เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดฟิล์มบาง

เซลล์แสงอาทิตย์ถึง 85% ในตลาดปัจจุบันเป็นโมดูลเซลล์แสงอาทิตย์แบบผลึก อย่างไรก็ตาม ผู้เชี่ยวชาญรับรองว่าเทคโนโลยีฟิล์มบางสำหรับการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์จะมีประสิทธิภาพมากขึ้น ดังนั้นจึงเป็นโมดูลคริสตัลที่มีแนวโน้มดีที่สุดที่รู้จักกันอยู่แล้ว

ข้อได้เปรียบหลักของเทคโนโลยีฟิล์มบางคือต้นทุนที่ต่ำ ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมจึงมีโอกาสที่จะเป็นผู้นำในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า โมดูลของฐานใหม่ทำให้แผงโซลาร์มีความยืดหยุ่นตามความหมายที่แท้จริง มีน้ำหนักเบาและยืดหยุ่นซึ่งช่วยให้คุณวางแบตเตอรี่ดังกล่าวบนพื้นผิวใดก็ได้รวมถึงพื้นผิวของเสื้อผ้า

เซลล์แสงอาทิตย์แบบยืดหยุ่นมีพื้นฐานมาจากฟิล์มโพลิเมอร์ อะมอร์ฟัสซิลิกอน อะลูมิเนียม แคดเมียมเทลลูไรด์ และสารกึ่งตัวนำอื่นๆ ซึ่งใช้อยู่แล้วในการผลิตเครื่องชาร์จแบบพกพาสำหรับโทรศัพท์มือถือ แล็ปท็อป แท็บเล็ต กล้องวิดีโอ และอุปกรณ์อื่นๆ ในรูปแบบของขนาดเล็กที่พับได้ โซลาร์เซลล์. แต่หากต้องการพลังงานมากขึ้นพื้นที่ของโมดูลก็จะต้องใหญ่ขึ้น

ตัวอย่างแรกของเซลล์แสงอาทิตย์แบบฟิล์มบางทำด้วยซิลิคอนอสัณฐานที่สะสมอยู่บนพื้นผิว และมีประสิทธิภาพเพียง 4 ถึง 5% และอายุการใช้งานไม่นาน ขั้นตอนต่อไปของเทคโนโลยีเดียวกันคือการเพิ่มประสิทธิภาพเป็น 8% และยืดอายุการใช้งาน ซึ่งเทียบได้กับคริสตัลรุ่นก่อน ในที่สุด โมดูลฟิล์มบางรุ่นที่สามมีประสิทธิภาพ 12% แล้ว ซึ่งเป็นความก้าวหน้าและความสามารถในการแข่งขันที่สำคัญอยู่แล้ว

เซเลไนด์ทองแดงอินเดียมและแคดเมียมเทลลูไรด์ที่ใช้ที่นี่ทำให้สามารถสร้างเซลล์แสงอาทิตย์แบบยืดหยุ่นและเครื่องชาร์จแบบพกพาที่มีประสิทธิภาพสูงถึง 10% และนี่เป็นความสำเร็จที่สำคัญอยู่แล้ว เมื่อพิจารณาว่านักฟิสิกส์กำลังต่อสู้เพื่อประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นทุกเปอร์เซ็นต์ ตอนนี้เรามาดูกันดีกว่าว่าแบตเตอรี่แบบฟิล์มบางผลิตขึ้นได้อย่างไร

สำหรับแคดเมียมเทลลูไรด์นั้น เริ่มได้รับการศึกษาในฐานะวัสดุดูดซับแสงในทศวรรษที่ 1970 เมื่อจำเป็นต้องค้นหาตัวเลือกที่ดีที่สุดสำหรับการใช้งานในอวกาศ จนถึงทุกวันนี้ แคดเมียมเทลลูไรด์ยังคงมีแนวโน้มดีที่สุดสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ อย่างไรก็ตาม คำถามเกี่ยวกับความเป็นพิษของแคดเมียมยังคงเปิดอยู่เป็นระยะเวลาหนึ่ง

จากการวิจัยพบว่าอันตรายมีน้อยระดับแคดเมียมที่ปล่อยสู่ชั้นบรรยากาศไม่เป็นอันตราย ประสิทธิภาพอยู่ที่ 11% ในขณะที่ราคาต่อวัตต์ต่ำกว่าอะนาล็อกซิลิกอนหนึ่งในสาม

ตอนนี้สำหรับคอปเปอร์อินเดียมซีลีไนด์ ปัจจุบันมีการใช้อินเดียมจำนวนมากเพื่อสร้างจอภาพแบบแบน ดังนั้นอินเดียมจึงถูกแทนที่ด้วยแกลเลียมซึ่งมีคุณสมบัติเหมือนกันสำหรับ พลังงานแสงอาทิตย์… แบตเตอรี่แบบฟิล์มบนพื้นฐานนี้มีประสิทธิภาพถึง 20%

เมื่อไม่นานมานี้ได้เริ่มพัฒนาแผงโพลิเมอร์สารกึ่งตัวนำอินทรีย์ทำหน้าที่เป็นวัสดุดูดซับแสง: คาร์บอนฟูลเลอรีน, โพลีฟีนิลีน, คอปเปอร์พทาโลไซยานีน ฯลฯ ความหนาของเซลล์แสงอาทิตย์คือ 100 นาโนเมตร แต่ประสิทธิภาพเพียง 5 ถึง 6% แต่ในขณะเดียวกัน ต้นทุนการผลิตก็ค่อนข้างต่ำ ฟิล์มมีราคาไม่แพง น้ำหนักเบา และเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมอย่างสมบูรณ์ ด้วยเหตุนี้ แผงเรซินจึงเป็นที่นิยมโดยคำนึงถึงความเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและความยืดหยุ่นทางกลเป็นสำคัญ

ดังนั้นประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์แบบฟิล์มบางที่ผลิตในปัจจุบัน:

• ผลึกเดี่ยว — จาก 17 เป็น 22%;

• คริสตัลโพลี — จาก 12 ถึง 18%;

• ซิลิคอนอสัณฐาน — 5 ถึง 6%;

• แคดเมียมเทลลูไรด์ — จาก 10 ถึง 12%;

• คอปเปอร์อินเดียมซีลีไนด์ — จาก 15 ถึง 20%;

• โพลิเมอร์อินทรีย์ — 5 ถึง 6%

แบตเตอรี่แบบฟิล์มบางมีลักษณะอย่างไร? ประการแรก ควรสังเกตถึงประสิทธิภาพระดับสูงของโมดูลแม้ในสภาวะแสงพร่า ซึ่งให้พลังงานมากขึ้นถึง 15% ในระหว่างปี เมื่อเทียบกับอะนาลอกแบบคริสตัล ถัดมาคือความได้เปรียบด้านต้นทุนการผลิต ในระบบกำลังสูง ตั้งแต่ 10 กิโลวัตต์ โมดูลฟิล์มบางจะมีประสิทธิภาพมากขึ้น แม้ว่าต้องการพื้นที่เพิ่มขึ้น 2.5 เท่า

ดังนั้นเราจึงสามารถตั้งชื่อเงื่อนไขเมื่อโมดูลฟิล์มบางได้รับข้อได้เปรียบที่สมเหตุสมผล ในภูมิภาคที่มีเมฆมากเป็นส่วนใหญ่ แบตเตอรี่แบบฟิล์มบางจะทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ (กระจายแสง) สำหรับภูมิภาคที่มีอากาศร้อน ฟิล์มบางจะมีประสิทธิภาพมากกว่า (ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพที่อุณหภูมิสูงพอๆ กับที่อุณหภูมิต่ำ) ความเป็นไปได้ในการใช้เป็นโซลูชันการออกแบบตกแต่งสำหรับตกแต่งส่วนหน้าของอาคาร มีความโปร่งใสสูงถึง 20% ซึ่งกลับมาอยู่ในมือของนักออกแบบอีกครั้ง

ในขณะเดียวกัน ในปี พ.ศ. 2551 บริษัท Solyndra ของอเมริกาได้เสนอให้วางแบตเตอรี่แบบฟิล์มบางบนกระบอกสูบ โดยชั้นของโฟโตเซลล์จะถูกนำไปใช้กับหลอดแก้วที่วางอยู่ภายในหลอดอีกหลอดหนึ่งที่มีหน้าสัมผัสทางไฟฟ้า วัสดุที่ใช้ได้แก่ ทองแดง ซีลีเนียม แกลเลียม อินเดียม

การออกแบบทรงกระบอกช่วยให้สามารถดูดซับแสงได้มากขึ้น และชุดของกระบอกสูบ 40 ชิ้นต่อเมตรของแผงสองแผง จุดเด่นที่นี่คือการเคลือบหลังคาสีขาวช่วยให้โซลูชันดังกล่าวมีประสิทธิภาพสูงเพราะรังสีที่สะท้อนออกมาจะทำงานโดยเพิ่มพลังงาน 20% นอกจากนี้ ชุดทรงกระบอกยังทนทานต่อลมกระโชกแรงสูงถึง 55 ม./วินาที

เซลล์แสงอาทิตย์ส่วนใหญ่ที่ผลิตในปัจจุบันมีจุดแยก pn เพียงจุดเดียว และโฟตอนที่มีพลังงานน้อยกว่าช่องว่างของแถบก็ไม่มีส่วนร่วมในการสร้าง จากนั้นนักวิทยาศาสตร์ก็คิดหาวิธีที่จะเอาชนะข้อจำกัดนี้ได้ มีการพัฒนาองค์ประกอบแบบเรียงซ้อนของโครงสร้างหลายชั้น ซึ่งแต่ละชั้นมีความกว้างแถบของตัวเอง กล่าวคือ แต่ละชั้นมีจุดแยก pn แยกกันโดยมีค่าพลังงานของสารดูดกลืน โฟตอน

ชั้นบนเกิดจากโลหะผสมที่มีไฮโดรเจนอะมอร์ฟัสซิลิกอนเป็นส่วนประกอบ ส่วนที่สองเป็นโลหะผสมที่คล้ายกันโดยเติมเจอร์เมเนียมลงไป (10-15%) ส่วนที่สามมีเจอร์เมเนียมผสมอยู่ 40 ถึง 50% ดังนั้น แต่ละชั้นที่ต่อเนื่องกันจึงมีช่องว่างที่แคบกว่าชั้นก่อนหน้า และโฟตอนที่ไม่ถูกดูดซับในชั้นบนจะถูกดูดซับโดยชั้นที่อยู่ด้านล่างของฟิล์ม

ด้วยแนวทางนี้ ต้นทุนของพลังงานที่สร้างขึ้นจะลดลงครึ่งหนึ่งเมื่อเทียบกับเซลล์ผลึกซิลิคอนแบบดั้งเดิม ผลที่ได้คือประสิทธิภาพ 31% เกิดขึ้นได้เมื่อใช้ฟิล์มแบบสามรอบ และฟิล์มแบบห้ารอบรับประกันได้ถึง 43% ทั้งหมด

เมื่อเร็ว ๆ นี้ ผู้เชี่ยวชาญจากมหาวิทยาลัยแห่งรัฐมอสโกได้พัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์แบบม้วนโดยใช้โพลิเมอร์ที่นำไปใช้กับสารอินทรีย์ที่มีความยืดหยุ่น ประสิทธิภาพกลายเป็นเพียง 4% แต่แบตเตอรี่ดังกล่าวสามารถทำงานได้แม้ที่อุณหภูมิ + 80 ° C เป็นเวลา 10,000 ชั่วโมง การศึกษาเหล่านี้ยังไม่เสร็จสมบูรณ์

นักวิทยาศาสตร์ชาวสวิสได้รับประสิทธิภาพ 20.4% บนพื้นฐานโพลิเมอร์ และใช้อินเดียม ทองแดง ซีลีเนียม และแกลเลียมเป็นสารกึ่งตัวนำ ปัจจุบันนี้ถือเป็นสถิติสำหรับองค์ประกอบบนฟิล์มโพลิเมอร์บาง

ในญี่ปุ่นมีประสิทธิภาพ 19.7% ในเซมิคอนดักเตอร์ที่ฝากสปัตเตอร์ที่คล้ายกัน (อินเดียม ซีลีเนียม ทองแดง) และในประเทศญี่ปุ่น พวกเขาเริ่มผลิตผ้าพลังงานแสงอาทิตย์ แผงเซลล์แสงอาทิตย์แบบผ้าได้รับการพัฒนาโดยใช้องค์ประกอบทรงกระบอกที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 1.2 มิลลิเมตรติดกับผ้า เมื่อต้นปี 2558 พวกเขาวางแผนที่จะเริ่มผลิตเสื้อผ้าและที่บังแดดบนพื้นฐานนี้

เห็นได้ชัดว่าในที่สุดแผงโซลาร์เซลล์แบบฟิล์มบางจะพร้อมใช้งานสำหรับประชากรทั่วไปในอนาคตอันใกล้ การวิจัยมากมายทั่วโลกกำลังดำเนินการเพื่อลดต้นทุน ไม่ใช่เพื่ออะไร