Team SBТехнология тонкопленочных солнечных элементов — это второе поколение фотоэлектрических (PV) солнечных элементов, в которых используется тонкий полупроводник размером от нескольких нанометров до микрометров. Одним из самых популярных типов тонкопленочных солнечных технологий является селенид меди-индия-галлия (CIGS). Солнечные элементы CIGS доказали свою высокую выходную мощность, экономичность и низкий уровень выбросов CO.2 след, и имеют ряд других преимуществ.
Если вам интересно узнать больше о солнечных батареях CIGS, преимуществах этой технологии или текущем состоянии роста солнечных панелей CIGS на рынке, эта статья для вас.
Здесь вы ознакомитесь с основами этой технологии, узнаете о ее плюсах и минусах, поймете различные области применения технологии солнечных батарей CIGS, узнаете о самых последних обновлениях этой технологии и многое другое.
Тонкопленочная солнечная технология CIGS: понимание основ
Краткая история…
Технология солнечных панелей CIGS может проследить ее происхождение вернуться к 1953 когда Хан сделал первый CuInSe2 (CIS) тонкопленочный солнечный элемент, который был номинирован Bell Laboratories в качестве фотоэлектрического материала в 1974 году. В том же году исследователи начали его тестировать, и к 1976 году исследователи университета создали первый p-CuInSe.2/n-CdS делает первые шаги к тонкопленочным солнечным элементам CIGS. В 1995 году исследователи из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) наконец-то добавили галлий в смесь солнечных элементов СНГ, создав первый солнечный элемент CIGS.
Основы конструкции солнечных элементов CIGS
Технология тонкопленочных солнечных панелей CIGS производится с p-n переходом из меди, индия и галлия, который позже отожженный с Пары селенида. Свойство гибкости модуля достигается за счет изменения подложки, что придает ему уникальные свойства для различных приложений. Структура солнечного элемента CIGS также имеет проводящий лист для проводимости и защитный слой.
Преимущество тонкопленочных солнечных панелей CIGS заключается в том, что их технология чрезвычайно универсальный, способный адаптироваться к многочисленным приложениям. Фотоэлектрические модули с использованием этой технологии могут быть изготовлены как гибкие модули, жесткие модули, продукты для интегрированной фотоэлектрической энергии (BIPV), а с использованием современных технологий даже как высокоэффективные двусторонние модули.
Воздействие на окружающую среду и переработка
Существует также важное экологическое преимущество технологии тонкопленочных солнечных панелей CIGS по сравнению с кристаллический кремний (c-Si) те. Производство фотоэлектрических модулей c-Si производит эквивалентное загрязнение 50–60 г CO.2/кВтч, а только солнечная панель CIGS производит 12–20 г СО2/кВтч, что аналогично энергии ветра, производящей 10–12 г CO.2/ КВтч.
Поскольку производство тонкопленочных солнечных панелей CIGS требует использования ценных металлов, в пользу этой технологии говорит тот факт, что ее можно переработанных. Около 100% серебра и 85% индия, используемых для производства этих модулей, могут быть восстановлены при переработке.
Высокая эффективность преобразования и производительность
Технология солнечных панелей CIGS является одной из самых эффективных доступных тонкопленочных технологий. Рекордная эффективность солнечных элементов CIGS 23.35% была достигнута Накамура и др. в 2019 году для солнечных элементов CIGS, в то время как гибкие модули солнечных панелей CIGS имеют зарегистрированную эффективность 22.2%, достигнуто в 2022 году Швейцарскими федеральными лабораториями материаловедения и технологий (EMPA).
Эта технология обеспечивает отличную производительность, отчасти благодаря низкотемпературному коэффициенту (TCO), составляющему всего лишь -0.36% / ºC, отлично подходит для всех применений в экстремальных климатических условиях. По мере дальнейшего развития технологии или объединения ее в тандемные солнечные элементы можно повысить ее эффективность.
Плюсы и минусы тонкопленочных солнечных панелей CIGS
Плюсы
Высокая эффективность преобразования
Рекордно высокая эффективность преобразования для солнечных элементов CIGS была достигнута на уровне 23.35%. Это выше среднего и близко к рекорду других популярных технологий c-Si.
Конкурентоспособные производственные затраты
Солнечные панели CIGS имеют конкурентоспособные производственные затраты благодаря своей тонкой конструкции и меньшим требованиям к материалам для производства солнечных элементов.
