Izvor: www.energy.gov
Kada svjetlost obasjava fotonaponsku (fotonaponsku) ćeliju – koja se naziva i solarna ćelija – to se svjetlo može reflektirati, apsorbirati ili proći kroz ćeliju. Fotonaponska ćelija sastoji se od poluvodičkog materijala; "polu" znači da može provoditi električnu energiju bolje od izolatora, ali ne tako dobro kao dobar vodič poput metala. Postoji nekoliko različitih poluvodičkih materijala koji se koriste u fotonaponskim ćelijama.
Kada je poluvodič izložen svjetlu, apsorbira energiju svjetlosti i prenosi je na negativno nabijene čestice u materijalu zvanom elektroni. Ova dodatna energija omogućuje elektronima da teku kroz materijal kao električna struja. Ova struja se ekstrahira kroz vodljive metalne kontakte - linije slične rešetki na solarnim ćelijama - a zatim se može koristiti za napajanje vašeg doma i ostatka električne mreže.
Učinkovitost fotonaponske ćelije je jednostavno količina električne energije koja izlazi iz ćelije u usporedbi s energijom iz svjetla koje sija na njoj, što ukazuje na učinkovitost stanice u pretvaranju energije iz jednog oblika u drugi. Količina električne energije proizvedene iz fotonaponskih ćelija ovisi o karakteristikama (kao što su intenzitet i valne duljine) dostupnog svjetla i višestrukim atributima performansi ćelije.
Važno svojstvo fotonaponskih poluvodiča je bandgap, koji ukazuje na valne duljine svjetlosti koje materijal može apsorbirati i pretvoriti u električnu energiju. Ako bandgap poluvodiča odgovara valnim duljinama svjetlosti koje sjaje na fotonaponskom ćeliji, tada ta stanica može učinkovito iskoristiti svu dostupnu energiju.
U nastavku saznajte više o najčešće korištenim poluvodičkim materijalima za fotonaponske ćelije.
silicij
Silicij je daleko najčešći poluvodički materijal koji se koristi u solarnim ćelijama, a predstavlja oko 95% danas prodanih modula. Također je drugi najzastupljeniji materijal na Zemlji (nakon kisika) i najčešći poluvodič koji se koristi u računalnim čipovima. Kristalne silikonske stanice izrađene su od silikonskih atoma međusobno povezanih kako bi se stvorila kristalna rešetka. Ova rešetka pruža organiziranu strukturu koja pretvara svjetlost u električnu energiju učinkovitijom.
Solarne ćelije izrađene od silikona trenutno pružaju kombinaciju visoke učinkovitosti, niske cijene i dugog vijeka trajanja. Očekuje se da će moduli trajati 25 ili više godina, a nakon tog vremena i dalje će proizvoditi više od 80% svoje izvorne snage.
FOTONAPONSKA FOTONAPONSKA SLIKA TANKOG FILMA
Solarna ćelija tankog filma vrši se odlaganjem jednog ili više tankih slojeva fotonaponskog materijala na potporni materijal kao što su staklo, plastika ili metal. Danas na tržištu postoje dvije glavne vrste fotonaponskih poluvodiča tankog filma: kadmij telurid (CdTe) i bakreni indium gallium diselenide (CIGS). Oba materijala mogu se odložiti izravno na prednju ili stražnju stranu površine modula.
CdTe je drugi najčešći fotonaponski materijal nakon silicija, a CdTe stanice mogu se izići pomoću jeftinih proizvodnih procesa. Iako ih to čini isplativom alternativom, njihova učinkovitost još uvijek nije tako visoka kao silicij. CIGS stanice imaju optimalna svojstva za fotonaponski materijal i visoku učinkovitost u laboratoriju, ali složenost koja je uključena u kombiniranje četiri elementa čini prijelaz iz laboratorija u proizvodnju izazovnijim. I CdTe i CIGS zahtijevaju veću zaštitu od silikona kako bi se omogućio dugotrajan rad na otvorenom.
