Устройство солнечные батареи: Устройство солнечной батареи. Теория

Posted on by alexxlab
Posted in Разное

Содержание

Устройство солнечной батареи. Теория

Состав и устройство солнечной батареи, ее элементов определяют эффективность выработки энергии готовым изделием. В настоящее время, для генерации электрической энергии используются солнечные панели на основе кремния (с-Si, mc-Si & кремниевые тонкопленочные батареи), теллурида кадмия CdTe, соединения медь-индий (галлий)-селен Cu(InGa)Se2, а также концентраторные батареи на основе арсенида галлия (GaAs). Ниже будут даны краткие описания каждой из них.

Солнечные батареи основе кремния

Солнечные батареи (СБ) на основе кремния составляют на сегодняшний день порядка 85% всех выпускаемых солнечных панелей. Исторически это обусловлено тем, что при производстве СБ на основе кремния использовался обширный технологический задел и инфраструктура микроэлектронной промышленности, основной «рабочей лошадкой» которой также является кремний. В результате, многие ключевые технологии микроэлектронной промышленности такие как выращивания кремния, нанесения покрытий, легирования, удалось адаптировать для производства кремниевых батарей с минимальными изменениями и инвестициями.

Кроме того, кремний – один из самых распространенных элементов земной коры и составляет по разным данным 27-29% по массе. Таким образом, нет никаких физических ограничений для производства значительной доли электроэнергии Земли с имеющимися запасами Si.

Различают два основных типа кремниевых СБ – на основе монокристаллического кремния (crystalline-Si, c-Si) и на основе мультикристаллического (multicrystalline-Si, mc-Si) или поликристаллического. В первом случае используется высококачественный (и, соответственно, более дорогой) кремний выращенный по методу Чохральского, который является стандартным методом для получения кремниевых пластин-заготовок для производства микропроцессоров и микросхем. Эффективность СБ изготовленных из монокристаллического кремния составляет обычно 19-22%. Не так давно, фирма Panasonic заявила о начале промышленного выпуска СБ с эффективностью 24,5% (что вплотную приближается к максимально возможному теоретически значению ~30%).

Во втором случае для производства СБ используется более дешевый кремний произведенный по методу направленной кристаллизации в тигле (block-cast), специально разработанного для производства СБ.

Получаемые в результате кремниевые пластины состоят из множества мелких разнонаправленных кристаллитов (типичные размеры 1-10мм) разделенных границами зерен. Подобные неидеальности кристаллической структуры (дефекты) приводят к снижению эффективности – типичные значения эффективности СБ из mc-Si составляют 14-18%. Снижение эффективности данных СБ компенсируется их меньшей ценой, так что цена за один ватт произведенной электроэнергии оказывается примерно одинаковой для солнечных панелей как на основе c-Siтак и mc-Si.

Тонкопленочные солнечные панели

Возникает вопрос – зачем разрабатывать другие типы модулей, если

солнечные панели на основе моно- и мультикристаллического кремния уже созданы и показывают неплохие результаты? Очевидный ответ — чтобы добиться еще большего снижения стоимости и улучшения технологичности и эффективности, по сравнению с обычными c-Si и mc-Siсолнечными батареями.

Дело в том, что обычные кремниевые фотоэлектрические модули наряду с преимуществами, перечисленными выше, обладают и рядом недостатков. Кемний из-за своих особых электрофизических свойств (непрямозонный полупроводник) обладает довольно низким коэффициентом поглощения, особенно в области инфракрасных длин волн. Таким образом, толщина кремниевой пластины для эффективного поглощения солнечного излучения должна составлять довольно внушительные 100-300 мкм. Более толстые пластины означают больший расход материала, что ведет к удорожанию СБ.

В то же время, прямозонные полупроводники на вроде GaAs, CdTe, Cu(InGa)Se2, и даже некоторые модифицированные формы Si, способны поглощать требуемое количество солнечной энергии при толщине всего в несколько микрон. Открывается заманчивая перспектива сэкономить на расходных материалах, а также на электроэнергии, которой требуется значительно меньше для изготовления более тонкого слоя полупроводника. Еще одной положительной чертой СБ на основе вышеназванных полупроводников – в отличие от СБ на основе c-Si и mc-Si– является их способность не снижать эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую даже в условиях рассеянного излучения (облачный день или в тени).

Исследования СБ на основе теллурида кадмия (CdTe) начались еще в 1970х годах ввиду их потенциального использования в качестве перспективных для космических аппаратов. А первое широкое применение «на земле» подобные СБ нашли в качестве элементов питания карманных микрокалькуляторов.

Данные элементы представляют собой гетероструктуру из тонких слоев p-CdTe / n-CdS (суммарная толщина 2-8 мкм) напыленных на стеклянную подложку (основу). Эффективность современных фотоэлектрических элементов данного типа равняется 15-17%. Основным (и фактически единственным) производителем СБ на основе теллурида кадмия является американская фирма FirstSolar, которая занимает 4-5% всего рынка.

К сожалению, есть проблемы с обоими элементами входящими в состав соединения CdTe. Кадмий – это экологически вредный тяжелый метал, который требует особых методов обращения и ставит сложный вопросутилизации старых изделий. В виду этого, законодательство многих стран ограничивает свободную продажу гражданам СБ этого типа (строятся только масштабных солнечных электростанций под гарантии утилизации от фирмы производителя).

Второй элемент – теллур, довольно редко встречается в земной коре. Уже в настоящее время более половины всего добываемого теллура идет на изготовление солнечных панелей, а перспективы нарастить добычу – довольно призрачны.

Солнечные батареи на основе соединения медь-индий (галлий)-селен Cu(InGa)Se2 (иногда обозначаются как CIGS) являются новичками на рынке солнечной энергетики. Несмотря на то, что начало исследований элементов этого типа было положено еще в середине 70х, в настоящее время коммерческий выпуск в боле-менее солидных масштабах ведет всего лишь фирма SolarFrontierKKиз Японии. Отчасти это связано с технически сложным и дорогим процессом изготовления, хотя в некоторых (удачных!) случаях их эффективность может достигать 20%.

Несмотря на отсутствие экологически вредных элементов в составе этого соединения, значительному расширению производства данных солнечных модулей в будущем угрожает дефицит индия. Ведутся исследования с целью заменить дорогой In на более дешевые элементы и может быть скоро появятся новые изделия на основе соединения Cu2ZnSn(S,Se)4.

Фотоэлектрические модули на основе аморфного кремния a-Si:H. Тонкопленочные солнечные батареи могут быть построены также и на основе хорошо известного кремния, если удастся каким-либо образом улучшить его способности к поглощению солнечного света. Применяются две основные методики:

— увеличить путь прохождения фотонов посредством многократного внутреннего переотражения;

— использовать аморфный кремний (a-Si), обладающий гораздо большим коэффициентом поглощения чем обычный кристаллический кремний (с-Si).

По первому пути пошла австралийская фирма CSGSolarLtd, разработавшая СБ с эффективностью 10-13% при толщине слоя кремния всего 1,5 мкм. По второму – швейцарская OerlikonSolar (которую сейчас перекупили японцы), создавшая комбинированные солнечные панели на основе слоев аморфного и кристаллического кремния a-Si / с-Si эффективность которых также составляет 11-13%. Своеобразной особенностью СБ из аморфного кремния является снижение эффективности их работы при понижении температуры окружающего воздуха (у всех остальных — наоборот).

Так, фирма производитель рекомендует устанавливать данные модули в странах с жарким климатом.

Концентраторные солнечные модули

Наиболее совершенные и самые дорогие на сегодняшний день солнечные модули обладают эффективностью фотоэлектрического преобразования до 44%. Они представляют собой многослойные структуры из разных полупроводников последовательно выращенных друг на друге слой за слоем. Наиболее успешной является структура состоящая из трех слоев:  Ge (нижний полупроводник и подложка), GaAsи GaInP. Благодаря тому, что в подобной комбинации каждый отдельный полупроводниковый слой поглощает наиболее эффективно свой определенный диапазон солнечного спектра (определяемый шириной запрещенной зоны полупроводника), достигается наиболее полное поглощение солнечного света во всем диапазоне длин волн, недостижимое для СБ состоящих из одного типа полупроводника. К сожалению, процесс изготовления подобных многослойных полупроводниковых слоев очень сложен технически и, как следствие, весьма дорог.

 

Если солнечные батареи стоят очень дорого, фокусировка солнечного излучения на меньшей площади СБ может применяться как эффективный способ снижения финансовых затрат. Например, собрав при помощи линзы солнечный свет с 10 см2 и сфокусировав его на 1 см2 солнечной батареи, можно получить тоже количество электроэнергии, что и от элемента площадью 10 см2 без концентратора, но экономя при этом целых 90% площади! Но при этом, набор подобных ячеек (солнечная батарея + линза) должен быть смонтирован на подвижной механической системе, которая будет ориентировать оптику в направлении солнца в то время как оно движется по небу в течении дня, что увеличивает стоимость системы.

В настоящее время экономически оправдано использовать подобные дорогие концентраторные солнечные модули только в тех странах и регионах земного шара, где круглый год имеется в достатке прямое солнечное излучение (рассеянное излучение не может быть сфокусировано линзой). Так, французская фирма-производитель концентраторных СБ SOITEC устанавливает свои СБ в Калифорнии, ЮАР, на юге Франции (Прованс), в Испании.  

Органические солнечные батареи и модули фотосенсибилизованные красителем

Но есть и новый тип тонкопленочных солнечных батарей, такой как сенсибилизированные красителем солнечные элементы, которые работают на совершенно ином принципе, чем все модули рассмотренные выше, на принципе больше напоминающем фотосинтез у растений. Но их пока нет в коммерческой продаже.

 

Трушин М.В. Ph.D

 

 

 

 

Как работает солнечная батарея и и её устройство

Солнечные батареи стали популярным альтернативным источником электроэнергии. Преобразующие устройства позволяют заметно ее удешевить, обеспечивают бесперебойное снабжение ресурсом объектов, поэтому активно применяются в частных домовладениях, фермерских хозяйствах, коммерческих организациях и в промышленности.

Мы рассматриваем уникальную разработку человечества, и, конечно, хотелось бы узнать историю. Началось все в далеком 1839 г. Тогда Александр Беккерель открыл возможность преобразования света солнца в электроэнергию. Ученый представил первый прототип современной солнечной батареи. К сожалению, ввиду несовершенства устройство отличалось низким КПД – 1%. Но труды над развитием и совершенствованием идеи продолжились.

В 1873 г. ученый Чарльз Фриттс выявил чувствительность селена к свету. Через четыре года удалось отметить, что вещество под действием лучей солнца вырабатывает электрический ток. Еще через три года создали первый солнечный элемент. Для изготовления применили покрытый золотом селен. Производительность также составила 1%.

Несмотря на малую производительность, Фриттс считал свою разработку эволюционной. Ученый настаивал на том, что энергию солнца целесообразно использовать как способ получения электричества. Фриттс предсказал, что со временем солнечные батареи заменят электростанции.

В 1905 г. А. Эйнштейн объяснил суть фотоэффекта. После обоснованного разъяснения появились надежды на изготовление солнечных батарей с производительностью, значительно превышающей ранее представленные показатели. Но прогресс не оправдал ожиданий.

Первый прорыв в разработках состоялся в 1954 г. Тогда Гордон Пирсон, Дэррил Чапин и Кэл Фуллер изготовили кремниевый солнечный элемент. Производительность составила 4%. Кремний оказался лучше селена по уровню продуктивности. После производительность изделия повысили до 15%. 

Использовать солнечные батареи начали в сельских районах, где были проблемы с инженерными коммуникациями. Сегодня разработка получила масштабное распространение, успешно применяется в развитых странах мира с целью получения дешевой электроэнергии.

Основные термины

Чтобы разбираться в теме было проще, внимательно изучите используемые в данной области термины. Они помогут улучшить понимание материала, упростить выбор оборудования при планировании покупки. К основным терминам отнесем:

  • солнечная энергетика – направление альтернативной энергетики, базирующееся на применении лучей солнца для получения энергии;
  • солнечная батарея – главный элемент. Это конструкция из последовательно или параллельно соединенных модулей;
  • солнечные модули – фотоэлектрические элементы, объединенные в блок;
  • фотоэлемент – главный компонент, используемый для создания батарей. Он преобразует энергию фотонов в электрическую;
  • монтажная шина – плоский луженый проводник, изготовленный из меди, используемый для соединения фотоэлектрических элементов методом спаивания;
  • ПЭТ или полиэтилентерефталатная пленка. Используется для защиты тыльной стороны фотомодуля;
  • пикочасы – время, за которое модуль способен принять освещенность, равную 1000 Вт/м²;
  • монокристаллический кремний – кремний, производимый методом Чохральского, цилиндрические слитки;
  • поликристаллический кремний – кремний, производимый методом направленной кристаллизации, прямоугольные блоки;
  • инсоляция – освещенность поверхности. Измеряется в кВтч/м².

Это основные термины, касающиеся рассматриваемых устройств. Частному потребителю пригодится половина наименований, ведь подбором и установкой батарей занимаются мастера, работающие в этой области.

Устройство 

Сама солнечная панель состоит из соединенных между собой фотоэлементов, бывает рамочной и безрамной. Рамы изготавливают из алюминия. В основе модулей, расположенных на металлической основе, лежит два вида кремния, отличающихся физическими свойствами. На этих пластинах располагаются металлические ребра жесткости, сверху – прозрачное стекло. По сути, устройство солнечной батареи не представляет собой слишком сложной для понимания темы.

Одна панель не даст никакого результата без дополнительных комплектующих:

  • аккумулятор – накапливает преобразованную фотоэлементами энергию. АКБ необходима для обеспечения постоянного энергоснабжения объекта даже в пасмурную погоду и холодное время года;
  • контроллер заряда – распределяет потоки электрической энергии, поддерживает стабильное напряжение на выходе;
  • инвертор-преобразователь – преобразовывает постоянный ток, получаемый от установки, в переменный;
  • стабилизатор напряжения – поддерживает оптимальные показатели напряжения в системе.

Чтобы солнечные панели работали стабильно и на максимуме возможностей, компоненты системы должны быть подобраны правильно, соответствовать характеристикам друг друга. Поэтому выбор и монтаж рекомендуется доверять лицам, имеющим в этой области немалый опыт.

Виды кристаллов фотоэлементов

Выше мы говорили о том, что кремний бывает монокристаллическим и поликристаллическим. Рассмотрим отличия внимательнее:

  • монокристаллические пластины. Отличаются высоким КПД – 20-22% и дороговизной, обусловленной сложностью производственного процесса. Кристаллы имеют форму квадратов со срезанными углами;
  • поликристаллические. Кристаллы имеют прямоугольную форму, получаются в результате постепенного охлаждения расплавленного кремния. Простое производство позволяет устанавливать на материал невысокую цену, но КПД 15%.

Этот момент следует учитывать, планируя приобретение солнечной панели.

Принцип работы

Рассматривая принцип работы солнечной батареи, отметим, что в конструкции модулей предусмотрено два типа полупроводников:

  • n-слой – с лишними электронами;
  • p-слой – с недостаточным количеством электронов.

При попадании лучей солнца на первый слой электроны покидают атомы и перемещаются во второй слой, где для них есть свободные места. Таким образом обеспечивается движение электронов по замкнутому кругу, сформированному фотоэлементами и аккумулятором. Пока идет этот процесс, АКБ набирает заряд.

Виды солнечных батарей

На первом месте по степени распространения и уровню популярности стоят кремниевые моно- и поликристаллические панели. Они характеризуются КПД в пределах 15-20%, доступны по цене, представлены на рынке в широком ассортименте. Если сравнить по эксплуатационным характеристикам, получим следующее:

  • монокристаллические: надежнее, работают стабильно, окупаются за 2 года. Более совершенны, но дороже поликристаллических;
  • поликристаллические: менее стабильны, проще в производстве, дешевле, окупаются за 3 года. 

Вышеуказанные показатели КПД нельзя назвать пределом совершенства, поэтому разработчики продолжают трудиться над поиском и воплощением в реальность новых решений. Так у кремниевых батарей появился ряд конкурентов.

Тонкопленочные панели представлены тремя видами неорганических пленочных солнечных элементов:

  • кремниевые пленки на базе аморфного кремния (a-Si). КПД – 10%. Светопоглощение хорошее, устройства функционируют на прием лучей даже в пасмурную погоду. Эластичны, долговечны; 
  • пленки из теллурида кадмия (CdTe). КПД 10-11%. Материал характеризуется хорошим светопоглощением. Есть информация о ядовитости вещества, но исследования показывают, что количество частиц, которое попадает в атмосферу, абсолютно безопасно для человека и окружающей среды; 
  • пленки селенида меди-индия-галлия (CuInGaSe2, или CIGS). Производительность – 12-13%. Индий применяют в производстве жидкокристаллических мониторов, поэтому и заменяют часто галлием.

Полимерные солнечные батареи появились на рынке недавно, как альтернатива существующим вариантам. В качестве проводников производители используют полифенилен, фуллерены, фталоцианин меди. Пленка получается тонкой – 100 нм, КПД всего 5%. Но даже при таких показателях полимерные панели пользуются спросом, обладая рядом преимуществ:

  • доступная цена;
  • исключение выделения вредных веществ;
  • широкое распространение.

Для небольших частных домовладений это вполне удобный вариант.

Многослойные, многопереходные или тандемные модели: ячейки включают разные материалы, образующие несколько p-n переходов. Ценятся панели тем, что могут улавливать лучи разного спектра и длины волн. Для получения возможности преобразования всего солнечного спектра используют специальные призмы, разделяющие свет солнца. На рынке такие модели появились сравнительно недавно, до этого использовались исключительно в космосе. После поступления в свободную продажу объемы реализации приятно удивили. Но оправдали ли панели приобретение? Из заявленных показателей КПД для разных конструкций отличается:

  • с двухслойными ячейками – 42%;
  • с трехслойными – 49%;
  • с бесконечным количеством слоев – 68%.

Эти показатели теоретические. Зная, как работает солнечная батарея в теории, исследователи на определенном этапе разочаровались. Практика показала, что средний КПД многопереходных панелей составляет 30%. Исследования проводились при несфокусированном свете солнца. Результат оказался слишком малым, что свидетельствовало о невозможности окупить дорогой производственный процесс. Тогда и начали применять концентраторы для фокусировки света в 500-1000 раз. Концентратор в виде линзы Френеля и параболического зеркала получает свет с площади в 1000 раз больше площади ячейки. КПД увеличивается до 40%.

Самые крупные производители 

Сегодня удается выделить ряд фирм, являющихся крупнейшими производителями и поставщиками солнечных батарей:

  • Suntech – китайская компания. Занимается производством солнечных панелей высокого класса качества. Работает с 2001 года. Имеет представительства во многих развитых странах мира. Организация ведет полный цикл производства, начиная с получения кремниевых кристаллов, заканчивая сборкой преобразовывающих конструкций. Производственные мощности находятся в Китае, Японии, Германии, США; 
  • Yingli – крупная китайская корпорация, занимающаяся производством фотомодулей. Работает с 1998 года. С 2003 выпускает панели мощностью до 2 МВт. В 2012 и 2013 компания стала лидером по объемам производства в своей области;
  • Trina Solar – входит в число лидеров по производству преобразовательных панелей. Главный офис и завод находятся в Китае. Работает компания с 1997 г. Выпускает продукцию, соответствующую национальным и международным стандартам. Кроме Китая заводы фирмы располагаются в Таиланде и Вьетнаме. В 2017 году руководство анонсировало строительство производственных мощностей в Индии, но позже приостановило реализацию проекта; 
  • First Solar – американская компания, основанная в 1990 году. Занимается производством панелей и обеспечением профильных заводов специальным оборудованием, предоставляет услуги по обслуживанию производственных мощностей, участвует в переработке исчерпавших ресурс модулей;
  • Sharp Solar – подразделение крупной японской корпорации, занимающееся производством панелей не первый год. Продукция отличается качеством, надежностью и продолжительным ресурсом, благодаря чему ценится потребителем.

Это самые популярные производители солнечных батарей. Но полный список специализированных компаний на порядок шире. Это позволяет выбрать товар, идеально соответствующий персональным требованиям.