Низкий углеродный след
Производство солнечных элементов CIGS едва генерирует 12–20 г CO.2 эквивалент/кВтч. Этот низкий углеродный след довольно близок к ветровой энергии.
Превосходная эстетика
Благодаря более легкой и тонкой конструкции солнечные элементы CIGS обладают превосходный эстетический вид. Кроме того, гибкие модели солнечных панелей CIGS адаптироваться к зданиям необычной формы, идеально подходит для улучшения эстетики.
Уникальные свойства, подходящие для различных применений
Благодаря своему легкому весу солнечные элементы CIGS можно устанавливать на крышах с ограниченной грузоподъемностью. Эта технология также может быть использована в гибких солнечных панелях CIGS для зданий необычной формы или в интегрированных в здания фотоэлектрических элементах (BIPV).
Лучшая производительность при рассеянном свете и высоких температурах
Солнечные элементы CIGS могут работать лучше благодаря лучшей адаптации в местах с рассеянным светом и низкотемпературному коэффициенту -0.36%/ºC, что снижает потери мощности в экстремальных климатических условиях.
Подходит для двустороннего применения
Двусторонние солнечные панели CIGS могут быть изготовлены, чтобы использовать ресурс альбедо. Солнечная промышленность недавно совершила прорыв в улучшении двусторонней технологии CIGS.
Тонкопленочные солнечные панели CIGS потенциально могут быть переработаны
Технология солнечных элементов CIGS может быть переработана, восстанавливая 100% серебра и 85% индия, используемых для производства элементов.
Минусы
Для производства требуется редкий металл
Тонкопленочные солнечные панели CIGS требуют индия, который считается редким металлом. Единственным преимуществом является то, что большая часть индия в тонкопленочных солнечных панелях CIGS может быть переработана из старых модулей.
Быстрая деградация солнечных батарей в определенных условиях
Тонкопленочные солнечные элементы CIGS могут сильно зависеть от водяного пара, который вызывает миграцию натрия внутри элемента, и увеличивает деградацию солнечных батарей. Во избежание этого не рекомендуется использовать данный тип фотоэлектрической техники в местах с повышенной влажностью и интенсивным солнечным светом, когда качество продукции неизвестно.
Применение тонкопленочных солнечных панелей CIGS
Тонкопленочные солнечные панели CIGS имеют несколько применений. Эту технологию можно использовать как для традиционных приложений, так и для уникальных, не подходящих для обычных солнечных панелей c-Si.
Традиционные бытовые, коммерческие и промышленные/коммунальные приложения
Тонкопленочные солнечные панели CIGS могут быть выполнены в виде жестких или гибких модулей для использования в традиционных фотоэлектрических установках в масштабах от жилых до коммунальных. Благодаря отличной производительности при различном освещении и экстремальных температурах эти модули работают лучше, чем традиционные технологии.
Интегрированная в здание фотоэлектрическая энергетика (BIPV)
BIPV — это специальное приложение, подходящее для CIGS и некоторых другие тонкопленочные солнечные технологии. Солнечные элементы CIGS могут быть встроены в фасад здания, окна или адаптированы к различным формам, чтобы обеспечить здания способностью производить солнечную энергию, не нарушая эстетику места.
Космические приложения
Немногие технологии, включая CIGS, могут быть адаптированы для космических приложений. До 2023 года Ascent Solar, американский производитель солнечных панелей CIGS, производил Фотомодули CIGS для космических приложений с уникальными свойствами, которые часто демонстрировались НАСА.
Последние результаты и обновления по тонкопленочным панелям CIGS (2022–2023 гг.)
Рекордная эффективность 22.2% для гибких солнечных элементов CIGS
В сентябре 2022 года исследователи из Швейцарских федеральных лабораторий материаловедения и технологии (EMPA) представили установлен новый рекорд эффективности для гибкого солнечного элемента CIGS 22.2%, при 8th Всемирная конференция по фотоэлектрическому преобразованию энергии (WCPEC-8). предыдущий рекорд составлял 21.4%, в то время как рекорд для тонкопленочной технологии CIGS в целом удерживается на уровне 23.35%.
