薄膜太陽電池

現在市場にある太陽電池の最大 85% は結晶太陽電池モジュールです。しかし、専門家らは、太陽電池製造用の薄膜技術はより効率的であることが判明し、したがって既知の結晶モジュールの中で最も有望であると保証している。

薄膜技術の主な利点はその低コストであるため、今後数年間でリーダーになるチャンスが十分にあります。新しい基地のモジュールは、文字通りの意味で、ソーラーパネルを柔軟にします。それらは軽くて柔軟性があるため、このようなバッテリーを衣服の表面を含む文字通りあらゆる表面に配置することができます。

フレキシブル太陽電池は、ポリマーフィルム、アモルファスシリコン、アルミニウム、テルル化カドミウム、その他の半導体をベースにしており、携帯電話、ラップトップ、タブレット、ビデオカメラ、その他のガジェット用のポータブル充電器の製造にすでに使用されており、小型の折り畳み式太陽電池の形で使用されています。太陽電池。しかし、より多くの電力が必要な場合は、モジュールの面積を大きくする必要があります。

薄膜太陽電池の最初のサンプルは、基板上に堆積されたアモルファスシリコンで作られていましたが、効率はわずか 4 ～ 5% であり、耐用年数も長くありませんでした。同じ技術の次のステップは、効率を 8% に高め、耐用年数を延長することであり、従来の水晶振動子と同等になりました。最後に、第 3 世代の薄膜モジュールはすでに 12% の効率を達成しており、これはすでに大きな進歩と競争力を備えています。

ここで使用されているセレン化インジウム銅とテルル化カドミウムにより、最大 10% の効率を持つフレキシブルな太陽電池とポータブル充電器の作成が可能になりました。物理学者が効率をさらに 1 パーセント高めるために戦っていることを考えると、これはすでに重要な成果です。では、薄膜電池がどのように作られるのかを詳しく見てみましょう。

テルル化カドミウムに関しては、宇宙で使用するための最適な選択肢を見つける必要があった 1970 年代に光吸収材料として研究され始めました。今日に至るまで、テルル化カドミウムは太陽電池として最も有望です。しかし、カドミウムの毒性の問題はしばらく未解決のままです。

研究の結果、その危険性は最小限であり、大気中に放出されるカドミウムのレベルは危険ではないことが示されました。効率は 11% ですが、ワットあたりの価格はシリコン類似品より 3 分の 1 低くなっています。

次にセレン化銅インジウムについてです。現在、フラット パネル モニターの製造には大量のインジウムが使用されているため、インジウムは同じ特性を持つガリウムに置き換えられています。 太陽光エネルギー… これに基づいたフィルム電池は 20% の効率を達成します。

最近、ポリマーパネルが開発され始めています。ここでは、光吸収材料として機能する有機半導体（カーボンフラーレン、ポリフェニレン、銅フタロシアニンなど）を指します。太陽電池の厚さは100nmですが、効率は5～6%にすぎません。しかし同時に、制作コストは非常に低く、フィルムは手頃な価格で、軽く、完全に環境に優しいものです。このため、環境への優しさと機械的な柔軟性が重要な場合には、樹脂パネルが人気があります。

現在製造されている薄膜太陽電池の効率は次のようになります。

• 単結晶 — 17 ～ 22%;

• 多結晶 — 12 ～ 18%;

• アモルファスシリコン - 5～6%;

• テルル化カドミウム — 10 ～ 12%;

• セレン化銅インジウム — 15 ～ 20%;

• 有機ポリマー — 5 ～ 6%。

薄膜電池の特徴は何ですか?まず第一に、拡散光下でもモジュールの高性能が注目に値します。これにより、水晶アナログと比較して年間最大 15% 多くの電力が得られます。次に製造コストのメリットが挙げられます。 10 kW からの高出力システムでは、薄膜モジュールはより高い効率を示しますが、2.5 倍の面積が必要になります。

したがって、薄膜モジュールが正当な利点を得るときの条件を指定することができます。曇天が多い地域では、薄膜電池が効率的に機能します（光が拡散します）。暑い気候の地域では、薄膜の方が効率的です (高温でも低温でも同様に効果的に機能します)。建物のファサードを仕上げるための装飾デザインソリューションとして使用できる可能性。最大 20% の透明度が可能ですが、これもデザイナーの腕次第です。

一方、2008 年にアメリカの企業 Solyndra は、薄膜電池をシリンダー上に配置することを提案しました。この場合、光電池の層がガラス管に塗布され、そのガラス管が電気接点を備えた別の管の内側に配置されます。使用される材料は銅、セレン、ガリウム、インジウムです。

円筒形のデザインにより、より多くの光が吸収され、1 メートルあたり 2 枚のパネルに 40 個の円筒が収まります。ここでのハイライトは、白い屋根コーティングがそのようなソリューションの高効率に貢献していることです。これは、反射光線も機能し、そのエネルギーの20％が追加されるためです。また、円筒形のセットは最大風速55m/sの強風にも耐えます。

現在製造されているほとんどの太陽電池には pn 接合が 1 つしか含まれておらず、バンドギャップよりも小さいエネルギーを持つ光子は生成に関与しません。その後、科学者たちはこの制限を克服する方法を考え出し、多層構造のカスケード素子が開発されました。各層は独自のバンド幅を持ちます。つまり、各層は、吸収されたエネルギーの個別の値を持つ個別のpn接合を持っています。光子。

上層は水素化アモルファスシリコンをベースとした合金で形成され、2番目の層はゲルマニウム（10～15％）を添加した同様の合金、3番目の層は40～50％のゲルマニウムを添加したものです。したがって、連続する各層のギャップは前の層のギャップよりも狭くなり、上層の吸収されなかった光子はフィルムの下層に吸収されます。

このアプローチでは、生成されるエネルギーのコストは、従来の結晶シリコン電池と比較して半分になります。その結果、3パスフィルムで31%の効率が達成され、5パスフィルムでは43%の効率が約束されました。

最近、モスクワ州立大学の専門家らは、有機材料のフレキシブル基板に塗布されたポリマーをベースにしたロール型太陽電池を開発した。効率はわずか4％であることが判明しましたが、そのようなバッテリーは+ 80°Cでも10,000時間動作できます。これらの研究はまだ完了していません。

スイスの科学者は、ポリマーベースで 20.4% の効率を達成し、インジウム、銅、セレン、ガリウムが半導体として使用されました。今日、これは薄いポリマーフィルム上の要素の記録です。

日本では、同様の（インジウム、セレン、銅）スパッタ堆積半導体で 19.7% の効率を達成しました。そして日本ではソーラーファブリックの生産を開始し、ファブリックに取り付けられた直径約1.2ミリメートルの円筒状の要素を使用した布製ソーラーパネルが開発されました。 2015 年の初めに、これに基づいて衣類と日よけの生産を開始する予定でした。

近い将来、薄膜太陽電池パネルがついに一般に普及することは明らかであり、コスト削減のために世界中で多くの研究が行われているのも当然です。