О некоторых особенностях современного состояния тонкопленочной солнечной энергетики
Рассмотрены параметры фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) различных типов и прогноз развития. Обзор крупнейших солнечных станций в мире. Крупнейшие производители тонкопленочных ФЭП и их мощности производства. ФЭП на основе теллурида кадмия.
Рубрика | Физика и энергетика |
Вид | статья |
Язык | русский |
Дата добавления | 16.11.2018 |
Размер файла | 1,6 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
О некоторых особенностях современного состояния тонкопленочной солнечной энергетики
С.И. Плеханов, М.Б. Каган, д.т.н., А.В. Наумов
НПП «Квант»
Н.А. Кульчицкий, д.т.н.
Московский государственный институт радиотехники,
электроники и автоматики
Солнечная энергетика сегодня
В 2012 г. в мире было введено в действие фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) разных типов общей мощностью около 35 гВт. Распределение инсталлированных в 2010 г. ФЭП по технологиям приведено на рисунке 1a. (производство ФЭП, накапливаемых на складах, существенно выше, в отрасли наблюдается кризис перепроизводства). К 2020 г. ожидается значительный рост инсталлированных ФЭП всех типов (рис. 1б) [1 - 3].
Рис.1. Структура солнечного рынка в 2010 г. (а) и прогноз на 2020 г. (б)
В настоящее время, помимо доминирующих на рынке кристаллических объемных моно- и мульти- ФЭП (c-Si), различают следующие типы ФЭП:
- различные технологии выращивания тонкостенных заготовок: EFG (Edge defined film-fed crystal growth technique), S-web и др. КПД 13 - 17 %,
- кремниевые аморфные -Si. КПД - 6,7 % (макс 13 %),
- микрокристаллические м-Si (иногда их называют тандемные аморфно-микроморфные a-Si/µSi) - 9,3 % (макс 21,4 %),
- на основе теллурида кадмия (CdTe); КПД - 12 - 13 % (макс 18,7 %)
- на основе селенида меди-индия-(галлия) CI(G)S; КПД - 11 - 15 % (макс 19,5 %),
- на основе каскадных структур GaAs/Ge. КПД - 32 - 37 % (макс 41,2 %);
- сенсибилизованные красителем (dye-sensitized solar cell, DSC);
- органические (полимерные) ФЭП (OPV);
- неорганические тонкопленочные (ТП) ФЭП, например, на кристаллическ. c- Si.
Достигнутые показатели и прогнозы параметров ФЭП различных типов сведены в табл. 1.
Таблица 1
Параметры ФЭП различных типов и прогноз развития [4]
2007 |
2010 |
2015 |
2020 |
|||
КПД % |
Объемные ФЭП на кристаллич. c- Si |
13-18 |
15-20 |
16-21 |
20-25 |
|
ТП ФЭП на CdTe |
- |
11 |
12 |
15 |
||
ТП ФЭП на CIGS |
- |
10 |
11-12 |
18-20 |
||
ТП ФЭП на -Si |
6-8 |
8-10 |
10-12 |
- |
||
ТП ФЭП тандемные на a-Si/µSi |
- |
- |
10-12 |
12-15 |
||
ТП ФЭП на GaAs/Ge с концентраторами |
20 |
20-25 |
25-30 |
30-35 |
||
ТП ФЭП сенсибилизованные краситилем (DSC) |
НИР |
прототипы |
массовое пр-во |
|||
ТП органические ФЭП (OPV) |
НИР |
прототипы |
массовое пр-во |
|||
ТП ФЭП на кристаллич. c- Si |
НИР |
прототипы |
||||
Время жизни модуля (лет) |
20 |
20-25 |
25-30 |
35-40 |
Значительную часть ФЭП, произведенных в 2011 г., составляли ТП ФЭП: теллурид кадмия (CdTe) - 7 %, селенид меди и (галлия) индия (CIS/CIGS) - 2 %, аморфный кремний (-Si) и другие - 6 %. Основные преимущества ТП ФЭП, по сравнению с Si- ФЭП (по крайней мере, по состоянию на начало 2012 г.), состояли в следующем:
- более низкая удельная стоимость и более низкий расход материалов.
- возможность производства устройств больших площадей.
- меньшее количество технологических операций (боле 30 операций для c-Si ФЭП, около 20ти - для ТП ФЭП), более дешевые подложки (стекло, фольга из нержавеющей стали, полимеры)
- способность принимать рассеянный и слабый солнечный свет намного более эффективно, чем кристаллические Si батареи.