Институт систем солнечной энергии Фраунгофера (Fraunhofer ISE) позже подтвердил это достижение. Новый рекорд был достигнут за счет модификации состава слоя CIGS, что позволило увеличить выходное напряжение и улучшить производительность. Эти результаты можно воспроизвести в промышленных масштабах, чтобы повысить эффективность розничного производства солнечных панелей CIGS.
Повышенная эффективность двусторонних тонкопленочных солнечных элементов CIGS
Исследователи из Швейцарской федеральной лаборатории материаловедения и технологии (EMPA) добились повышения эффективности двусторонних фотоэлектрических модулей с использованием технологии тонкопленочных солнечных панелей CIGS. Запись достиг КПД 19.8 % на лобовой стороне модуля и 10.9 % на тыльной стороне.
Двусторонняя технология отлично подходит для приложений, использующих ресурс альбедо, но более высокая эффективность особенно интересна в тонкопленочной солнечной технологии из-за прозрачных свойств модуля. Это достижение также может привести к повышению эффективности таких приложений, как BIPV.
Исследователи разработали тандемный солнечный элемент перовскит-CIGS, который может достичь эффективности 29.7%.
Исследование тандемных солнечных элементов с использованием перовскита показало потенциал в публикациях на протяжении многих лет. В 2023 году исследователи из Университета Читкара в Индии опубликовал статью в Energy Fuels, иллюстрирующем численное исследование, показывающее усовершенствованный тандемный солнечный элемент CIGS-перовскит, демонстрирующий, что может быть достигнута эффективность преобразования солнечной энергии 29.7%.
Исследование основано на монолитном тандемном солнечном элементе с верхним слоем перовскита с широкой запрещенной зоной (Eg) 1.68 эВ и слоем CIGS с Eg 1.1 эВ. Есть еще некоторые ограничения из-за потерь и помех, которые, возможно, не учитывались, но потенциал этого расчета может дать впечатляющие результаты в экспериментах, проведенных в лаборатории с целью воспроизвести конструкцию.
Японские исследователи создают дорожную карту для повышения эффективности тонкопленочных солнечных панелей CIGS
В настоящее время средняя тонкопленочная солнечная панель CIGS имеет эффективность преобразования, которая немного превышает 18%. В октябре 2022 года японские исследователи из Национального института передовых промышленных наук и технологий (AIST) опубликовали статью. предложение методологии для повышения эффективности солнечной панели CIGS сверх порога эффективности преобразования солнечной энергии в 20%.
Документ способствует получению солнечной энергии путем создания дорожной карты для высокоэффективных тонкопленочных гибких моделей солнечных панелей CIGS, которые можно использовать на изогнутых поверхностях и крышах с ограничениями по весу. Метод рекомендует снижение износа CIGS на краю солнечных элементов путем использования соответствующей пассивации/заделки во время производства или путем замены механического скрайбирования.
Чем отличаются тонкопленочные солнечные панели CIGS от других технологий на рынке?
В солнечной промышленности доступно много выдающихся фотоэлектрических технологий. В этом разделе мы сравниваем технологию тонкопленочных солнечных панелей CIGS с технологией пассивных тыльных элементов эмиттера (PERC), которая занимает наибольшую долю рынка, и с технологией туннельного оксидно-пассивированного контакта (TOPCon), усовершенствованной версией технологии PERC с ростом популярность.
| PERC | ТОПКон | CIGS | |
|---|---|---|---|
| Самая высокая зарегистрированная эффективность | 24.50% | 26.56% | 23.35% |
| Температурный коэффициент | < -0.4%/ºC | < -0.3%/ºC | -0.36% / ºC |
| Доля рынка | 75% (2021) | 8% (2020) | < 80% (2021) |
| Вес | 17.9-33 кг | 5 кг | |
| Приложения | Применение традиционных жестких фотоэлектрических модулей |
|
|
Популярные технологии c-Si, такие как PERC и TOPCon, превзошли технологию солнечных панелей CIGS по нескольким показателям, но эта тонкопленочная технология по-прежнему способна конкурировать с ними.
Наивысшая зарегистрированная эффективность солнечных элементов CIGS на несколько пунктов ниже, чем у TOPCon, и лишь немного ниже, чем у технологии PERC. В то время как модули массового производства могут иметь КПД немного выше 18%, японские исследователи уже работают над повышением этой эффективности за пределы порога в 20%.
