Πηγή: www.energy.gov
Όταν το φως λάμπει σε ένα φωτοβολταϊκό (Φ/Β) κύτταρο – που ονομάζεται επίσης ηλιακό κύτταρο – αυτό το φως μπορεί να αντανακλάται, να απορροφάται ή να περνά μέσα από το κύτταρο. Το Φ/Β κύτταρο αποτελείται από υλικό ημιαγωγών. το "ημι" σημαίνει ότι μπορεί να διεξάγει ηλεκτρική ενέργεια καλύτερα από έναν μονωτή, αλλά όχι τόσο καλά όσο ένας καλός αγωγός όπως ένα μέταλλο. Υπάρχουν διάφορα υλικά ημιαγωγών που χρησιμοποιούνται σε φωτοβολταϊκά κύτταρα.
Όταν ο ημιαγωγός εκτίθεται στο φως, απορροφά την ενέργεια του φωτός και τη μεταφέρει σε αρνητικά φορτισμένα σωματίδια στο υλικό που ονομάζεται ηλεκτρόνια. Αυτή η επιπλέον ενέργεια επιτρέπει στα ηλεκτρόνια να ρέουν μέσα από το υλικό ως ηλεκτρικό ρεύμα. Αυτό το ρεύμα εξάγεται μέσω αγώγιμων μεταλλικών επαφών – των γραμμών που μοιάζουν με πλέγμα σε ηλιακά κύτταρα – και στη συνέχεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την τροφοδοσία του σπιτιού σας και του υπόλοιπου ηλεκτρικού δικτύου.
Η απόδοση ενός φωτοβολταϊκού κυττάρου είναι απλά η ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας που βγαίνει από το κύτταρο σε σύγκριση με την ενέργεια από το φως που λάμπει σε αυτό, γεγονός που δείχνει πόσο αποτελεσματικό είναι το κύτταρο στη μετατροπή ενέργειας από τη μία μορφή στην άλλη. Η ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από φωτοβολταϊκές κυψέλες εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά (όπως η ένταση και τα μήκη κύματος) του διαθέσιμου φωτός και τα πολλαπλά χαρακτηριστικά απόδοσης του κυττάρου.
Μια σημαντική ιδιότητα των φωτοβολταϊκών ημιαγωγών είναι το bandgap, το οποίο υποδεικνύει ποια μήκη κύματος φωτός το υλικό μπορεί να απορροφήσει και να μετατρέψει σε ηλεκτρική ενέργεια. Εάν το bandgap του ημιαγωγών ταιριάζει με τα μήκη κύματος του φωτός που λάμπει στο κύτταρο Φ/Β, τότε αυτό το κύτταρο μπορεί να χρησιμοποιήσει αποτελεσματικά όλη τη διαθέσιμη ενέργεια.
Μάθετε περισσότερα παρακάτω σχετικά με τα πιο συχνά χρησιμοποιούμενα υλικά ημιαγωγών για φωτοβολταϊκά κύτταρα.
πυρίτιο
Το πυρίτιο είναι, μακράν, το πιο κοινό υλικό ημιαγωγών που χρησιμοποιείται στις ηλιακές κυψέλες, αντιπροσωπεύοντας περίπου το 95% των συστοιχιών που πωλούνται σήμερα. Είναι επίσης το δεύτερο πιο άφθονο υλικό στη Γη (μετά το οξυγόνο) και ο πιο κοινός ημιαγωγός που χρησιμοποιείται σε τσιπ υπολογιστών. Τα κρυσταλλικά κύτταρα πυριτίου είναι κατασκευασμένα από άτομα πυριτίου που συνδέονται μεταξύ τους για να σχηματίσουν ένα κρυσταλλικό πλέγμα. Αυτό το πλέγμα παρέχει μια οργανωμένη δομή που καθιστά τη μετατροπή του φωτός σε ηλεκτρική ενέργεια πιο αποτελεσματική.
Τα ηλιακά κύτταρα που κατασκευάζονται από πυρίτιο παρέχουν σήμερα ένα συνδυασμό υψηλής απόδοσης, χαμηλού κόστους και μεγάλης διάρκειας ζωής. Οι μονάδες αναμένεται να διαρκέσουν 25 χρόνια ή περισσότερο, παράγοντας ακόμα περισσότερο από το 80% της αρχικής τους ισχύος μετά από αυτό το χρονικό διάστημα.
ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΆ ΛΕΠΤΟΎ ΦΙΛΜ
Ένα ηλιακό κύτταρο λεπτής μεμβράνης κατασκευάζεται με την εναπόθεση ενός ή περισσότερων λεπτών στρωμάτων φωτοβολταϊκού υλικού σε υποστηρικτικό υλικό όπως γυαλί, πλαστικό ή μέταλλο. Υπάρχουν δύο κύριοι τύποι φωτοβολταϊκών ημιαγωγών λεπτής μεμβράνης στην αγορά σήμερα: το τελμουρίδιο καδμίου (CdTe) και το διελενίδιο του γαλλίου του χαλκού (CIGS). Και τα δύο υλικά μπορούν να εναποτεθούν απευθείας είτε στο μπροστινό είτε στο πίσω μέρος της επιφάνειας της μονάδας.
Το CdTe είναι το δεύτερο πιο κοινό φωτοβολταϊκό υλικό μετά το πυρίτιο και τα κύτταρα CdTe μπορούν να κατασκευαστούν χρησιμοποιώντας διαδικασίες κατασκευής χαμηλού κόστους. Ενώ αυτό τους καθιστά μια οικονομικά αποδοτική εναλλακτική λύση, η αποτελεσματικότητά τους εξακολουθεί να μην είναι τόσο υψηλή όσο το πυρίτιο. Τα κύτταρα CIGS έχουν βέλτιστες ιδιότητες για ένα φωτοβολταϊκό υλικό και υψηλή απόδοση στο εργαστήριο, αλλά η πολυπλοκότητα που εμπλέκεται στο συνδυασμό τεσσάρων στοιχείων καθιστά τη μετάβαση από το εργαστήριο στην κατασκευή πιο δύσκολη. Τόσο το CdTe όσο και το CIGS απαιτούν περισσότερη προστασία από το πυρίτιο για να επιτρέψουν τη μακροχρόνια λειτουργία σε εξωτερικούς χώρους.
ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΆ ΠΕΡΟΒΌΒΣΤΕ
Τα ηλιακά κύτταρα Perovskite είναι ένας τύπος λεπτού κυττάρου φιλμ και ονομάζονται από τη χαρακτηριστική κρυσταλλική δομή τους. Τα κύτταρα Perovskite κατασκευάζονται με στρώματα υλικών που εκτυπώνονται, επικαλύπτονται ή εναποτίθενται σε κενό σε ένα υποκείμενο στρώμα στήριξης, γνωστό ωςΥπόστρωμα.Είναι συνήθως εύκολο να συναρμολογηθούν και μπορούν να φτάσουν σε αποτελεσματικότητα παρόμοια με το κρυσταλλικό πυρίτιο. Στο εργαστήριο, η αποδοτικότητα των ηλιακών κυττάρων perovskite έχει βελτιωθεί ταχύτερα από οποιοδήποτε άλλο φωτοβολταϊκό υλικό, από 3% το 2009 σε πάνω από 25% το 2020. Για να είναι εμπορικά βιώσιμα, τα φωτοβολταϊκά κύτταρα perovskite πρέπει να γίνουν αρκετά σταθερά για να επιβιώσουν 20 χρόνια σε εξωτερικούς χώρους, έτσι οι ερευνητές εργάζονται για να τα καταστήσουν πιο ανθεκτικά και να αναπτύξουν τεχνικές κατασκευής μεγάλης κλίμακας, χαμηλού κόστους.
ΟΡΓΑΝΙΚΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ
Τα οργανικά φωτοβολταϊκά, ή OPV, κύτταρα αποτελούνται από πλούσιες σε άνθρακα (οργανικές) ενώσεις και μπορούν να προσαρμοστούν για να ενισχύσουν μια συγκεκριμένη λειτουργία του Φ/Β κυττάρου, όπως bandgap, διαφάνεια ή χρώμα. Τα κύτταρα OPV είναι σήμερα μόνο περίπου τα μισά αποδοτικά από τα κρυσταλλικά κύτταρα πυριτίου και έχουν μικρότερη διάρκεια ζωής λειτουργίας, αλλά θα μπορούσαν να είναι λιγότερο ακριβά για την κατασκευή σε μεγάλους όγκους. Μπορούν επίσης να εφαρμοστούν σε μια ποικιλία υποστηρικτικών υλικών, όπως εύκαμπτο πλαστικό, καθιστώντας το OPV ικανό να εξυπηρετήσει μια μεγάλη ποικιλία χρήσεων.