- малые затраты на формирование последовательных цепей из тонкопленочных солнечных элементов
- возможность создания тонкопленочных источников энергии, интегрированных в здание (окна, крыши)
Кроме того, ТП ФЭП имеют высокую температурную устойчивость - снижение к.п.д. при повышении температуры для всех типов ТП ФЭП существенно ниже, чем у c-Si ФЭП (рис. 2).
Поэтому по состоянию на начало 2013 г. большинство крупнейших солнечных станций в мире строились на базе ТП ФЭП (табл. 2) [12].
Таблица 2
Крупнейшие солнечные станции, строящиеся в 2012 г.
№№ |
Застройщик |
Производитель ФЭП |
Мощность (МВтпик) |
Страна |
Тип ТП ФЭП |
|
1. |
Topaz Solar Farm |
First Solar |
550 |
США |
CdTe |
|
2. |
Desert Sunlight Solar Farm |
First Solar |
550 |
США |
CdTe |
|
3. |
Agura Caliente Solar Project |
First Solar |
20 |
США |
CdTe |
|
4. |
California Valley Solar Ranch |
SunPower |
250 |
США |
c-Si |
|
5. |
AV Solar Ranch One |
First Solar |
230 |
США |
CdTe |
|
6. |
Copper Mountain Solar Two |
Sempra US Gas&Power |
150 |
США |
CdTe |
|
7. |
Imperial Solar Energy Center |
Tanasaka Solar Ventures |
130 |
США |
CdTe |
Стоит отметить, однако, что крупнейшая, введенная в действие в 2012 г. солнечная станция, расположенная в Украине «Перово» мощностью 100 мВт, построена на базе c-Si ФЭП.
Рис. 2. Снижение КПД ФЭП-ов, изготовленных по разным технологиям, при повышении температуры [3]
Многие исследователи прогнозируют дальнейший рост доли ТП ФЭП, так, на рис. 1 б представлена ожидаемая к 2020 г. структура солнечного рынка по типам ФЭП, где видно увеличение рынка ТП ФЭП, как в абсолютных, так и в относительных цифрах [1 - 3]. Однако, существенные изменения в экономике солнечной энергетики, а именно - резкое снижение стоимости производства c-Si ФЭП, произошедшее в 2011-2012 гг., поставило под сомнение безусловное в ближесрочной перспективе стоимостное лидерство ТП ФЭП, которое традиционно было сильной стороной этого класса ФЭП.
Структура рынка ТП ФЭП в 2012 году и устройство ТП ФЭП
Если принять весь рынок ТП ФЭП за 100 %, то удельные доли различных техно-логий, рассчитанных по производственным мощностям, приведены на рис. 3. Видно, что лидирующей технологий по состоянию на 2012 г. являлась CdTe-ФЭП, на втором месте - тандемные микрокристаллические a-Si/µSi, а третьем - классические -Si ФЭП.
Рис. 3. Структура рынка ТП ФЭП на 2012 г. [3].
Общее количество предприятий, производящих ТП ФЭП, достаточно велико и исчисляется несколькими десятками (по состоянию на 2012 г.). Крупнейшие из них приведены на рис. 4.
Рис. 4. Крупнейшие производители ТП ФЭП и их мощности производства на 2012 г. [12].
ФЭП на основе теллурида кадмия
Теллурид кадмия представляет из себя прямозонный полупроводник с шириной запрещенной зоны 1,45 eV c высоким коэффициентом оптического поглощения (> 5 Ч 10-4 см?1) и поэтому является очень привлекательным материалом для создания ФЭП. Достаточно слоя 5 - 10 мкм для эффективного преобразования солнечной энергии, что позволяет значительно сократить расход материала и уменьшить затраты на производство ФЭП (рис. 5).
Применяемые методы получения тонких слоев сведены в табл. 3.
Таблица 3
Методы производства тонкопленочных ФЭП на основе СdTe
Технология |
Компания |
|
Сублимация в замкнутом объеме (CSS) |
First Solar, Antec Solar |
|
Электроосаждение |
BP Solar |
|
Трафаретная печать |
Matsushita |
Рис. 5. Структура ТП ФЭП на CdTe.
В последние годы взрывообразно растет применение теллурида кадмия при создании тонкопленочных ФЭП (табл. 4). Лидером в производстве таких ФЭП на CdTe является First Solar (США), компания, которая первой сделала производство ТП ФЭП массовым и с больших отрывом удерживает лидерство среди других компаний. Для формирования поглощающего слоя CdTe на стеклянной подложке First Solar использует технологию «сублимации в замкнутом объеме» (CSS), при этом в качестве сырья для сублимации может использоваться как порошок, так и спрессованные «таблетки» CdTe [9]. Рекордные КПД, достигнутые Firs Solar в 2013 г. составляют: для ФЭП - 18.7 %, для панели - 14.4 %. Рост производства имеет ограничение в виде лимитированных запасов теллура, которые можно быстро вовлечь в хозяйственной оборот.
