Källa: www.energy.gov
När ljuset lyser på en fotovoltaisk (PV) cell - även kallad en solcell - kan det ljuset reflekteras, absorberas eller passera rakt igenom cellen. PV -cellen består av halvledarmaterial; "semi" betyder att den kan leda elektricitet bättre än en isolator men inte lika bra som en bra ledare som en metall. Det finns flera olika halvledarmaterial som används i PV -celler.
När halvledaren exponeras för ljus, absorberar den ljusets energi och överför den till negativt laddade partiklar i materialet som kallas elektroner. Denna extra energi gör att elektronerna kan flöda genom materialet som en elektrisk ström. Denna ström extraheras genom ledande metallkontakter-de nätliknande linjerna på en solcell-och kan sedan användas för att driva ditt hem och resten av elnätet.
Effektiviteten hos en PV -cell är helt enkelt mängden elektrisk kraft som kommer ut ur cellen jämfört med energin från ljuset som lyser på den, vilket indikerar hur effektiv cellen är vid omvandling av energi från en form till den andra. Mängden elektricitet som produceras från PV -celler beror på egenskaperna (såsom intensitet och våglängder) hos det tillgängliga ljuset och cellens flera prestandaattribut.
En viktig egenskap hos PV -halvledare är bandgapet, som anger vilka ljusvåglängder materialet kan absorbera och omvandla till elektrisk energi. Om halvledarens bandgap matchar ljusets våglängder som lyser på PV -cellen, kan den cellen effektivt utnyttja all tillgänglig energi.
Läs mer nedan om de vanligaste halvledarmaterialen för PV-celler.
KISEL
Kisel är överlägset det vanligaste halvledarmaterialet som används i solceller, vilket motsvarar cirka 95% av modulerna som säljs idag. Det är också det näst mest förekommande materialet på jorden (efter syre) och den vanligaste halvledaren som används i datorchips. Kristallina kiselceller är gjorda av kiselatomer anslutna till varandra för att bilda ett kristallgitter. Detta gitter ger en organiserad struktur som gör omvandling av ljus till elektricitet mer effektiv.
Solceller tillverkade av kisel ger för närvarande en kombination av hög effektivitet, låg kostnad och lång livslängd. Modulerna förväntas hålla i 25 år eller mer och producera fortfarande mer än 80% av sin ursprungliga effekt efter denna tid.
TUNNFILM FOTOVOLTAIK
En tunnfilms solcell tillverkas genom att ett eller flera tunna lager av PV-material avsätts på ett bärande material som glas, plast eller metall. Det finns två huvudtyper av tunnfilms PV-halvledare på marknaden idag: kadmiumtellurid (CdTe) och koppar indiumgalliumdiselenid (CIGS). Båda materialen kan deponeras direkt på antingen framsidan eller baksidan av modulytan.
CdTe är det näst vanligaste PV-materialet efter kisel, och CdTe-celler kan tillverkas med låga tillverkningsprocesser. Även om detta gör dem till ett kostnadseffektivt alternativ, är deras effektivitet fortfarande inte lika hög som kisel. CIGS -celler har optimala egenskaper för ett PV -material och hög effektivitet i labbet, men komplexiteten i att kombinera fyra element gör övergången från lab till tillverkning mer utmanande. Både CdTe och CIGS kräver mer skydd än kisel för att möjliggöra långvarig drift utomhus.
PEROVSKITE FOTOVOLTAIK
Perovskitesolära celler är en typ av tunnfilmscell och är uppkallade efter sin karakteristiska kristallstruktur. Perovskitceller är byggda med lager av material som trycks, beläggs eller vakuumavsätts på ett underliggande stödlager, känt somsubstrat.De är vanligtvis lätta att montera och kan nå verkningsgrader som liknar kristallint kisel. I laboratoriet har perovskits solcellseffektivitet förbättrats snabbare än något annat PV -material, från 3% 2009 till över 25% 2020. För att vara kommersiellt gångbara måste perovskit PV -celler bli tillräckligt stabila för att överleva 20 år utomhus, så forskare arbetar med att göra dem mer hållbara och utveckla storskaliga, billiga tillverkningstekniker.
ORGANISK FOTOVOLTAIK
Organiska PV- eller OPV-celler består av kolrika (organiska) föreningar och kan skräddarsys för att förbättra en specifik funktion hos PV-cellen, såsom bandgap, transparens eller färg. OPV -celler är för närvarande bara ungefär hälften så effektiva som kristallina kiselceller och har kortare livslängd, men kan vara billigare att tillverka i stora volymer. De kan också appliceras på en mängd olika stödmaterial, till exempel flexibel plast, vilket gör OPV kapabel att använda en mängd olika användningsområden.
KVANTPRICKAR
Quantum dot -solceller leder elektricitet genom små partiklar av olika halvledarmaterial bara några nanometer breda, kallade kvantprickar. Quantum dots ger ett nytt sätt att bearbeta halvledarmaterial, men det är svårt att skapa en elektrisk anslutning mellan dem, så de är för närvarande inte särskilt effektiva. De är dock lätta att göra till solceller. De kan läggas på asubstrat med en spin-coat-metod, en spray eller rull-till-rull-skrivare som de som används för att skriva ut tidningar.
Quantum prickar finns i olika storlekar och deras bandgap är anpassningsbar, så att de kan samla in ljus som är svårt att fånga och att kunna kopplas ihop med andra halvledare, som perovskiter, för att optimera prestanda för en multifunktionssolcell (mer om dem nedan).
MULTIJUNCTION PHOTOVOLTAICS
En annan strategi för att förbättra PV -cellseffektiviteten är att lägga flera halvledare på lager för att göra flera solceller. Dessa celler är i huvudsak staplar av olika halvledarmaterial, till skillnad från celler med en korsning, som bara har en halvledare. Varje lager har en annan bandgap, så de absorberar var och en en annan del av solspektrumet, vilket gör att solljuset används bättre än celler med en korsning. Flerfunktionella solceller kan nå rekordeffektivitetsnivåer eftersom ljuset som inte absorberas av det första halvledarlagret fångas upp av ett lager under det.
Medan alla solceller med mer än en bandgap är flerfunktionssolceller, kallas en solcell med exakt två bandgap en tandemsolcell. Flerfunktionssolceller som kombinerar halvledare från kolumnerna III och V i periodperioden kallas multijunction III-V solceller.
Flerfunktionella solceller har visat effektivitet högre än 45%, men de är dyra och svåra att tillverka, så de är reserverade för utforskning av rymden. Militären använder III-V solceller i drönare, och forskare undersöker andra användningsområden för dem där hög effektivitet är nyckeln.
KONCENTRATIONSFOTOVOLTAIK
Koncentration PV, även känd som CPV, fokuserar solljuset på en solcell med hjälp av en spegel eller lins. Genom att fokusera solljuset på ett litet område krävs mindre PV -material. PV -material blir mer effektiva när ljuset blir mer koncentrerat, så den högsta totala effektiviteten uppnås med CPV -celler och moduler. Dock krävs dyrare material, tillverkningsteknik och förmåga att spåra solens rörelser, så att demonstrera de nödvändiga kostnadsfördelarna jämfört med dagens': s högvolyms kiselmoduler har blivit utmanande.
