копать уголь, когда в небе над нами стоит гигантская электростанция, посылающая чистая, непрерывная энергия бесплатно? Солнце, бурлящий шар ядерная энергетика, на борту достаточно топлива чтобы управлять нашей Солнечной системой еще на пять миллиардов лет, а солнечные панели может превратить эту энергию в бесконечную, удобную подача электроэнергии.

Солнечная энергия может показаться странной или футуристической, но это уже довольно банальность. На запястье могут быть кварцевые часы на солнечной энергии или карманный калькулятор на солнечных батареях. У многих людей есть фонари на солнечных батареях в их саду. Космические корабли и спутники обычно на них тоже есть солнечные батареи. Американское космическое агентство NASA даже разработало солнечную батарею. самолет! Как глобальное потепление продолжает угрожать нашей окружающей среде, мало сомнений в том, что солнечная энергия станет еще более важной формой возобновляемой энергии в будущем.Но как именно это работает?

Фото: самолет NASA Pathfinder, работающий на солнечной энергии. Верхняя поверхность крыла покрыта легкими солнечными батареями, питающими винты самолета. Изображение любезно предоставлено НАСА Центр летных исследований Армстронга.

Сколько энергии мы можем получить от Солнца?

Фото: Количество энергии, которое мы можем уловить от солнечного света, минимально на восходе и закате, а также максимум в полдень, когда Солнце находится прямо над головой.

Солнечная энергия потрясающая. В среднем каждый квадратный метр Земли поверхность получает 164 Вт солнечной энергии (цифру мы объясним более подробно чуть позже). Другими словами, вы могли поставить действительно мощную (150 ватт) настольную лампу на каждый квадратный метр Поверхность Земли и озари всю планету энергией Солнца! Или поставить это по-другому, если бы мы покрыли только один процент пустыни Сахара солнечными панелей, мы могли бы производить достаточно электроэнергии чтобы привести в действие весь мир.Это хорошая вещь в солнечной энергии: их ужасно много — гораздо больше, чем мы могли бы когда-либо использовать.

Но есть и обратная сторона. Энергия, которую излучает Солнце, прибывает Земля как смесь света и тепла. Оба они невероятно важно — свет заставляет растения расти, давая нам пищу, а тепло согревает нас достаточно, чтобы выжить, но мы не можем использовать ни то, ни другое Солнечный свет или тепло для работы телевизора или автомобиля. Мы должны найти способ преобразования солнечной энергии в другие формы энергии, которые мы можно использовать более легко, например, электричество.И это именно то, что солнечная клетки делают.

Что такое солнечные элементы?

Солнечный элемент — электронное устройство, улавливающее солнечный свет и превращает его прямо в электричество. Он размером с ладонь взрослого человека, восьмиугольной формы и голубовато-черного цвета. Солнечные элементы часто объединяются в более крупные блоки, называемые солнечными модулями , . соединены в еще более крупные блоки, известные как солнечные панели (черные или синие плиты, которые вы видите в домах людей, обычно с несколькими сотни отдельных солнечных элементов на крышу) или измельченные на куски (чтобы обеспечивают питание небольших гаджетов, таких как карманные калькуляторы и цифровые часы).

Фото: Крыша этого дома покрыта 16 солнечными панелями, каждая из которых состоит из сетки 10 × 6 = 60 маленьких солнечных элементов. В хороший день он, вероятно, вырабатывает около 4 киловатт электроэнергии.

Так же, как элементы в батарее, ячейки в солнечные панели предназначены для выработки электроэнергии; но где батарея клетки производят электричество из химикатов, клетки солнечной панели производят мощность, вместо этого улавливая солнечный свет. Их иногда называют фотоэлектрическими (ФЭ). клетки, потому что они используют солнечный свет («фотография» происходит от греческого слова «свет») для производства электричества ( слово «гальванический» — это отсылка к итальянскому первопроходцу в области электроэнергетики. Алессандро Вольта, 1745–1827).

Мы можем думать о свете как о крошечных частицах, называемых фотонов , поэтому луч солнечного света похож на ярко-желтый огонь Мы стреляем из триллионов в триллионы фотонов на нашем пути. Прилепите солнечный элемент на своем пути, и он улавливает эти энергичные фотоны и превращает их в поток электронов — электрический ток. Каждая ячейка вырабатывает несколько вольт электричества, поэтому работа солнечной панели состоит в том, чтобы объединить энергию, производимую многими клетками, чтобы произвести полезное количество электрического тока и Напряжение.Практически все современные солнечные элементы сделаны из ломтиков. кремния (один из самых распространенных химических элементов на Земле, обнаружен в песке), хотя, как мы вскоре увидим, множество других материалов также можно использовать (или вместо него). Когда солнечный свет попадает на солнечную батарею, энергия он выносит электроны из кремния. Их можно заставить Обтекайте электрическую цепь и приводите в действие все, что работает на электричество. Это довольно упрощенное объяснение! Теперь давайте возьмем присмотреться …

Как изготавливаются солнечные элементы?