Таблица 4
Основные производители ФЭП на CdTe и их мощности на 2011-2012 гг., мВт
Компания |
Мощности (МВт) |
|
First Solar, США |
2370 |
|
Calyxo GmbH, Германия |
60 |
|
Xunlight 26 Solar, США |
20 |
|
Abond Solar, США |
200 |
|
Solar EPIR Technologies, США |
40 |
|
PrimeStarSolar, США |
200 |
ФЭП на слоях диселенида меди-индия (CIGS)
Полупроводники АIВIIICVI2 относятся к полновалентным четырех-электронным химическим соединениям и являются ближайшими электронными и кристаллографическими аналогами полупроводниковых материалов типа АIIВVI . Высокая способность к поглощению солнечного излучения у плёнок CuInSe2 (CIS) позволяет создавать ТП ФЭП (рис. 6) с КПД до 11 - 13 %. В 2012 г. компания Solar Frontier совместно с исследовательской компанией NEDO, сообщили о достижении КПД 19.7 % для CIS ТП ФЭП. Добавка галлия - Cu(In,Ga)Se2 (такой материал называют CIGS) увеличивает ширину запрещенной зоны, что приводит к росту напряжения холостого хода и, следовательно, повышению КПД. Это повысило эффективность лучших образцов данных ФЭП до уровня Si-ФЭП. В 2012 г. компания Manz AG (Германия) сообщила о достигнутых исследовательскими компаниями Baden-Wьrttemberg Center for Solar Energy и Hydrogen Research (ZSW) КПД 20.3 %., что является рекордом для лабораторных ФЭП на CIGS. Лидером в 2012 г. по выпуску CIGS ФЭП является, по-видимому, MiaSole (принадлежит Haenergy) c КПД 15.5 %, достигнутым на гибкой CIGS-панели площадью 1.68 м2.
Рис. 6. Структура ТП ФЭП на CIGS
Рядом исследователей ожидается ежегодный прирост рынка ФЭП на основе CIGS более 40 % в год в период до 2015 г., однако это может лимитироваться существующей сырьевой базой, в первую очередь по индию [5, 14]. Некоторые производители ФЭП на CIS/CIGS приведены в таблице 5.
Таблица 5
Наиболее крупные компании, выпускающие ФЭП на CI(G)S
Компания |
Мощность (МВтпик) |
|
Solar Frontier, Япония |
577 |
|
Nanosolar, США |
10 |
|
MiaSole, США |
60 |
|
Avancis , Франция |
25 |
|
Global Solar Energy, США |
19 |
|
Solibro |
95 |
|
OrderSun, Германия |
30 |
|
SoloPower, США |
20 |
|
Sulfurcell Solartechnik, Германия |
14 |
|
Wurth Solar, Германия |
30 |
ФЭП на слоях аморфного (аморфно-миркоморфного) кремния
Аморфный кремний (a-Si:Н) является более дешевой альтернативой монокристаллическому кремнию. Оптическая ширина запрещенной зоны a-Si:Н 1.7 эВ близка к значению, обеспечивающему получение максимальной эффективности (1.5 эВ). Оптическое поглощение аморфного кремния в 20 раз выше, чем кристаллического, поэтому для существенного поглощения видимого света достаточно пленки а-Si:Н толщиной всего 0,5-1,0 мкм. Кроме того, благодаря существующим технологиям получения тонких пленок аморфного кремния исключаются операции резки, шлифовки и полировки. По сравнению с кремниевыми элементами изделия на основе a-Si:Н производят при более низких температурах (300° С): можно использовать дешевые стеклянные или металлические подложки, что сократит расход кремния в 20 раз. Максимальный КПД экспериментальных элементов на основе а-Si:Н ? 12 %, но возможно с развитием технологии в ближайшие годы достигнет теоретического предела, равного 16 %.
Рис. 7. Структура однокаскадного ТП ФЭП с p-i-n структурой на а- Si:Н.
Наиболее простые конструкции ФЭП из а-Si:Н были созданы на основе структуры металл-полупроводник (диод Шотки) или с p-i-n-структурой (рис. 7) [11], при этом используется ограниченная часть солнечного спектра. Для повышения эффективности преобразования солнечной энергии используются многослойные структуры состоящие из двух и более СЭ, из материалов с различной шириной запрещенной зоны (рис. 8), называемые многопереходными, каскадными или тандемными [7], поглощающими значительно большую часть солнечного спектра.