Преимущества установки солнечных батарей

В завершении рассмотрим главные преимущества батарей, чтобы оценить актуальность приобретения:

  • экономия на электроэнергии. Только за этот счет за срок эксплуатации панелей удается сэкономить в 10 раз больше стоимости самих установок;
  • возможность использования электроэнергии для отопления дома и подогрева горячей воды;
  • независимость от исправности местных инженерных систем.

Выбор конструкций широкий, поэтому вы легко найдете вариант под собственные потребности и пожелания.

Выводы

Мы узнали, из чего состоят и как работают солнечные батареи, рассмотрели КПД разных вариантов конструкций и другие важные особенности. Также получили краткие сведения из истории, свидетельствующие о том, что работа над поиском альтернативных источников электрической энергии ведется не первое столетие, и солнце давно рассматривают как неисчерпаемый ресурс. 

Информации получено достаточно, чтобы оценить оправданность установки таких конструкций, определить основные принципы выбора. Понять, каким производителям отдать предпочтение, тоже не составляет труда.

Устройство солнечной батареи — AltSolar

Что представляет собой солнечная батарея

Солнечная батарея — надежный источник энергии, который активно используется человеком. Сначала батареи прошли испытания в космосе, где доказали работоспособность. Затем изобретение стали использовать на Земле для подзарядки мобильных телефонов, электрокаров и промышленного оборудования.

Солнечная батарея привлекает людей за счет своей доступности и длительного срока эксплуатации. Конструкции доступны всем, ведь для их производства используют новые экономичные материалы. Однако все батареи делятся на виды:

  • по мощности вырабатываемого электричества — чем больше площадь панелей, тем выше мощность;
  • по типу фотоэлементов — фотохимические, органические и кремниевые.

Однако общая конструкция и тип работы у всех батарей схож.

Устройство батареи

Солнечная батарея — блок, в котором соединено определенное количество модулей. В них объединяются полупроводниковые фотоэлементы. Детали изготавливаются из разных материалов. Для промышленного использования, где нужно большое количество электроэнергии, выбирают кремний.

Фотоэлемент — тонкая панель из двухслойного кремния. Он представляет собой полупроводниковый переход. Когда на панель попадает солнечный свет, между двумя слоями кремния образуется вентильная фото-ЭДС. Возникает разница между потенциалами и током электронов.

Однако кремниевые панели неодинаковы: существуют моно- и поликристаллические элементы. Первые элементы состоят из чистого кремния без примесей и в основном используются для создания внутреннего слоя. Это одинаковые, разноразмерные многоугольники. Они дороже, однако и производительность у них значительно выше — порядка 20-25%.

Поликристаллические элементы — идеально ровные квадраты на верхнем слое. Их изготавливают с помощью поэтапного охлаждения кремния и добавления к нему посторонних материалов. Например, фосфора. Такой способ производства доступный, потому поликристаллы стоят меньше. За счет иного способа производства и структурой пластин коэффициент фотоэлектрического преобразования ниже — 15%.

Также существуют панели таких материалов:

  • аморфный кремний — позволяет вырабатывать самую дешевую электроэнергию, однако КПД материала самое низкое, 6-8%;
  • теллурид кадмия — для получения 11% электроэнергии;
  • полупроводник CIGS, включающий селен, индий, медь, галлий — среднее КПД батареи равно 15%.

Разница в составе панелей обеспечивает два типа проводимости — p-тип и n-тип.

Тыльная сторона пластины покрыта металлическим слоем. Вся конструкция защищена пластиком или стеклом, которые не позволяют внешним факторам (дождю, грязи) испортить батарею и вывести ее из строя.

Как работает солнечная панель

Когда на верхний слой кремниевой панели попадают лучи, на ней генерируется электронно-дырочные пары. В результате перехода электронов из одного слоя кремния в другой в цепи появляется напряжение: на одном слое появляется положительный источник тока, а на втором — отрицательный. Разность потенциалов обеспечивает беспрепятственное прохождение только электронов с n-слоя.

Когда фотоэлементы подключаются к аккумулятору, по всей конструкции непрерывно перемещаются электроны. В результате аккумулятор набирает заряд, которые потом передается электроприборам.

Так почему же КПД инновационных батарей даже при использовании монокремниевых фотоэлементов остается не 100%, а гораздо меньше? Все дело в фотоэлектрическом оттоке, который обеспечивают лишь те электроны, которые обладают более высокой энергией, нежели ширина специально выделенной зоны. Если энергия меньше, то электрон просто не участвует в процессе.

Обойти это физическое ограничение поможет использование многослойных конструкций. Там используются плиты с различной шириной и солнечный свет попадает сначала на самый широкий фотоэлемент. Поэтому в первую очередь поглощаются фотоны с наибольшей энергией.

Затем фотоны с меньшей энергией, которые были пропущены верхним слоем, попадают на следующий уровень. И батарея вновь преобразует их в энергию. Таким образом общая производительность может быть повышена до 35%.

Заключение

При довольно простом устройстве солнечные батареи способны вырабатывать электроэнергию, которая частично обеспечит работу бытовых и промышленных приборов. Однако пока даже современные батареи не могут стать полноценным и единственным источником энергии.

Как выбрать солнечные батареи для частного дома и не ошибиться

Солнечная батарея — устройство, преобразующее солнечное излучение в электрическую энергию. Впервые метод работы солнечной батареи был разработан 1839 году физиком Александром Беккерелем. Практическое применение метод получил в 1873 после изобретения первого полупроводника. Технология использования энергии солнца в целях ресурсообеспечения приобретает все большую популярность по всему миру. Получаемый вид энергии является возобновляемым, финансовые затраты при эксплуатации солнечных батарей очень низкие — средства требуются только на покупку и установку оборудования. Энергия, вырабатываемая этим источником, является дешевой и доступной и благодаря этому широко используется по всему миру. И если вы решили приобщиться к обществу «зеленой энергетики», то начать надо из того, чтобы разобраться — как правильно выбрать солнечные батареи для частного дома, дачи или даже квартиры. 

Как устроены солнечные батареи?

Стандартная солнечная батарея состоит из алюминиевой рамы, солнечных элементов, специального стекла, подложки, токоведущих жил и распределительной коробки.

Рис. 1 Устройство солнечной батареи

Рама панели — алюминиевая конструкция, придающая жесткость изделию и образующая основу для остальных деталей батареи. Солнечные элементы — кремниевые полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи, выращиваемые, как правило, монокристаллическим или поликристаллическим методом. Использование полупроводниковых преобразователей дает возможность прямого, одноступенчатого преобразования энергии, что позволяет использовать солнечные батареи наиболее эффективно.

В солнечной батарее используется фотовольтаический эффект, возникающий в неоднородных полупроводниковых структурах при контакте с солнечным излучением. Неоднородность полупроводникового слоя солнечной батареи достигается легированием одного полупроводникового слоя различными примесями или соединением нескольких слоев полупроводников с различной шириной запрещенной зоны — созданием гетеропереходов. Также методом получения неоднородных кремниевых полупроводников является изменение химического состава полупроводника. Эффективность использования фотопроводника характеризуется оптическими свойствами проводника, одним из которых является фотопроводимость. Потери энергии при работе солнечных батарей связаны с несколькими процессами: частичным отражением солнечных лучей от поверхности преобразователей; прохождением части лучей, через фотопреобразователи без поглощения в них; рассеянием избыточной энергии фотонов на тепловых колебаниях решетки; внутренним сопротивлением преобразователей.

Выбор параметров солнечной батареи

При выборе солнечной батареи перед покупателем встает вопрос «Как выбрать подходящую солнечную батарею?» Существует несколько видов фотоэлементов, имеющих свои преимущества и недостатки:

  1. Поликристаллические элементы, в которых полупроводник производится поликристаллическим способом, этот метод удешевляют солнечную батарею, но снижают эффективность её работы. КПД элементов составляет 17-19%.
  2. Монокристаллические. Если элементы выращиваются монокристаллическим способом, то КПД фотоэлементов составляет 20-21%. Стоимость батарей при таком способе производства кремния увеличивается, но площадь фотоэлементов для получения энергии того же количества снижается. Готовые солнечные батареи, изготовленными поликристаллическим способом имеют КПД 13-17 %, а с фотоэлементами, изготовленными монокристаллическим способом — КПД 15-18,5%,
  3. Аморфные. Самым низким КПД (4-6%) обладают солнечные батареи, в которых фотоэлементы изготавливают из аморфного кремния.
  4. Арсенид галлиевые. Для изготовления высокоэффективных преобразователей в настоящее время широко используются GaAs — Арсенид галлия, имеющий гетероструктуру и более широкую запрещенную зону, это позволяет увеличить КПД солнечных батарей до 35-40%, правда такой тип элементов имеет очень высокую цену и используется только в космической отрасли.

Рис. 2 Типы солнечных элементов

На что обратить внимание при выборе солнечных батарей?

При выборе солнечных батарей для частного дома или дачи необходимо обратить внимание не только на КПД батареи, которое в современных конструкциях на основе кремниевых элементов, ограничивается величиной 20-21%, но и на суммарную мощность купленной солнечной электростанции. Она должна обеспечить электроэнергией, достаточной для потребления электросистемой дома в любую погоду.

Зимой сильно снижается длительность светового дня, поэтому в регионах, где это наблюдается, необходимо делать запас мощности, чтобы батарей хватало на то время, когда солнце менее активно. Почему выработка зимой меньше? Не нужно думать, что из-за холода батарея будет хуже работать. Негативное действие на эффективность работы оказывают осадки в виде снега, которые необходимо удалять и меньшая продолжительность светового дня с высокой облачностью – именно это негативно влияет на выработку электроэнергии в зимнее время. Летом солнечная батарея генерирует меньшее напряжение, чем зимой. В жару температура на поверхности гелиопанели может достигать 50–55 °С, что снижает эффективность фотогальванических элементов.

Еще один важный момент при составлении плана «Как выбрать солнечные батареи для домашней электростанции» — эффективность финансовых вложений. Многие батареи при правильном выборе окупаются достаточно быстро, так как производимая при использовании энергии солнца электроэнергия является бесплатной. Выходное номинальное напряжение солнечных батарей кратно 12В и 24В, но бывают и 20В – это панели с 60 элементами. Фактическое напряжение на выходе гелиопанелей, как правило больше номинального. Так гелиопанель с выходным номинальным напряжение, равным 12В, в точке максимальной мощности выдает 17В, а при холостом ходе выдает 23В. Аналогично работают и батареи с номинальным напряжением на выходе 20 В и 24В. Двадцативольтовая батарея выдает напряжение на выходе 30В точке максимальной мощности и 39В — в режиме холостого хода, а двадцатичетырехвольтовая соответственно — 37В и 45В.

Типовые ошибки при выборе солнечных батарей для дома

Собирая себе солнечную электростанцию самостоятельно, чаще всего допускаются ошибки связанные с подбором оборудования, отметим основные из них:

  • Не правильно подобранное напряжение аккумуляторов и солнечных батарей, используемых в одной системе;
  • Использование ШИМ контроллера с 60 ячейковой солнечной панелью;
  • Не учтенный температурный коэффициент, связанный изменением напряжения, при изменении температуры;
  • Использование разных аккумуляторов, при последовательном подключении;
  • Неверно подобранное сечение перемычек между инвертором и АКБ; 
  • Пренебрежение защитными устройствами.

После подбора оборудования ошибки дилетантов не заканчиваются, поскольку впереди монтаж. При установке солнечной электростанции своими руками ошибки чаще допускаются такие:

  • Неправильная пространственная установка самих солнечных батарей;
  • Падение тени на ячейки от деревьев и соседних построек;
  • Неверное подключение оборудования. Если в системе даже всего два АКБ, последовательное соединение могут перепутать с параллельным. Не говоря уже о нескольких АКБ, когда требуется сделать последовательно – параллельное соединение. Это касается и подключения солнечных батарей;
  • Плохой контакт в электрических соединениях. Касаемо изготовления перемычек кустарным способом, без применения специального инструмента. Применение скрутки, пайки коннекторов MC4 и другие ненадежные соединения.

Это только самые распространенные ошибки, но на практике их гораздо больше. Если вы решили собирать солнечную электростанцию самостоятельно, проконсультируетесь со специалистами, это поможет избежать ошибки, сэкономить деньги и да, консультацию у нас можно получить бесплатно.

Мнения экспертов о продукции

Выбор типа солнечной станции зависит от задачи, которую необходимо решить с помощью альтернативных источников энергии.

В настоящее время наиболее широко применяются три типа солнечных электростанций:

  1. Автономные. В местах, где нет подключения к центральной сети, в садах, на дачах, автономные солнечные электростанции самые востребованные, хорошо подходят для освещения и других жизненно важных электроприборов. Применение автономных солнечных станций позволяет существенно экономить финансы, на жидкое топливо для генераторов, особенно в районах с большим количеством солнечных дней.
  2. Комбинированные с сетью. Если есть центральная сеть, то не нужно отказываться от нее, лучше сделать систему совместную с сетью. Автоматическая работа инвертора, входящего в состав такой станции, будет самостоятельно выбирать источник питания электрических приборов. А входящие в состав аккумуляторные батареи будут источником резервного электроснабжения, при отключениях сети.
  3. Сетевые on-grid. Сетевые солнечные электростанции самые выгодные и быстро окупаемые, поскольку не имеют в составе аккумуляторных батарей и преобразование энергии происходит с высоким КПД. Более того, позволяют передавать (продавать) излишки генерируемой электроэнергии в сеть, тем самым ускоряя процесс окупаемости. Во многих странах при такой генерации с помощью возобновляемых источников для продажи электроэнергии действует «зеленый тариф». В РФ в 2019 году принят в первом чтении Федеральный закон №581324-7 «О внесении изменений в ФЗ «Об электроэнергетике» в части развития микрогенерации», который позволит реализовывать электрическую энергию, вырабатываемую альтернативными источниками, по специальному тарифу. Покупка гарантирующим поставщиком электроэнергии от объектов микрогенерации будет обязательной. Цена купли-продажи будет равна средневзвешенной нерегулируемой цене на электроэнергию на ОРЭМ. Доходы физических лиц, возникшие при реализации лишней электроэнергии, произведенной для нужд своего домохозяйства, не будут подлежать налогообложению.

Независимо от выбранного типа солнечной электростанции, стоит понимать, что для надежной и эффективной работы лучше приобретать высококачественные солнечные батареи. Несмотря на более высокую стоимость они более эффективны и долговечны. Срок службы батарей может достигать 30 и более лет. Покупатели часто задают вопрос: «Почему выработка зимой меньше?» Не нужно думать, что из-за холода батарея будет хуже работать. Негативное действие на эффективность работы оказывают осадки в виде снега, которые необходимо удалять, плюс меньшая продолжительность светового дня с высокой облачностью – именно это негативно влияет на выработку электроэнергии в зимнее время. Летом солнечная батарея генерирует меньшее напряжение, чем зимой. В жару температура на поверхности гелиопанели может достигать 50–55 °С, что снижает эффективность фотогальванических элементов.

Какие солнечные батареи лучше?

Какие солнечные батареи лучше?

Выбирая солнечную батарею в магазине Вам непременно придется столкнуться с выбором какую солнечную панель выбрать монокристаллическую или поликристаллическую?

На этот вопрос нет однозначного ответа. Решать только Вам!

Эта статья поможет Вам разобраться в различиях между монокристаллическими солнечными модулями и поликристаллическими, а также ответит на такие вопросы:

  • Какие бывают разновидности солнечных батарей?

  • Какие солнечные панели лучше?

  • Как выбрать солнечную батарею, модуль?

  • В чем отличие монокристаллических солнечных батарей от поликристаллических солнечных батарей?

  • Какие выбрать солнечные батареи для дома?

  • Что лучше поликристалл или монокристалл?

 

Солнечная батарея — это устройство для преобразования солнечной энергии в электрическую.

Все солнечные батареи содержат в себе солнечные ячейки. Фотогальванические ячейки спаяны вмести и заключены в корпус. Сверху они покрыты стеклом, позволяющим проникать солнечному свету к самим ячейкам, одновременно защищая их от вредных химических и механических воздействий. Солнечные ячейки соединены в модулях в серии для создания необходимого напряжения. Сзади находится крышка из пластика которая защищает электрические детали от влаги и пыли.


 

Сегодня на рынке солнечных батарей представлено несколько различных образцов. Отличаются они друг от друга технологией изготовления и материалами, из которых их производят.

Разновидности солнечных батарей.

Солнечные батареи изготавливают из кристаллического кремния. Это самое распространенное вещество для создания солнечных ячеек. Данный вид кремния разделяется на виды, которые определяются размером кристаллов и методиками изготовления.

Для изготовления монокристаллических солнечных батарей используют максимально чистый кремний, получаемый по методу Чохральского или изготавливаются тигельным методом.

Кремний расплавляется в большом тигле. Затем в него добавляется затравка, являющаяся кремниевым стержнем, вокруг которой начинается процесс нарастания нового кристалла. Затравка и тигель вращаются в разные стороны. В итоге образуется огромный круглый кристалл кремния, его нарезают на пластинки, из которых выполняются ячейки солнечной батареи.

Основным недостатком метода является множество обрезков и специфическая форма солнечных монокристаллических ячеек – квадрат, у которого обрезаны углы.

После затвердевания готовый монокристалл разрезают на тонкие пластины толщиной 250-300 мкм, которые пронизывают сеткой из металлических электродов.

Используемая технология является сравнительно дорогостоящей, поэтому и стоят монокристаллические батареи дороже, чем поликристаллические или аморфные. Выбирают данный вид солнечных батарей за высокий показатель КПД (порядка 17-22%).

Для создания поликристаллических солнечных батарей делают кремниевый расплав и подвергают его медленному охлаждению. В результате чего получается поликристаллический кремний, который представляет собой совокупность из множества разных кристаллов, которые образуют единый модуль. Отсюда и специфический блик на поверхности солнечных батарей, в устройстве которых он содержится, напоминающий металлические хлопья.

Поликристаллический кремний. Этот материал является более простым и дешевым в изготовлении. Такая технология требует меньших энергозатрат, следовательно, и себестоимость кремния, полученного с ее помощью меньше.

Поликристаллические солнечные батареи имеют КПД (12-18%), но заметно выигрывают в стоимости.

Различия.


Температурный коэффициент.

В процессе эксплуатации в реальных условиях солнечный модуль нагревается, в результате чего номинальная мощность солнечного модуля снижается. По результатам исследований установлено, что в результате нагрева,  солнечный модуль теряет от 15 до 25% от своей номинальной мощности. В среднем у моно и поликристаллических солнечных модулей температурный коэффициент составляет -0,45%. То есть при повышении температуры на 1 градус Цельсия от стандартных условия STC, каждый солнечный модуль будет терять мощность согласно коэффициенту. Этот параметр также зависит от качества солнечных элементов и производителя. У некоторых топовых производителей температурный коэффициент модулях ниже -0,43%.

Деградация в период эксплуатации LID (Lighting Induced Degradation).

Монокристаллические солнечные модули имеют немного большую скорость деградации в сравнении с поликристаллическими солнечными модулями в первый год. Мощность качественного поликристаллического модуля в первый год снижается в среднем на 2%, монокристаллического на 3%. В последующие годы монокристаллический модуль деградирует на 0,71%, в то время как поликристаллический деградирует на 0,67% в год. Весьма незначительная разница. Многие китайские компании имеющие дистрибьюторов в России изготавливают солнечные модули из солнечных элементов малоизвестных китайских компаний. Мы знаем случаи с китайскими солнечными модулями, когда LID достигал 20% в первый же год. Поэтому перед покупкой солнечного модуля, уточните производителя солнечных элементов.

Цена.

Стоимость производства поликристаллического солнечного модуля ниже, чем монокристаллического. Весомый аргумент в пользу поликристаллического модуля.

Фото чувствительность.

В России до сих пор живет миф, о том что поликристаллический модуль более эффективно работает в пасмурную погоду. Однако ни одного официального доказательства, что это на самом деле так никто не видел. Этот вопрос больше относится к качеству и фото чувствительности  солнечных элементов. Ниже представлено сравнение моно и поликристаллических модулей CSG PVtech при различной освещенности.

