Desarrollo de células solares
Las baterías basadas en silicio incluyen tres tipos: silicio policristalino, silicio monocristalino y baterías de silicio amorfo. Las células industriales de silicio cristalino pueden alcanzar eficiencias de 14 a 20 (células monocristalinas de 16 a 20, células policristalinas de 14 a 16). Las células solares de silicio policristalino y monocristalino representan casi el 90% de las células solares actualmente industrializadas. Las baterías a base de silicio se utilizan ampliamente en la generación de energía conectada a la red, la generación de energía fuera de la red, aplicaciones comerciales y otros campos.
(1) Células solares de silicio monocristalino Entre las células solares de la serie de silicio de los paneles solares de silicio monocristalino, las células solares de silicio monocristalino a gran escala tienen la mayor eficiencia de conversión (16 a 20) y la tecnología más madura. Hoy en día, el proceso de puesta a tierra eléctrica de silicio monocristalino está casi maduro en la producción de baterías, generalmente se utilizan el tejido de superficies, la pasivación del área del emisor, el dopaje en tiras y otras tecnologías. Las baterías desarrolladas actualmente son principalmente baterías de silicio monocristalino planas y electrodos de puerta enterrados ranurados. células.
La mejora de la eficiencia de conversión implica principalmente el tratamiento de la microestructura superficial del silicio monocristalino y el proceso de dopaje en tira. En este sentido, el Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar de Friburgo sigue siendo líder mundial. El instituto utiliza tecnología de fotolitografía para tejer la superficie celular en una estructura de pirámide invertida. Y en la superficie se forma una capa de pasivación de óxido de 13 nm de espesor y dos capas de revestimiento antirreflectante. La eficiencia de conversión de las células solares monocristalinas de gran superficie (225 cm2) preparadas por Kyocera es 19,44. La eficiencia de conversión de las células solares monocristalinas preparadas por la empresa nacional de energía solar de Beijing es 19,44,44. Participó activamente en el desarrollo de células solares de silicio cristalino de alta eficiencia. Investigación y desarrollo, desarrolló una célula de silicio monocristalino plana de alta eficiencia (2 cm × 2 cm) con una eficiencia de conversión de 19,79 y una célula solar enterrada en zanja con una eficiencia de conversión de 19,79. , y una celda solar enterrada en una zanja con una eficiencia de conversión de 19,79 19,79, zanja La eficiencia de conversión de la celda de silicio cristalino de compuerta enterrada (5 cm × 5 cm) es 18,6. La eficiencia de conversión de las células solares de silicio monocristalino es sin duda la más alta y todavía ocupa una posición dominante en aplicaciones a gran escala y producción industrial. Sin embargo, debido al precio de los materiales de silicio monocristalino y la complejidad de los procesos celulares correspondientes, el costo. y el precio del silicio monocristalino sigue siendo alto.
(2) Células solares de silicio policristalino
Las células solares de silicio policristalino tienen bajo costo, alta eficiencia de conversión (14-16) y tecnología de producción madura. Ocupan el principal mercado fotovoltaico y. son actualmente los productos líderes en células solares. Las células solares de silicio policristalino se han convertido en una tecnología convencional y tienen la mayor proporción de células solares del mundo. Pero las células solares de silicio policristalino son menos eficientes que las células de silicio monocristalino. Al comparar la eficiencia de generación de energía por costo unitario, los dos están cerca.
(3) Células solares de silicio amorfo
La ventaja del silicio amorfo es que tiene una gran capacidad para absorber luz en el espectro visible (500 veces más fuerte que el silicio cristalino), por lo que siempre que sea delgada, una capa delgada puede absorber eficazmente la energía de los fotones. Además, la tecnología de producción de esta película de silicio amorfo es muy madura, lo que no sólo ahorra muchos costes de material, sino que también permite producir células solares de gran superficie. Sus principales desventajas son la baja tasa de conversión (5-7) y la existencia de atenuación de la fotoluminiscencia (el llamado efecto S-W, es decir, la eficiencia de conversión fotoeléctrica disminuirá con la extensión del tiempo de iluminación, haciendo que el rendimiento de la batería sea inestable). Por lo tanto, no es competitivo en el mercado de generación de energía solar y se utiliza principalmente en mercados de productos electrónicos de pequeña potencia y de pequeño segmento. Como calculadoras electrónicas, juguetes, etc.
En la década de 1980, el silicio amorfo era el único material de células solares de película delgada que podía comercializarse. Cuando aparecieron las células solares de silicio amorfo, atrajeron muchas inversiones. Desde 1985 hasta principios de 1990, la proporción de células solares de silicio amorfo alcanzó un tercio del total de células solares del mundo. Sin embargo, el problema de la mala estabilidad no se solucionó eficazmente, lo que provocó una disminución de la producción. Según los diferentes tipos de materiales, las células solares de película fina se pueden subdividir en células solares de silicio cristalino de película fina (c-Si para abreviar), células solares de silicio amorfo (a-Si para abreviar), células solares compuestas II-VI (CdTe para abreviar). ) y células solares de película fina (a-Si para abreviar).