Основное направление исследований в области каскадных элементов связано с использованием арсенида галлия. Эффективность преобразования подобных ФЭП достигает 35 %. Кроме того, в каскадных элементах широко применяются аморфный кремний, сплавы на его основе (a-Si1-xCx:H, a-Si1-xGex:H), а также CuInSe2 [10].
Рис. 8. Эволюция развития каскадных ФЭП на a-Si:H, µc-SiH и Si-Ge
В России ОАО «Роснано» и группой «Ренова» в 2009 - 2012 гг. создано производство солнечных батарей по основе аморфно-микроморфного кремния. Общий объем финансирования - 20.1 млрд. руб. Доля РОСНАНО в уставном капитале ООО «Хевел» составляет 49 %, «Реновы» - 51 %. Компания открывает в городе Новочебоксарск (Чувашия) предприятие мощностью 130 мВт/год (более 1 миллиона солнечных модулей в год). Дата пробного пуска предприятия - 1 июля 2013 года, после которого еще 2 - 3 месяца понадобится для получения необходимой технической документации, и 1 ноября 2013 г. Начало выпуска продукции намечено на 1 ноября 2013 г.
ФЭП на основе соединений А3В5
В начале 1960-х годов были созданы первые ФЭП на основе кристаллического GaAs. Уступая в эффективности кремниевым, новые ФЭП были способны долго работать в космосе при значительном нагреве и радиационном воздействии. Появление ФЭП с гетероструктурой AlGaAs-GaAs позволило резко увеличить КПД, в том числе при концентрированном излучении. Гетероструктуры создают методом газофазной и молекулярной эпитаксия из паров металлоорганических соединений. Новым этапом явилось создание каскадных ФЭП на кристаллической подложке из Ge, который намного дешевле и механически прочнее GaAs. Толщина фотоактивной области гетероструктуры составляет около 1 мкм. Последовательное соединение гетерослоёв, высокочувствительных к разным длинам волн солнечного света (рис. 9), осуществляется посредством туннельных р-п-переходов. С увеличением числа каскадов фотоактивную область ФЭП можно делать всё тоньше и при этом снижаются требования к объёмным свойствам используемых полупроводников. Современный солнечный элемент на основе А3В5 представляет собой несколько эпитаксиальных слоев легированного GaInP, GaInAs или AlGaInP на подложке из Ge [8].
Трёхкаскадные ФЭП с КПД более 25 % нашли практическое применение в наземных электростанциях. Эти ФЭП представляют собой низкодефектные структуры из микронных, субмикронных и наноразмерных слоев.
При производстве современных ФЭП определяющую роль играют прецизионные маскографические и фотолитографические методы для формирования микронных и субмикронных топографических рисунков. Например, трехкаскадные ФЭП (рис. 9) включают в себя три фотоактивные области, выполненные из трёх полупроводников GaInP/GaAs/Ge с шириной запрещенной зоны, уменьшающейся от фронтальной освещаемой поверхности фотопреобразователя в сторону его тыльной поверхности. Дальнейшее увеличение КПД ФЭП связывается с разработкой ФЭП с 4,5 и более переходами и с применением в элементах квантовых ям или точек [8, 11]. При большем количестве субэлементов и использовании новых материалов возможно дальнейшее увеличение КПД [8, 11]. Количество компаний, занимающихся разработкой ТП ФЭП с высоким КПД основе A3B5 на Ge-подложке существенно меньше. В их число входят Sharp (Япония), Emcore Photovoltaics (США), AZUR Space GmbH(Германия), Spectrolab (США), ОАО «НПП «Квант» и ОАО «Сатурн» (Россия) [14].
Рис. 9. Структура 3-х каскадного элемента на основе А3В5.
ТП ФЭП на основе органических и гибридных материалов
Среди разрабатываемых ТП ФЭП следующего поколения важное место занимают батареи, использующие органические и гибридные материалы [6]. Перспективными являются пластиковые солнечные батареи, в которых в качестве рабочих материалов используются смеси органических полупроводников p- и n-типов, хорошо растворимые в органических растворителях. Благодаря этому они могут наноситься методом печати на гибкие полимерные подложки. Эта технология разработана и находится на стадии коммерциализации у многих западных компаний.
Есть две основные конфигурации органических ФЭП: это батареи планарного типа, в которых фотоактивные компоненты наносятся отдельными слоями и батареи с объёмным гетеропереходом, в которых есть только один фотоактивный слой, представляющий смесь донора и акцептора (рис. 10).