Освещенность (Вт/м2)

200

400

600

800

1000

Коэффициент

Тип модуля

Мощность, Вт

200/

1000

400/

1000

240W Poly

49,896

96,981

146,446

194,785

242,238

0,20598

0,40035

255W Poly

50,336

102,533

154,760

206,205

257,152

0,19574

0,39873

250W Mono

51,773

100,260

151,333

201,336

250,567

0,20662

0,40013

260W Mono

51,878

105,748

159,035

211,609

262,965

0,19728

0,40214

Как видно из результатов теста, моно и поликристаллические модули практически одинаково ведут себя при различном уровне освещенности и имеют одинаковую фоточувствительность, во всяком случае у данного производителя это именно так. Выработку солнечных модулей при различной освещенности Вы можете определить по коэффициенту. У 250 Вт Моно при 200 Вт/м2 и 260 Вт моно при 400 Вт/м2 они наивысшие. Но опять же, разница минимальна.

Итоги и выводы.

Монокристалл — имеет меньшие размеры панелей при одинаковых мощностях (примерно на 5% процентов меньше размер солнечных панелей) из-за более высокого КПД на площадь солнечной клетки.

Поликристалл — имеет больший габаритный размер при такой же номинальной мощности и выигрышную разницу в цене (порядка 10%) в сравнении с монокристаллом.

Важно понимать то, что «Моно» не хуже и не лучше «Поли», они просто разные по способу производства. Основным различием между монокристаллическими солнечными батареями и поликристаллическими  солнечными батареями, при одинаковой номинальной мощности, будет лишь габаритный размер солнечной панели и их стоимость.

Перейти к выбору солнечной батареи

Принцип работы солнечной батареи

Солнечные батареи, как источник альтернативной энергии, сегодня уже не относят к инновационным технологиям науки. Впервые, использованные уже более сорока лет назад для электропитания станций в открытом космосе, они с успехом применяются, в качестве независимого источника экологически чистой электроэнергии.

Элементы солнечных батарей изготавливают из материалов, преобразующих солнечный свет в электричество. Фотоэлектрическая батарея конструктивно состоит из нескольких модулей, электрически и механически соединенных между собой. Каждый солнечный модуль – это устройство, объединяющее несколько фотоэлектрических элементов и выходные клеммы для подключения электроприемников. Фотоэлектрический элемент состоит из 2-х пластин полупроводникового материала. Основную часть, выпускающихся промышленностью элементов батарей, изготавливают из чистого кремния. На одну пластину, с целью придания ей свойств проводника отрицательных зарядов (n-область), наносят бор. Вторую же, с целью создания проводника положительных зарядов, покрывают фосфором (р – область).

Под воздействием солнечных лучей в зоне соприкосновения двух пластин возникает электродвижущая сила, которая способна создавать электрический ток во внешнем контуре, электрически соединенном с р- и n-областями. Для того, чтобы снять ток с батарей их пропаивают тонкими полосами меди. Спаянные друг с другом пластины спаивают, ламинируют, а затем закрепляют на стекле. Для придания конструкции прочностных свойств соединенные пластины размещают в алюминиевую раму.

Явление, в основе которого лежит принцип работы солнечных батарей, имеет название «внешний фотоэффект». Мощность, вырабатываемая батареей, напрямую зависит от площади ее поверхности. На эффективность работы солнечных батарей оказывает влияние также положение относительно Солнца модулей и интенсивность излучения. Таким образом, КПД батарей зависит от времени года, места установки, погоды.

Энергия, генерируемая фотоэлектрической установкой, не предназначена для непосредственного подключения потребителей. Между электрогенерирующей установкой и потребляющей сетью необходимо подключать инвертор, с целью трансформирования напряжения в стандартные величины одно или трехфазного номинала (220 или 380В).

Солнечные фотоэлектрические модули способны вырабатывать электроэнергию в течение 25 и больше лет. Технический износ в большинстве случаев возникает вследствие влияния окружающей среды, поскольку в таких установках отсутствуют подвижные механизмы, а также нет никаких термодинамических процессов. Грамотно смонтированная солнечная батарея станет экологически безопасным, бесшумным и надежным источником электроэнергии на долгие годы.

Часто задаваемые вопросы о солнечных зарядных устройствах

Часто задаваемые вопросы о солнечных зарядных устройствах

1.Что такое солнечное зарядное устройство?

Зарядное устройство на солнечных батареях представляет собой несколько фотоэлементов, которые преобразуют энергию солнца в постоянный электрический ток.
Современное солнечное зарядное устройство имеет возможность заряжать как телефоны и планшеты, так и нетбуки, ноутбуки и аккумуляторы 12 В.
На данный момент на сегодняшнем рынке много разнообразных солнечных устройств различной мощности, емкости аккумуляторов и солнечных панелей от различных производителей.

2.Как работает солнечное зарядное устройство?

Если это солнечное зарядное устройство с аккумулятором, то при попадании на солнечную панель солнечных лучей, они преобразуются в энергию, тем самым заряжая встроенный аккумулятор, а уже аккумулятор заряжает устройства. Если это солнечная батарея без аккумулятора, то солнечные лучи попадают на солнечную батарею, преобразуются в энергию и напрямую заряжают устройства.

3.Из чего состоит солнечная зарядка?

Солнечная зарядное устройство с аккумулятором состоит из солнечной панели, встроенного аккумулятора,контроллера заряда/разряда, преобразователя, облаченные в металлический или резиновый корпус. Солнечная батарея без аккумулятора состоит из солнечных панелей, контроллера заряда/разряда, преобразователя, облаченных обычно в водонепроницаемую ткань.

 

4.Какую портативную технику можно зарядить с помощью солнечного зарядного устройства?

Солнечное зарядное устройство может зарядить: плеер, телефон, смартфон, фотоаппарат, планшет, нетбук, ноутбук и другие сопутствующие устройства.

 5.Какие виды солнечных зарядок бывают?


 Солнечные зарядки бывают 2-х видов: солнечная зарядка с аккумулятором (емкостью от 4000 mAh до 25000 mAh) и солнечная зарядка без аккумулятора (мощность солнечных панелей от 3 до 300 W). Также на рынке солнечных устройств можно встретить модель раскладного типа, но уже с аккумулятором — SP 8000 (5 Watt).

6.Можно ли ронять солнечную зарядку?

Солнечное зарядное устройство, как и любую другую технику, ронять не рекомендуется. Так как даже если в свойствах есть противоударная, то это означает, что меньше вероятности, что при случайном падении будут повреждения или это отразиться на ее техническом состоянии, но не исключает выхода ее из строя.

7.Почему зарядки с одинаковой мощностью имеют различную цену?

Такое может быть, если солнечные зарядные устройства выпущены различными производителями, тогда на цену влияет материал, качество сборки, реальная емкость аккумулятора, ценовая политика завода-изготовителя и другие свойства, за счет этого может отличаться цена.

8.Почему указанный выходной ток 1 А и 2,1 А не всегда выдает максимум?

Выходной ток, может отличаться от указанного, в связи с тем, что при заряде устройства, автоматически подбирается ток, необходимый для равномерной зарядки и затем он автоматически уменьшается, в период окончания заряда.

9.Можно ли сделать солнечную зарядку самому?

Сделать качественное солнечное устройство самому практически невозможно! Экономии нет, т.к. на опыте доказано, что по себестоимости всех деталей и аксессуаров солнечное зарядное устройство своими руками выходит дороже, чем купленное в интернет-магазине. Да и возможность использования, долговечность и качество заряда сводится также в нулю. Итог : если хотите иметь хорошее солнечное зарядное устройство, которое Вам долго прослужит, купить его можете в специализированных магазинах, где есть сертификат качества и гарантия.

10.Сколько встроенный аккумулятор может прослужить?

Среднее число полных циклов зарядов/разрядов составляет около 1000, после этого, аккумулятор постепенно начинает терять емкость, со временем емкость аккумулятора уменьшается на 15-20%. Под одним циклом следует понимать заряд от 0 до 100%, т.е. если Вы будете заряжать и разряжать устройство не полностью, оно прослужит в разы дольше.

 

11.Если возле портов солнечной зарядки, не указано, какой выходной ток в них, как это определить?

Если на портах не написано, какой выходной ток в устройстве, то как правило есть другие обозначения, например: порт А, порт В или нарисован 1 знак молнии или 2 знака молнии или порт 1 и порт 2. В таком случаи: порт А, 1 молния и порт 1 — выходной ток 1 А, а порт В, 2 молнии и порт 2 имеет выходной ток 2,1 А. 

12.Всегда ли реальна емкость аккумулятора, указанная в описании?


В большинстве случаев емкость реальная, однако, у некоторых устройств мощность ниже, чем заявленная (в нашем-интернет магазине в обзорах товара, всегда указывается реальная емкость аккумулятора, после тестирования солнечного устройства нашими специалистами). Кроме того, стоить учитывать, что в процессе зарядки устройств: смартфона, планшета, ноутбука, происходят естественные потери, что может повлиять на снижение емкости аккумулятора от 10-15%.

13.Если одним из свойств зарядки является водонепроницаемость, что это значит?

Такое солнечное зарядное устройство более, чем другие зарядные защищено от попадания воды и влаги. Чаще всего, оно облачено в резиновый корпус, что позволяет с большей вероятностью защитить комплектующие от попадания воды и влаги, но не говорит о том, что полностью защитит внутреннее содержимое, если зарядка попадет под сильный дождь или намокнет в воде.

 

14. Почему солнечная зарядка заряжается от солнца долго?

Если брать в пример среднестатистические зарядки с мощностью панели 1,2-1,5 W и выходом 200-300 ma, то скорость зарядки от солнца от разряженного состояния до полного заряда составит около 25-40 часов. К сожалению, увеличить скорость зарядки с такими параметрами и карманным размером почти невозможно, так как для более быстрой зарядки нужна большая площадь, но тогда поместить ее в сумке и брать везде с собой будет сложно.

Есть несколько вариантом решения этого вопроса:
1. Можно к зарядке с аккумулятором подсоединить безаккумуляторную зарядку, которая сможет зарядить ее гораздо быстрее, так как у нее большая площадь поглощения лучей (раскладного типа). 2. Использовать такую зарядку для компенсации разряда, а не для полной зарядки. 

15.Какие различия между поликристаллическим и монокристаллическим кремний?

Первое различие это внешний вид: поликристаллическая панель синяя, а монокристаллическая -черная.
Второе различие: эффективность поглощения и преобразования солнечных лучей в энергию. У поликристаллической панели эффективность 15-17%, а у монокристаллической 18-20%.

16.Сколько градусов выдерживают солнечные батареи?

В зависимости от производителя и типа солнечного зарядного устройства, максимальная температура + 45, минимальная —20. Существуют специальные модели, разработанные для экстремального климата, однако такие устройства обычно изготавливаются под заказ.
 

17.Если в зарядке 2 USB порта, можно ли заряжать от них одновременно?


Да, можно заряжать одновременно. Таким устройством можно одновременно зарядить два телефона или телефон и планшет.

18.Какие существуют способы зарядки солнечного устройства?

Есть три возможности заряда солнечного устройства: от сети 220 V, от USB-порта ноутбука, от солнца.

 

19.За сколько времени солнечная зарядка заряжается от солнца?

В зависимости от мощности солнечных панелей и емкости аккумулятора, от 12 до 50 часов.

 

 

20. За сколько времени можно зарядить различные устройства от солнечной батареи?

Если взять среднестатистические данные, то телефон можно зарядить за 1,5-2 часа, планшет за 2-4 часа. 

 

 

 

21.Как правильно использовать солнечное зарядное устройство?

В начале эксплуатации, необходимо зарядить аккумулятор полностью от сети, потом в процессе эксплуатации, например, Вы подзаряжаете мобильный телефон (аккумулятор 2000 mAh), помещаете солнечное зарядное устройство на солнце и оно компенсирует этот разряд в течении 6-8 часов.

22.Как отличаются принципы работы солнечных зарядок с аккумуляторами и без аккумуляторов?

Солнечное зарядное устройство с аккумулятором перед использованием, необходимо зарядить от сети около 100% и в дальнейшем после заряда устройств, компенсировать выбранную емкость зарядкой от солнца.
Солнечное зарядное устройство без аккумулятора имеет другой принцип работы: для зарядки устройства, необходимо само солнечное зарядное разместить под солнечными лучами и подключить к нему устройство, которое Вы хотите зарядить и тем самым Вы обеспечите процесс заряда. 

23.Как правильно хранить солнечное устройство?

Если Вы планируете долгое время, более 1 месяца, не использовать зарядное устройство, Вам необходимо зарядить встроенный аккумулятор на 60-70% и хранить его при комнатной температуре. 

24. Можно ли разбирать солнечное зарядное устройство и в дальнейшем использовать элементы для зарядки устройств?

Солнечное зарядное устройство категорически не рекомендуется разбирать, т.к. при этом можно повредить элементы солнечной зарядки и корпус, также не рекомендуется использовать элементы устройства, т.к. разобранное и поврежденное устройство не предназначено для эксплуатации. После разбора устройства, оно автоматически снимается в гарантии. 

25. Как мощность солнечных панелей влияет на зарядку солнечных устройств?

Скорость заряда встроенного аккумулятора или подключенных устройств напрямую зависит от мощности солнечных панелей. Например если панель мощностью 1,5 W, то ее ток 300 ma часов, если 5 W, то 900 ma, если 10 W, то 1500 ma. Т.е для зарядки к примеру смартфона с аккумулятором 2000 от солнечной панели 1,5 W понадобиться 7-8 часов, от 5 W — 2,5 часа, 10 W около 1,5 часов.

Как видно из приведенных данных, солнечные зарядки с панелями до 3 W подойдут только для компенсации разряда встроенного аккумулятора, а от 3W солнечные панели мощно использовать уже для быстрой зарядки напрямую от солнца.

26. Насколько эффективна работа солнечной зарядки в пасмурную погоду?

Эффективность заряда устройств в пасмурную погоду очень низкая — падает от 20 до 70%.

Для зарядки в пасмурную и в солнечную погоду важно правильно размещать солнечное зарядное устройство! Солнечная зарядка должна быть размещена соответственно углу падения солнечных лучей. Например, если солнце в зените, то зарядку необходимо разместить горизонтально. В остальное время солнечного дня, под углом около 40 градусов.

27. Какие солнечные зарядки лучше производства Китай или США?

Практически все солнечные зарядные устройство производятся в Китае, в том числе те, которые предназначены для продажи на внешних рынках (США, Европа). Китайские компании например RIPA, DBK не уступают по качеству зарядным устройствам для Американского рынка (Opteka, Poweradd).

 

28.Нужно ли разгонять аккумулятор или почему показатели емкости аккумулятора в начале работы солнечного устройства ниже?

Очень часто из-за большой емкости солнечных аккумуляторов, их нужно немного «разогнать» чтобы они вышли на реальную емкость. Для этого рекомендуется в начале эксплуатации 3-4 раза полностью разрядить и зарядить их до 100%.

 29. Как проверить работает ли солнечная панель?

Если это сонечная панель без аккумулятора, Вам необходимо развернуть ее и вынести на открытую местность (на улицу). Затем, расположить перпендикулярно солнцу, чтобы солнечные лучи попадали непосредственно на всю площадь солнечной панели. После, Вам нужно подключить подходящее устройство, для зарядки от солнечной панели, например телефон и зарядка начнется.
Если это модель с аккумулятором, Вы также должны вынести его на открытую местность, где солнечным лучам ничего не препятствует, развернуть по направлению к солнцу и индикаторы заряда начнут мигать.

ЭТО ВАЖНО! Проверка СОЛНЕЧНОГО зарядного устройства от дневного света, в комнате, на балконе, от фонарика, лампочки, костра и т.д. считается недействительной!

30. Можно ли от солнечной панели зарядить ноутбук?

Да, конечно! Есть солнечные панели, которые способны зарядить ноутбук. Для ноутбука обычно подходят панели мощностью от 40 Watt и выше. Чтобы понять, какая мощность солнечной панели нужна Вашему ноутбуку, необходимо посмотреть указанное количество Watt на блоке питания. Это будет минимум который необходим вашему ноутбуку.

31. Как зарядить фотоаппарат от солнечной зарядки?

Все зависит от способа зарядки фотоаппарата. Если он заряжается через USB порт в обычной жизни, то вам подойдет практически любая солнечная зарядка с USB выходом. Достаточно просто с помощью кабеля подключить фотоаппарат и заряд начнется.
Если фотоаппарат заряжается через съемные аккумуляторы и специальное гнездо для них, то Вам нужна солнечная панель с DC выходом!
Если же ваш фотоаппарат заряжается только от сети, то вам подойдет комплект из солнечной панели и специального внешнего аккумулятора с выходом розетка. Вы дома, заряжаете внешний аккумулятор и берете с собой его и солнечную панель. В походе, например, от него заряжаете фотоаппарат, и по возможности подзаряжаете внешний аккумулятор от солнечной панели, чтобы он был всегда заряжен, если вам понадобится.

32. Сколько времени нужно, чтобы зарядить телефон от солнечной панели?

По времени телефон от солнечной панели (мощность солнечной панели от 14 Watt и выше) заряжается по времени, как от сети (розетки).

33. Можно ли зарядить автомобильный аккумулятор 12 V от солнечной панели?

На сегодняшний день есть солнечные панели с портом DC (12-18 V), от которых можно зарядить автомобильный или другой аккумулятор 12 V. Если Вы часто отправляетесь в кемпинг и вам нужно чтобы автомобильный аккумулятор не разрядился, пока машина будет стоять, вам хватит панели мощности 7-21 Watt. Если вы планируете заряжать автомобильный аккумулятор от 0 до 100%, тогда Вам нужна модель мощнее 28-100 Watt.

34. Как проверить солнечную батарею без солнца?

Без наличия прямых солнечных лучей проверить реальную работоспособность солнечной панели невозможно. Все проверки без солнца являются очень относительными и не предусматривают правильных выходных показателей.

35. Будет ли работать солнечная батарея через стекло?

Работоспособность солнечной панели через стекло возможна, но она является не очень эффективной, так как показатели значительно снижаются, из-за преломления стеклом солнечных лучей. Кроме того, работоспособность возможна только для солнечный панелей большой мощности 40 Watt и выше, так как за счет их площади им хватает солнечных лучей для осуществления подзарядки устройства. Также для зарядки через стекло, батарея должна плотно прилегать к стеклу и на нее должны обязательно попадать прямые солнечные лучи под правильным углом! 

36. Как работают солнечные батареи в пасмурную погоду?

Эффективность работы солнечной панели падает от 30 до 80 % в зависимости от уровня освещенности (измеряется в люксах). Мощные и большие солнечные батареи работают лучше, чем небольшие, за счет своей площади, которая позволяет собрать больше солнечной энергии.

 

Если у Вас появились вопросы о солнечных зарядных устройствах, Вы можете задать их через почту Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра. или через форму обратной связи jivosite, а также связаться с нашими специалистами по контактным телефонам.

 

 

 

Добавить отзыв

солнечных элементов: руководство по теории и измерениям

Солнечный элемент — это устройство, преобразующее свет в электричество с помощью «фотоэлектрического эффекта». Их также часто называют «фотоэлектрическими элементами» в честь этого явления, а также для того, чтобы отличить их от солнечных тепловых устройств. Фотоэлектрический эффект — это процесс, который происходит в некоторых полупроводниковых материалах, таких как кремний. На самом базовом уровне полупроводник поглощает фотон, возбуждая электрон, который затем может быть извлечен в электрическую цепь с помощью встроенных и приложенных электрических полей.

Из-за возросшего в последние годы стремления к увеличению количества возобновляемых источников энергии, солнечная энергия становится все более популярной. В 2012 году общее глобальное потребление энергии составило примерно 559 ЭДж (эксаджоулей, x10 18 ). Между тем, общая годовая солнечная энергия, выпадающая на сушу Земли, оценивается в 1 575 — 49 837 ЭДж. Очевидно, что Солнце дает более чем достаточно энергии для удовлетворения глобальных потребностей в энергии. Следовательно, возможно, у солнечной энергии гораздо больший потенциал для удовлетворения наших потребностей в энергии, чем у других возобновляемых источников.