На фото: одиночный фотоэлемент.Изображение Рика Митчелла, любезно предоставлено Министерством энергетики США / Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (DOE / NREL).

Кремний — это материал, из которого сделаны транзисторы. (крошечные переключатели) в микрочипах сделаны — и солнечные элементы работают аналогичным образом. Кремний — это тип материала, который называется полупроводником. Некоторые материалы, особенно металлы, пропускают через них электричество. очень легко; их называют кондукторами. Другие материалы, такие как пластик и дерево, на самом деле не пусть электричество течет через них в все; их называют изоляторами.Полупроводники, такие как кремний, ни проводники, ни изоляторы: они обычно не проводят электричество, но при определенных обстоятельствах мы можем заставить их это сделать.

Солнечный элемент — это сэндвич из двух разных слоев кремния, прошли специальную обработку или добавили допинг, поэтому они позволит электричеству течь через них определенным образом. Нижний слой легированный, поэтому в нем немного меньше электронов. Он называется кремнием p-типа или положительного типа (потому что электроны заряжены отрицательно, а в этом слое их слишком мало).Верхний слой легируется противоположным образом, чтобы получить слишком много электронов. Это называется кремнием n-типа или отрицательного типа. (Ты можно узнать больше о полупроводниках и легировании в наших статьях о транзисторах и интегральные схемы.)

Когда мы помещаем слой кремния n-типа на слой p-типа кремния, барьер создается на стыке двух материалов ( чрезвычайно важная граница, где встречаются два вида кремния). Нет электроны могут пересечь барьер, поэтому, даже если мы подключим этот кремний бутерброд к фонарику, ток не протечет: лампочка не загорится вверх.Но если мы посветим на бутерброд, что-нибудь примечательное. бывает. Мы можем думать о свете как о потоке энергетического «света». частицы », называемые фотонами. Когда фотоны входят В нашем сэндвиче они отдают свою энергию атомам кремния. Поступающая энергия выбивает электроны из нижнего слоя p-типа, поэтому Oни перепрыгнуть через барьер на слой n-типа выше и обтекать схема. В чем больше света светит, тем больше электронов подпрыгивает и тем больше ток потоки.

Это то, что мы подразумеваем под фотоэлектрическими элементами — напряжение, создающее свет, — и это один из видов того, что ученые называют это фотоэлектрическим эффектом.

А теперь подробнее …

Это базовое введение в солнечные элементы — и если это все, что вам нужно, вы можете здесь остановиться. В оставшейся части этой статьи более подробно рассказывается о различных типах солнечных элементов, о том, как люди применяют солнечную энергию на практике, и почему солнечной энергии требуется так много времени, чтобы поймать.

Насколько эффективны солнечные батареи?

Диаграмма: Сравнение эффективности солнечных элементов: самый первый солнечный элемент соскоблился с КПД всего 6 процентов; самый эффективный из произведенных на сегодняшний день — 46 процентов в лабораторных условиях.Большинство клеток относятся к типам первого поколения, которые могут управлять примерно 15 процентами в теории и, вероятно, 8 процентами на практике.

Основное правило физики, называемое законом сохранения энергии, гласит: что мы не можем волшебным образом создать энергию или превратить ее в тонкую воздух; все, что мы можем сделать, это преобразовать его из одной формы в другую. Это означает солнечный элемент не может производить больше электроэнергии, чем он воспринимает каждую секунду как свет. На практике, как мы вскоре увидим, большинство клеток преобразуют около 10–20 процентов энергии, которую они получать в электричество.Типичный кремниевый однопереходный солнечный ячейка имеет теоретическую максимальную эффективность около 30 процентов, известную как Предел Шокли-Кайссера . Это по сути потому, что солнечный свет содержит широкую смесь фотонов с разными длинами волн и энергии, и любой однопереходный солнечный элемент будет оптимизирован для улавливают фотоны только в определенной полосе частот, тратя все остальное. Некоторых фотонов, падающих на солнечный элемент, недостаточно энергия, чтобы выбить электроны, поэтому они эффективно тратятся, в то время как у некоторых слишком много энергии, и избыток также тратится зря.Очень лучшие, современные лабораторные ячейки могут справиться с 46% эффективность в абсолютно идеальных условиях за счет использования нескольких узлов ловить фотоны разной энергии.

Реальные бытовые солнечные панели могут иметь КПД около 15 процентов, если процентный пункт здесь или там, и это вряд ли станет намного лучше. Однопереходные солнечные элементы первого поколения не подходят 30-процентный КПД предела Шокли-Кайссера, не говоря уже о лабораторный рекорд 46 процентов.Всевозможные надоедливые факторы реального мира съедают номинальный КПД, включая конструкцию панелей, их расположение и под углом, находятся ли они когда-либо в тени, насколько чистыми вы их держите, как они становятся горячими (повышение температуры снижает их эффективность), и вентилируются ли они (позволяя воздуху циркулировать под ними) чтобы держать их в прохладе.