PEROVSKITE FOTONAPONSKI
Perovskite solarne ćelije su vrsta tankosvjetlosne ćelije i nazvane su po svojoj karakterističnoj kristalnoj strukturi. Perovskite stanice izrađene su od slojeva materijala koji se tiskaju, premazuju ili vakumiraju na temeljni potporni sloj, poznat kaopodloga.Obično ih je lako sastaviti i mogu doseći učinkovitost sličnu kristalnom siliciju. U laboratoriju se učinkovitost perovskitnih solarnih ćelija poboljšala brže od bilo kojeg drugog fotonaponskog materijala, s 3 % u 2009. na preko 25 % u 2020. Da bi bile komercijalno održive, perovskite fotonaponske stanice moraju postati dovoljno stabilne da prežive 20 godina na otvorenom, pa istraživači rade na tome da ih učine izdržljivijima i razvijaju tehnike proizvodnje velikih razmjera, jeftine.
ORGANSKA FOTONAPONSKA
Organske fotonaponske ili OPV stanice sastoje se od (organskih) spojeva bogatih ugljikom i mogu se prilagoditi kako bi se poboljšala specifična funkcija fotonaponske ćelije, kao što su bandgap, prozirnost ili boja. OPV stanice trenutno su samo upola učinkovitije od kristalnih silicijskih ćelija i imaju kraći radni vijek, ali bi mogle biti jeftinije za proizvodnju u velikim količinama. Mogu se primijeniti i na različite popratne materijale, kao što je fleksibilna plastika, zbog čega OPV može služiti širokom rasponu namjena.
KVANTNE TOČKICE
Kvantne točke solarne ćelije provode električnu energiju kroz sitne čestice različitih poluvodičkih materijala samo nekoliko nanometara širokih, nazvanih kvantne točkice. Kvantne točkice pružaju novi način obrade poluvodičkih materijala, ali teško je stvoriti električnu vezu između njih, tako da trenutno nisu vrlo učinkoviti. Međutim, lako ih je pretvoriti u solarne ćelije. Mogu se odložiti na podlogu metodom spin-kaputa, sprejem ili pisačima za valjanje poput onih koji se koriste za ispis novina.
Kvantne točkice dolaze u različitim veličinama i njihov bandgap je prilagodljiv, omogućujući im prikupljanje svjetla koje je teško uhvatiti i biti uparen s drugim poluvodičima, poput perovskita, kako bi optimizirali performanse višejunkcijske solarne ćelije (više o onima u nastavku).
MULTIJUNKCIJSKA FOTONAPONSKA PODRŠKA
Druga strategija za poboljšanje učinkovitosti fotonaponskih ćelija je raslojavanje više poluvodiča kako bi se napravile višejunkcijske solarne ćelije. Ove stanice su u osnovi hrpe različitih poluvodičkih materijala, za razliku od jednostrukih spojnih stanica, koje imaju samo jedan poluvodič. Svaki sloj ima drugačiji bandgap, tako da svaki apsorbira drugi dio sunčevog spektra, koristeći veću sunčevu svjetlost od jednostrukih spojnih stanica. Višejunkcijske solarne ćelije mogu doseći rekordnu razinu učinkovitosti jer svjetlo koje se ne apsorbira prvim poluvodičkim slojem hvata sloj ispod njega.
Dok su sve solarne ćelije s više od jednog bandgapa višejunkcijske solarne ćelije, solarna ćelija s točno dva bandgapa naziva se tandem solarna ćelija. Višejunkcijske solarne ćelije koje kombiniraju poluvodiče iz stupaca III i V u periodnom sustavu nazivaju se multijunction III-V solarne ćelije.
Višejunkcijske solarne ćelije pokazale su učinkovitost veću od 45%, ali su skupe i teške za proizvodnju, pa su rezervirane za istraživanje svemira. Vojska koristi III-V solarne ćelije u bespilotnim letjelicama, a istraživači istražuju druge namjene za njih gdje je visoka učinkovitost ključna.
FOTONAPONSKA KONCENTRACIJA
Koncentracijska fotonaponska energija, poznata i kao CPV, fokusira sunčevu svjetlost na solarnu ćeliju pomoću zrcala ili leće. Fokusiranjem sunčeve svjetlosti na malo područje potrebno je manje fotonaponskog materijala. Fotonaponski materijali postaju učinkovitiji kako svjetlost postaje koncentriranija, tako da se najveća ukupna učinkovitost dobiva CPV ćelijama i modulima. Međutim, potrebni su skuplji materijali, proizvodne tehnike i sposobnost praćenja kretanja sunca, tako da je pokazivanje potrebne prednosti troškova u odnosu na današnje silikonske module velikog volumena postalo izazovno.