Содержание


Общая теория

Основным компонентом солнечного элемента является полупроводник, так как он преобразует свет в электричество. Полупроводники могут выполнять это преобразование из-за структуры их электронных энергетических уровней. Уровни энергии электронов обычно делятся на две группы: «валентная зона» и «зона проводимости». Валентная зона содержит самые высокие занятые уровни энергии электронов, тогда как зона проводимости содержит самые низкие незанятые уровни энергии электронов.Разница в энергии между верхней частью валентной зоны и нижней частью зоны проводимости известна как «запрещенная зона» (E g ). В проводнике отсутствует запрещенная зона, так как валентная зона не заполнена полностью, что позволяет электронам свободно перемещаться по материалу. Изоляторы имеют очень большие запрещенные зоны, которые требуют большого количества энергии для пересечения — и, как таковые, препятствуют перемещению электронов из валентной зоны в зону проводимости. Напротив, запрещенная зона в полупроводниках относительно мала, что позволяет некоторым электронам перемещаться в зону проводимости, выделяя небольшое количество энергии.

Рисунок 1: Энергетические зоны для металлов, изоляторов и полупроводников.

Эта небольшая запрещенная зона позволяет некоторым полупроводникам генерировать электричество с помощью света. Если фотон, падающий на полупроводник, имеет энергию (E γ ), превышающую ширину запрещенной зоны, он будет поглощен, что позволит электрону перейти из валентной зоны в зону проводимости. Этот процесс известен как «возбуждение». Теперь, когда электрон находится в зоне проводимости, в валентной зоне остается незанятое состояние.Это известно как «дыра» и ведет себя как частица, аналогичная электрону в зоне проводимости (хотя и с положительным зарядом). Из-за их противоположного заряда возбужденные электрон и дырка кулоновски связаны в состоянии, известном как «экситон». Этот экситон должен быть расщеплен (также известный как «диссоциация») до того, как носители заряда можно будет собрать и использовать. Энергия, необходимая для этого, зависит от диэлектрической проницаемости (ε r ) материала. Это описывает уровень экранирования между зарядами в полупроводниковом материале и влияет на энергию связи экситона.

Рисунок 2: Основная работа солнечного элемента. а) фотон поглощается полупроводником, б) электрон продвигается из валентной зоны в зону проводимости, оставляя дырку в валентной зоне. c) Электрон и дырка транспортируются к электродам для сбора.

В материалах с высокими значениями ε r экситоны имеют низкую энергию связи, что позволяет диссоциации происходить термически при температуре окружающей среды. Экситоны в материалах с низкими значениями ε r имеют высокую энергию связи, предотвращающую термическую диссоциацию, поэтому требуется другой метод диссоциации.Распространенный метод состоит в том, чтобы доставить экситон к границе раздела между материалами с энергетическими уровнями, которые имеют смещение больше, чем энергия связи экситона. Это позволяет электрону (или дырке) переходить на другой материал и диссоциировать экситон.

Рисунок 3: Работа солнечного элемента для материала с низкой диэлектрической проницаемостью. а) Фотон поглощается материалом 1, образуя экситон. б) Экситон диффундирует к границе раздела с материалом 2, имеющим смещенные уровни энергии. Здесь в) электрон (или дырка) переходит в материал 2, и экситон расщепляется.г) Наконец, заряды переносятся на электроды.

После диссоциации свободные заряды диффундируют к электродам ячейки (где они собираются) — этому способствуют встроенные и приложенные электрические поля. Встроенное электрическое поле устройства возникает из-за относительных уровней энергии материалов, из которых состоит ячейка. Однако происхождение встроенного поля зависит от типа используемого полупроводника. Для неорганических полупроводников, таких как кремний, к полупроводнику часто добавляют другие материалы (процесс, известный как легирование), чтобы создать области с высокой (n-тип) и низкой (p-тип) электронной плотностью. Когда эти области соприкасаются, заряды будут накапливаться по обе стороны от границы раздела, создавая электрическое поле, направленное от области n-типа к области p-типа. В устройствах, в которых используются органические полупроводники, встроенное поле возникает из-за разницы между работой выхода электродов устройства.

Размер запрещенной зоны также очень важен, так как он влияет на энергию, которую может собирать солнечный элемент. Если E γ > E g , то фотон будет поглощен, и любая энергия, превышающая E g , будет использоваться для продвижения электрона на энергетический уровень выше минимума зоны проводимости.Затем электрон релаксирует вниз до минимума зоны проводимости, что приведет к потере избыточной энергии. Однако, если E γ g , то фотон не будет поглощен, что снова приведет к потере энергии. (Обратите внимание, длина волны фотона уменьшается с увеличением его энергии).

Таким образом, рассматривая солнечный спектр, можно заметить, что слишком большое значение E g приведет к тому, что значительное количество фотонов не будет поглощаться. С другой стороны, слишком низкая E g означает, что большое количество фотонов будет поглощено, но значительное количество энергии будет потеряно из-за релаксации электронов к минимуму зоны проводимости.Благодаря этому компромиссу можно рассчитать теоретическую максимальную эффективность стандартного фотоэлектрического устройства, а также оценить оптимальную ширину запрещенной зоны для фотоэлектрического материала. Шокли и Кайссер определили теоретический максимум КПД примерно 33% в 1961 г., что соответствует ширине запрещенной зоны 1,34 эВ (~ 930 нм).

Рисунок 4: Спектральная освещенность и поток фотонов Солнца. Зеленая линия представляет длину волны, соответствующую оптимальной энергии запрещенной зоны (~ 930 нм).Данные предоставлены Национальной лабораторией возобновляемой энергии, Голден, Колорадо.

Характеристика

Солнечный спектр

Характеристики солнечного элемента определяют, насколько хорошо он работает при солнечном освещении. Спектр Солнца примерно соответствует спектру черного тела с температурой 5780 К. Его пик приходится на видимый диапазон и имеет длинный инфракрасный хвост. Однако этот спектр не используется для характеристики, поскольку свет должен проходить через атмосферу Земли (которая поглощает значительную часть солнечного излучения), чтобы достичь поверхности.Вместо этого отраслевым стандартом является AM1,5G (глобальная воздушная масса 1,5), средний глобальный спектр солнечного излучения после прохождения через 1,5 атмосферы. Это имеет плотность мощности 100 мВт.см -2 и эквивалентно средней солнечной радиации в средних широтах (например, в Европе или США).

Рисунок 5: Солнечный спектр AM0 и AM1.5. Данные любезно предоставлены Национальной лабораторией возобновляемой энергии, Голден, Колорадо.

Кривые IV солнечного элемента

Ключевой характеристикой солнечного элемента является его способность преобразовывать свет в электричество.Это известно как эффективность преобразования энергии (PCE) и представляет собой отношение мощности падающего света к выходной электрической мощности. Для определения PCE и других полезных показателей выполняются измерения вольт-амперной характеристики (IV). Когда солнечный элемент находится под освещением, к нему прикладывается серия напряжений. Выходной ток измеряется на каждом шаге напряжения, в результате чего получается характерная «ВАХ», которую можно увидеть во многих исследовательских работах. Пример этого можно увидеть ниже на рисунке 6 вместе с некоторыми важными свойствами, которые можно определить по измерению IV.Следует отметить, что обычно плотность тока (J) используется вместо тока при характеристике солнечных элементов, поскольку площадь элемента будет влиять на величину выходного тока (чем больше элемент, тем больше ток).

Выполните свои собственные измерения с помощью испытательной системы I-V солнечных батарей

  • Характеристики солнечного элемента
  • Низкая стоимость
  • Простота использования

Узнать больше

Рисунок 6: Типичная ВАХ солнечного элемента, построенная с использованием плотности тока, с выделением плотности тока короткого замыкания (Jsc), напряжения холостого хода (Voc), тока и напряжения при максимальной мощности (JMP и VMP соответственно), точки максимальной мощности (PMax) и коэффициент заполнения (FF).

На рисунке выделены следующие свойства:

  • J MP — Плотность тока при максимальной мощности
  • В MP — Напряжение при максимальной мощности
  • P Max — Максимальная выходная мощность (также называемая максимальной точкой мощности)
  • J sc — Плотность тока короткого замыкания
  • V oc — Напряжение холостого хода

PCE можно рассчитать по следующей формуле:

Здесь P out (P in ) — это выходная (входная) мощность элемента, FF — коэффициент заполнения, а J sc и V oc — плотность тока короткого замыкания и разомкнутой цепи. напряжение цепи соответственно.

Плотность тока короткого замыкания — это плотность тока фотогенерируемой ячейки при отсутствии приложенного смещения. В этом случае только встроенное электрическое поле внутри ячейки используется для приведения носителей заряда к электродам. На этот показатель влияет:

  • Поглощающие характеристики фотоактивного слоя
  • Эффективность генерации, транспортировки и извлечения заряда

Напряжение холостого хода — это напряжение, при котором приложенное электрическое поле нейтрализует встроенное электрическое поле.Это устраняет всю движущую силу для носителей заряда, что приводит к нулевой генерации фототока. На этот показатель влияет:

  • Уровни энергии фотоактивных материалов
  • Рабочие функции электродных материалов
  • Скорость рекомбинации носителей заряда

Коэффициент заполнения — это отношение реальной мощности элемента к тому, какой была бы его мощность, если бы не было последовательного сопротивления и бесконечного сопротивления шунта (объяснено позже). В идеале это значение как можно ближе к 1 и может быть рассчитано с помощью следующего уравнения:

Здесь J MP и V MP — плотность тока и напряжение элемента при максимальной мощности соответственно.

Приблизительные значения последовательного и шунтирующего сопротивлений могут быть рассчитаны по обратному градиенту кривой JV ячейки при V oc и J sc соответственно.

Солнечный элемент представляет собой диод, поэтому электрическое поведение идеального устройства можно смоделировать с помощью уравнения диода Шокли:

Здесь J ph — плотность фотогенерируемого тока, J D — плотность тока диода, J 0 — плотность тока насыщения в темноте (плотность тока, протекающего через диод при обратном смещении в темноте), V — напряжение, а T — температура.Последние два символа, e и k B , представляют собой элементарный заряд (1,6 x 10 -19 C) и постоянную Больцмана (1,38 x 10 -23 м 2 .kg.s -2 .K -1 ) соответственно. Однако на самом деле ни одно устройство не является идеальным, и поэтому уравнение необходимо изменить, чтобы учесть возможные потери, которые могут возникнуть:

Здесь n — коэффициент идеальности диода, а все остальные символы имеют прежнее значение. Используя это уравнение, можно смоделировать солнечный элемент, используя эквивалентную принципиальную схему, которая показана ниже:

Рисунок 7: Эквивалентная схема солнечного элемента, символы соответствуют символам в модифицированном уравнении диода Шокли.

Последовательное сопротивление (R s ) учитывает сопротивления, которые возникают из-за энергетических барьеров на границах раздела и объемных сопротивлений внутри слоев. В идеале это минимизируется, чтобы предотвратить потери эффективности из-за повышенной рекомбинации носителей заряда. Это может быть достигнуто за счет обеспечения хорошего выравнивания уровня энергии материалов, используемых в солнечном элементе.

Шунтирующее сопротивление (R sh ) учитывает существование путей переменного тока через фотоэлектрический элемент.В отличие от последовательного сопротивления, в идеале оно должно быть как можно большим, чтобы предотвратить утечку тока через эти альтернативные пути.

Выполняйте собственные измерения с помощью системы измерения кривой I-V Ossila

  • Быстро и точно
  • Отслеживание срока службы в метрической системе
  • Компактный

Узнать больше

Типы солнечных батарей

Существует несколько типов солнечных элементов, которые обычно делятся на три поколения. Первое поколение (известные как обычные устройства) основано на кристаллическом кремнии, хорошо изученном неорганическом полупроводнике. Второе поколение — это тонкопленочные устройства, которые включают материалы, которые могут создавать эффективные устройства с тонкими пленками (в диапазоне от нанометров до десятков микрометров). Третье поколение — это развивающиеся фотоэлектрические технологии — технологии, которые все еще находятся в стадии исследования для коммерциализации.

Первое и второе поколения содержат наиболее изученные фотоэлектрические материалы: кремний, арсенид галлия, теллурид кадмия и селенид галлия, индия и индия.Все эти материалы являются неорганическими полупроводниками и обычно работают самым прямым образом: фотон поглощается, создавая экситон, который термически диссоциирует (неорганические полупроводники обычно имеют высокие диэлектрические постоянные) и впоследствии переносится к электродам посредством электрического поля.

Первое поколение

Рисунок 8: Кремниевые солнечные панели.

Поскольку кремний является наиболее изученным материалом, он может обеспечить одни из самых высоких характеристик (с максимальной эффективностью 25.3%) и был первым материалом, попавшим на коммерческий рынок. Таким образом, в большинстве солнечных панелей в качестве фотоактивного материала используется кремний. Ширина запрещенной зоны кремния составляет 1,1 эВ, что обеспечивает широкое поглощение солнечного излучения. Однако это меньше, чем оптимальная ширина запрещенной зоны (1,34 эВ), что приводит к потерям энергии при поглощении фотонов высокой энергии. Кроме того, запрещенная зона является косвенной, что снижает эффективность поглощения и, следовательно, требует относительно толстых слоев для эффективного сбора солнечного света. Как и все неорганические материалы, кремний имеет высокую диэлектрическую проницаемость 11.7 — с учетом термического разделения носителей заряда после генерации.

Второе поколение

Арсенид галлия
Рисунок 9: Солнечные панели из арсенида галлия на марсоходе Spirit. Изображение NASA / JPL-Caltech / Cornell.

Арсенид галлия (GaAs) может похвастаться самой высокой производительностью среди всех фотоэлектрических материалов, достигающей 28,8%. Это связано с тем, что GaAs имеет прямую и более благоприятную ширину запрещенной зоны 1,43 эВ, что приводит к улучшенному поглощению за счет более тонких слоев и уменьшению потерь энергии.Кроме того, GaAs обладает лучшими электронно-транспортными свойствами по сравнению с кремнием. Однако его производство очень дорогое, поскольку требует высокой чистоты материала, что обычно ограничивает его применение в космосе (например, спутники и вездеходы).

Теллурид кадмия

Теллурид кадмия (CdTe) — это высокоэффективная тонкопленочная фотоэлектрическая технология, эффективность которой составляет 22,1%. CdTe имеет такую ​​же ширину запрещенной зоны, что и GaAs при 1,44 эВ, что дает ему те же преимущества, что и в GaAs, — хорошее поглощение в тонких пленках и низкие потери энергии фотонов. Этот материал также может быть гибким, иметь очень низкую стоимость, и он позволяет производить коммерческие солнечные панели, которые дешевле кремния с гораздо более коротким временем окупаемости энергии (хотя и с более низкой эффективностью). Несмотря на эти преимущества, есть некоторые проблемы — кадмий очень токсичен, а теллур очень редко, что делает долгосрочную жизнеспособность этой технологии на данный момент неопределенной.

Медь селенид галлия индия

Селенид меди, индия и галлия (CIGS) продемонстрировал характеристики, аналогичные характеристикам устройств на основе CdTe, с пиковым значением 22.6%. Соединение имеет химическую формулу CuInxGa (1-x) Se2, где x может принимать значение от 0 до 1. Эта возможность настройки химической структуры позволяет изменять ширину запрещенной зоны материала в пределах 1,0 эВ (x = 1, чистая медь селенид индия) и 1,7 эВ (x = 0, чистый селенид меди-галлия). Однако, как и элементы из GaAs, производство CIGS дорогое, и в результате получаются солнечные панели, которые не могут конкурировать с современными коммерческими технологиями. Кроме того, как и теллур, индий встречается очень редко, что ограничивает долгосрочный потенциал этой технологии.

Третье поколение

Третье поколение фотоэлектрических элементов, также известных как новые фотоэлектрические технологии, включает сенсибилизированные красителем, органические и перовскитные солнечные элементы.

Сенсибилизированный красителем
Рисунок 10: Структура и работа сенсибилизированного красителем солнечного элемента. Фотоны поглощаются красителем, и генерируемые электроны и дырки переносятся на оксидный каркас и электролит соответственно, где они транспортируются к соответствующим электродам.

Сенсибилизированные красителем солнечные элементы (DSSC) используют органические красители для поглощения света.Эти красители наносятся на оксидный каркас (обычно оксид титана), который погружают в жидкий электролит. Красители поглощают свет, и возбужденный электрон переносится на оксидный каркас, в то время как отверстие переносится на электролит. Затем носители заряда можно собрать на электродах. Эти элементы менее эффективны, чем неорганические устройства, но потенциально могут быть намного дешевле, производимые посредством печати с рулона на рулон, полугибкие и полупрозрачные. Однако все еще существуют проблемы с использованием жидкого электролита из-за температурной стабильности (потенциально может замерзать или расширяться), использования дорогих материалов и летучих органических соединений.

Органический

В органических солнечных элементах (ОСЭ) в качестве фотоактивных материалов используются органические полупроводниковые полимеры или небольшие молекулы. На сегодняшний день с помощью этой технологии достигнут КПД 11,5%. Эти клетки работают аналогично неорганическим устройствам. Однако органические полупроводники обычно имеют низкие диэлектрические постоянные, что означает, что генерируемый экситон не может быть термически диссоциирован. Вместо этого экситон должен транспортироваться к границе с материалом, у которого смещение уровня энергии больше, чем энергия связи фотона. Здесь электрон (или дырка) может перейти к другому материалу и расщепить экситон, позволяя собирать носители заряда (как показано на рисунке 3). Поскольку экситоны обычно могут диффундировать только примерно на 10 нм до рекомбинации электрона и дырки, это ограничивает толщину, структуру и, в конечном итоге, характеристики органического фотоэлектрического элемента. Несмотря на это, эти устройства обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с неорганическими устройствами, в том числе: низкая стоимость материалов, легкий вес, сильные и настраиваемые характеристики поглощения, гибкость и возможность изготовления с использованием методов печати с рулона на рулон.В настоящее время органические материалы страдают от проблем со стабильностью, связанных с фотохимической деградацией.

Перовскит

Перовскитные солнечные элементы (PSC) используют перовскитные материалы (материалы с кристаллической структурой ABX 3 ) в качестве светопоглощающего слоя. Перовскиты были введены в месторождение относительно недавно, о первом использовании в фотоэлектрическом устройстве было сообщено в 2006 году (где это был краситель в DSSC, достигающий 2,2%). Тем не менее, 2012 год считается рождением этой области из-за публикации знаковой статьи, в которой эффективность 10.Достигнуто 9%. С тех пор пиковая эффективность выросла до 22,1%, что сделало PSC самой быстро улучшающейся солнечной технологией. Эти материалы обладают замечательными свойствами, включая сильные настраиваемые характеристики поглощения и амбиполярный перенос заряда. Их также можно обрабатывать из раствора в условиях окружающей среды.

Рисунок 11: Перовскитовый солнечный элемент.

По-прежнему существуют проблемы со стабильностью и использованием токсичных материалов (таких как свинец), препятствующих коммерциализации технологии, но эта область все еще относительно молодая и очень активная.Более подробную информацию о перовскитах можно найти в нашем справочнике по перовскиту.

В таблице ниже показаны лучшие показатели эффективности исследовательских ячеек для различных фотоэлектрических технологий (значения любезно предоставлены Национальной лабораторией возобновляемой энергии, Голден, Колорадо).