ΚΒΑΝΤΙΚΈς ΚΟΥΚΊΔΕς
Τα κβαντικά ηλιακά κύτταρα κουκκίδας διεξάγουν ηλεκτρική ενέργεια μέσω μικροσκοπικών σωματιδίων διαφορετικών υλικών ημιαγωγών πλάτους λίγων νανομέτρων, που ονομάζονται κβαντικές κουκίδες. Οι κβαντικές κουκκίδες παρέχουν έναν νέο τρόπο επεξεργασίας υλικών ημιαγωγών, αλλά είναι δύσκολο να δημιουργηθεί μια ηλεκτρική σύνδεση μεταξύ τους, οπότε προς το παρόν δεν είναι πολύ αποτελεσματικές. Ωστόσο, είναι εύκολο να γίνουν σε ηλιακά κύτταρα. Μπορούν να εναποτεθούν σε ένα υπόστρωμα χρησιμοποιώντας μια μέθοδο spin-coat, ένα σπρέι ή εκτυπωτές roll-to-roll, όπως αυτοί που χρησιμοποιούνται για την εκτύπωση εφημερίδων.
Οι κβαντικές κουκίδες έρχονται σε διάφορα μεγέθη και το bandgap τους είναι προσαρμόσιμο, επιτρέποντάς τους να συλλέγουν φως που είναι δύσκολο να συλλάβει και να συνδυαστεί με άλλους ημιαγωγούς, όπως perovskites, για να βελτιστοποιήσει την απόδοση ενός ηλιακού κυττάρου πολλαπλών μέτρων (περισσότερα για αυτά παρακάτω).
ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΆ ΠΟΛΛΑΠΛΏΝ ΜΈΤΡΩΝ
Μια άλλη στρατηγική για τη βελτίωση της απόδοσης των φωτοβολταϊκών κυττάρων είναι η στρώση πολλαπλών ημιαγωγών για την παραγωγή ηλιακών κυττάρων πολλαπλών μέτρων. Αυτά τα κύτταρα είναι ουσιαστικά στοίβες διαφορετικών υλικών ημιαγωγών, σε αντίθεση με τα κύτταρα μίας σύνδεσης, τα οποία έχουν μόνο έναν ημιαγωγό. Κάθε στρώμα έχει διαφορετικό bandgap, έτσι ώστε το καθένα να απορροφά ένα διαφορετικό μέρος του ηλιακού φάσματος, κάνοντας μεγαλύτερη χρήση του ηλιακού φωτός από τα κύτταρα μίας διασταύρωσης. Τα ηλιακά κύτταρα πολλαπλών μέτρων μπορούν να φτάσουν σε επίπεδα απόδοσης ρεκόρ επειδή το φως που δεν απορροφάται από το πρώτο στρώμα ημιαγωγών συλλαμβάνεται από ένα στρώμα κάτω από αυτό.
Ενώ όλα τα ηλιακά κύτταρα με περισσότερα από ένα bandgap είναι ηλιακά κύτταρα πολλαπλών μέτρων, ένα ηλιακό κύτταρο με ακριβώς δύο bandgaps ονομάζεται ένα παράλληλο ηλιακό κύτταρο. Τα ηλιακά κύτταρα πολλαπλών μέτρων που συνδυάζουν ημιαγωγούς από τις στήλες III και V στον περιοδικό πίνακα ονομάζονται ηλιακά κύτταρα πολλαπλών μέτρων III-V.
Τα ηλιακά κύτταρα πολλαπλών μέτρων έχουν επιδείξει αποδοτικότητα υψηλότερη από 45%, αλλά είναι δαπανηρές και δύσκολο να κατασκευαστούν, οπότε προορίζονται για εξερεύνηση στο διάστημα. Ο στρατός χρησιμοποιεί ηλιακά κύτταρα III-V σε μη επανδρωμένα αεροσκάφη και οι ερευνητές διερευνούν άλλες χρήσεις για αυτά όπου η υψηλή απόδοση είναι το κλειδί.
ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΗΣ
Το Φ/Β συγκέντρωσης, επίσης γνωστό ως CPV, εστιάζει το φως του ήλιου σε ένα ηλιακό κύτταρο χρησιμοποιώντας έναν καθρέφτη ή φακό. Εστιάζοντας το φως του ήλιου σε μια μικρή περιοχή, απαιτείται λιγότερο φωτοβολταϊκό υλικό. Τα φωτοβολταϊκά υλικά γίνονται πιο αποτελεσματικά καθώς το φως συγκεντρώνεται περισσότερο, οπότε η υψηλότερη συνολική απόδοση λαμβάνεται με κυψέλες και συστοιχίες CPV. Ωστόσο, απαιτούνται πιο ακριβά υλικά, τεχνικές κατασκευής και ικανότητα παρακολούθησης της κίνησης του ήλιου, οπότε η επίδειξη του απαραίτητου πλεονεκτήματος κόστους σε σχέση με τις σημερινές μονάδες πυριτίου μεγάλου όγκου έχει γίνει πρόκληση.