Отличным аргументом в пользу тонкопленочных солнечных панелей CIGS является их температурный коэффициент. TOPCon является самой эффективной технологией, но CIGS лучше работает в экстремальных климатических условиях, чем технология PERC, а также работает исключительно в условиях рассеянного света.
Самым сильным аргументом в пользу технологии тонкопленочных солнечных панелей CIGS является большое количество заявок которые превосходят фотоэлектрические технологии PERC и TOPCon. Солнечные панели CIGS можно использовать как традиционные жесткие модули, как гибкие фотоэлектрические модули для установки на изогнутых крышах или в зданиях необычной формы, а также для многих других применений.
Легкий вес Солнечные панели CIGS отлично подходят для приложений, где существует ограничение по максимальному весу. Вес фотоэлектрических модулей PERC и TOPCon может варьироваться от 18 до 33 кг, но некоторые тонкопленочные солнечные панели CIGS едва весят. около 5 кг. Это делает их отличным вариантом для домов с ограничениями по весу крыши, чтобы наслаждаться солнечной энергией без замены крыши.
Помимо гибких и жестких фотоэлектрических приложений, тонкопленочная солнечная технология CIGS может быть спроектированы и изготовлены для приложений BIPV. Фотомодули CIGS могут производиться в различных цветах и узорах, создаваться в нестандартных формах для эстетического применения или использоваться в качестве фотоэлектрических фасадов, солнечных стеклянных окон, черепицы и т. д.
Тонкопленочные солнечные панели CIGS и их рынок: взгляд в будущее
Тонкопленочные солнечные панели CIGS в настоящее время вмещают только 1% доли рынка, но технология постоянно развивается в солнечной промышленности С 2017, что делает его одной из самых важных тонкопленочных солнечных технологий. Ожидается, что технология тонкопленочных солнечных панелей CIGS будет продолжать развиваться со среднегодовым темпом роста (CAGR) 6.97% в период с 2019 по 2027 год.
В настоящее время существует несколько производителей солнечных панелей CIGS. К ним относятся швейцарская компания Flisom с производственной линией мощностью 15 МВт, Sunflare с производственной мощностью 40 МВт и ряд других, в том числе французский стартап, известный как Solar Cloth, который недавно начал работу с производственной мощностью 20 МВт.
Еще один важный аспект, который следует учитывать, говоря о будущем технологии тонкопленочных солнечных панелей CIGS, — это количество проектов, направленных на совершенствование этой технологии.
Тандемные солнечные элементы CIGS-перовскит
Перспективной разработкой с использованием солнечных элементов CIGS является создание тандемных солнечных элементов CIGS-перовскит. Эта технология открывает большие возможности для будущей солнечной энергетики, поскольку это доказало эффективность преобразования солнечной энергии более 24%, легкий вес, гибкость и устойчивость к излучению.
Высокопроизводительные солнечные элементы CIGS
Еще одним перспективным проектом является разработка высокопроизводительных солнечных элементов CIGS с использованием усовершенствованного метода синтеза. Проект UL-Flex-Cell завершился в феврале 2023 года с бюджетом около 160,000 XNUMX евро и координировался Международная Иберийская Лаборатория Нанотехнологий. Проект был направлен на улучшение производства солнечных элементов CIGS для повышения эффективности модулей.
Применение технологии кремниевых солнечных элементов к солнечным элементам CIGS
Там есть проект по совершенствованию фотоэлектрических технологий, направленный на объединение технологии солнечных элементов c-Si с солнечными элементами CIGS, повышение эффективности солнечных элементов до 23–26%, повышение стабильности и надежности и снижение затрат. Проект был организован Interuniversitair Micro-Electronica Centrum (IMEC), имел бюджет чуть менее 2,000,000 3 2022 евро и завершился в третьем квартале XNUMX года. Результаты таковы. опубликованный в 33 рецензируемых статьях, 1 монографии и 1 конференции.
Проект НоваСелл
Наконец, в третьем квартале 3 года было объявлено о Проект НоваСелл который организован исследовательской группой NOA. Этот проект направлен на разработку новой архитектуры солнечных элементов CIGS. Они планируют добиться этого, уменьшив толщину солнечного элемента до 700 нм, сэкономив материалы, при этом достигнув эффективности солнечного элемента CIGS на уровне 16% при низких затратах.