Типы фотоэлектрических солнечных элементов

Большинство солнечных элементов, которые вы увидите сегодня на крышах людей, являются по сути просто кремниевые бутерброды, специально обработанные («легированные») чтобы сделать из них более качественные электрические проводники.Ученые называют эти классические солнечные элементы как первое поколение, в значительной степени для дифференциации их от двух разных, более современных технологий, известных как вторичные и третье поколение. Так в чем разница?

Первое поколение

Фото: красочная коллекция солнечных элементов первого поколения. Фотография любезно предоставлена ​​Исследовательским центром Гленна НАСА. (НАСА-GRC).

Около 90 процентов солнечных элементов в мире изготавливаются из пластин. кристаллического кремния (сокращенно c-Si), вырезанного из крупных слитков, которые выращиваются в сверхчистых лабораториях в процессе, который может на выполнение потребуется до месяца.Слитки имеют форму монокристаллы ( монокристаллический или моно-Si) или содержат несколько кристаллов ( поликристаллический , мульти-Si или поли c-Si). Солнечные элементы первого поколения работают так же, как мы. показано в рамке вверху: они используют простой простой переход между слоями кремния n-типа и p-типа, которые вырезаны из отдельные слитки. Таким образом, слиток n-типа будет получен путем нагревания кусков кремния с небольшими количествами фосфора, сурьмы или мышьяка, как легирующая добавка, в то время как слиток p-типа будет использовать бор в качестве легирующей примеси.Затем срезы кремния n-типа и p-типа сливаются, чтобы соединение. Добавлены еще несколько наворотов (например, антибликовое покрытие, которое улучшает поглощение света и придает фотоэлектрические элементы их характерного синего цвета, защитное стекло на передней и пластиковой основе, и металлические соединения, чтобы ячейка могла быть включенным в цепь), но простой p-n переход — это суть большинство солнечных батарей. Это в значительной степени то, как все фотоэлектрические кремниевые солнечные клетки работают с 1954 года, когда ученые Bell Labs пионер технологии: сияющий солнечный свет на кремнии, извлеченном из песок, они вырабатывали электричество.

Второе поколение

На фото: тонкопленочная солнечная «панель» второго поколения. Энергогенерирующая пленка сделана из аморфного кремния, прикреплена к тонкой, гибкой и относительно недорогой пластиковой основе («подложке»). Фото Уоррена Гретца любезно предоставлено NREL (идентификатор изображения # 6321083).

Классические солнечные элементы представляют собой относительно тонкие пластины, обычно фракция миллиметра (около 200 мкм, 200 мкм или около того). Но это абсолютные слябов по сравнению со вторым поколением. элементы, широко известные как тонкопленочные солнечные элементы (TPSC) или тонкопленочные фотоэлектрические элементы (TFPV), которые примерно в 100 раз больше снова тоньше (глубиной несколько микрометров или миллионных долей метра).Хотя большинство из них по-прежнему сделаны из кремния (другая форма, известная как аморфный кремний, a-Si, в котором атомы расположены беспорядочно вместо точно упорядоченных в регулярной кристаллической структуре), некоторые из них изготовлены из других материалов, в частности теллурида кадмия (Cd-Te) и диселенид меди, индия, галлия (CIGS). Потому что они чрезвычайно тонкие, легкие и гибкие солнечные элементы второго поколения могут быть ламинированный на окна, световые люки, черепицу и все виды «подложки» (материалы основы), включая металлы, стекло и полимеры (пластмассы).То, что клетки второго поколения приобретают в гибкости, они приносят в жертву. эффективность: классические солнечные элементы первого поколения по-прежнему превосходят их. Таким образом, хотя первоклассная ячейка первого поколения может достичь КПД 15–20 процентов, аморфный кремний изо всех сил пытается превзойти 7 процентов, лучшие тонкопленочные элементы Cd-Te выдерживают только около 11 процентов, а клетки CIGS работают не лучше, чем 7–12 процентов. Это один причина, по которой, несмотря на свои практические преимущества, второе поколение элементы пока что оказали относительно небольшое влияние на рынок солнечной энергии.

Третье поколение

Фото: пластиковые солнечные элементы третьего поколения, созданные исследователями Национальной лаборатории возобновляемой энергии. Фото Джека Демпси любезно предоставлено NREL. (идентификатор изображения # 6322357).

Новейшие технологии сочетают в себе лучшие черты первого и клетки второго поколения. Как и клетки первого поколения, они обещают относительно высокий КПД (30 процентов и более). Нравиться клетки второго поколения, они с большей вероятностью будут сделаны из материалы, отличные от «простого» кремния, такие как аморфный кремний, органические полимеры (изготовление органических фотоэлектрических элементов, OPV), кристаллы перовскита, и иметь несколько переходов (сделанных из нескольких слоев разных полупроводниковых материалы).В идеале это сделало бы их дешевле, эффективнее, и более практичны, чем клетки первого или второго поколения. В настоящее время мировой рекорд эффективности для солнечной энергии третьего поколения. составляет 28 процентов, достигнуто с помощью тандемного солнечного элемента перовскит-кремний в декабре 2018 года.

