Avots: www.energy.gov
Kad gaisma spīd uz fotoelementu (PV) šūnas, ko sauc arī par saules elementu, šī gaisma var tikt atstarota, absorbēta vai iziet tieši caur šūnu. PV šūna sastāv no pusvadītāju materiāla; “daļēji” nozīmē, ka tas var vadīt elektrību labāk nekā izolators, bet ne tik labi kā metāls. PV šūnās tiek izmantoti vairāki dažādi pusvadītāju materiāli.
Kad pusvadītājs ir pakļauts gaismai, tas absorbē gaismas enerģiju un pārnes to uz negatīvi lādētām daļiņām materiālā, ko sauc par elektroniem. Šī papildu enerģija ļauj elektroniem plūst caur materiālu kā elektrisko strāvu. Šī strāva tiek iegūta caur vadošiem metāla kontaktiem-režģiem līdzīgām saules bateriju līnijām-un pēc tam to var izmantot, lai darbinātu jūsu māju un pārējo elektrotīklu.
PV elementa efektivitāte ir vienkārši no šūnas izplūstošās elektroenerģijas daudzums, salīdzinot ar enerģiju, kas rodas no gaismas, kas uz tās spīd, un tas norāda, cik efektīvi šūna pārveido enerģiju no vienas formas uz otru. No PV šūnām saražotās elektroenerģijas daudzums ir atkarīgs no pieejamās gaismas īpašībām (piemēram, intensitātes un viļņu garuma) un vairākiem šūnas darbības raksturlielumiem.
Svarīga PV pusvadītāju īpašība ir joslas josla, kas norāda, kādus gaismas viļņu garumus materiāls var absorbēt un pārvērst elektriskā enerģijā. Ja pusvadītāja joslas sprauga atbilst gaismas viļņa garumam, kas spīd uz PV elementa, tad šī šūna var efektīvi izmantot visu pieejamo enerģiju.
Tālāk uzziniet vairāk par PV šūnām visbiežāk izmantotajiem pusvadītāju materiāliem.
SILIKONS
Silikonis, līdz šim visizplatītākais saules baterijās izmantotais pusvadītāju materiāls, kas veido aptuveni 95% no šodien pārdotajiem moduļiem. Tas ir arī otrs visbiežāk sastopamais materiāls uz Zemes (aiz skābekļa) un visizplatītākais pusvadītājs, ko izmanto datoru mikroshēmās. Kristāliskā silīcija šūnas ir izgatavotas no silīcija atomiem, kas savienoti viens ar otru, veidojot kristāla režģi. Šis režģis nodrošina sakārtotu struktūru, kas padara gaismas pārvēršanu elektrībā efektīvāku.
Saules baterijas, kas izgatavotas no silīcija, pašlaik nodrošina augstas efektivitātes, zemu izmaksu un ilgu kalpošanas laiku. Paredzams, ka moduļi kalpos 25 gadus vai ilgāk, pēc šī laika joprojām ražojot vairāk nekā 80% no sākotnējās jaudas.
Plānas filmas fotovoltāža
Plānas plēves saules bateriju izgatavo, nogulsnējot vienu vai vairākus plānus PV materiāla slāņus uz nesoša materiāla, piemēram, stikla, plastmasas vai metāla. Pašlaik tirgū ir divi galvenie plānslāņa PV pusvadītāju veidi: kadmija telurīds (CdTe) un vara indija gallija dislenīds (CIGS). Abus materiālus var uzklāt tieši uz moduļa virsmas priekšpuses vai aizmugures.
CdTe ir otrais izplatītākais PV materiāls aiz silīcija, un CdTe šūnas var izgatavot, izmantojot lētus ražošanas procesus. Lai gan tas padara tos par rentablu alternatīvu, to efektivitāte joprojām nav tik augsta kā silīcija. CIGS šūnām ir optimālas īpašības PV materiālam un augsta efektivitāte laboratorijā, taču sarežģītība, kas saistīta ar četru elementu apvienošanu, padara pāreju no laboratorijas uz ražošanu sarežģītāku. Gan CdTe, gan CIGS nepieciešama lielāka aizsardzība nekā silīcijam, lai nodrošinātu ilgstošu darbību ārpus telpām.
PEROVSKITE PHOTOVOLTAICS
Perovskitesolārās šūnas ir plānslāņa šūnu veids un nosauktas pēc tām raksturīgās kristāla struktūras. Perovskīta šūnas ir veidotas no materiālu slāņiem, kas ir iespiesti, pārklāti vai vakuumā nogulsnēti uz pamatnes atbalsta slāņa, kas pazīstams kāsubstrāts.Tos parasti ir viegli salikt un tie var sasniegt līdzīgu efektivitāti kā kristāliskais silīcijs. Laboratorijā perovskīta saules bateriju efektivitāte ir uzlabojusies ātrāk nekā jebkura cita PV materiāla - no 3% 2009. gadā līdz vairāk nekā 25% 2020. gadā. Lai būtu komerciāli dzīvotspējīgas, perovskīta PV šūnām ir jākļūst pietiekami stabilām, lai izdzīvotu 20 gadus ārpus telpām, tāpēc pētnieki strādā pie tā, lai padarītu tos izturīgākus, un izstrādā liela mēroga, zemu izmaksu ražošanas metodes.
