مواد [ ویرایش ]

سهم بازار جهانی فتوولتائیک بر اساس فناوری 1980-2021. [59] : 24، 25 

سلول های خورشیدی معمولاً به دلیل مواد نیمه رسانایی که از آن ساخته شده اند نامگذاری می شوند. این مواد برای جذب نور خورشید باید ویژگی های خاصی داشته باشند . برخی از سلول ها برای کنترل نور خورشید که به سطح زمین می رسد طراحی شده اند، در حالی که برخی دیگر برای استفاده در فضا بهینه شده اند . سلول های خورشیدی را می توان از یک لایه مواد جاذب نور ( تک پیوند ) یا از پیکربندی های فیزیکی متعدد ( چند پیوند ) برای بهره گیری از مکانیسم های مختلف جذب و جداسازی بار ساخته شده است.

سلول های خورشیدی را می توان به سلول های نسل اول، دوم و سوم طبقه بندی کرد. سلول‌های نسل اول - که سلول‌های معمولی، سنتی یا مبتنی بر ویفر نیز نامیده می‌شوند - از سیلیکون کریستالی ، فناوری PV غالب تجاری، که شامل موادی مانند پلی سیلیکون و سیلیکون مونو کریستال است، ساخته شده‌اند . سلول‌های نسل دوم سلول‌های خورشیدی لایه نازک هستند که شامل سلول‌های سیلیکونی آمورف ، CdTe و CIGS می‌شوند و از نظر تجاری در نیروگاه‌های فتوولتائیک در مقیاس کاربردی ، ساختمان‌های فتوولتائیک یکپارچه یا در سیستم‌های قدرت کوچک مستقل اهمیت دارند.. نسل سوم سلول های خورشیدی شامل تعدادی از فناوری های لایه نازک است که اغلب به عنوان فتوولتائیک های نوظهور توصیف می شوند - اکثر آنها هنوز به صورت تجاری استفاده نشده اند و هنوز در مرحله تحقیق یا توسعه هستند. بسیاری از آنها از مواد آلی، اغلب ترکیبات آلی فلزی و همچنین مواد معدنی استفاده می کنند. علیرغم این واقعیت که راندمان آنها پایین بوده و پایداری مواد جاذب اغلب برای کاربردهای تجاری بسیار کوتاه است، تحقیقاتی در مورد این فناوری ها وجود دارد زیرا آنها وعده دستیابی به هدف تولید سلول های خورشیدی کم هزینه و با راندمان بالا را می دهند. [ نیازمند منبع ]

سیلیکون کریستالی [ ویرایش ]

مقاله اصلی: سیلیکون کریستالی

تا به حال، رایج ترین مواد حجیم برای سلول های خورشیدی سیلیکون کریستالی (c-Si) است که به عنوان "سیلیکون درجه خورشیدی" نیز شناخته می شود. [ نیاز به منبع ] سیلیکون فله بر اساس بلورینگی و اندازه کریستال در شمش ، روبان یا ویفر حاصل به چند دسته تقسیم می شود . این سلول ها کاملاً بر اساس مفهوم اتصال p-n هستند. سلول های خورشیدی ساخته شده از c-Si از ویفرهایی با ضخامت 160 تا 240 میکرومتر ساخته شده اند.

سیلیکون تک کریستالی [ ویرایش ]

مقاله اصلی: سیلیکون تک کریستالی

سقف، کاپوت و بخش‌های بزرگی از پوسته بیرونی Sion مجهز به سلول‌های سیلیکونی مونو کریستالی بسیار کارآمد است.

سلول های خورشیدی سیلیکونی تک کریستالی (مونو سی) دارای ترکیب تک کریستالی هستند که الکترون ها را قادر می سازد آزادانه تر از پیکربندی چند بلوری حرکت کنند. در نتیجه، پنل‌های خورشیدی تک کریستالی کارایی بالاتری نسبت به همتایان چند کریستالی خود دارند. [60] گوشه‌های سلول‌ها مانند یک هشت ضلعی بریده به نظر می‌رسند، زیرا مواد ویفر از شمش‌های استوانه‌ای بریده شده‌اند که معمولاً توسط فرآیند Czochralski رشد می‌کنند . پنل های خورشیدی با استفاده از سلول های mono-Si الگویی متمایز از الماس های سفید کوچک را به نمایش می گذارند.

توسعه سیلیکون اپیتاکسیال [ ویرایش ]

ویفرهای اپیتاکسیال سیلیکون کریستالی را می توان بر روی ویفر "دانه" سیلیکونی تک کریستالی با رسوب شیمیایی بخار (CVD) رشد داد و سپس به عنوان ویفرهای خود نگهدار با ضخامت استاندارد (مثلا 250 میکرومتر) که می تواند با دست دستکاری شود، جدا شود. به طور مستقیم جایگزین سلول های ویفر بریده شده از شمش های سیلیکونی تک کریستالی می شود. سلول های خورشیدی ساخته شده با این تکنیک "بدون کرفس" می توانند بازدهی نزدیک به سلول های برش ویفری داشته باشند، اما اگر CVD را بتوان در فشار اتمسفر در یک فرآیند خطی با توان عملیاتی بالا انجام داد، با هزینه بسیار پایین تر. [54] [55] سطح ویفرهای اپیتاکسیال ممکن است برای افزایش جذب نور بافت داشته باشد. [61] [62]

در ژوئن 2015، گزارش شد که سلول‌های خورشیدی ناهمگونی که به صورت همپایی روی ویفرهای سیلیکونی تک کریستالی نوع n رشد کرده‌اند، در کل مساحت سلول 243.4 سانتی‌متری به بازدهی 22.5 درصد رسیده‌اند.2^{2}. [63]

سیلیکون پلی کریستالی [ ویرایش ]

مقاله اصلی: سیلیکون پلی کریستالی

سیلیکون پلی کریستالی یا سلول های سیلیکونی چندبلوری (چند سی) از شمش های مربع ریخته گری ساخته می شوند - بلوک های بزرگ سیلیکون مذاب که با دقت سرد و جامد شده اند. آنها از کریستال های کوچکی تشکیل شده اند که به مواد اثر پوسته پوسته فلزی معمولی آن را می دهند . سلول‌های پلی سیلیکونی رایج‌ترین نوع مورد استفاده در فتوولتائیک هستند و نسبت به سلول‌های ساخته شده از سیلیکون تک کریستالی ارزان‌تر، اما کارآمدتر هستند.

سیلیکون روبان [ ویرایش ]

سیلیکون روبان نوعی سیلیکون چند کریستالی است که با کشیدن لایه‌های نازک مسطح از سیلیکون مذاب تشکیل می‌شود و ساختاری چند کریستالی ایجاد می‌کند. ساخت این سلول‌ها ارزان‌تر از Multi-Si است، زیرا به دلیل کاهش زیاد ضایعات سیلیکون، این روش نیازی به اره کردن از شمش ندارد. [64] با این حال، آنها همچنین کارایی کمتری دارند.

چند سیلیکونی مونو مانند (MLM) [ ویرایش ]

این فرم در دهه 2000 توسعه یافت و در حدود سال 2009 به صورت تجاری معرفی شد. همچنین به نام cast-mono نیز نامیده می شود، این طرح از محفظه های ریخته گری پلی کریستالی با "دانه های" کوچک از مواد مونو استفاده می کند. نتیجه یک ماده توده مانند مونو است که در اطراف بیرونی آن چند کریستالی است. هنگامی که برای پردازش برش داده می شود، بخش های داخلی سلول های مونو مانند با کارایی بالا هستند (اما به جای "بریده" مربعی شکل هستند)، در حالی که لبه های بیرونی به عنوان پلی معمولی فروخته می شوند. این روش تولید منجر به سلول های مونو مانند با قیمت های پلی مانند می شود. [65]

فیلم نازک [ ویرایش ]

مقاله اصلی: سلول خورشیدی لایه نازک

فن آوری های لایه نازک میزان مواد فعال در یک سلول را کاهش می دهد. اکثر طرح ها مواد فعال را بین دو شیشه قرار می دهند. از آنجایی که پنل‌های خورشیدی سیلیکونی فقط از یک صفحه شیشه استفاده می‌کنند، پانل‌های لایه نازک تقریباً دوبرابر سنگین‌تر از پانل‌های سیلیکونی کریستالی هستند، اگرچه تأثیر زیست‌محیطی کوچک‌تری دارند (که از تجزیه و تحلیل چرخه زندگی مشخص می‌شود ). [66] [67]

تلورید کادمیوم [ ویرایش ]

مقاله اصلی: فتوولتائیک تلورید کادمیوم

تلورید کادمیوم تنها ماده لایه نازک است که تاکنون با سیلیکون کریستالی از نظر هزینه/وات رقابت می کند. با این حال کادمیوم بسیار سمی است و تلوریم ( آنیون : "تلورید") منابع محدود است. کادمیوم موجود در سلول ها در صورت آزاد شدن سمی خواهد بود. با این حال، رهاسازی در طول عملیات عادی سلول ها غیرممکن است و در هنگام آتش سوزی در سقف های مسکونی بعید است. [68] یک متر مربع از CdTe حاوی تقریباً همان مقدار Cd است که یک باتری نیکل-کادمیم تک سلولی C ، به شکل پایدارتر و کمتر محلول است. [68]

مس ایندیم گالیوم سلنید [ ویرایش ]

مقاله اصلی: سلول خورشیدی گالیوم سلنید مس ایندیم

مس ایندیم گالیوم سلنید (CIGS) یک ماده شکاف نواری مستقیم است . بالاترین راندمان (~20%) را در میان تمام مواد لایه نازک تجاری مهم دارد (به سلول خورشیدی CIGS مراجعه کنید ). روش های سنتی ساخت شامل فرآیندهای خلاء از جمله تبخیر همزمان و کندوپاش می شود. پیشرفت‌های اخیر در IBM و Nanosolar تلاش می‌کنند تا با استفاده از فرآیندهای راه‌حل غیر خلاء، هزینه را کاهش دهند. [69]

لایه نازک سیلیکونی [ ویرایش ]

سلول های لایه نازک سیلیکونی عمدتاً توسط رسوب شیمیایی بخار (معمولاً تقویت شده با پلاسما، PE-CVD) از گاز سیلان و گاز هیدروژن رسوب می کنند. بسته به پارامترهای رسوب گذاری، این می تواند سیلیکون آمورف (a-Si یا a-Si:H)، سیلیکون پروتوکریستالی یا سیلیکون نانوبلور (nc-Si یا nc-Si:H) تولید کند که سیلیکون میکروکریستالی نیز نامیده می شود. [70]

سیلیکون آمورف پیشرفته ترین فناوری لایه نازک تا به امروز است. یک سلول خورشیدی سیلیکونی آمورف (a-Si) از سیلیکون غیر کریستالی یا میکرو کریستالی ساخته شده است. سیلیکون آمورف دارای شکاف باند بالاتری (1.7 eV) نسبت به سیلیکون کریستالی (c-Si) (1.1 eV) است، به این معنی که بخش مرئی طیف خورشیدی را قوی‌تر از قسمت مادون قرمز با چگالی توان بالاتر طیف جذب می‌کند. تولید سلول های خورشیدی لایه نازک a-Si از شیشه به عنوان بستر استفاده می کند و لایه بسیار نازکی از سیلیکون را با رسوب دهی بخار شیمیایی افزایش یافته با پلاسما (PECVD) رسوب می دهد.

سیلیکون پروتوکریستالی با کسر حجمی کم سیلیکون نانو کریستالی برای ولتاژ مدار باز بالا بهینه است. [71] Nc-Si تقریباً همان شکاف باند c-Si را دارد و nc-Si و a-Si می توانند به نحو مطلوبی در لایه های نازک ترکیب شوند و یک سلول لایه ای به نام سلول پشت سر هم ایجاد کنند. سلول بالایی در a-Si نور مرئی را جذب می کند و قسمت مادون قرمز طیف را برای سلول پایین در nc-Si می گذارد.

لایه نازک گالیم آرسنید [ ویرایش ]

ماده نیمه هادی گالیوم آرسنید (GaAs) نیز برای سلول های خورشیدی فیلم نازک تک کریستالی استفاده می شود. اگرچه سلول های GaAs بسیار گران هستند، اما رکورد جهانی را در بازده سلول خورشیدی تک اتصالی با 28.8 درصد دارند. [72] GaAs معمولاً در سلول‌های فتوولتائیک چند پیوندی برای فتوولتائیک متمرکز (CPV، HCPV) و برای پانل‌های خورشیدی در فضاپیماها استفاده می‌شود ، زیرا صنعت به کارآیی نسبت به هزینه انرژی خورشیدی مبتنی بر فضا ترجیح می‌دهد.. بر اساس ادبیات قبلی و برخی تحلیل‌های نظری، دلایل متعددی وجود دارد که چرا GaAs چنین بازده تبدیل توان بالایی دارد. اول، GaAs bandgap 1.43ev است که تقریبا برای سلول های خورشیدی ایده آل است. دوم، از آنجایی که گالیم محصول جانبی ذوب فلزات دیگر است، سلول‌های GaAs نسبتاً به گرما حساس نیستند و می‌توانند بازده بالایی را در زمانی که دما بسیار بالا است حفظ کنند. سوم، GaAs طیف گسترده ای از گزینه های طراحی را دارد. با استفاده از GaAs به عنوان لایه فعال در سلول خورشیدی، مهندسان می توانند انتخاب های متعددی از لایه های دیگر داشته باشند که بهتر می توانند الکترون ها و حفره ها را در GaAs تولید کنند.

سلول های چند پیوندی [ ویرایش ]

مقاله اصلی: سلول خورشیدی چند پیوندی

آرایه خورشیدی آرسنید گالیوم سه اتصالی 10 کیلوواتی Dawn با گسترش کامل

سلول‌های چند پیوندی از لایه‌های نازک متعددی تشکیل شده‌اند که هر کدام اساساً یک سلول خورشیدی است که روی دیگری رشد می‌کند و معمولاً از اپیتاکسی فاز بخار متالارگانیک استفاده می‌کند. هر لایه دارای انرژی شکاف نواری متفاوتی است تا بتواند تابش الکترومغناطیسی را در بخش متفاوتی از طیف جذب کند. سلول‌های چند پیوندی در ابتدا برای کاربردهای خاص مانند ماهواره‌ها و اکتشاف فضا توسعه داده شدند ، اما اکنون به طور فزاینده‌ای در فتوولتائیک متمرکز زمینی (CPV) استفاده می‌شوند، یک فناوری نوظهور که از لنزها و آینه‌های منحنی برای متمرکز کردن نور خورشید بر روی چند اتصال کوچک و بسیار کارآمد استفاده می‌کند. سلول های خورشیدی. با تمرکز نور خورشید تا هزار بار،فتوولتائیک با غلظت بالا (HCPV) این پتانسیل را دارد که در آینده از PV خورشیدی معمولی رقابت کند. [73] : 21، 26 

سلول های خورشیدی پشت سر هم مبتنی بر اتصالات یکپارچه، سری متصل، گالیوم ایندیم فسفید (GaInP)، آرسنید گالیم (GaAs) و ژرمانیوم (Ge) اتصالات p-n، علیرغم فشار هزینه، فروش را افزایش می دهند. [74] بین دسامبر 2006 و دسامبر 2007، هزینه فلز گالیم 4N از حدود 350 دلار در هر کیلوگرم به 680 دلار در هر کیلوگرم افزایش یافت. علاوه بر این، قیمت فلز ژرمانیوم به طور قابل توجهی به 1000-1200 دلار در هر کیلوگرم در سال جاری افزایش یافته است. این مواد شامل گالیم (4N، 6N و 7N Ga)، آرسنیک (4N، 6N و 7N) و ژرمانیوم، بوته‌های نیترید بور پیرولیتی (pBN) برای رشد کریستال‌ها و اکسید بور هستند، این محصولات برای کل صنعت تولید بستر حیاتی هستند. [ نیازمند منبع ]

به عنوان مثال، یک سلول سه گانه ممکن است از نیمه هادی ها تشکیل شده باشد: GaAs ، Ge و GaInP
2. [75] سلول های خورشیدی GaAs سه اتصالی به عنوان منبع انرژی هلندی برنده چهار بار چالش جهانی خورشیدی Nuna در سال 2003، 2005 و 2007 و توسط خودروهای خورشیدی هلندی Solutra (2005) ، Twente One (2007) و 21Revolution استفاده شد. (2009). [ نیازمند منبع ] دستگاه های چند اتصالی مبتنی بر GaAs کارآمدترین سلول های خورشیدی تا به امروز هستند. در 15 اکتبر 2012، سلول های دگرگونی اتصال سه گانه به رکورد 44 درصد رسیدند. [76]

سلول های خورشیدی دو اتصالی GaInP/Si [ ویرایش ]

در سال 2016، رویکرد جدیدی برای تولید ویفرهای فتوولتائیک هیبریدی توصیف شد که راندمان بالای سلول‌های خورشیدی چند اتصالی III-V را با اقتصاد و تجربه فراوان مرتبط با سیلیکون ترکیب می‌کند. عوارض فنی مربوط به رشد ماده III-V بر روی سیلیکون در دماهای بالا مورد نیاز، موضوعی که حدود 30 سال مورد مطالعه قرار گرفته است، با رشد اپیتاکسیال سیلیکون روی GaAs در دمای پایین توسط رسوب دهی بخار شیمیایی افزایش یافته با پلاسما (PECVD) اجتناب می شود. . [77]

سلول های خورشیدی تک اتصالی Si به طور گسترده برای دهه ها مورد مطالعه قرار گرفته اند و در شرایط 1 خورشیدی به بازده عملی 26% خود می رسند. [78] افزایش این بازده ممکن است نیاز به افزودن سلول‌های بیشتری با انرژی باندگپ بزرگتر از 1.1 eV به سلول Si داشته باشد که امکان تبدیل فوتون‌های با طول موج کوتاه را برای تولید ولتاژ اضافی فراهم می‌کند. یک سلول خورشیدی دو اتصالی با شکاف باند 1.6-1.8 eV به عنوان سلول بالایی می‌تواند تلفات حرارتی را کاهش دهد، راندمان تشعشع خارجی بالایی ایجاد کند و راندمان تئوری بیش از 45٪ را به دست آورد. [79]یک سلول پشت سر هم می تواند با رشد سلول های GaInP و Si ساخته شود. رشد جداگانه آنها می تواند بر عدم تطابق ثابت شبکه 4٪ بین Si و رایج ترین لایه های III-V که از ادغام مستقیم در یک سلول جلوگیری می کند، غلبه کند. بنابراین دو سلول توسط یک اسلاید شیشه ای شفاف از هم جدا می شوند تا عدم تطابق شبکه باعث ایجاد فشار به سیستم نشود. این یک سلول با چهار تماس الکتریکی و دو اتصال ایجاد می کند که بازده 18.1٪ را نشان می دهد. با ضریب پر (FF) 76.2٪، سلول پایین Si به بازده 11.7٪ (0.4 ±) در دستگاه پشت سر هم می رسد، و در نتیجه بازده سلول پشت سر هم تجمعی 29.8٪ است. [80] این کارایی از حد نظری 29.4 درصد فراتر می رود [81]و رکورد ارزش بازده آزمایشی یک سلول خورشیدی Si 1-sun و همچنین بالاتر از دستگاه GaAs 1-sun با کارایی رکورد است. با این حال، استفاده از یک بستر GaAs گران است و عملی نیست. از این رو محققان سعی می کنند سلولی با دو نقطه تماس الکتریکی و یک اتصال بسازند که نیازی به بستر GaAs ندارد. این بدان معناست که GaInP و Si به طور مستقیم ادغام خواهند شد.