Сколько энергии мы можем получить с помощью солнечных батарей?

«Общая солнечная энергия, которая достигает Земли поверхность может удовлетворить существующие глобальные потребности в энергии в 10 000 раз ».

Европейская ассоциация фотоэлектрической промышленности / Гринпис, 2011 г. .

Теоретически огромная сумма. Забудем пока о солнечных батареях и просто рассмотрите чистый солнечный свет. До 1000 Вт чистой солнечной энергии попадает на каждый квадратный метр Земли, указывая прямо на Солнце (это теоретическая мощность прямого полуденного солнечного света на безоблачный день — солнечные лучи падают перпендикулярно земной поверхность и дает максимальное освещение или инсоляцию , как это технически известный). На практике после корректировки наклона планеты и времени суток, лучшее, что мы можем получить, это возможно, 100–250 Вт на квадратный метр в типичных северных широтах. (даже в безоблачный день).Это составляет около 2–6 кВт / ч в день. (в зависимости от того, находитесь ли вы в северном регионе, например, в Канаде или Шотландия или что-нибудь более услужливое, например Аризона или Мексика). Умножение производства на целый год дает нам что-то от 700 до 2500 кВтч на квадратный метр (700–2500 единиц электричество). В более жарких регионах явно гораздо больше солнечной энергии. потенциал: например, Ближний Восток получает около 50–100 на процент больше полезной солнечной энергии каждый год, чем в Европе.

К сожалению, типичные солнечные элементы составляют всего около 15 процентов эффективен, поэтому мы можем уловить только часть этого теоретического энергия.Вот почему солнечные панели должны быть такими большими: количество мощность, которую вы можете сделать, очевидно, напрямую зависит от того, сколько площади вы может позволить себе накрыть клетками. Один солнечный элемент (примерно размером компакт-диска) может генерировать около 3–4,5 Вт; типичный солнечный модуль состоит из массива примерно из 40 ячеек (5 рядов по 8 ячеек) мог составлять около 100–300 Вт; несколько солнечных панелей, каждая состоящий примерно из 3–4 модулей, поэтому может генерировать абсолютную максимум несколько киловатт (вероятно, достаточно, чтобы удовлетворить домашнюю пиковая мощность).

А как насчет солнечных ферм?

На фото: огромный проект солнечной генерации Аламоса площадью 91 гектар (225 акров) в Колорадо вырабатывает до 30 мегаватт солнечной энергии с помощью трех хитрых уловок. Во-первых, существует огромное количество фотоэлектрических панелей (их 500, каждая из которых способна выработки 60кВт). Каждая панель установлена ​​на отдельном вращающемся узле, поэтому она может отслеживать Солнце по небу. И на каждой из них установлено несколько линз Френеля, которые концентрируют солнечные лучи на своих солнечных элементах.Фото Денниса Шредера любезно предоставлено NREL. (идентификатор изображения # 10895528).

Но предположим, что мы действительно хотим произвести больших единиц солнечной энергии. власть. Чтобы произвести столько электроэнергии, сколько здоровенная ветряная турбина (с пиковая выходная мощность может быть два или три мегаватта), вам нужно около 500–1000 солнечных крыш. И чтобы посоревноваться с большим угольным или атомным электростанция (номинальная мощность в гигаваттах, что означает тысячи мегаватт или миллиарды ватт), вам снова понадобится в 1000 раз больше — эквивалент около 2000 ветряных турбин или, возможно, миллион солнечных крыш.(Эти сравнения предполагают, что наша солнечная и ветровая энергия производят максимальную мощность.) Даже если солнечные батареи являются чистыми и эффективными источниками энергии, одна вещь, на которую они не могут претендовать в настоящий момент, — это эффективность использование земли. Даже те огромные солнечные фермы, которые сейчас появляются повсюду место производит только скромное количество энергии (обычно около 20 мегаватт, или около 1 процента от как большая, 2 гигаваттная угольная или атомная электростанция). Возобновляемые источники энергии в Великобритании Компания Ecotricity подсчитала, что требуется около 22000 панелей, уложенных на Участок площадью 12 га (30 акров) для создания 4.2 мегаватта мощности, примерно столько же, сколько два больших ветра турбин и достаточно для питания 1200 домов.

Власть народу

Фото: ветряная микротурбина и солнечная панель работают вместе, чтобы питать батарею, которая поддерживает этот предупреждающий знак о строительстве шоссе днем ​​и ночью. Солнечная панель установлена ​​лицом к небу на плоской желтой «крышке», которую вы видите прямо над дисплеем.