ORGANISKĀ FOTOVOLTAIKA
Organiskās PV vai OPV šūnas sastāv no oglekli saturošiem (organiskiem) savienojumiem, un tās var pielāgot, lai uzlabotu īpašu PV šūnas funkciju, piemēram, joslas spraugu, caurspīdīgumu vai krāsu. OPV šūnas pašlaik ir tikai aptuveni uz pusi efektīvākas nekā kristāliskā silīcija šūnas, un tām ir īsāks darbības laiks, taču to ražošana lielos apjomos varētu būt lētāka. Tos var pielietot arī dažādiem palīgmateriāliem, piemēram, elastīgai plastmasai, padarot OPV spējīgu kalpot visdažādākajiem lietojumiem.
KVANTUMA PUNKTI
Kvantu punktu saules baterijas vada elektrību caur sīkām dažādu pusvadītāju materiālu daļiņām, kuru platums ir tikai daži nanometri, ko sauc par kvantu punktiem. Kvantu punkti nodrošina jaunu veidu, kā apstrādāt pusvadītāju materiālus, taču starp tiem ir grūti izveidot elektrisko savienojumu, tāpēc tie pašlaik nav ļoti efektīvi. Tomēr tos ir viegli izgatavot saules baterijās. Tos var novietot uz pamatnes, izmantojot spin-coat metodi, aerosolu vai ruļļu ruļļos printerus, piemēram, tos, ko izmanto laikrakstu drukāšanai.
Kvantu punkti ir dažāda izmēra, un to joslu josla ir pielāgojama, ļaujot tiem savākt grūti uztveramu gaismu un savienot tos pārī ar citiem pusvadītājiem, piemēram, perovskītiem, lai optimizētu daudzfunkciju saules elementu darbību (vairāk par tiem, kas sniegti zemāk).
DAUDZJUNKCIJAS FOTOVOLTAIKA
Vēl viena stratēģija, lai uzlabotu PV šūnu efektivitāti, ir vairāku pusvadītāju slāņošana makromultijunction saules baterijās. Šīs šūnas būtībā ir dažādu pusvadītāju materiālu kaudzes, atšķirībā no viena savienojuma šūnām, kurām ir tikai viens pusvadītājs. Katram slānim ir atšķirīga joslas josla, tāpēc katrs no tiem absorbē citu Saules spektra daļu, vairāk izmantojot saules gaismu nekā vienas krustojuma šūnas. Daudzfunkciju saules baterijas var sasniegt rekordlielus efektivitātes līmeņus, jo gaismu, kas netiek absorbēta pirmajā pusvadītāju slānī, uztver zem tā esošais slānis.
Lai gan visas saules baterijas ar vairāk nekā vienu joslas joslu ir daudzfunkcionālas saules baterijas, saules bateriju ar tieši divām joslas spraugām sauc par tandēma saules elementu. Daudzfunkciju saules baterijas, kas apvieno pusvadītājus no III un V kolonnas periodiskajā tabulā, sauc par daudzfunkciju III-V saules baterijām.
Daudzfunkciju saules bateriju efektivitāte ir augstāka par 45%, taču tās ir dārgas un grūti izgatavojamas, tāpēc tās ir paredzētas kosmosa izpētei. Militāristi bezpilota lidaparātos izmanto III-V saules baterijas, un pētnieki pēta citus to izmantošanas veidus, kur svarīga ir augsta efektivitāte.
KONCENTRĀCIJAS FOTOVOLTAIKA
Koncentrācijas PV, kas pazīstams arī kā CPV, fokusē saules gaismu uz saules elementu, izmantojot spoguli vai objektīvu. Koncentrējot saules gaismu uz nelielu platību, ir nepieciešams mazāk PV materiāla. PV materiāli kļūst efektīvāki, jo gaisma kļūst koncentrētāka, tāpēc visaugstākā kopējā efektivitāte tiek iegūta ar CPV šūnām un moduļiem. Tomēr ir nepieciešami dārgāki materiāli, ražošanas paņēmieni un spēja izsekot saules kustībai, tāpēc vajadzīgo izmaksu priekšrocību demonstrēšana salīdzinājumā ar šodienas' liela apjoma silīcija moduļiem ir kļuvusi izaicinoša.