Células solares compuestas (telururo de cadmio (CdTe), seleniuro de indio y cobre), células solares compuestas III-V, como arseniuro de galio (GaAs), fosfuro de indio (InP), fosfuro de indio y galio (InGaP). A excepción de las células solares compuestas III-V que pueden utilizar estructuras de película delgada multicapa para lograr eficiencias de conversión superiores a 30, las eficiencias de otras células solares de concentración de película delgada son generalmente superiores a 10 e inferiores.
Actualmente existen tres materiales industrializados para células fotovoltaicas de película delgada: silicio amorfo (a-Si), seleniuro de indio y cobre (CIS, CIGS) y telururo de cadmio (CdTe). la producción representa la mayor proporción. En 2007, representó el 5,2% de la producción mundial total.
(1) Células solares compuestas III-V
Una célula solar compuesta III-V típica es una célula de arseniuro de galio (GaAs) con una tasa de conversión de más de 30. Esto es Debido a que el compuesto III-V es un material semiconductor con una brecha de energía directa, el espesor es de solo 2 um y puede absorber aproximadamente el 97% de la luz en condiciones de radiación AM1. Las células solares de película delgada hechas de películas de arseniuro de galio cultivadas sobre sustratos de silicio monocristalino mediante deposición química de vapor se utilizan en el espacio debido a su alta eficiencia. La nueva generación de células solares multiunión de arseniuro de galio tiene una eficiencia de conversión superior a 39 debido a su alto rango de espectro de absorción, lo que la convierte en el tipo de célula solar con mayor eficiencia de conversión actualmente. Además, el rendimiento es estable y la vida útil es bastante larga. Sin embargo, este tipo de batería es cara, ya que el precio medio por vatio es decenas de veces mayor que el de las células solares de silicio policristalino, por lo que no es habitual para uso civil.
Debido a que tienen huecos de energía directos y altos coeficientes de absorción, además de excelentes capacidades de daño antirreflectante e insensibilidad a los cambios de temperatura, son adecuados para sistemas termofotovoltaicos (TRV) y sistemas de concentración de luz y espacio.
A partir de agosto de 2007, las células de arseniuro de galio pasaron de aplicaciones satelitales a aplicaciones a gran escala en centrales eléctricas de concentración solar. En el extranjero, las células concentradoras de alta eficiencia de arseniuro de galio han demostrado ser una forma eficaz de construir estaciones de energía solar a bajo coste.
(2) Células solares compuestas II-VI
Las células solares compuestas II-VI incluyen células de película delgada de telururo de cadmio y células de película delgada de seleniuro de cobre, indio y galio.
Las células de telururo de cadmio tienen una brecha de energía directa de 1,45 eV, que está justo dentro del rango de brecha de energía de una célula solar ideal. Además, tiene un alto coeficiente de absorción de luz. Se convierte en uno de los materiales de células solares ideales para conseguir una alta eficiencia. Además, se puede fabricar con varias tecnologías de formación rápida de película. Debido a su facilidad de producción modular, ha tenido un buen desempeño comercial en los últimos años. Se ha utilizado telururo de cadmio/vidrio como material para techos de gran superficie. Sin embargo, la contaminación por cadmio es un peligro oculto en el desarrollo de este tipo de baterías de película fina. Sin embargo, Estados Unidos y Alemania han implementado mecanismos de reciclaje y regeneración de células solares de telururo de cadmio, lo que ha inyectado fuerza positiva al mercado. Dado que el proceso de producción de baterías sólo lleva unos minutos y es fácil de producir en masa rápidamente, Estados Unidos es bastante optimista sobre sus perspectivas de mercado. Se cree que el uso de células solares de silicio amorfo puede superarlo en el futuro.
El seleniuro de cobre, indio y galio (CIGS) tiene un rango de absorción de luz muy amplio y es bastante estable en ambientes exteriores. Debido a su alta eficiencia de conversión y bajo costo de fabricación de materiales, se considera uno de los tipos de baterías de película delgada más prometedores en el futuro. En términos de eficiencia de conversión, con la ayuda del dispositivo concentrador, la eficiencia de conversión puede alcanzar alrededor de 30 y puede alcanzar hasta 19,5 en pruebas ambientales estándar, lo que equivale a células solares de silicio monocristalino. Además de ser adecuadas para aplicaciones de gran superficie, las células solares de Cu(InGa)Se2 también son resistentes a los daños por radiación y, por tanto, tienen aplicaciones potenciales en el espacio. Después de 30 años de desarrollo, la tasa de penetración de las baterías CIGS sigue siendo muy baja. En la etapa de producción en masa a pequeña escala, la ventaja de costos que el mundo espera aún no se ha visto claramente. Por lo tanto, la dirección de los esfuerzos futuros es cómo reducir significativamente los costos de fabricación una vez que madure la tecnología de producción en masa de células solares. Otra dirección de desarrollo es desarrollar tecnología CIGS con una brecha energética relativamente amplia (superior a 1,5 eV) sin pérdida de eficiencia. El desarrollo de procesos de fabricación a baja temperatura que puedan producir películas CIGS de alta calidad también es un objetivo para reducir los costos de fabricación.
Atraídos por el potencial de mercado de bajos costes de materiales y alta eficiencia de los módulos, en los últimos años, además de Shell Solar, empresas como Wrth Solar, Showa Shell y ZSW también han seguido invirtiendo en investigación y desarrollo, e incluso Honda les ha seguido. en producción. El peligro oculto en el desarrollo de células solares CIGS es la cantidad limitada de In y Ga, y el problema de competir por su uso en otras industrias fotovoltaicas y de semiconductores es también la actual escasez de materiales de silicio. La falta de material de silicio es el mismo problema. Al mismo tiempo, el proceso de fabricación es complejo y el costo de inversión es alto, lo que restringe el crecimiento del mercado; el CdS tiene la desventaja de una toxicidad potencial, que limita el desarrollo del mercado. La Universidad de Toledo en Estados Unidos es líder mundial en investigación en el campo de las células solares de silicio amorfo de sustrato flexible. Su laboratorio de células de germanio de silicio amorfo de unión simple tiene una eficiencia inicial de 13. Su equipo técnico participó en el establecimiento de MWOE. y Xunguang Company, y están planificando activamente una mayor capacidad de producción.
La investigación japonesa sobre células solares de sustrato flexible también está a la vanguardia mundial. En Japón, Sharp, Sanyo, TDK y Fuji han invertido mucha mano de obra y recursos materiales en el desarrollo de células solares de silicio amorfo con sustrato flexible y han construido múltiples líneas de producción de baterías flexibles de película de poliéster de nivel de megavatios.
Sanyo tomó la iniciativa en el uso de células solares de silicio amorfo de sustrato flexible como fuente de energía en un avión solar no tripulado, completando un vuelo a través del continente americano, demostrando que las células solares de película delgada de silicio amorfo flexible se pueden utilizar como aviones Enorme potencial energético.
En Sidrabad, las células solares de silicio amorfo de película de poliéster preparadas por la empresa TDK han podido producir módulos con un área de 286 cm2. La eficiencia ha alcanzado 8,1 y la eficiencia de las células de área pequeña ha alcanzado. 11.1. La eficiencia estable de las celdas apiladas Fuji a-Si/a-SiGe ha alcanzado 9. Se instaló una fábrica en Kumamoto, Japón. En 2006, la producción de celdas de silicio amorfo con sustrato plástico alcanzó los 15 MW.
Por otro lado, la Unión Europea ha unido algunas instituciones de investigación en sus estados miembros y ha organizado una serie de instituciones, entre ellas la Universidad de Newcastle, VHF-technologies, Roth & Rau, para llevar a cabo investigaciones sobre películas de poliéster. Flexibilidad del sustrato. La investigación conjunta sobre baterías ha permitido ahora la producción de líneas de producción de lotes pequeños. La UE lanzó el proyecto "FLEXCELLENCE" el 1 de octubre de 2005, por un período de tres años. El objetivo es desarrollar equipos y procesos de producción rollo a rollo de módulos de baterías de película delgada de alta eficiencia y construir una línea de producción de baterías flexible. más de 50 megavatios y esperan controlar los costes de producción a 0,5 euros por vatio. Según informes de 2007, la eficiencia actual del laboratorio de baterías apiladas de silicio amorfo con sustrato de película de poliéster de la Universidad de Neuchatel ha alcanzado el 10,8, y la capacidad de producción anual de tecnologías VHF es de 25 MW.
La investigación de China sobre baterías de película delgada de sustrato flexible ha sido relativamente lenta. Harbin Chrona Company desarrolló una batería de película delgada de unión única de silicio amorfo sobre un sustrato de poliimida flexible a mediados de la década de 1990. La eficiencia inicial de la batería fue de 4,63 y la relación potencia-peso fue de 231,5 W/kg. Se ha hecho desde entonces micro. En los últimos años, la Universidad de Nankai ha logrado algunos avances en la investigación de baterías de película delgada de silicio amorfo con sustrato flexible. Han obtenido una batería de película delgada de unión única sobre un sustrato de poliimida de 0,115 cm2 con una eficiencia inicial de 4,84 y una potencia a-. relación de peso de 341W/kg.
En términos de industrialización de baterías de sustrato flexible, se ha puesto en producción la línea de producción de 30 MW de Tianjin Jinneng Battery Co., Ltd.. Se espera que ambas empresas tengan mayores costos de baterías debido a la introducción de equipos y tecnología del extranjero. En términos generales, China cuenta actualmente con la base técnica para el desarrollo de baterías de película delgada de silicio amorfo, pero la investigación sobre sustratos flexibles aún está en sus primeras etapas y existe una gran brecha con los países extranjeros.