В батареях обоих типов под действием света происходит фотоиндуцированный перенос электрона от донорного соединения к акцепторному. В слоистых ячейках этот процесс протекает на границе раздела слоев донора и акцептора. В батареях с объёмным гетеропереходом разделение зарядов происходит по всему объёму активного слоя батареи на чрезвычайно сильно развитой поверхности, разделяющей фазы донора и акцептора. Структуру объёмного гетероперехода можно представить себе в виде двух взаимопроникающих трёхмерных сетей из донорных и акцепторных материалов в активном слое. После разделения зарядов электроны будут перемещаться к электроду в слое акцепторного материала (материала n-типа), а дырки ? в слое донорного материала (p-типа).
а) б)
Рис. 10. Структура типичной планарного ФЭП (а) и батареи c объёмным гетеропереходом (б) [6]
Существенный прогресс в создании эффективных ФЭП планарного типа достигнут при использовании фуллерена C60 в качестве акцепторного материала в солнечных батареях в комбинации с фталоцианинами металлов (MPc). Сообщается об эффективностях преобразования света 2,0 - 2,5 % для систем C60/MPc (M=Cu, Zn) по состоянию на конец 2012 г.
На сегодняшний день лучшими материалами для органических солнечных батарей типа объёмный гетеропереход являются соединения фуллеренов (n-тип) и полисопряженные полимеры (p-тип).
Рис. 11. Молекулярные формулы материалов, наиболее часто используемых для батарей с объёмным гетеропереходом [6].
В течение последних лет во всех модельных органических солнечных батареях использовалась система [60] РСВМ/MDMO-PPV, где [60] РСВМ -- это циклопропановое производное C60, а MDMO-PPV -- замещённый парафенилен-винилен (рис. 11). Максимальная эффективность преобразования света для этой системы составляет 2,5 - 2,6 % при оптимизации всех её параметров, что близко к теоретическому максимуму для системы [60] РСВМ/MDMO-PPV. Повышения плотности фототока ФЭП удалось добиться путём замены акцепторного материала на основе фуллерена C60 на аналогичное соединение C70 ? РСВМ [70] с более широким спектром поглощения в видимой области, что позволило улучшить светопоглощение в активном слое батареи и увеличить КПД до 3,0 %.
Следующим шагом на пути развития органической фотоэнергетики стало использование региорегулярных поли(3-алкилтиофенов) в качестве донорных материалов, в частности, поли(3-гексилтиофена) (Р3НТ) [6], важным преимуществом которого является самоорганизация в плёнках при повышенных температурах с образованием так называемых ламинарных структур с очень высокой подвижностью дырок до 10?2см2/Вс. Основным же преимуществом Р3НТ перед MDMO-PPV является более широкий спектр поглощения (почти до 700 нм) в плёнках, что позволяет достигать плотностей тока ФЭП до 11 - 12 мA/см2. Максимальная эффективность оптимизированных устройств на основе системы Р3НТ/РСВМ немного превышает 4,0 % (теоретический максимум ~ 4,5 %.
В последние годы большое внимание уделяется разработке солнечных батарей с использованием гибридных материалов на основе полупроводниковых нанокристаллов или коллоидных квантовых точек (ККТ), обладающих уникальными оптическими и электронными свойствами. Изменяя размер ККТ, можно изменять ширину запрещённой зоны оптимизируя поглощение солнечного излучения, а также контролировать перенос заряда через границу раздела. Кроме того, ККТ обладают высоким коэффициентом поглощения, высокой подвижностью носителей заряда, высокой фотостабильностью по сравнению с органическими хромофорами, а также могут быть приготовлены в больших количествах. Одним из преимуществ использования ККТ является то, что такие батареи могут быть изготовлены с помощью рулонных технологий (roll-to-roll).
В настоящее время исследуются несколько разных конструкций солнечных батарей с использованием ККТ, в частности, гибридные солнечные батареи на основе объёмного гетероперехода «сопряжённый полимеp- ККТ, солнечные батареи на гетеропереходе полупроводник-полупроводник, когда в активном слое смешиваются два типа ККТ, и солнечные батареи на ФЭП, сенсибилизированных красителем, в которых ККТ выполняют роль спектрального сенсибилизатора [6 - 8].