Тип солнечного элемента Высокая эффективность (исследования)
Кремний монокристаллический (моно-Si) 25,3%
Поликристаллический кремний (мульти-Si) 21.9%
Аморфный кремний (a-Si) 14,0%
Монокристаллический арсенид галлия (GaAs) 28,8%
Теллурид кадмия (CdTe) 22,1%
Селенид галлия индия (CIGS) 22,6%
Сенсибилизированный красителем (DSSC) 11,9%
Органический (OSC) 11,5%
Перовскит (PSC) 22.1%

Дополнительная литература

  • Обзор солнечных фотоэлектрических технологий . Бхубанесвари Парида, Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики, том 15, стр. 1625-1636 (2011)
  • Обзор технологий и проблем тонкопленочных солнечных элементов . Тэсу Д. Ли, Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики, том 70, стр. 1286-1297 (2017)
  • Солнечные элементы, сенсибилизированные красителем . Андерс Хагфельдт, Chemical Reviews, Vol 110, p6595-6663 (2010)
  • Органическая фотогальваника .Бернард Киппелен, Энергетика и наука об окружающей среде, Том 2, стр. 251-261 (2009)
  • Органическая фотогальваника . Ю-Вэй Су, Материалы сегодня, Том 15, стр. 554-562 (2012)
  • Перовскиты: наступление новой эры недорогих и высокоэффективных солнечных элементов . Генри Дж. Снайт, The Journal of Physical Chemistry Letters, том 4, стр. 3623-3630 (2013)
  • Таблицы эффективности солнечных элементов (версия 50) . Мартин А. Грин, Progress in Photovoltaics, Vol 25, p668-676 (2017)

Фотогальваника | SEIA

Фотоэлектрические (ФЭ) устройства вырабатывают электричество непосредственно из солнечного света с помощью электронного процесса, который естественным образом происходит в определенных типах материалов, называемых полупроводниками. Электроны в этих материалах высвобождаются солнечной энергией, и их можно заставить двигаться по электрической цепи, питая электрические устройства или посылая электричество в сеть.

Фотоэлектрические устройства

можно использовать для питания чего угодно, от небольшой электроники, такой как калькуляторы и дорожные знаки, до домов и крупных коммерческих предприятий.

Как сравнить солнечные инверторы | Как сравнить солнечные панели

Как работает фотоэлектрическая технология?

Фотоны ударяют и ионизируют полупроводниковый материал на солнечной панели, заставляя внешние электроны вырваться из своих атомных связей.Благодаря полупроводниковой структуре электроны движутся в одном направлении, создавая электрический ток. Солнечные элементы не на 100% эффективны в солнечных элементах из кристаллического кремния, отчасти потому, что только определенный свет в пределах спектра может поглощаться. Часть светового спектра отражается, часть слишком слабая, чтобы создавать электричество (инфракрасный), а часть (ультрафиолет) создает тепловую энергию вместо электричества.
Схема типичного кристаллического кремниевого солнечного элемента. Для изготовления этого типа ячейки пластины из высокочистого кремния «легируют» различными примесями и сплавляют.Полученная структура создает путь для электрического тока внутри и между солнечными элементами .

Другие типы фотоэлектрической техники

Помимо кристаллического кремния (c-Si), существуют два других основных типа фотоэлектрических технологий:

  • Тонкопленочные фотоэлектрические панели — быстрорастущий, но небольшой сегмент коммерческого солнечного рынка. Многие фирмы, производящие тонкие пленки, представляют собой стартапы, разрабатывающие экспериментальные технологии. Как правило, они менее эффективны, но часто дешевле, чем модули c-Si.
  • В Соединенных Штатах, концентраторов PV массивов находятся в основном на юго-западе пустыни. Они используют линзы и зеркала для отражения концентрированной солнечной энергии на высокоэффективные элементы. Для их максимальной эффективности требуется прямой солнечный свет и системы слежения.
  • Интегрированные в здание фотоэлектрические элементы служат как внешним слоем конструкции, так и вырабатывают электроэнергию для использования на месте или для экспорта в сеть. Системы BIPV могут обеспечить экономию материалов и затрат на электроэнергию, уменьшить загрязнение окружающей среды и добавить архитектурной привлекательности здания.
История фотоэлектрической техники

Эффект PV наблюдался еще в 1839 году Александром Эдмундом Беккерелем и был предметом научных исследований в начале двадцатого века. В 1954 году Bell Labs в США представила первое солнечное фотоэлектрическое устройство, которое производило полезное количество электроэнергии, а к 1958 году солнечные элементы использовались во множестве небольших научных и коммерческих приложений.

Энергетический кризис 1970-х годов привел к появлению большого интереса к использованию солнечных батарей для производства электроэнергии в домах и на предприятиях, но непомерно высокие цены (почти в 30 раз выше нынешних) сделали крупномасштабные приложения непрактичными.

Промышленные разработки и исследования в последующие годы сделали фотоэлектрические устройства более осуществимыми, и начался цикл увеличения производства и снижения затрат, который продолжается и сегодня.

Затраты на солнечную фотовольтаику

Быстро падающие цены сделали солнечную энергию более доступной, чем когда-либо. Средняя цена готовой фотоэлектрической системы упала на 59 процентов за последнее десятилетие.

Для получения дополнительной информации о состоянии рынка солнечных батарей в США посетите нашу страницу данных по солнечной промышленности.

Современная фотогальваника

Стоимость фотоэлектрических панелей резко упала, поскольку промышленность увеличила производство и постепенно улучшила технологию с использованием новых материалов. Стоимость установки также снизилась благодаря более опытным и обученным установщикам. В глобальном масштабе США занимают третье место по величине рынка фотоэлектрических установок и продолжают быстро расти.

Большинство современных солнечных элементов изготавливаются либо из кристаллического кремния, либо из тонкопленочного полупроводникового материала.Кремниевые элементы более эффективны при преобразовании солнечного света в электричество, но, как правило, имеют более высокие производственные затраты. Тонкопленочные материалы обычно имеют меньшую эффективность, но могут быть проще и дешевле в производстве. Специализированная категория солнечных элементов, называемых многопереходными или тандемными элементами, используется в приложениях, требующих очень малого веса и очень высокой эффективности, таких как спутники и военные приложения. Все типы фотоэлектрических систем сегодня широко используются в самых разных областях.

На сегодняшний день доступны тысячи отдельных моделей фотоэлектрических панелей от сотен компаний. Сравните солнечные панели по их эффективности, выходной мощности, гарантиям и другим параметрам на EnergySage.

Основы солнечных фотоэлектрических элементов | Министерство энергетики

Кремний

Кремний, безусловно, является наиболее распространенным полупроводниковым материалом, используемым в солнечных элементах, составляя примерно 95% модулей, продаваемых сегодня. Это также второй по распространенности материал на Земле (после кислорода) и наиболее распространенный полупроводник, используемый в компьютерных микросхемах.Кристаллические кремниевые ячейки состоят из атомов кремния, соединенных друг с другом, чтобы сформировать кристаллическую решетку. Эта решетка обеспечивает организованную структуру, которая делает преобразование света в электричество более эффективным.

Солнечные элементы, изготовленные из кремния, в настоящее время обеспечивают сочетание высокой эффективности, низкой стоимости и длительного срока службы. Ожидается, что модули прослужат 25 или более лет, и по истечении этого срока все еще будут вырабатывать более 80% своей первоначальной мощности.

Тонкопленочная фотогальваника

Тонкопленочный солнечный элемент изготавливается путем нанесения одного или нескольких тонких слоев фотоэлектрического материала на поддерживающий материал, такой как стекло, пластик или металл.Сегодня на рынке представлены два основных типа тонкопленочных фотоэлектрических полупроводников: теллурид кадмия (CdTe) и диселенид меди, индия, галлия (CIGS). Оба материала можно наносить непосредственно на переднюю или заднюю поверхность модуля.

CdTe является вторым по распространенности фотоэлектрическим материалом после кремния, и элементы CdTe могут быть изготовлены с использованием недорогих производственных процессов. Хотя это делает их рентабельной альтернативой, их эффективность все еще не так высока, как у кремния. Ячейки CIGS обладают оптимальными свойствами для фотоэлектрического материала и высокой эффективностью в лаборатории, но сложность, связанная с объединением четырех элементов, делает переход от лаборатории к производству более сложным.И CdTe, и CIGS требуют большей защиты, чем кремний, чтобы обеспечить длительную работу на открытом воздухе.

Перовскитная фотогальваника

Перовскитные солнечные элементы представляют собой тип тонкопленочных элементов, названных в честь их характерной кристаллической структуры. Ячейки из перовскита состоят из слоев материалов, которые напечатаны, покрыты или нанесены вакуумным осаждением на нижележащий опорный слой, известный как подложка. Обычно их легко собрать, и они могут достигать эффективности, аналогичной эффективности кристаллического кремния.В лаборатории эффективность перовскитных фотоэлементов повышается быстрее, чем у любого другого фотоэлектрического материала, с 3% в 2009 году до более 25% в 2020 году. Чтобы быть коммерчески жизнеспособными, перовскитные фотоэлементы должны стать достаточно стабильными, чтобы выдержать 20 лет работы на открытом воздухе, поэтому исследователи работают над тем, чтобы сделать их более долговечными, и разрабатывают крупномасштабные и недорогие технологии производства.

Organic Photovoltaics

Органические фотоэлектрические элементы, или OPV, состоят из богатых углеродом (органических) соединений и могут быть адаптированы для улучшения определенных функций фотоэлектрических элементов, таких как ширина запрещенной зоны, прозрачность или цвет.Элементы OPV в настоящее время примерно вдвое менее эффективны, чем элементы из кристаллического кремния, и имеют более короткий срок службы, но могут быть дешевле в производстве в больших объемах. Их также можно наносить на различные вспомогательные материалы, такие как гибкий пластик, благодаря чему OPV может использоваться в самых разных областях. PV

Определение: Солнечный элемент | Информация об открытой энергии

Преобразует свет в электрическую энергию. Традиционные солнечные элементы изготавливаются из кремния; солнечные элементы второго поколения (тонкопленочные солнечные элементы) изготавливаются из аморфного кремния или некремниевых материалов, таких как теллурид кадмия; солнечные элементы третьего поколения производятся из множества новых материалов, включая солнечные чернила, солнечные красители и проводящие пластмассы. [1] [2]

Определение Википедии

Солнечный элемент или фотоэлектрический элемент — это электрическое устройство, которое преобразует энергию света непосредственно в электричество с помощью фотоэлектрического эффекта, который представляет собой физическое и химическое явление. Это форма фотоэлемента, определяемого как устройство, электрические характеристики которого, такие как ток, напряжение или сопротивление, изменяются под воздействием света. Отдельные устройства солнечных элементов могут быть объединены в модули, также известные как солнечные панели.Обычный кремниевый солнечный элемент с одинарным переходом может производить максимальное напряжение холостого хода приблизительно от 0,5 до 0,6 вольт. Солнечные элементы описываются как фотоэлектрические, независимо от того, является ли их источником солнечный или искусственный свет. Помимо выработки энергии, они могут использоваться в качестве фотодетекторов (например, инфракрасных детекторов), обнаружения света или другого электромагнитного излучения вблизи видимого диапазона или измерения интенсивности света. Для работы фотоэлемента требуется три основных атрибута:
  • Поглощение света, генерирующее электронно-дырочные пары или экситоны.
  • Разделение носителей заряда противоположных типов.
  • Отдельное извлечение этих носителей во внешнюю цепь. Напротив, солнечный тепловой коллектор поставляет тепло, поглощая солнечный свет, с целью прямого нагрева или косвенного производства электроэнергии из тепла. «Фотоэлектролитическая ячейка» (фотоэлектрохимическая ячейка), с другой стороны, относится либо к типу фотоэлектрических элементов (например, разработанных Эдмондом Беккерелем и современных сенсибилизированных красителями солнечных элементов), либо к устройству, которое разделяет воду непосредственно на водород и кислород, использующий только солнечное освещение., Солнечный элемент или фотоэлектрический элемент — это электрическое устройство, которое преобразует энергию света непосредственно в электричество с помощью фотоэлектрического эффекта, который представляет собой физическое и химическое явление. Это форма фотоэлемента, определяемого как устройство, электрические характеристики которого, такие как ток, напряжение или сопротивление, изменяются под воздействием света. Индивидуальные солнечные элементы часто являются электрическими строительными блоками фотоэлектрических модулей, известных в просторечии как солнечные панели. Обычный кремниевый солнечный элемент с одинарным переходом может производить максимальное напряжение холостого хода примерно 0. От 5 до 0,6 вольт. Солнечные элементы описываются как фотоэлектрические, независимо от того, является ли их источником солнечный или искусственный свет. Помимо выработки энергии, они могут использоваться в качестве фотодетекторов (например, инфракрасных детекторов), обнаружения света или другого электромагнитного излучения вблизи видимого диапазона или измерения интенсивности света. Работа фотоэлемента требует трех основных атрибутов:
  • Поглощение света с образованием электронно-дырочных пар или экситонов.
  • Разделение носителей заряда противоположных типов.
  • Отдельное извлечение этих носителей во внешнюю цепь. Напротив, солнечный тепловой коллектор поставляет тепло, поглощая солнечный свет, с целью прямого нагрева или косвенного производства электроэнергии из тепла. «Фотоэлектролитическая ячейка» (фотоэлектрохимическая ячейка), с другой стороны, относится либо к типу фотоэлектрических элементов (например, разработанных Эдмондом Беккерелем и современных сенсибилизированных красителями солнечных элементов), либо к устройству, которое разделяет воду непосредственно на водород и кислород, использующий только солнечное освещение. , Солнечный элемент или фотоэлектрический элемент — это электрическое устройство, которое преобразует энергию света непосредственно в электричество с помощью фотоэлектрического эффекта, который представляет собой физическое и химическое явление. Они являются одним из самых экологически чистых источников энергии. Это форма фотоэлемента, определяемого как устройство, электрические характеристики которого, такие как ток, напряжение или сопротивление, изменяются под воздействием света. Индивидуальные солнечные элементы часто являются электрическими строительными блоками фотоэлектрических модулей, известных в просторечии как солнечные панели.Обычный кремниевый солнечный элемент с одинарным переходом может производить максимальное напряжение холостого хода приблизительно от 0,5 до 0,6 вольт. Солнечные элементы описываются как фотоэлектрические, независимо от того, является ли их источником солнечный или искусственный свет. Помимо выработки энергии, они могут использоваться в качестве фотодетекторов (например, инфракрасных детекторов), обнаружения света или другого электромагнитного излучения вблизи видимого диапазона или измерения интенсивности света. Работа фотоэлемента требует трех основных атрибутов:
  • Поглощение света с образованием электронно-дырочных пар или экситонов.
  • Разделение носителей заряда противоположных типов.
  • Отдельное извлечение этих носителей во внешнюю цепь. Напротив, солнечный тепловой коллектор поставляет тепло, поглощая солнечный свет, с целью прямого нагрева или косвенного производства электроэнергии из тепла. «Фотоэлектролитическая ячейка» (фотоэлектрохимическая ячейка), с другой стороны, относится либо к типу фотоэлектрических элементов (например, разработанных Эдмондом Беккерелем и современных сенсибилизированных красителями солнечных элементов), либо к устройству, которое разделяет воду непосредственно на водород и кислород, использующий только солнечное освещение., Солнечный элемент или фотоэлектрический элемент — это электрическое устройство, которое преобразует энергию света непосредственно в электричество с помощью фотоэлектрического эффекта, который представляет собой физическое и химическое явление. Это форма фотоэлемента, определяемого как устройство, электрические характеристики которого, такие как ток, напряжение или сопротивление, изменяются под воздействием света. Индивидуальные солнечные элементы часто являются электрическими строительными блоками фотоэлектрических модулей, известных в просторечии как солнечные панели. Обычный кремниевый солнечный элемент с одинарным переходом может производить максимальное напряжение холостого хода примерно 0.От 5 до 0,6 вольт. Солнечные элементы описываются как фотоэлектрические, независимо от того, является ли их источником солнечный или искусственный свет. Помимо выработки энергии, они могут использоваться в качестве фотодетекторов (например, инфракрасных детекторов), обнаружения света или другого электромагнитного излучения вблизи видимого диапазона или измерения интенсивности света. Работа фотоэлемента требует трех основных атрибутов:
  • Поглощение света с образованием электронно-дырочных пар или экситонов.
  • Разделение носителей заряда противоположных типов.
  • Отдельное извлечение этих носителей во внешнюю цепь. Напротив, солнечный тепловой коллектор поставляет тепло, поглощая солнечный свет, с целью прямого нагрева или косвенного производства электроэнергии из тепла. «Фотоэлектролитическая ячейка» (фотоэлектрохимическая ячейка), с другой стороны, относится либо к типу фотоэлектрических элементов (например, разработанных Эдмондом Беккерелем и современных сенсибилизированных красителями солнечных элементов), либо к устройству, которое разделяет воду непосредственно на водород и кислород, использующий только солнечное освещение., Солнечный элемент или фотоэлектрический элемент — это электрическое устройство, которое преобразует энергию света непосредственно в электричество с помощью фотоэлектрического эффекта, который представляет собой физическое и химическое явление. Это форма фотоэлемента, определяемого как устройство, электрические характеристики которого, такие как ток, напряжение или сопротивление, изменяются под воздействием света. Индивидуальные солнечные элементы часто являются электрическими строительными блоками фотоэлектрических модулей, NTMNTMNTM BOOBS, в просторечии называемых солнечными панелями. Обычный кремниевый солнечный элемент с одинарным переходом может производить максимальное напряжение холостого хода примерно 0.От 5 до 0,6 вольт. Солнечные элементы описываются как фотоэлектрические, независимо от того, является ли их источником солнечный или искусственный свет. Помимо выработки энергии, они могут использоваться в качестве фотодетекторов (например, инфракрасных детекторов), обнаружения света или другого электромагнитного излучения вблизи видимого диапазона или измерения интенсивности света. Работа фотоэлемента требует трех основных атрибутов:
  • Поглощение света с образованием электронно-дырочных пар или экситонов.
  • Разделение носителей заряда противоположных типов.
  • Отдельное извлечение этих носителей во внешнюю цепь. Напротив, солнечный тепловой коллектор поставляет тепло, поглощая солнечный свет, с целью прямого нагрева или косвенного производства электроэнергии из тепла. «Фотоэлектролитическая ячейка» (фотоэлектрохимическая ячейка), с другой стороны, относится либо к типу фотоэлектрических элементов (например, разработанных Эдмондом Беккерелем и современных сенсибилизированных красителями солнечных элементов), либо к устройству, которое разделяет воду непосредственно на водород и кислород, использующий только солнечное освещение.

Reegle Определение

Солнечный элемент преобразует солнечный свет непосредственно в электрическую энергию. Солнечный элемент или фотоэлектрический элемент — это электронное устройство большой площади, которое преобразует солнечную энергию в электричество за счет фотоэлектрического эффекта. Фотогальваника — это область технологий и исследований, связанных с применением солнечных элементов в качестве солнечной энергии. Кремниевые солнечные элементы являются наиболее распространенным типом солнечных элементов, кремний — один из наиболее часто встречающихся элементов, но его обработка энергоемкая и дорогостоящая.
Также известен как
Фотоэлемент
Связанные термины
Солнечная энергия, фотоэлектрическая энергия, энергия, производство электроэнергии
Список литературы
  1. ↑ http://www.nrel.gov/learning/re_photovoltaics.html
  2. ↑ http://www1.eere.energy.gov/solar/solar_glossary.html#photovoltaic_panel

Устройство, объединяющее солнечную батарею и батарею, может хранить электроэнергию вне сети — ScienceDaily

Ученые из США и Саудовской Аравии объединили возможности солнечной батареи и батареи в одном устройстве — «солнечной батарее». который впитывает солнечный свет и эффективно сохраняет его в виде химической энергии для дальнейшего использования по требованию.Их исследование, опубликованное 27 сентября в журнале Chem , может сделать электричество более доступным в отдаленных регионах мира.

Хотя солнечный свет становится все более привлекательным в качестве чистого и обильного источника энергии, у него есть одно очевидное ограничение — в день бывает не так много солнечного света, а некоторые дни намного солнечнее, чем другие. Чтобы солнечная энергия оставалась практичной, это означает, что после того, как солнечный свет преобразуется в электрическую, ее необходимо хранить. Обычно для этого требуются два устройства — солнечная батарея и батарея, но проточная солнечная батарея предназначена для работы обоих.

«По сравнению с отдельными устройствами преобразования солнечной энергии и электрохимическими накопителями энергии, объединение функций отдельных устройств в единое интегрированное устройство могло бы быть более эффективным, масштабируемым, компактным и экономичным подходом к использованию солнечной энергии», — говорит Сон Джин. , профессор химии Университета Висконсин-Мэдисон. Джин и его команда разработали устройство в сотрудничестве с Jr-Hau He, профессором электротехники в Университете науки и технологий имени короля Абдаллы (KAUST) в Саудовской Аравии.