Некоторые люди обеспокоены тем, что солнечные фермы сожрут землю, которую мы потребность в реальных сельском хозяйстве и производстве продуктов питания.Беспокоясь о отвод земли упускает важный момент, если мы говорим о размещении солнечной энергии. панели на отечественные кровли. Экологи утверждают, что Настоящая цель солнечной энергетики не в том, чтобы создавать большие централизованные солнечные электростанции (чтобы можно было продавать мощные электричество бессильным людям с высокой прибылью), но вытеснить грязные, неэффективные, централизованные электростанции, позволяющие людям создают силу в том самом месте, где они ее используют. Что устраняет неэффективность производства электроэнергии на ископаемом топливе, загрязнение воздуха и выбросы углекислого газа, которые они производят, а также устраняет неэффективность передачи энергии с точки зрения производство до точки использования с помощью воздушных или подземных источников энергии линий.Даже если вам придется покрыть всю крышу солнечными батареями (или ламинируйте тонкопленочные солнечные элементы на все окна), если бы вы могли удовлетворить все ваши потребности в электроэнергии (или даже большую часть их), это не имело бы значения: ваша крыша в любом случае — просто потраченное впустую пространство. Согласно отчету Европейской фотоэлектрической промышленности за 2011 год [PDF] Ассоциации и Гринпис, нет необходимости покрывать ценные сельхозугодья с солнечными батареями: около 40 процентов всех крыш и 15 процент фасадов зданий в странах ЕС подходит для фотоэлектрических панели, которые составят примерно 40 процентов от общего спрос на электроэнергию к 2020 году.

Важно не забывать, что солнечная энергия переключает мощность поколения на точка мощности потребление — и это имеет большой практический преимущества. Наручные часы и калькуляторы на солнечных батареях теоретически не нуждаются в батареях (на практике у них есть резервные батареи) и многие из нас будут наслаждаться смартфонами на солнечной энергии, которые никогда не были нужны зарядка. Дорожные и железнодорожные знаки теперь иногда работают на солнечной энергии; мигающие знаки аварийного обслуживания часто оснащены солнечными батареями поэтому их можно развернуть даже в самых удаленных местах.В развивающиеся страны, богатые солнечным светом, но бедные электричеством инфраструктура, солнечные батареи питают водяные насосы, телефонные будки, и холодильники в больницах и поликлиниках.

Почему солнечная энергия еще не прижилась?

Ответ на этот вопрос — смесь экономических, политических и технологические факторы. С экономической точки зрения в большинстве в странах электричество, вырабатываемое солнечными панелями, по-прежнему дороже, чем электричество, произведенное путем сжигания грязи, загрязняющие ископаемые виды топлива.В мире есть огромные инвестиции в ископаемое топливной инфраструктуры и, хотя могущественные нефтяные компании баловались в ответвлениях солнечной энергии они, кажется, гораздо больше заинтересованы в продление срока службы существующих запасов нефти и газа с такие технологии, как гидроразрыв (гидроразрыв). В политическом плане нефтяные, газовые и угольные компании чрезвычайно сильные и влиятельные и противостоят окружающей среде правила, которые поддерживают возобновляемые технологии, такие как солнечная и ветровая власть. Технологически, как мы уже видели, солнечные элементы — это постоянные «незавершенные работы» и большая часть солнечной энергии в мире инвестиции по-прежнему основаны на технологиях первого поколения.Кто знает, возможно, пройдет еще несколько десятилетий, прежде чем недавние научные успехи делают экономическое обоснование использования солнечной энергии действительно убедительным?

Одна проблема с аргументами такого рода состоит в том, что они весят только основные экономические и технологические факторы и не учитывают скрытые экологические расходы на разливы нефти, загрязнение воздуха, разрушение земель в результате добычи угля или климат изменения — и особенно будущие затраты, которые трудно или невозможно предсказать.Вполне возможно, что растущее осознание из этих проблем ускорит переход от ископаемого топлива, даже если не будет дальнейших технологических достижений; другими словами, может наступить время, когда мы больше не сможем откладывать всеобщее внедрение возобновляемых источников энергии. В конечном итоге все эти факторы взаимосвязаны. При убедительном политическом лидерстве мир мог взяться за солнечную революцию завтра: политика может заставить технологические усовершенствования, которые меняют экономику солнечной энергетики.

И одной только экономики могло хватить. Темп технологий, инноваций в производство и экономия на масштабе продолжают снижать стоимость солнечных батарей и панелей. Только с 2008 по 2009 год по словам аналитика BBC по окружающей среде Роджер Харрабин, цены упали примерно на 30 процентов, а Растущее доминирование Китая в производстве солнечной энергии с тех пор продолжает их сбивать. В период с 2010 по 2016 год стоимость крупномасштабных фотоэлектрических систем упала. примерно на 10–15 процентов в год, по данным Управление энергетической информации США; В целом цена перехода на солнечную энергию за последнее десятилетие упала примерно на 90 процентов, что еще больше укрепило позиции Китая на рынке.Шесть из десяти ведущих мировых производителей солнечной энергии теперь китайцы; в 2016 году около двух третей новых солнечных мощностей в США приходилось на Китай, Малайзию и Южную Корею.