Заключение
Основные тенденции развития технологий, применения и рынка ФЭП показывают, что у них есть многообещающее будущее. Пока солнечная энергетика, по состоянию на начало 2013 г. в целом является отраслью, которую поддерживают государства развитых стран, компенсируя потребителям (по разным механизмам) более высокую стоимость «солнечного» кВт·часа. Но уже в период 2013 - 2014 гг. во многих районах мира (в первую очередь на юге Европы и США, а также в южных провинциях Японии и Китая) стоимость «солнечного» кВт•часа уже сравняется со стоимостью традиционного значения этого параметра. Производителей стимулирует потенциально гигантский рынок солнечных батарей, в том числе устанавливаемых на крышах зданий. Растущий интерес к изделиям фотовольтаики для космонавтики, телекоммуникаций и портативных источников питания также является ключевым фактором развития отрасли в целом. Основные усилия исследователей сосредоточены на повышении эффективности фотоэлектрического преобразования, снижении стоимости материалов и производства, повышении надежности приборов, на внедрении новых тонкопленочных технологий вместе с развитием моно- и поликристаллических Si технологий, пока доминирующих на рынке.
До 2012 г. рост изделий тонкопленочной фотоэнергетики составлял 40 % ежегодно. В силу невысокой стоимости производства ТП ФЭП считались лидерами низкой стоимости модулей по сравнению с кремниевыми пластинами. Несмотря на меньший КПД, в ряде конкретных случаев, строительство крупной солнечной станции оказывалось выгоднее производить из ТП ФЭП, чем из более эффективных, но и более дорогих c-Si ФЭП (табл. 1).
В настоящее время промышленными являются 5 различных технологий ТП ФЭП: a-Si, a-Si/µc-Si (аморфно-микроморфные), CdTe, CIGS, многокаскадные пре-образователи на основе соединений А3В5 на Ge-подложке. Органические ТП ФЭП в 2013 г. только вступают в стадию коммерциализации. Продлятся и усилятся тенденции увеличения эффективности промышленно освоенных ТП ФЭП (рис. 12).
Продолжится развитие направление, связанного с CdTe ? по прогнозам оно останется лидером снижения стоимости и к 2017 г. достигнет себестоимости производства 0.48 $\Вт. По прогнозам, к 2017 г. CIGS достигнет себестоимости производства 0.50 $/Вт, практически сравнявшись по экономическим показателям с сегодняшним лидером - c-Si. CdTe и CIGS имеют хорошие перспективы, которые ограничены наличием используемых материалов - теллуром, индием, галлием [9, 14].
Однако, кризис перепроизводства (рис. 13, сплошная кривая) в солнечной индустрии, который начался в 2011 - 2012 гг. и продлится, как минимум, до 2016 г., заставил производителей c-Si ФЭП резко снизить производственные затраты. Основой для этого послужило значительное перепроизводство и резкое удешевление поликристаллического Si (рис. 13, пунктирная кривая). Производители Si-ФЭП (моно- и мульти) к 2016-2017 г. по прогнозам сравняются по удельным экономическим показателям производства с ТП ФЭП. При этом стоит отметить, что более низкая капиталоемкость производства ТП ФЭП остается их неизменным конкурентным преимуществом.
В связи с кризисом перепроизводства в солнечной энергетике, который особенно сильно проявился в области c-Si ФЭП, цены на них стали падать быстрее, чем ожидалось ранее (рис. 14). При этом достигнутый в промышленных масштабах высокий КПД c-Si ФЭП остается сильным конкурентным преимуществом этого класса ФЭП.
Представляется, что из изложенного можно сделать два вывода:
? в среднесрочной перспективе, как объемные ФЭП на основе c-Si, так и ТП ФЭП различных типов, останутся в равной мере «мэйнстримом» коммерческого развития солнечной энергетики, занимая каждый свою нишу без преимуществ одного из направлений. Однако в каждой «ветви» развития солнечной энергетики обострится процесс слияний, поглощений, выбывания наиболее неэффективных производителей.
- ТП ФЭП, видимо, смогут обрести ранее обещанное рядом аналитиков экономическое и технологическое преимущество не в ближнесрочной перспективе, а когда получит промышленное развитие ТП ФЭП следующего поколения: каскадные ТП ФЭП на основе твердых растворов Si-Ge, органические ТП ФЭП и пр. Дальнейшее развитие получат также каскадные ТП ФЭП на основе А3В5. Для повышения КПД и улучшения экономических показателей будут разработаны гетероструктуры нового поколения с использованием квантово-размерных слоев и новых материалов, как в активных областях, так и в коммутирующих их туннельных диодах. Прогнозы о росте КПД ФЭП основаны на возможности дальнейшего совершенствования их конструкции и улучшения качества полупроводникового слоя. Для уменьшения всех видов потерь энергии в ФЭП будут применяться:
Рис. 12. Прогноз роста среднего промышленного к.п.д. ТП ФЭП различных типов [14].
Рис. 13. Ожидаемое производство ФЭП (всех типов) и их возможная инсталляция 12].