Проточная солнечная батарея имеет три различных режима. Если энергия необходима сразу, она может действовать как солнечный элемент и немедленно преобразовывать солнечный свет в электричество. В противном случае устройство может поглощать солнечную энергию днем ​​и хранить ее в виде химической энергии, чтобы доставить ее позже в виде электричества, когда наступает ночь или небо становится облачным. При необходимости устройство также можно заряжать электрической энергией, как и обычный аккумулятор. Самая последняя модель проточной солнечной батареи, созданная командой, способна накапливать и доставлять электричество из солнечной энергии более эффективно, чем любое другое интегрированное устройство, существующее в настоящее время.

Джин считает, что солнечная батарея может помочь преодолеть ограничения электрической сети, сделав электричество более доступным для людей, живущих в сельской местности, и предоставив альтернативный источник энергии, когда традиционные электрические системы выходят из строя.

«Эти интегрированные проточные солнечные батареи будут особенно подходящими в качестве распределенных и автономных систем преобразования и хранения солнечной энергии в удаленных местах и ​​обеспечат практическую автономную электрификацию», — говорит Джин.

Производство текущих солнечных батарей по-прежнему слишком дорого для реальных рынков, но Джин считает, что более простые конструкции, более дешевые материалы для солнечных элементов и технологические достижения могут помочь сократить расходы в будущем. И хотя текущая модель сравнительно довольно эффективна, у команды есть планы по дальнейшему совершенствованию ее конструкции. Часть напряжения нынешнего устройства по-прежнему тратится впустую — это означает, что ученым может потребоваться настроить окислительно-восстановительные компоненты и материалы фотоэлектродов, которые работают в тандеме, чтобы преобразовать входную солнечную энергию в электрическую.Но Джин считает, что при дальнейших исследованиях вскоре могут появиться на практике солнечные батареи.

«Мы считаем, что в конечном итоге мы сможем достичь эффективности 25%, используя новые солнечные материалы и новую электрохимию», — говорит Джин. «В этом диапазоне эффективности, без использования дорогих солнечных элементов, он должен быть вполне конкурентоспособным с другими технологиями возобновляемой энергии. Тогда я думаю, что коммерциализация возможна».

История Источник:

Материалы предоставлены компанией Cell Press . Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

Настройка, оптимизация и интеграция в перовскитные солнечные элементы ультратонких пленок из поли (3,4-этилендиокситиофена) с помощью одностадийного полностью сухого процесса.

ВВЕДЕНИЕ фотовольтаика (OPV), органические светодиоды, батареи, суперконденсаторы, термоэлектрики и биосенсоры (

1 — 6 ).Схемы изготовления этих устройств следующего поколения стимулируют разработку тонких слоев с высокой электропроводностью, которые также являются легкими, воздухопроницаемыми и механически гибкими. В некоторых случаях важна также оптическая прозрачность. Многие гибкие подложки, такие как пластмассы, бумага и текстиль, совместимы только с мягкими условиями производства. Хотя большинство гибких электродов выращивают при высоких температурах подложки, для их интеграции с гибкими подложками требуются дорогостоящие и сложные этапы переноса. Для обеспечения воздухопроницаемости пространства в волокнистых субстратах должны оставаться открытыми, что требует конформного покрытия, а не защитного покрытия.

Вышеуказанные требования послужили стимулом для исследований окислительного химического осаждения из паровой фазы (oCVD) проводящих полимеров (CP) ( 2 ). В этом мощном методе полимеризация, легирование и формирование тонкой пленки происходят одновременно, чтобы конформно покрывать даже наноструктурированные материалы. Мягкие условия производства позволяют напрямую наносить проводящие слои на термочувствительные субстраты, включая листья растений ( 7 ).Пленки oCVD позволили изготавливать OPV непосредственно на обычной бумаге и пластике ( 8 ) и формировать суперконденсаторы непосредственно на бумаге и полимерных мембранах ( 9 ). При желании для коммерциализации однородные, бездефектные и ультратонкие (<100 нм) пленки oCVD CP могут быть легко изготовлены непосредственно на подложках большой площади (> 600 см 2 ) с помощью oCVD ( 10 ).

Для oCVD мономер, такой как 3,4-этилендиокситиофен (EDOT), вводится в вакуумную камеру с горячими стенками в виде пара (рис.1). Пары мономера вместе с паром окислителя адсорбируются на более холодной стадии роста, где полимеризация протекает по механизму ступенчатого роста. Обычно окислитель oCVD состоит из паров хлорида железа (III) ( 11 — 16 ), получаемых сублимацией твердого FeCl 3 (рис. 1A). В этом случае непрореагировавшие окислители и многие побочные продукты окисления обладают низкой летучестью и не десорбируются во время роста слоя ХП. Для удаления этих частиц можно использовать стадию промывки после осаждения с использованием метанола (MeOH), соляной кислоты (HCl) или бромистоводородной кислоты (HBr) для улучшения свойств пленки, таких как электропроводность и оптическая прозрачность ( 2 ).Однако влажная химия требует полоскания; таким образом, дополнительный этап обработки, который представляет собой промывание, снижает привлекательность подхода oCVD с использованием твердого FeCl 3 . Истинный одностадийный полностью сухой синтез oCVD (рис. 1B) может быть достигнут с использованием более летучих окислителей, которые в условиях окружающей среды являются жидкостями, такими как Br 2 ( 17 ), VOCl 3 или SbCl . 5 ( 18 , 19 ). Кроме того, летучие окислители значительно усиливают контроль над доставкой реагентов к поверхности роста.В этой работе все пленки синтезированы с использованием VOCl 3 .

Рис. 1 Схематическое изображение синтеза ПЭДОТ методом oCVD.

( A ) Стадия кислотной промывки после осаждения (например, промывка MeOH или HBr) обычно используется для пленок поли (3,4-этилендиокситиофена) (PEDOT), выращенных с использованием FeCl 3 в качестве окислителя для удаления непрореагировавших окислителей и побочные продукты окисления и повышение проводимости. ( B ) Синтез PEDOT с использованием VOCl 3 в качестве окислителя не требует кислотной промывки, а полученная пленка непосредственно используется при изготовлении устройства как истинный одностадийный полностью сухой процесс.

В КТ процесс легирования генерирует поляроны (квазичастицы, состоящие из зарядовых и фононных облаков) или биполяроны, что приводит к делокализации электронов по основной цепи и способствует электронной проводимости. Анионы, полученные из окислителя, такие как Cl — или Br —, включаются в пленки oCVD во время роста, обеспечивая легирование одновременно с осаждением пленки. Полученные легированные и сопряженные цепи поли (3,4-этилендиокситиофена) (PEDOT) имеют линейную структуру с тенденцией к образованию полукристаллической матрицы.Ось π-π межцепочечного наложения кристаллитов может быть параллельна или ортогональна подложке. В КП сообщается как о металлической, так и о прыжковой проводимости. Чем больше доминирует металлический вклад, тем выше электропроводность ( 20 ). В металлическом режиме проводимость на постоянном токе остается конечной, когда температура приближается к 0 K, а график зависимости приведенной энергии активации (w = ∆lnσ∆lnT) от температуры имеет положительный наклон при низкой температуре, что подтверждает существование делокализованных состояния на уровне Ферми в металлическом режиме. Выравнивание цепи и уровень легирования (уровень окисления) значительно влияют на результирующую электропроводность. Проводимость также является функцией подвижности внутрицепочечных, межцепочечных и межкристаллитных носителей заряда. Транспорт носителей в КП отклоняется от металлической проводимости из-за наличия беспорядка, который вызывает заметное рассеяние носителей заряда и приводит к потере протяженных состояний, известной как локализация Андерсона ( 21 ). Тип беспорядка в КП можно классифицировать, сравнивая размер кристаллического домена ( L, , , структура ) и степень локализованных волновых функций носителя заряда ( L, , , локализация ).В гомогенном беспорядке ( L структура < L локализация ) среднее электронное взаимодействие между цепями между одномерными (1D) цепями в нанометровом масштабе считается критическим для 3D-проводимости. В неоднородном беспорядке ( L структура > L локализация ) решающим фактором является межзеренная связь гранулированных металлов (которые состоят из металлических доменов), окруженных аморфной матрицей с низкой проводимостью ( 22 , 23 ).

Высокая электропроводность наряду с высокой оптической прозрачностью PEDOT в режиме видимого света необходимы для применения в органических оптоэлектронных устройствах, таких как солнечные элементы. Несколько отчетов демонстрируют улучшение показателей OPV в результате интеграции слоев oCVD PEDOT ( 2 ). В последние несколько лет органо-неорганические перовскитные материалы с химической структурой ABX 3 (A: метиламмоний, формамидиний, цезий и т.д .; B: Pb, Sn и т.д.; и X: I, Br и Cl) привлекли огромное внимание исследователей из-за их многообещающих оптоэлектронных свойств, таких как высокая диффузионная длина и подвижность, простота изготовления и низкая стоимость обработки раствора ( 24 — 26 ). Эти превосходные свойства делают перовскиты идеальными кандидатами для применения в солнечных элементах. Тем не менее, коммерциализация перовскитных солнечных элементов (PSC) требует дальнейшего совершенствования как эффективности преобразования энергии (PCE), так и долгосрочной стабильности, наряду с недорогими материалами и простотой крупномасштабного производства с помощью таких процессов, как рулон в рулон. Влияние интеграции oCVD PEDOT с устройствами PSC еще не изучено.

На сегодняшний день оптоэлектронные характеристики гибких электродов отстают от хрупкого оксида индия и олова (ITO). Добротность (FoM) для прозрачного проводника определяется как отношение электрической проводимости постоянного тока к оптической проводимости (σ dc / σ op ) на длине волны 550 нм. Здесь, используя одностадийный полностью сухой процесс, совместимый с прямым осаждением на большинство пластиковых подложек (температура роста ≤140 ° C), мы получили FoM 50 для oCVD PEDOT, что превышает контрольный показатель коммерческой жизнеспособности. прозрачного проводника типа ITO (FoM, 35).Эта оптимизация является прямым результатом впечатляющей способности использовать систематические изменения в условиях обработки oCVD для настройки характеристик пленки PEDOT, включая кристаллическую текстуру, расстояние между цепями π-π и ширину запрещенной зоны. Наличие чистой лицевой ориентации и снижение параметра решетки по оси b за счет разработки уровня примеси имеют существенное значение для повышения электропроводности. Здесь мы сообщаем о наблюдении получения чистой лицевой ориентации при температурах, совместимых с пластиковыми подложками, что является уникальной особенностью использования летучих жидких окислителей.Кроме того, мы систематически исследуем влияние степени насыщения окислителем (OSR) на оптоэлектронные характеристики PEDOT, который является первым в своем роде. Кроме того, мы продемонстрировали критическое влияние параметра решетки по оси b (π-π стопки) путем конструирования уровня легирующей примеси на электропроводность чистых тонких пленок oCVD PEDOT, ориентированных на поверхность. Возможность настройки оптоэлектронных свойств oCVD PEDOT обеспечивает благоприятное выравнивание полосы между разнородными слоями в устройствах солнечных элементов.Оптимизированный oCVD PEDOT был успешно интегрирован в качестве уровня переноса дыр (HTL) в инвертированное устройство PSC. По сравнению с идентичной структурой с PEDOT: сульфонатом полистирола (PEDOT: PSS) в качестве HTL, PCE устройства PSC, включающего oCVD PEDOT, было значительно улучшено (18,04% против 16,2%). Кроме того, стабильность инвертированного PSC в течение 42 дней была значительно улучшена за счет выбора oCVD PEDOT HTL.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

По многим причинам, стадия полимеризации ПЭДОТ предположительно является поверхностным процессом ( 1 , 2 ).Во-первых, димеры и высшие олигомеры EDOT имеют чрезвычайно низкое давление паров. Кроме того, заряженные частицы, которые являются промежуточными продуктами в механизме окислительной полимеризации, энергетически трудно поддерживать в газовой фазе. Кроме того, при низких давлениях элементарные газофазные реакции с участием двух или более молекул протекают медленно.

Коэффициент насыщения, P / P sat , определяет равновесную поверхностную концентрацию реагентов, где P и P sat — парциальное давление и давление насыщения, соответственно.В этой работе поверхностная концентрация летучего окислителя, VOCl 3 , и температура роста поверхности являются основными переменными для синтеза пленки oCVD PEDOT, в то время как концентрация мономера EDOT на поверхности поддерживается на фиксированных уровнях. Расчетный коэффициент насыщения мономера EDOT составлял 30 000 и 10 000 ppm (частей на миллион) при температуре роста 110 ° и 140 ° C соответственно. Детали эксперимента, включая процесс расчета мономера и OSR, приведены в дополнительных материалах (раздел S1, рис.S1 и таблица S1). Температура роста и OSR при фиксированной степени насыщения мономеров существенно влияют на скорость осаждения полимера и толщину пленки. Было отмечено, что увеличение OSR, а также снижение температуры роста вызывает увеличение толщины пленки и скорости осаждения полимера (рис. S2).

Структура и ориентация кристаллизации пленок PEDOT сильно влияют на их электрические и оптические характеристики. Упорядоченные самоорганизующиеся кристаллические домены во многих сопряженных проводящих и полупроводниковых полимерах окружены аморфной матрицей.Здесь дифракция рентгеновских лучей при скользящем падении (GIXRD) проясняет структуру осажденных пленок PEDOT без дополнительной промывки (например, HBr, HCl или MeOH). Нормализованные диаграммы GIXRD показывают, что пленки PEDOT имеют превосходную упорядоченную структуру, в то время как их предпочтительная ориентация кристаллизации сильно зависит от температуры роста и OSR (рис. 2A). Дифракция плоскости (100) при 2θ ~ 6.4 ° соответствует ориентации укладки с ребра ( h 00), а плоскость (020) при 2θ ~ 25.5 ° соответствует ориентации штабелирования лицевой стороной (0 k 0). Сообщается о самоорганизации PEDOT в орторомбической структуре, в то время как многослойная ламеллярная структура с двумерными сопряженными листами, образованными межцепочечным π-π-наложением ( 27 ). Сопряженный каркас параллелен субстрату как с лицевой стороны, так и с ребра. Однако ориентация межцепочечного наложения π-π перпендикулярна плоскости подложки при ориентации лицевой стороной (рис. 2B), тогда как она параллельна плоскости подложки при ориентации с ребра (рис.2С).

Рис. 2 Различная ориентация кристаллизации, вызванная параметрами процесса.

( A ) Неплоскостные дифракционные картины GIXRD θ — 2θ от осажденных пленок PEDOT, выращенных на кремниевых подложках при различных температурах осаждения 110 ° и 140 ° C с изменяющимся коэффициентом насыщения VOCl 3 . а.е., условные единицы. Схематическое изображение ориентации кристаллизации и расстояния между плоскостями в ориентации лицевой стороной ( B ) и ориентации кромки ( C ).( D ) Краткое изложение процентной доли предпочтительной ориентации кристаллизации на гистограмме для всех 16 пленок PEDOT, выращенных при различной температуре осаждения и степени насыщения VOCl 3 . Процент предпочтительной ориентации рассчитывали на основе нормированных интегральных интенсивностей пиков после применения фактора лоренцевой поляризации (LP). Длины полосок красного и синего цвета отображают процентное соотношение ориентации лицом к лицу и с ребра соответственно.( E ) Процент предпочтительной ориентации кристаллизации в пленках PEDOT, выращенных при температуре осаждения 150 ° C и использовании FeCl 3 в качестве окислителя по сравнению с летучим жидким окислителем (VOCl 3 ), который используется в эта учеба.

Влияние OSR и температуры роста на ориентацию кристаллизации всех пленок PEDOT 16 oCVD (рис. S3) суммировано на рис. 2D. Длины красных и синих полос показывают процентное соотношение ориентации лицом к лицу и с ребра соответственно.Чтобы визуализировать интенсивность пиков, видимых лицом и с ребра, мы преобразовали интегральную интенсивность пика (100) и (200) в эквивалентную интегральную интенсивность пика (020), используя коэффициент поляризации Лоренца (LP), который определяется как LP (θ) = 1 + cos2 (2θ) sin2 (θ) cos (θ) ( 28 ). Подробное обсуждение приведено в разделе S2 и таблице S2. Все пленки PEDOT, выращенные при температуре осаждения 140 ° C, имеют практически чистую лицевую ориентацию (рис. 2D). Ориентация кристаллизации пленок PEDOT, выращенных при 110 ° C, показывает чистую ориентацию лицом к лицу, когда OSR составляет менее 630 частей на миллион, и постепенно процент ориентации с кромки увеличивается с 1 до 16% при увеличении OSR с 630 до 1260 ч. / Млн.Предполагается, что увеличение толщины пленки до более 130 нм (рис. S2) также влияет на появление ориентации с ребра в пленке, выращенной при температуре осаждения 110 ° C, в то время как пленки, выращенные при температуре осаждения 140 ° C. ° C на всех уровнях окислителя показывает чистую ориентацию лицевой стороны независимо от толщины пленки. В целом можно сделать вывод, что пленки PEDOT, выращенные при более высоких температурах роста и более низком OSR, приводят к реорганизации in situ в сторону ориентации лицом к лицу.

Ориентация кристаллизации сопряженных полимеров приводит к анизотропии переноса заряда параллельно и перпендикулярно направлению сопряжения. О высокой подвижности носителей в плоскости и электропроводности широко сообщалось в сопряженных полимерах (как p-типа, так и n-типа) с лицевой ориентацией ( 29 — 33 ) из-за низкого энергетического барьера межкристаллитного переноса заряда. . Когда электрическая проводимость, измеренная при данной температуре, [σ ( T )], ограничена межкристаллитным переносом ( 34 ) σ (T) ∝exp [- (WγkBT) 12] (1) где W γ — энергетический барьер межкристаллитного переноса заряда, а k B — постоянная Больцмана.

Межмолекулярные силы и структура полимера играют существенную роль в кристалличности и аморфности. Кристаллические области возникают из-за высокой степени перекрытия π-орбиталей, тогда как аморфные области возникают из-за слабого взаимодействия случайных ориентаций полимерных цепей. Полимерные цепи могут перекрывать соседние кристаллиты и действовать как связующие цепи без заметной потери сопряжения, пока молекулярная масса достаточно высока при наличии достаточно большой плотности упорядоченных структур и небольшого количества углеродных дефектов, скоординированных с sp 3 .В этом случае одна полимерная цепь принадлежит нескольким кристаллитам ( 35 ). Присутствие обширной межзеренной связи постулируется в чистой ориентации лицевой стороны за счет перекрытия соседних зерен полимерными цепями (особенно в режиме малоугловых границ зерен) с минимальным искажением, которое обеспечивает электрический путь через границу зерен. В таком случае заряд, скорее всего, попадет в соседнее зерно в результате уменьшения транспортного барьера. Однако постулируется наличие смешанной ориентации «лицом к лицу» и «с кромки» для создания высокоугловых границ зерен (большие разориентации между соседними кристаллитами относительно оси полимерной цепи) и, таким образом, они действуют как дефекты и барьеры для транспорта.Помимо подвижности в границах зерен (μ gb ), подвижность внутри кристаллита (μ c ) является еще одним критическим фактором, который необходимо учитывать и будет обсуждаться позже в этой рукописи. Μ gb в основном связано с ориентацией кристаллизации, тогда как μ c сильно зависит от параметра решетки, и в целом μ c намного больше, чем μ gb (μ c >> μ гб ). Wang et al. ( 29 ) сообщил о наличии лицевой ориентации в ультратонких пленках PEDOT, выращенных при температуре осаждения выше 200 ° C и после кислотной обработки HBr с использованием FeCl 3 в качестве окислителя. Они объяснили более высокую электропроводность в плоскости и более высокую подвижность носителей в плоскости с увеличением предпочтительной ориентации лицевой стороны в пленках PEDOT. На рис. 2E показан результат кристаллической ориентации пленки oCVD PEDOT, выращенной при температуре осаждения 150 ° C с использованием FeCl 3 в качестве окислителя ( 29 ).Сравнивая рис. 2D и рис. 2Е, можно отметить, что использование VOCl 3 способствует росту ориентации лицевой поверхности с более высокой проводимостью по сравнению с его аналогами из твердого окислителя даже при более низкой температуре осаждения. Наличие чистой лицевой ориентации в пленках, выращенных с помощью VOCl 3 в качестве окислителя при температурах осаждения, совместимых с большинством пластиковых подложек (≤140 ° C), дает значительное преимущество в увеличении электропроводности при более низкой температуре осаждения без необходимости. кислотного ополаскивания.