Фото: Солнечные элементы — не единственный способ получить энергию из солнечного света или даже обязательно наилучшим образом. Мы также можем использовать солнечную тепловую энергию (поглощение тепла от солнечного света для нагрева воды в вашем доме), пассивную солнечную энергию (проектирование здания для поглощения солнечного света) и солнечные коллекторы (показаны здесь). В этой версии 16 зеркал собирать солнечный свет и концентрировать его на двигателе Стирлинга (серый прямоугольник справа), который является чрезвычайно эффективным производителем энергии.Фото Уоррена Гретца любезно предоставлено NREL (идентификатор изображения # 6323238).

Быстро догнать?

Ожидается, что переломный момент для солнечной энергии наступит, когда это возможно. достичь чего-то, что называется паритетом сетки , что означает, что вырабатываемое вами электричество на солнечной энергии становится столь же дешевым, как мощность, которую вы покупаете из сети. Многие европейские страны ожидают достичь этого рубежа к 2020 году. Solar, безусловно, опубликовала очень впечатляющие темпы роста в последние годы, но важно помните, что он по-прежнему представляет только часть всего мира энергия.В Великобритании, например, солнечная промышленность хвасталась «важное достижение» в 2014 году, когда оно почти удвоило общее установленная мощность солнечных панелей примерно от 2,8 ГВт до 5 ГВт. Но что по-прежнему представляет собой лишь пару крупных электростанций и, на максимум выпуск , что составляет всего 8 процентов от общего количества в Великобритании потребность в электроэнергии примерно 60 ГВт (с учетом таких вещей, как облачность снизит его до какой-то доли 8 процентов).

По данным Управления энергетической информации США, в Соединенных Штатах, где была изобретена фотоэлектрическая технология, по состоянию на 2018 год, солнечный представляет только 1.6 процентов от общего производства электроэнергии в стране. Это примерно на 23 процента больше, чем в 2017 году (когда солнечная энергия составляла 1,3 процента), на 80 процентов больше, чем в 2016 году (когда этот показатель составлял 0,9 процента). и примерно в четыре раза больше, чем в 2014 году (когда солнечная энергия составляла всего 0,4 процента). Тем не менее, это примерно в 20 раз меньше угля. и в 40 раз меньше, чем все ископаемые виды топлива. Другими словами, даже 10-кратное увеличение солнечной энергии в США будет увидеть, что он производит не более половины электроэнергии, чем уголь сегодня (10 × 1,6 = 16 процентов по сравнению с 27.4% по углю в 2018 г.). Это Следует отметить, что два основных ежегодных энергетических обзора в мире, Статистический обзор мировой энергетики и международной В ключевой мировой энергетической статистике энергетического агентства почти не упоминается солнечная энергия. мощность вообще, кроме как в примечании.

Диаграмма

: Солнечная энергия с каждым годом вырабатывает больше нашей электроэнергии, но все еще далеко столько же, сколько угля. На этой диаграмме сравнивается процент электроэнергии, вырабатываемой в США за счет солнечной энергии. мощность (зеленая линия) и уголь (красная линия).В одних странах положение лучше, в других — хуже. Составлено Expainthatstuff.com с использованием исторических и текущих данных из Управление энергетической информации США.

Это изменится в ближайшее время? Просто могло бы. Согласно Доклад исследователей из Оксфордского университета 2016 г., стоимость солнечной энергии сейчас падает так быстро, что она должна обеспечить 20 процентов мировых потребностей в энергии к 2027 году, что станет серьезным изменением по сравнению с тем, где мы находимся сегодня, и гораздо более быстрыми темпами роста, чем кто-либо прогнозировал ранее.Может ли такой рост продолжаться? Может ли солнечная энергия действительно повлиять на изменение климата, пока не стало слишком поздно? Смотрите это пространство!

Краткая история солнечных элементов

• 1839: французский физик Александр-Эдмон Беккерель (отец пионера радиоактивности Анри Беккереля) обнаружил, что некоторые металлы являются фотоэлектрическими: они производят электричество при воздействии света.
• 1873: английский инженер Уиллоуби Смит обнаруживает, что селен является особенно эффективным фотопроводником (позже он был использован Честером Карлсоном в его изобретении копировального аппарата).
• 1905: физик немецкого происхождения Альберт Эйнштейн разбирается в физике фотоэлектрического эффекта, открытие, которое в конечном итоге принесло ему Нобелевскую премию.
• 1916: американский физик Роберт Милликен экспериментально доказывает теорию Эйнштейна.
• 1940: Рассел Ол из Bell Labs случайно обнаруживает, что полупроводник с легированным переходом вырабатывает электрический ток при воздействии света.
• 1954: Исследователи Bell Labs Дэрил Чапин , Кэлвин Фуллер и Джеральд Пирсон создают первый практический фотоэлектрический кремниевый солнечный элемент, эффективность которого составляет около 6 процентов (более поздняя версия — 11 процентов).Они объявляют о своем изобретении, первоначально называвшемся «солнечной батареей», 25 апреля.
• 1958: Космические спутники Vanguard, Explorer и Sputnik начинают использовать солнечные батареи.
• 1962: 3600 солнечных батарей Bell используются для питания Telstar, новаторского телекоммуникационного спутника.
• 1997: Федеральное правительство США объявляет о своей инициативе «Миллион солнечных крыш» — к 2010 году построить миллион крыш, работающих на солнечной энергии.
• 2002: НАСА запускает свой солнечный самолет Pathfinder Plus.
• 2009: Ученые обнаружили, что кристаллы перовскита имеют большой потенциал в качестве фотоэлектрических материалов третьего поколения.
• 2014: совместная работа немецких и французских ученых установила новый рекорд КПД в 46 процентов для солнечного элемента с четырьмя переходами.
• 2020: Согласно прогнозам, солнечные элементы будут соответствовать сетевому паритету (электроэнергия, произведенная на солнечной энергии, которую вы производите самостоятельно, будет такой же дешевой, как энергия, которую вы покупаете в сети).
• 2020: Перовскитно-кремниевые элементы обещают значительное повышение эффективности использования солнечной энергии.