тонкопленочный солнечный энергетика фотоэлектрический
- использование полупроводников с оптимальной для солнечного излучения шириной запрещённой зоны;
- направленное улучшение свойств полупроводниковой структуры путём создания встроенных электрических полей;
- переход от гомогенных к гетерогенным и варизонным полупроводниковым структурам;
- оптимизация конструктивных параметров ФЭП (глубины залегания p-n-перехода, толщины базового слоя, частоты контактной сетки и др.);
- применение многофункциональных оптических покрытий, обеспечивающих просветление, терморегулирование.
Рис. 14. Сравнительная цена ТП ФЭП по разным технологиям и прогноз [12].
Литература
1. Renewables Global Status Report 2010. RNE21, 2011 // www. REN21.net/reports.
2. Наумов А.В., Плеханов С.И. «О сырьевых ограничениях развития солнечной энергетики в 2012-2020 гг.»//IX Международная Конференция по актуальным проблемам физики, материаловедения, технологии и диагностики кремния, наноразмерных структур и приборов на его основе («Кремний-2012»), С-П., 10 - 13 июля 2012 г, с. 120 - 121.
3. “Solar PV markets and Industry Today and Tomorrow, Global Vision”//EuDP Recearch, 2011// http://eupd-research.com/.reports
4. Global Trends in Sustainable Energy Investment 2010. Bloomberg New Energy Finance, 2010.
5. US Geological Survey Publications, http://minerals. usgs. gov.
6. Разумов В.Ф., Алфимов М.В. Прогресс в области исследования и разработок органических и гибридных материалов для нанофотоники. Труды МФТИ. 2011, т. 3, № 4, с. 22 - 32.
7. Казанский А.Г. Фотоэлектрические свойства микрокристаллического кремния// Материалы электронной техники. Изв. ВУЗов, № 1, 2009, с. 12 - 21.
8. Алферов Ж.И., Андреев В.М., Румянцев В.Д. Тенденции и перспективы развития солнечной фотоэнергетики//Физика и техника полупроводников, 2004, т. 38, вып. 8, с. 937 - 948.
9. N. A. Kul'chitskii, and A. V. Naumov «State of Markets of Cadmium, Tellurium, and Related Compounds»//Russian Journal of Non_Ferrous Metals, 2010, Vol. 51, No. 6, pp. 500 - 506, 2010.
10. Мейтлин М. Фотовольтаика: материалы, технология перспективы Электроника: наука, технология, бизнес 2000, № 6, с. 40 - 46.
11. Жалнин Б.В., Каган М.Б., Семенов В.А. и др. Разработка и создание опытного производства наноструктурных каскадных ФЭП в системе А3В5//Автономная энергетика: технический прогресс и экономика, № 29, 2009, с. 12 - 22.
12. Thin Film 2012-2016: Technologies, Markets, and Strategies for Survival//Отчет http://www.greentechmedia.com/
13. Light S., Khaselev O., Ramakrishna P.A., Faiman D., Katz E.A., Shames A., Goren S. Fullerene Photoelectrochemical Solar Cells. - Solar Energy Materials and Solar Cells, 51(1998), p. 9 - 19.
14. Обзор рынка солнечных фотоэлементов на некремниевой основе и материалов для их производства в мире//М: «Инфомайн», 2011, 121 с.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Определение основных достоинств и недостатков солнечной энергетики при исследовании перспектив её развития. Изучение устройства и действия наземных солнечных установок и космических солнечных станций. Методические разработки темы "Солнечная энергетика".
курсовая работа [88,1 K], добавлен 27.01.2011Солнечная энергетика. История развития солнечной энергетики. Способы получения электричества и тепла из солнечного излучения. Достоинства и недостатки использования солнечной энергетики. Типы фотоэлектрических элементов. Технологии солнечной энергетики.
реферат [19,4 K], добавлен 30.07.2008Особенности развития солнечной энергетики в мире, возможность реализации такого оборудования на территории Республики Беларусь. Разработка базы данных для оценки характеристик и стоимости оборудования солнечной энергетики и его использования в РБ.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 02.05.2012Применение солнечных батарей: микроэлектроника, электромобили, энергообеспечение зданий и городов, использование в космосе. Эффективность фотоэлементов и модулей при правильном подборе сопротивления нагрузки. Производители фотоэлектрических элементов.
практическая работа [260,9 K], добавлен 15.03.2015Достоинства и недостатки солнечной энергетики. Направления научных исследований: фундаментальные, прикладные и экологические. Типы фотоэлектрических элементов: твердотельные и наноантенны. Альтернативное мнение на перспективы солнечной энергетики.