Механизм изменения кристаллической ориентации с использованием различных окислителей еще полностью не изучен. Однако мы предполагаем, что при температурах роста выше температуры стеклования PEDOT ( T г ) ~ 100 ° C ( 36 ) кристаллическая ориентация сопряженного полимера в основном связана с межмолекулярным взаимодействием и минимизацией энергии матрица пленки и границы раздела во время кристаллизации. Отсутствие побочных продуктов окисления в пленках, нанесенных летучим окислителем, VOCl 3 (рис.S4), по сравнению со своим твердым аналогом-окислителем, FeCl 3 , вероятно, является критическим фактором, который вызывает более доминирующую ориентацию поверхности. Мы провели анализ рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS), чтобы исследовать количество побочного окислителя и оценить химический состав выращенных пленок PEDOT (рис. S4 и таблица S3). Отсутствие побочных продуктов окисления было замечено в пленке, выращенной при температуре осаждения 140 ° C и значении OSR 140 ppm, в то время как не было никаких признаков неионизированных примесей, таких как ванадий, в пленке.Атомный процент ванадия также был незначительным в диапазоне 0,06 и 0,13% для пленок, выращенных при значении OSR 140 и 360 ppm, соответственно. Присутствие побочных продуктов окисления не только влияет на ориентацию кристаллов, но также может ингибировать образование кристаллов. Элементный анализ показывает, что отношение хлор / сера (Cl / S), которое является показателем уровня легирования, увеличивается с 0,31 до 0,69 с увеличением OSR со 140 до 560 частей на миллион. Высокий уровень легирования Cl (например,,> 1/3) также сообщается Lee et al. ( 37 ) в пленках oCVD PEDOT, выращенных с помощью FeCl 3 .

Качество и настраиваемый характер парофазной полимеризации методом oCVD дают исключительное преимущество для управления параметром решетки и ориентацией кристаллов в зависимости от применения устройства. Чистая ориентация лицом к лицу, достигаемая при этой обработке oCVD с использованием окислителя VOCl 3 , трудно достичь в жидких PEDOT: PSS или PEDOT, синтезированных другими методами.

Размер кристаллитов PEDOT рассчитывается по полной ширине на половине максимума дифракционных пиков с использованием уравнения Шеррера ( 38 ). Пленки, выращенные с использованием окислителя VOCl 3 при температурах поверхности 110 ° и 140 ° C, имеют ограниченные различия в размерах кристаллитов (подробности в разделе S2 и таблице S4). Как будет показано ниже, эти пленки показали большой разброс по электропроводности. Это говорит о том, что перенос заряда внутри кристаллитов не ограничивает общую проводимость пленки.Для лицевых кристаллитов средний размер кристаллитов составлял 3,2 нм. Аналогичное значение, 3,0 нм, ранее было зарегистрировано для пленок, выращенных с использованием FeCl 3 в качестве окислителя ( 30 ). Такое же сравнение для размера кристаллитов, видимых с ребра, дает немного большее значение, 6,5 нм, с текущим окислителем VOCl 3 по сравнению с 5,5 нм с предыдущим окислителем FeCl 3 . Хотя повышенная подвижность заряда вероятно внутри этих более крупных кристаллитов, их общая проводимость пленок, видимых с ребра, ниже, что снова подтверждает гипотезу о том, что внутрикристаллический перенос заряда не доминирует в измеренной проводимости в плоскости в этих пленках.Таким образом, анализ размера кристаллитов поддерживает гипотезу о том, что межкристаллитный перенос (уравнение 1), вероятно, является доминирующим фактором для электропроводности этого набора пленок oCVD.

Для пленок PEDOT, осажденных при 110 ° и 140 ° C, параметры решетки по оси b увеличиваются как функция OSR для VOCl 3 (рис. 3A, раздел S2 и таблица S5). При более высоком OSR более высокие параметры решетки по оси b показывают повышение уровня примеси, которое вызывает растяжение π-π межцепочечного наложения.Увеличение уровня примеси за счет увеличения OSR (таблица S3) также согласуется с наблюдаемым уменьшением значений оптической ширины запрещенной зоны ( E g ), что будет обсуждаться позже в этой рукописи. Аналогично, для параметр решетки по оси увеличивается с увеличением OSR (рис. S5). Полученный параметр решетки по оси b PEDOT, выращенного летучим жидким окислителем (VOCl 3 ), выше (примерно> 0,1 Å), чем в предыдущих рентгеновских исследованиях oCVD PEDOT, выращенного с помощью твердого окислителя, такого как FeCl 3. ( 29 , 36 ), что свидетельствует о более высоком уровне легирования этих образцов по сравнению с их аналогами, выращенными на твердом окислителе.

Рис. 3 Влияние параметра решетки ПЭДОТ на электропроводность.

( A ) b Параметр решетки по оси как функция OSR в пленках PEDOT, выращенных при различных температурах осаждения 110 ° и 140 ° C. ( B ) Связь электропроводности и параметра решетки по оси b для пленок PEDOT, выращенных при различной температуре осаждения. ( C ) Схематические изображения возможного направления переноса тока в чисто лицевой ориентации с малоугловыми границами зерен.( D ) Иллюстрация сильного воздействия низкого параметра решетки по оси b (короткое расстояние между слоями π-π) и цепочечных перемычек, чтобы избежать локализации в чистой микроструктуре лицевой стороны. Синие стрелки показывают направление тока. ( E ) Схематическое изображение влияния параметра решетки по оси b на перенос заряда внутри и между цепями. На перенос заряда внутри цепи влияет уровень допирования, в то время как на перенос заряда между цепями влияет интеграл переноса заряда. ( F ) Слева: изображение поперечного сечения, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) пленки oCVD PEDOT, выращенной с помощью VOCl 3 в качестве окислителя толщиной ~ 80 нм на кремниевой пластине с вытравленными канавками, демонстрирующими высокую конформность. осаждения. Справа: СЭМ-изображение поперечного сечения высококонформной пленки oCVD PEDOT на траншее с большим увеличением.

Электропроводность в плоскости систематически уменьшается с увеличением параметра решетки по оси b (рис.3Б). Более низкий OSR вызывает более низкий параметр решетки по оси b (фиг. 3A) и коррелирует с более высокой электропроводностью (фиг. 3B). На основе модели Друде (σ = qn μ, где q — единица заряда), σ является функцией как плотности носителей ( n, ), так и подвижности носителей (μ). Достижение высоких значений μ в присутствии высоких значений n является сложной задачей и требует точного контроля кристалличности и ориентации CP, чтобы избежать рассеяния из-за рассеяния ионизированных примесей, которое вызывается увеличением уровня примеси. Улучшение подвижности носителей за счет уменьшения параметра решетки по оси b в терминах интеграла переноса заряда будет обсуждаться позже в этой рукописи. Электропроводность ~ 2800 См / см была достигнута в пленке PEDOT с чистой лицевой ориентацией и параметром решетки по оси b 6,97 Å. Обратите внимание, что эта электропроводность была достигнута в пленке PEDOT как выращенная при температуре подложки, совместимой с прямым напылением на пластиковые подложки (140 ° C). Поскольку стадия промывки после осаждения не требуется (из-за отсутствия побочных продуктов окислителя), этот процесс VOCl 3 oCVD представляет собой настоящий одностадийный полностью сухой процесс.Снижение электропроводности примерно от 7 до 15% было замечено после промывки MeOH, что коррелирует с отсутствием побочных продуктов окисления в пленках PEDOT, выращенных с использованием окислителя VOCl 3 (рис. S4). Полученная электропроводность ~ 2800 См / см примерно в 10 раз выше, чем ранее сообщенное значение Wang et al. ( 29 ) в пленках PEDOT, выращенных при температуре осаждения 150 ° C с использованием FeCl 3 в качестве окислителя и с использованием кислотной промывки HBr.Сравнивая рис. 2D и рис. 2E, можно отметить, что такая высокая электропроводность пленок PEDOT, выращенных с помощью VOCl 3 в качестве окислителя, по сравнению с аналогами, выращенными с помощью FeCl 3 в качестве окислителя, в основном объясняется чистая ориентация лицом к лицу.

Уменьшение параметра решетки по оси PEDOT b за счет внедрения легирующей примеси является эффективной стратегией для достижения высокой электропроводности. Уменьшение параметра решетки по оси b вызывает высокую степень упаковки молекул и усиливает π-π межцепочечное взаимодействие, что приводит к увеличению подвижности носителей заряда и увеличению электропроводности.Наши результаты показывают, что наличие (i) чистой лицевой ориентации и (ii) низкого параметра решетки по оси b (короткое расстояние упаковки π-π) в пленках PEDOT имеет важное значение для повышения электропроводности. Как чистая ориентация лицом к лицу, так и уменьшение расстояния между кристаллитами π-π вводят геометрические ограничения, которые, как предполагается, увеличивают вероятность образования единственной сопряженной цепи, образующей мостик между кристаллитами.

Влияние одномерности полимерной цепи и беспорядка на природу металлического состояния и перехода изолятор-металл все еще остается спорным вопросом, касающимся деталей механизмов переноса заряда в КП ( 39 , 40 ).Рассеяние назад делокализованных блоховских волн [комбинация плоской волны периодической функцией в виде ψ ( r ) = e i k . r u ( r ), где ψ — блоховская волна, r — положение, u — периодическая функция, а k — волновой вектор кристалла] по беспорядку, дефектам, примесей и границ зерен вызывает локализацию волновых функций в КТ.Происхождение локализации может быть связано с прохождением одномерных цепей через неупорядоченную область (на основе гомогенной или неоднородной модели). В обеих моделях беспорядка межцепочечный перенос заряда (через межцепочечное взаимодействие) имеет большое значение для делокализации и, следовательно, контролирует конечное металлическое состояние. В случае межцепочечной упаковки за счет уменьшения параметра решетки по оси b в сильно легированных КТ возрастает вероятность того, что электрон может диффундировать к соседней цепи, прежде чем перемещаться между дефектами и разрывами цепи, при которых электронные состояния расширяются на три уровня. размерно и, следовательно, металлические.

Продольная проводимость в плоскости зависит от переноса тока между ламелями и транспорта от зерна к зерну. Наличие малоугловой межзеренной границы с обширной межзеренной связью в чистой лицевой ориентации (рис. 2D) и короткое расстояние между слоями π-π в сильно легированных пленках с высокой электропроводностью (рис. 3B) приводит к гипотезе о том, что проводимость квази-1D. Как правило, в ультратонких пленках отсутствует 3D-проводимость. Существование квазиодномерной проводимости в КТ коррелирует с эффективно улучшенным переносом заряда и электропроводностью вдоль контролируемого направления.Следует отметить, что такая квазиодномерная проводимость как результат межцепочечного взаимодействия скважин в виде металлических островков отличается от обычной одномерной проводимости, которая состоит из изолированных цепочек. Схематическая иллюстрация такой квазиодномерной проводимости, а также важность короткого π-π стопочного расстояния в сильно легированных CP изображена на рис. 3 (C и D). На этих схемах путь проводимости, параллельный подложке, требует, чтобы перенос заряда происходил в первую очередь (i) вдоль цепей, которые пересекают несколько кристаллитов, перекрывая аморфные области, и (ii) между цепями в кристаллической области.Предполагается, что любой межцепочечный транспорт будет медленным в менее плотных аморфных областях. В случае, когда (ii) ограничивает скорость, проводимость в плоскости будет определяться интегралом перекрытия, который критически зависит от параметра решетки b -ось. Об аналогичной концепции сообщается для органических сверхпроводников, где расстояние между цепями уменьшается за счет приложения давления для увеличения и предотвращения прерывания тока за счет концепции увеличения интеграла переноса заряда ( 41 ).

Интеграл переноса заряда (электронная связь) является критическим параметром для повышения электропроводности и напрямую связан с подвижностью носителей, и его необходимо модулировать в сильно легированных CP посредством межцепочечного и внутрицепочечного расположения. Интеграл межцепочечного переноса ( t ) является одним из ключевых параметров, который управляет переносом в сопряженных полимерах на микроскопическом уровне и имеет экспоненциальное затухание расстояния между цепями как ( 42 ) t⊥ = t0exp (−γx) ( 2) где t 0 — интеграл переноса заряда на минимальном расстоянии, x — расстояние между цепочками (здесь b — параметр решетки по оси), а 1 / γ — длина затухания перекрытия волновой функции .

Скорость переноса заряда ( k ij ) основана на теории скачкообразного изменения заряда и пропорциональна квадрату интеграла межцепочечного переноса ( t ⊥ ) на основе полуклассической теории Маркуса-Хаша в органических материалы ( 42 — 44 ) kij = t⊥2ℏπλkBT exp [- (ΔEij + λ) 24λkBT] (3) где ħ — приведенная постоянная Планка; λ — энергия реорганизации, которая связана с перестройкой молекул и их окружением во время переноса заряда; k B — постоянная Больцмана; T — температура; ∆ E ij — разность энергий между соседними электронными состояниями.

Подвижность носителей пропорциональна квадрату интеграла межцепочечной передачи ( t ⊥ ) и может быть оценена с помощью уравнения Эйнштейна ( 44 ) μ = eDkBT = ekBT (12n∑idi2kiPi) (4) где D, — коэффициент диффузии заряда, определяемый выражением (12n∑idi2kiPi), e — заряд электрона, k B — постоянная Больцмана, T — температура, n — целое число и представляет размерность системы, d i — расстояние от центра масс до соседа i , P i — относительная вероятность диффузии для конкретного i -го соседа, а k i — скорость передачи заряда рассчитывается согласно формуле.3.

Как можно заметить из Ур. 2–4, увеличение подвижности носителей и, таким образом, повышение электропроводности при постоянной температуре требует (i) увеличения интеграла переноса заряда за счет уменьшения параметра решетки по оси b (что удовлетворено на рис. 3B) и ( ii) сокращение энергии реорганизации. Энергия реорганизации является характеристикой материала и не зависит существенно от изменения параметра решетки. Полученная в этом исследовании высокая электропроводность в плоскости при чистой ориентации лицом к лицу (а не смесь лицом к лицу и с ребра) также может быть интерпретирована как увеличенная подвижность носителей с точки зрения интеграла переноса заряда.Интеграл переноса постепенно уменьшается с увеличением угла наклона относительно фронтальной ориентации ( 42 ). Увеличение электропроводности за счет уменьшения параметра решетки по оси b также можно интерпретировать с помощью уравнения Миллера-Абрахамса ( 45 ), которое справедливо для слабой электрон-фононной связи и низких температур (раздел S3).

Скорость переноса заряда между ближайшими соседними кристаллитами, «a» и «b», k ab в ультратонкой пленке полукристаллического PEDOT представляет собой сумму двух параллельных процессов kab = kab (прыжки) + kab (образование мостиков) (5 )

В условиях синтеза, где существует разумная вероятность того, что длина PEDOT превышает расстояние между кристаллитами, скорость переноса заряда мостиками доминирует, и уравнение.5 уменьшается до k ab ~ k ab (мостовое соединение). Кроме того, мы можем постулировать, что вероятностью образования мостиков между несоседними кристаллитами можно пренебречь, потому что существует несколько цепочек, достаточно длинных, чтобы образовать эти прямые мосты. Следовательно, чтобы иметь проводимость между несоседними кристаллитами, заряд должен пройти путь, состоящий из ( N + 2) кристаллитов, имеющих ( N + 1) мосты между ближайшими соседями. В этой номенклатуре N = 0 — это случай ближайшего соседа, в котором два кристаллита соединены одним мостиком ближайшего соседа (a ↔ b).Аналогично, N = 1 — это a b ↔ c, где «ab» и «bc» — ближайшие соседи, а «ac» — нет, а N = 2 — это a ↔ b ↔ c ↔ d, только « ab, «bc» и «cd» в качестве ближайших соседей.

Перенос заряда происходит последовательно внутри первого кристаллита, затем через первый мостик, затем внутри следующего кристаллита, а затем через следующий мостик, следуя as1ktotal = 1ka + 1kab + 1kb + 1kbc + 1kc +… + 1k (n− 1) (n) + 1kn (6)

Если скорость передачи заряда через мостики высока по сравнению с передачей внутри кристаллов, т.е.е., k ab >> k a , then1ktotal∼1ka + 1kb + 1kc +… + 1kn (7)

В простейшем случае k a = k b = k c =… = k n (т.е. равные скорости переноса заряда внутри каждого кристаллита), k связано с параметром оси b интегралом переноса. В случае 1ktotal∼Nk orktotal∼kN (8)

Вместо этого для распределения скоростей внутри кристаллитов можно выполнить интеграл.В целом, снижение параметра решетки по оси b в сильно легированных пленках PEDOT как при металлическом, так и при прыжковом механизме (чем больше металлический вклад, тем меньше беспорядок в системе и выше электропроводность) является многообещающим подходом. для повышения электропроводности. Рисунок 3E иллюстрирует сводку влияния параметра решетки по оси b из-за изменения OSR на внутрицепочечный и межцепочечный перенос заряда. Несколько механизмов проводимости происходят последовательно.На скорость переноса заряда по цепи влияет уровень легирования. Однако подвижность заряда вдоль одной данной цепи при любом уровне допирования превышает перенос от цепи к цепи. Межцепочечный перенос заряда, на который влияет интеграл переноса заряда, является этапом, ограничивающим скорость для общей проводимости пленки. Мы полагаем, что при дальнейшем улучшении параметров процесса изготовления можно достичь более низкого параметра решетки по оси b при еще более высоком уровне легирования для дальнейшего повышения электропроводности.

Прежде чем перейти к обсуждению оптических характеристик и изготовления фотоэлектрических (ФЭ) устройств, конформность пленки PEDOT с VOCl 3 в качестве летучего жидкого окислителя была оценена путем осаждения пленки толщиной ~ 80 нм, выращенной при температуре осаждения. 140 ° C на кремниевой пластине с вытравленными канавками. Метод парофазной полимеризации методом oCVD позволяет формировать высококонформное покрытие, как можно заметить на рис. 3F. Способность парофазных реагентов диффундировать к шероховатым поверхностям, включая обычные пластмассы, бумагу, текстиль и сложные микро- и наноструктурированные поверхности, с образованием высококонформных пленок, имеет большое значение.Возможность достижения конформного покрытия открывает многообещающие возможности для разработки новых высокопроизводительных оптоэлектронных устройств. Кроме того, метод низкотемпературного осаждения из паровой фазы позволяет интегрировать его непосредственно в материалы, которые могут быть повреждены под воздействием тепла или растворителей, и, таким образом, открывает дополнительные рентабельные возможности производства нового поколения.

Низкое сопротивление листа и высокий оптический коэффициент пропускания CP имеют важное значение для применения в качестве прозрачных электродов.Обычно существует компромисс между прозрачностью и сопротивлением листа. Следовательно, FoM (FoM = σ dc / σ op , где σ dc и σ op — проводимость постоянного тока и оптическая проводимость, соответственно) определяется для оценки свойства прозрачного электрода. Коэффициент пропускания и сопротивление листа связаны на основе следующего уравнения ( 2 , 46 , 47 ) T = (1 + Z02Rshσopσdc) −2 (9), где T — значение коэффициента пропускания при λ = 550 нм, Z 0 = 377 Ом — это полное сопротивление свободного пространства, а R sh — сопротивление листа.