Органические фотоэлектрические солнечные элементы | Фотоэлектрические исследования

NREL имеет сильные дополнительные исследовательские возможности в области органической фотоэлектрической энергии (OPV) клетки, прозрачные проводящие оксиды, комбинаторные методы, молекулярное моделирование методы и атмосферная обработка.

От фундаментальных физических исследований до прикладных исследований, связанных с потребностями солнечной энергетики, мы разрабатываем материалы, конструкции устройств и инструменты, необходимые для создания на основе полимеров солнечные элементы, которые являются гибкими, легкими и недорогими.Наша основная работа направлена ​​на по исследованию фотоэлектрических (PV) элементов. Но наши успехи в понимании и создании новые материалы и процессы также применяются в таких областях, как органические светоизлучающие диоды и дисплеи на тонкопленочных транзисторах.

OPV — это быстро развивающаяся фотоэлектрическая технология с повышением эффективности ячеек (в настоящее время 18,2%), долгий срок службы (> 10 лет без капсулы) и продемонстрировал потенциал для производства рулонов с использованием растворов.В рынок фотоэлектрических систем, интегрированных в здания, может найти OPV особенно привлекательным из-за доступности поглотителей любого цвета и возможность изготавливать эффективные прозрачные устройства.

Сильная сторона

OPV заключается в разнообразии органических материалов, которые можно создать. и синтезированы для поглотителя, акцептора и границ раздела, но нам необходимо повысить эффективность масштабирования и срок службы модулей большой площади.Мы должны понять основы работы устройства, включая процессы разделения заряда, перенос заряда механизмы, физика устройств и межфазные эффекты. Это позволит нам спроектировать более эффективные и стабильные архитектуры устройств на основе материалов с улучшенным уровнем энергопотребления выравнивание, спектральный отклик и транспортные свойства.

Наш опыт

У нас есть опыт:

• Осаждение из раствора органических и неорганических тонких пленок методом центрифугирования, напыления, покрытие лезвия, микрогравюрная печать и нанесение щелевого штампа
• Осаждение тонких пленок распылением и импульсным лазерным напылением, с соответствующими характеристиками, возможности анализа и картирования
• Высокопроизводительное комбинаторное материаловедение
• Крупномасштабное молекулярно-динамическое моделирование молекулярных пленок и смесей молекулярных материалов
• Расширение производственных НИОКР.

Наши исследователи изобрели и передали технологии ОПВ в промышленность, и мы разрабатывать ячейки с улучшенными характеристиками, надежностью и рентабельностью. Кроме того, члены нашей группы являются ключевыми организаторами и участниками отраслевых конференций, такие как Встреча по органической фотоэлектрической энергии и Международный саммит по стабильности OPV.

Области исследований

Наши исследования и разработки направлены на решение основных задач в следующих областях:

• Новые абсорбирующие, контактные и барьерные материалы
  Мы разрабатываем и применяем новые высокоэффективные абсорбирующие материалы для повышения производительности и срок службы, уделяя особое внимание повышению фотоэдс и устойчивости к фотоокислению.
• Новые контактные слои электронов и дырок
  У нас есть ученые и инструменты для объединения молекулярного дизайна с использованием вычислительной техники. ресурсы с органическим синтезом для разработки новых акцепторов и доноров для улучшения устройства производительность и срок службы.
• Механизмы деградации материалов и устройств
  Мы исследуем и демонстрируем новые материалы и архитектуры устройств, которые снижают деградация, приводящая к повышению стабильности устройства.Мы разработали комбинаторный система деградации, которая позволяет нам измерять срок службы тонкопленочных устройств при свет, при разной температуре основания, с фильтрами или без них, или под разными рабочие циклы. Эта система позволяет нам оценить срок службы большого количества образцы в одинаковых или различных условиях параллельно. Кроме того, наш Система анализа параметров солнечной энергии позволяет получить уникальный набор характеристик долгосрочной надежности на отдельных фотоэлементах.
• Зависимость механизмов и движущей силы переноса заряда между донором и акцептором материалы
  Мы изучаем фундаментальные механизмы переноса заряда между фотоактивными полимерами. и сконструированные молекулы фуллерена или углеродные нанотрубки.

Инструменты и возможности

У нас есть ресурсы и ученые для НИОКР в области ОПВ, включая тонкопленочные осаждение, высокопроизводительные комбинаторные методы и атмосферная обработка.

• Быстрое вычислительное проектирование новых поглотителей
  NREL разработало вычислительную базу данных для материалов активного слоя для органических фотоэлектрических солнечных элементов с расчетами электронных свойств десятков тысяч новых полимеров и небольшие молекулы, которые являются потенциальными кандидатами на роль новых поглотителей.
• Крупномасштабное атомистическое моделирование (~ 100 000 атомов) структуры твердотельной полимерной пленки. и морфология
  Набор инструментов STREAMM позволяет моделировать пленочные структуры новых молекул в полуавтоматическом режиме для быстрого отбора кандидатов в поглотители.
• Фемтосекундная фотолюминесценция, нестационарное поглощение и нестационарная терагерцовая спектроскопия
  Эти методы позволяют нам изучать динамику экситонов и носителей заряда и изучить перенос заряда на интерфейсах.
• Переходная микроволновая проводимость
  Этот уникальный инструмент чрезвычайно чувствителен к свободным носителям заряда и позволяет очень чувствительное исследование генерации носителей и переноса заряда на солнечных батареях. интенсивности света.
• Осаждение из раствора органических и неорганических тонких пленок
  Сюда входит нанесение покрытия центрифугированием, напыление, нанесение покрытия на лезвие, микрогравюрную печать, и покрытие щелевым штампом, с такими возможностями, как:
  • Тепловой испаритель в инертной среде, пригодной для испарения металла. для комплектующих устройств
  • Имитатор солнечной энергии, внешний блок квантовой эффективности, зонд Кельвина, зондовая станция, и импедансная спектроскопия в инертной атмосфере
  • Место под вытяжкой для возможностей органического синтеза.
• Тестирование долгосрочной стабильности
  Команда OPV использует систему для тестирования долгосрочной стабильности сотен прототипов ячеек параллельно, чтобы быстро проверить новые материалы и концепции устройств на стабильность.
• Атмосферная обработка
  • Это снижает общую стоимость и проблемы масштабируемости фотоэлектрического производства.
  • Мы разрабатываем «чернила» и процессы преобразования чернил для создания желаемых материалов с желаемыми характеристики.
  • Мы разрабатываем материалы, пригодные для атмосферной обработки, включая металлы, полупроводники, и оксиды.
• Автономная обработка атмосферы
  • Настольный струйный принтер для тестирования чернил и струйных принтеров коммерческого типа
  • Ультразвуковые распылительные станции
  • Устройство для нанесения покрытий на листы с прорезью
  • Осаждение с рулона на рулон с микрогравюрной печатью и нанесением покрытия с помощью щелевого штампа
  • Лазерная разметка для монолитного соединения и удаления краев

Проектов

SuNLaMP Управления энергоэффективности и возобновляемых источников энергии
FY2016 – FY2018

Целью данной работы является разработка высокоэффективных, стабильных солнечных батарей OPV с двойной фокус на вычислительном прогнозировании морфологии пленки и характеристик переноса заряда и по выявлению и смягчению последствий распространенных путей деградации полимеров.

Управление фундаментальных энергетических наук

Основная программа солнечной фотохимии интересуется фундаментальными аспектами солнечной фотопреобразование, включая экситонные эффекты, перенос заряда и перенос заряда между слоями.Фундаментальное понимание переноса заряда между органическими материалами и новые экситонные процессы, такие как синглетное деление, находятся в центре внимания в рамках одного основных направлений основной программы.

Соглашение о совместных исследованиях и разработках

SolarWindow Technologies Inc.разрабатывает прозрачную ОПВ по производству электроэнергии пленка для стекла и гибких пластиков. Покрытия SolarWindow ™ при нанесении на окна стекло, могут превратить здания в электростанции, что является ближайшей целью. Пленки настраиваются по цвету и мощности, и их можно настроить для различных приложений. Покрытия SolarWindow разрабатываются для низких капитальных затрат и высокой производительности. производство, и они производят электричество в солнечном и искусственном, рассеянном, отраженное, затемненное и слабое освещение.

Работаем с нами

Узнайте больше о возможностях партнерства в области фотоэлектрических систем.

Мы передаем наши технологические достижения крупным промышленным игрокам посредством лицензирования. и соглашения о совместных исследованиях и разработках с высокой стоимостью.Некоторые примеры наших прошлое и настоящее промышленное сотрудничество включает:

• ConocoPhillips (новые абсорбирующие материалы для органических фотоэлектрических систем)
• Plextronics (развитие контактов и срок службы ОПВ)
• TDA Research (многокомпонентные системы для поглощения инфракрасного излучения)
• Luna Innovations (электроды из углеродных нанолистов для OPV)
• Конарка, ИТОГО, Солармер, Минобороны и другие.

.