презентация [11,7 M], добавлен 21.01.2015Обзор технологий и развитие электроустановок солнечных электростанций. Машина Стирлинга и принцип ее действия. Производство электроэнергии с помощью солнечных батарей. Использования солнечной энергии в различных отраслях производства промышленности.
реферат [62,3 K], добавлен 10.02.2012Анализ мировых аспектов развития солнечной электроэнергетики. Изучение опыта развитых стран в сфере решения технических и экономических проблем эксплуатации солнечных электрических станций различных видов. Оценка положения дел в энергосистеме Казахстана.
дипломная работа [1,7 M], добавлен 07.07.2015Вольтамперная характеристика фотоэлемента. Анализ изменения эффективности различных типов полупроводниковых преобразователей солнечной энергии. Изучение параметров органических и гибридных фотоэлементов. Концепция объемного и планарного гетеро-перехода.
презентация [2,0 M], добавлен 25.11.2014Схема монохроматора, используемого для исследования фотоэлектрических свойств полупроводников. Экспериментальные результаты исследования спектральной зависимости фотопроводимости. Зависимость фотопроводимости сульфида кадмия от интенсивности облучения.
лабораторная работа [176,4 K], добавлен 06.06.2011Применение нетрадиционной энергетики в строительстве энергоавтономных экодомов. Четыре альтернативные системы получения энергии: установка "солнечных батарей" из фотоэлектрических панелей; солнечные коллекторы; ветроэнергетические установки и миниГЭС.
курсовая работа [2,5 M], добавлен 31.05.2013Производство электроэнергии различными способами. Фотоэлектрические установки, системы солнечного теплоснабжения, концентрирующие гелиоприемники, солнечные коллекторы. Развитие солнечной энергетики. Экологические последствия развития солнечной энергетики.
реферат [315,1 K], добавлен 27.10.2014История открытия солнечной энергии. Принцип действия и свойства солнечных панелей. Типы батарей: маломощные, универсальные и панели солнечных элементов. Меры безопасности при эксплуатации и экономическая выгода применения солнечной системы отопления.
презентация [3,1 M], добавлен 13.05.2014Определение тепловой мощности объекта. Построение годового графика теплопотребления. Интенсивность прямой и рассеянной солнечной радиации. Площадь солнечных коллекторов. Годовой график теплопоступления. Подбор бака-аккумулятора и котла-дублера.
курсовая работа [1,5 M], добавлен 11.01.2012Потенциал и сферы использования солнечной энергии, которая трансформируется в другие формы: энергию биомассы, ветра или воды. Механизм действия солнечных коллекторов и систем, тепловых электростанций, фотоэлектрических систем. Солнечная архитектура.
курсовая работа [420,7 K], добавлен 07.05.2011Состояние атомной энергетики. Особенности размещения атомной энергетики. Долгосрочные прогнозы. Оценка потенциальных возможностей атомной энергетики. Двухэтапное развитие атомной энергетики. Долгосрочные прогнозы. Варианты структуры атомной энергетики.
курсовая работа [180,7 K], добавлен 13.07.2008Область применения солнечных коллекторов. Преимущества солнечных установок. Оптимизация и уменьшение эксплуатационных затрат при отоплении зданий. Преимущества использования вакуумного солнечного коллектора. Конструкция солнечной сплит-системы.
презентация [770,2 K], добавлен 23.01.2015Потенциальные возможности солнечной энергии, способы ее аккумулирования и преобразования в энергию, необходимую человеку для производственных и бытовых нужд. Развитие возобновляемой энергетики в России и на Урале. Установка солнечных батарей на зданиях.
реферат [32,8 K], добавлен 31.10.2012Применение солнечных электростанций, их виды и типы. Направления научных исследований в солнечной энергетике. Фотоэлемент в освещении зданий, солнечные коллекторы, водонагреватели, солнечный транспорт. Крупнейшие фотовольтаические электростанции мира.
реферат [30,7 K], добавлен 02.05.2010Исследование особенностей технологических путей создания микрорельефа на фронтальной поверхности солнечных элементов на основе монокристаллического кремния. Основные фотоэлектрические параметры полученных структур, их анализ и направления изучения.
статья [114,6 K], добавлен 22.06.2015Мировой опыт развития атомной энергетики. Испытание атомной бомбы. Пуск первой АЭС опытно-промышленного назначения. Чернобыльская авария и ее ущерб людям и народному хозяйству страны. Масштабное строительство атомных станций. Ресурсы атомной энергетики.
курсовая работа [43,7 K], добавлен 15.08.2011