Чтобы минимизировать влияние морфологии на наблюдаемые результаты, исследование оптических свойств было сосредоточено на серии oCVD PEDOT, полученной с окислителем VOCl 3 при фиксированной температуре осаждения 140 ° C. Соотношение OSR варьировалось от 140 до 540 ppm. Все эти пленки имеют чистую лицевую ориентацию и размер кристаллитов в пределах ~ 8% от среднего значения. Оптическая фотография этой серии пленок, нанесенных на подложки из стекла, показана на фиг. 4A. Спектры пленок в ультрафиолетовом, видимом и ближнем инфракрасном (УФ-видимом-ближнем ИК) диапазонах показаны на рис.4Б. Наибольшее значение пропускания на длине волны 550 нм, ~ 97%, достигается при самом низком OSR. Коэффициент пропускания уменьшается с увеличением OSR, достигая 95% при самом высоком оцененном OSR. Соответствующие значения σ dc / σ op (рис. 4C) также уменьшаются с увеличением OSR. Значение σ dc / σ op ~ 50 было получено для пленки, выращенной при самом низком значении OSR 140 ppm. Контрольный показатель коммерческой жизнеспособности прозрачных проводников, таких как ITO, соответствует значению σ dc / σ op ~ 35 ( 2 , 8 , 46 ).Howden et al. ( 15 ) и Ли и др. ( 37 ) сообщил о значениях σ dc / σ op , равных 12 и 14 соответственно, в пленках oCVD PEDOT при использовании FeCl 3 в качестве окислителя после промывки HBr. Использование летучего жидкого окислителя (VOCl 3 ), использованного в этом исследовании, не только представляет собой полностью сухой процесс за счет исключения промывки после осаждения (рис. 1B), но также обеспечивает примерно четырехкратное улучшение σ dc / σ op (рис.4C) по сравнению с твердым окислителем (FeCl 3 ).

Рис. 4 Оптические характеристики пленок ПЭДОТ.

( A ) Изображение осажденных пленок PEDOT на пустых предметных стеклах микроскопа (толщиной 1 мм) при различных OSR. ( B ) Оптическое пропускание пленок PEDOT, выращенных при температуре осаждения 140 ° C и различной степени насыщения VOCl 3 в видимом режиме в диапазоне от 300 до 800 нм. ( C ) FoM (FoM = σ dc / σ op , где σ dc и σ op — проводимость при постоянном токе и оптическая проводимость, соответственно) как функция OSR в пленках PEDOT, выращенных на температура осаждения 140 ° C.Синяя и зеленая пунктирные линии представляют собой самые высокие зарегистрированные значения σ dc / σ op в пленках oCVD PEDOT, выращенных с помощью FeCl 3 в качестве окислителя после кислотной промывки, и эталонный индикатор коммерческой жизнеспособности прозрачных проводников, соответственно. . ( D ) Значения оптической ширины запрещенной зоны и энергии Урбаха как функция OSR для пленок PEDOT, выращенных при температуре осаждения 140 ° C.

Важное влияние на оптические свойства КП оказывает оптическая ширина запрещенной зоны ( E g ), которая определяется по спектрам поглощения (рис.S6) с использованием соотношения Таука ( 48 ) αhν = A (hν − Eg) n (10) где α — коэффициент поглощения, hν — энергия фотона, A — константа, E г — оптическая ширина запрещенной зоны, а n — тип перехода (здесь n = 1/2 для прямого перехода). Дополнительные сведения о расчете E г приведены в разделе S4.

Значения E g для пленок oCVD PEDOT, выращенных при температуре осаждения 140 ° C, систематически снижаются с 2.От 9 до 2,6 эВ при увеличении OSR со 140 до 540 ppm из-за увеличения уровня примеси. Оптические характеристики сопряженных полимеров в первую очередь определяются энергетическими уровнями самой высокой занятой молекулярной орбитали (ВЗМО) и самой низкой незанятой молекулярной орбитали (НСМО). В общем, уменьшение ширины запрещенной зоны за счет увеличения уровня примеси объясняется дестабилизацией ВЗМО, чем НСМО, за счет замещения донорного типа. Можно отметить, что пленка с более широкой запрещенной зоной показывает более высокий коэффициент пропускания (сравнивая рис.4B и 4D), поскольку могут поглощаться только фотоны с энергией выше ширины запрещенной зоны. Меньшая ширина запрещенной зоны приводит к более низкому коэффициенту пропускания и большему коэффициенту поглощения (ε), что увеличивает поглощение света на основе соотношения Бера-Ламберта; A = α cl , где A , α, c и l — это поглощение, коэффициент поглощения (молярная поглощающая способность), концентрация образца и длина пути, соответственно ( 48 ). Пленки PEDOT имеют невырожденное основное состояние, которое соответствует единой геометрической структуре, известной как бензоидная структура (ароматическая структура).Концентрация поляронов увеличивается с увеличением уровня примеси и приводит к образованию биполяронов (бесспиновых и двухзарядных), которые занимают различные энергетические уровни в запрещенной зоне. Постулируется, что подвижность носителей уменьшается при высокой плотности носителей из-за уменьшения доступных незанятых состояний. Следовательно, для достижения высокой электропроводности следует учитывать порог легирования. В этом исследовании уровень окислителя 140 ppm дает повышенную электропроводность из-за наличия чистой лицевой ориентации и низкого параметра решетки по оси b .

Энергия Урбаха ( E U ) является индикатором структурного беспорядка в материале и может быть получена из следующего уравнения ( 48 ) α (hϑ) = α0 exp (hϑEU) (11) где α — коэффициент поглощения, α 0 — постоянная, h ϑ — энергия падающего фотона и E U — энергия Урбаха локализованных состояний.

Зависимость ln (α) от энергии падающего фотона ( ч ϑ) представлена ​​на рис.S7 и предоставляет информацию о ширине хвоста локализованных состояний в запрещенной зоне. Более высокое значение E U соответствует более высокой плотности состояний в запрещенной зоне. Значения E U для пленок PEDOT, выращенных при температуре осаждения 140 ° C, возникают за счет увеличения OSR и коррелируют с увеличением уровня примеси (рис. 4D). Минимальное (754 мэВ) и максимальное (1100 мэВ) полученные значения E U соответствуют пленкам PEDOT, выращенным со значением OSR от 140 до 540 ppm, соответственно.Меньшее количество E U в пленке, выращенной при низком OSR, связано с лучшим межкристаллитным соединением и меньшим беспорядком в аморфной области.

Чтобы напрямую продемонстрировать полезность систематически оптимизированного oCVD PEDOT, синтезированного в один этап с жидким окислителем VOCl 3 , мы производим инвертированные PSC, используя oCVD PEDOT и коммерческий PEDOT: PSS в качестве HTL. Здесь мы выбрали состав перовскита с двойным катионом A с формулой Cs 15 FA 85 PbI 3 благодаря его отличной абсорбции и превосходной стабильности.На рис. 5 (A и B) представлено изображение, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM), в разрезе и схематическое изображение устройства PSC на основе oCVD PEDOT в качестве HTL. Как видно, перевернутое устройство состоит из стеклянной подложки ITO, покрытой тонким слоем oCVD PEDOT (15 нм) в качестве HTL, пленки перовскита толщиной 450 нм в качестве слоя поглотителя, пленки C60 толщиной 23 нм в качестве слой переноса электронов (ETL), батокупроин (BCP) толщиной 8 нм в качестве буферного слоя и серебряный электрод толщиной 100 нм. На рисунке 5C показаны кривые плотности тока и напряжения ( Дж, — В, ) для наиболее эффективных устройств PSC на основе oCVD PEDOT и PEDOT: PSS (толщиной 30 нм), измеренные при моделировании AM1.Солнечное излучение 5G при обратном смещении. Примечательно, что минимальная толщина 30 нм для PEDOT: PSS необходима для изготовления эффективных PSC без точечных отверстий без короткого замыкания; при использовании oCVD PEDOT, PSC без точечных отверстий может быть достигнут с меньшей толщиной HTL. Таблица 1 показывает, что все параметры PV устройства PSC на основе oCVD PEDOT улучшены по сравнению с устройством управления PEDOT: PSS. Статистические данные параметров PV PSC на основе PEDOT: PSS и oCVD PEDOT показаны на рис.S8. Как видно, средние значения всех параметров PV увеличены для устройства oCVD PEDOT по сравнению с его аналогом, что приводит к улучшению среднего PCE с 15,5 ± 0,70% до 17,2 ± 0,82%. Чтобы дополнительно подтвердить J sc наших устройств, мы измеряем внешнюю квантовую эффективность (EQE) соответствующих устройств, как показано на рис. 5D. EQE обоих устройств выше 80% во всей УФ-видимой области, что дает расчетное значение J sc , равное 22.2 мА / см 2 для устройства PEDOT: PSS и 23,05 мА / см 2 для устройства oCVD PEDOT. Эти значения J sc хорошо согласуются с измеренными результатами J sc из J — V .

Рис. 5 PV-характеристика устройств PSC с oCVD PEDOT и PEDOT: PSS.

( A ) Изображение поперечного сечения SEM и ( B ) схематическая иллюстрация архитектуры устройства для устройства PSC на основе oCVD PEDOT HTL.( C ) J — V кривые и ( D ) EQE-спектры и интегральная плотность тока PSC, изготовленных на oCVD PEDOT и PEDOT: PSS HTL. ( E ) Показатели стабильности при хранении инвертированных PSC с oCVD PEDOT и PEDOT: PSS HTL. Примечательно, что неинкапсулированные устройства содержались в окружающем воздухе с относительной влажностью 20%, а PCE измеряли каждые 3 дня.

Таблица 1 Параметры PV наиболее эффективных PSC с oCVD PEDOT и PEDOT: PSS HTL.

Характеристики фотоэлектрических модулей [напряжение холостого хода ( В, OC ), плотность тока короткого замыкания ( Дж, SC ), коэффициент заполнения (FF), PCE и Дж, SC , оценка по EQE] PSC на основе oCVD PEDOT и PEDOT: PSS HTL.

Стоит отметить, что устройства PSC, использующие эти HTL, показывают пренебрежимо малый гистерезис J — V . Статистика показателей гистерезиса (HIs) для соответствующих устройств представлена ​​на рис.S9. Как видно на рис. S9, среднее значение HI для устройства oCVD PEDOT (0,8%) немного ниже, чем для устройства PEDOT: PSS (0,87%). Толщина oCVD PEDOT оказывает значительное влияние на результаты J — V . Преимущество нашего процесса CVD — это изготовление очень однородного слоя oCVD PEDOT с точным контролем его толщины. С этой целью мы изготовили устройства PSC с различной толщиной oCVD PEDOT, то есть 15, 50, 130 и 200 нм, путем регулирования времени осаждения при сохранении фиксированных значений OSR и температуры роста 140 ppm и 140 ° C. , соответственно.Выбор OSR и температуры роста был основан на получении более высокой электропроводности при более низком OSR и более высокой температуре роста, что обсуждалось ранее. Изменение производительности устройства в зависимости от толщины пленки oCVD PEDOT показано на рис. S10. Как видно, PCE устройства PSC заметно снизился за счет увеличения толщины HTL, в основном из-за более низкого коэффициента пропускания в более толстом oCVD PEDOT HTL и, следовательно, более низкой плотности тока. Наши результаты доказывают, что тонкого слоя oCVD PEDOT (~ 15 нм) достаточно для изготовления эффективного устройства PSC с PCE более 18% из-за однородности и качества пленки oCVD PEDOT, чего нет в случае PEDOT: PSS.

Повышение стабильности так же важно, как повышение эффективности, чтобы сделать PSC готовыми к коммерциализации. Чтобы проверить стабильность наших устройств PSC, мы измеряем стабильность при хранении в течение 42 дней. Мы держали неинкапсулированные устройства в окружающем воздухе с относительной влажностью 20% и измеряли их каждые 3 дня. На рис. 5Е показаны результаты теста на стабильность при хранении. Как можно видеть, PSC с oCVD PEDOT сохраняет 76% своего начального значения PCE через 42 дня, что намного лучше, чем его аналог, основанный на PEDOT: PSS (37%).Этот результат подчеркивает преимущество oCVD PEDOT как более стабильного HTL в инвертированных устройствах PSC. Ухудшение PCE PSC с PEDOT: PSS HTL в основном происходит из-за разрушения перовскитной пленки и ITO из-за сильнокислой природы PEDOT: PSS ( 2 , 49 , 50 ). Таким образом, замена PEDOT: PSS на более стабильный HTL, то есть oCVD PEDOT, может решить эту проблему и заметно улучшить стабильность PSC.

Выражение признательности: Финансирование: Мы признательны за финансовую поддержку Eni S.П.А. в рамках программы Eni-MIT Alliance Solar Frontiers. Вклад авторов: M.H.G. синтезировал тонкие пленки oCVD PEDOT, выполнил измерения электропроводности, GIXRD, SEM, XPS, UV-vis-NIR и выполнил наноструктурную инженерию oCVD PEDOT на основе уровня примеси под руководством К.К.Г. M.M.T. провел характеристику устройства PSC и работал с M.H.G. по оптимизации производительности солнечных элементов под руководством J.K. E.F.G. предоставил технический проект реактора OCVD и работал с М.Х.Г. на наладку реактора на основе установки линии подачи жидкого окислителя под руководством К.К.Г. M.T.R. помогал в изготовлении и описании ПЭДОТ под руководством К.К.Г. К.К.Г. и J.K. руководил исследованием и руководил этим проектом. М.Х.Г. и К.К.Г. подготовил рукопись. Все авторы внесли свой вклад в рукопись. Конкурирующие интересы: Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих интересов. Доступность данных и материалов: Все данные, необходимые для оценки выводов в статье, представлены в документе и / или дополнительных материалах.Дополнительные данные, относящиеся к этой статье, могут быть запрошены у авторов.

Фотогальваника и электричество — Управление энергетической информации США (EIA)

Фотоэлектрические элементы преобразуют солнечный свет в электричество

Фотоэлектрический элемент, обычно называемый солнечным элементом, представляет собой немеханическое устройство, которое преобразует солнечный свет непосредственно в электричество. Некоторые фотоэлементы могут преобразовывать искусственный свет в электричество.

Фотоны переносят солнечную энергию

Солнечный свет состоит из фотонов или частиц солнечной энергии.Эти фотоны содержат разное количество энергии, которое соответствует разным длинам волн солнечного спектра.

Фотоэлемент изготовлен из полупроводникового материала. Когда фотоны попадают на фотоэлектрическую ячейку, они могут отражаться от нее, проходить через нее или поглощаться полупроводниковым материалом. Только поглощенные фотоны дают энергию для выработки электричества. Когда полупроводниковый материал поглощает достаточно солнечного света (солнечной энергии), электроны вытесняются из атомов материала.Специальная обработка поверхности материала во время производства делает переднюю поверхность элемента более восприимчивой к смещенным или свободным электронам, так что электроны естественным образом мигрируют на поверхность элемента.

Поток электроэнергии

Движение электронов, каждый из которых несет отрицательный заряд, к передней поверхности элемента создает дисбаланс электрического заряда между передней и задней поверхностями элемента. Этот дисбаланс, в свою очередь, создает потенциал напряжения, подобный отрицательному и положительному полюсу батареи.Электрические проводники на ячейке поглощают электроны. Когда проводники соединены в электрической цепи с внешней нагрузкой, такой как батарея, в цепи течет электричество.

Эффективность фотоэлектрических систем зависит от типа фотоэлектрических технологий

Эффективность, с которой фотоэлементы преобразуют солнечный свет в электричество, зависит от типа полупроводникового материала и технологии фотоэлементов.Эффективность имеющихся в продаже фотоэлектрических модулей в среднем составляла менее 10% в середине 1980-х годов, увеличилась примерно до 15% к 2015 году, а в настоящее время приближается к 20% для современных модулей. Экспериментальные фотоэлементы и фотоэлементы для нишевых рынков, таких как космические спутники, достигли почти 50% эффективности.

Как работают фотоэлектрические системы

Фотоэлектрическая ячейка является основным строительным блоком фотоэлектрической системы. Размер отдельных ячеек может варьироваться от примерно 0,5 дюйма до примерно 4 дюймов в поперечнике.Однако одна ячейка производит только 1 или 2 Вт, что достаточно для небольших нужд, например, для питания калькуляторов или наручных часов.

Фотоэлементы

электрически соединены в корпусном, водонепроницаемом фотоэлектрическом модуле или панели. Фотоэлектрические модули различаются по размеру и количеству электроэнергии, которую они могут производить. Производительность фотоэлектрического модуля по выработке электроэнергии возрастает с увеличением количества ячеек в модуле или площади поверхности модуля. Фотоэлектрические модули могут быть соединены в группы, чтобы сформировать фотоэлектрический массив.ФЭ-массив может состоять из двух или сотен фотоэлектрических модулей. Количество фотоэлектрических модулей, подключенных к фотоэлектрической матрице, определяет общее количество электроэнергии, которое может генерировать массив.

Фотоэлектрические элементы вырабатывают электричество постоянного тока (DC). Это электричество постоянного тока можно использовать для зарядки батарей, которые, в свою очередь, питают устройства, использующие электричество постоянного тока. Практически вся электроэнергия поставляется в виде переменного тока (AC) в системах передачи и распределения электроэнергии. Устройства, называемые инверторами , используются на фотоэлектрических модулях или в массивах для преобразования электричества постоянного тока в электричество переменного тока.

фотоэлементов и модулей будут производить наибольшее количество электроэнергии, когда они обращены прямо к солнцу. В фотоэлектрических модулях и массивах можно использовать системы слежения, которые перемещают модули так, чтобы они постоянно смотрели на солнце, но эти системы дороги. Большинство фотоэлектрических систем имеют модули в фиксированном положении, при этом модули обращены прямо на юг (в северном полушарии — прямо на север в южном полушарии) и под углом, который оптимизирует физические и экономические характеристики системы.

Солнечные фотоэлектрические элементы сгруппированы в панели (модули), и панели могут быть сгруппированы в массивы разных размеров для производства небольшого или большого количества электроэнергии, например, для питания водяных насосов для воды для скота, для электроснабжения домов или коммунальных услуг -масштабное производство электроэнергии.

Источник: Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (защищено авторским правом)

Применение фотоэлектрических систем

Самые маленькие калькуляторы мощности и наручные часы для фотоэлектрических систем.Более крупные системы могут обеспечивать электричеством перекачку воды, питание коммуникационного оборудования, электроснабжение отдельного дома или предприятия или формировать большие массивы, которые поставляют электроэнергию тысячам потребителей электроэнергии.

  • Фотоэлектрические системы могут поставлять электроэнергию в местах, где отсутствуют системы распределения электроэнергии (линии электропередач), а также они могут поставлять электроэнергию в электрическую сеть.
    • Массивы
  • PV могут быть установлены быстро и могут быть любого размера.
  • Воздействие фотоэлектрических систем на здания на окружающую среду минимально.

Источник: Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (защищено авторским правом)

Источник: Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (защищено авторским правом)

История фотовольтаики

Первый практический фотоэлектрический элемент был разработан в 1954 году исследователями Bell Telephone. Начиная с конца 1950-х годов, фотоэлементы использовались для питания U.С. Космические спутники. К концу 1970-х фотоэлектрические панели обеспечивали электроэнергией удаленные, или автономные, населенные пункты, в которых не было линий электропередач. С 2004 года большинство фотоэлектрических панелей, установленных в Соединенных Штатах, находились в системах, подключенных к сети, в домах, зданиях и на объектах электростанций. Технологический прогресс, снижение затрат на фотоэлектрические системы, а также различные финансовые стимулы и государственная политика помогли значительно расширить использование фотоэлектрических систем с середины 1990-х годов. Сотни тысяч подключенных к сети фотоэлектрических систем сейчас установлены в Соединенных Штатах.

Управление энергетической информации США (EIA) оценивает, что электроэнергия, вырабатываемая на фотоэлектрических электростанциях коммунального масштаба, увеличилась с 76 миллионов киловатт-часов (кВтч) в 2008 году до 69 миллиардов (кВтч) в 2019 году. Электростанции коммунального масштаба имеют не менее 1000 киловатт ( или один мегаватт) генерирующей мощности. По оценкам EIA, в 2019 году маломасштабными фотоэлектрическими системами, подключенными к сети, было произведено 35 миллиардов кВтч по сравнению с 11 миллиардами кВтч в 2014 году. Маломасштабные фотоэлектрические системы — это системы, мощность которых составляет менее одного мегаватта.Большинство из них расположены в зданиях и иногда называются фотоэлектрическими системами на крыше .

Последнее обновление: 25 августа 2020 г.

.

No related posts.

Веста аккумулятор производитель – Аккумуляторы WESTA - Лучшее качество и цены!

Как восстановить аккумулятор для телефона – Как восстановить аккумулятор телефона в домашних условиях, видео

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *