Kilde: www.energy.gov
Når lys skinner på en fotovoltaisk (PV) celle - også kalt en solcelle - kan det lyset reflekteres, absorberes eller passere rett gjennom cellen. PV -cellen består av halvledermateriale; "semi" betyr at den kan lede elektrisitet bedre enn en isolator, men ikke så godt som en god leder som et metall. Det er flere forskjellige halvledermaterialer som brukes i PV -celler.
Når halvlederen blir utsatt for lys, absorberer den lysets energi og overfører den til negativt ladede partikler i materialet som kalles elektroner. Denne ekstra energien lar elektronene flyte gjennom materialet som en elektrisk strøm. Denne strømmen trekkes ut gjennom ledende metallkontakter-de nettlignende linjene på solceller-og kan deretter brukes til å drive hjemmet og resten av det elektriske nettet.
Effektiviteten til en PV -celle er ganske enkelt mengden elektrisk kraft som kommer ut av cellen i forhold til energien fra lyset som skinner på den, noe som indikerer hvor effektiv cellen er til å konvertere energi fra en form til den andre. Mengden elektrisitet produsert fra PV -celler avhenger av egenskapene (for eksempel intensitet og bølgelengder) til det tilgjengelige lyset og flere ytelsesattributter til cellen.
En viktig egenskap for PV -halvledere er båndgapet, som indikerer hvilke lysbølgelengder materialet kan absorbere og konvertere til elektrisk energi. Hvis halvlederens båndgap samsvarer med lysets bølgelengder som skinner på PV -cellen, kan denne cellen effektivt utnytte all tilgjengelig energi.
Lær mer nedenfor om de mest brukte halvledermaterialene for PV-celler.
SILIKON
Silicon er uten tvil det vanligste halvledermaterialet som brukes i solceller, og representerer omtrent 95% av modulene som selges i dag. Det er også det nest mest forekommende materialet på jorden (etter oksygen) og den vanligste halvlederen som brukes i datamaskinbrikker. Krystallinske silisiumceller er laget av silisiumatomer koblet til hverandre for å danne et krystallgitter. Dette gitteret gir en organisert struktur som gjør omdannelse av lys til elektrisitet mer effektivt.
Solceller laget av silisium gir for tiden en kombinasjon av høy effektivitet, lave kostnader og lang levetid. Moduler forventes å vare i 25 år eller mer, og fremdeles produsere mer enn 80% av sin opprinnelige effekt etter denne tiden.
TYN-FILM FOTOVOLTAIKK
En tynne-film solcelle lages ved å avsette ett eller flere tynne lag med PV-materiale på et støttende materiale som glass, plast eller metall. Det er to hovedtyper av tynnfilms PV-halvledere på markedet i dag: kadmiumtellurid (CdTe) og kobberindiumgalliumdiselenid (CIGS). Begge materialene kan deponeres direkte på enten forsiden eller baksiden av moduloverflaten.
CdTe er det nest vanligste PV-materialet etter silisium, og CdTe-celler kan lages ved hjelp av rimelige produksjonsprosesser. Selv om dette gjør dem til et kostnadseffektivt alternativ, er effektiviteten fortsatt' ikke så høy som silisium. CIGS -celler har optimale egenskaper for et PV -materiale og høy effektivitet i laboratoriet, men kompleksiteten ved å kombinere fire elementer gjør overgangen fra lab til produksjon mer utfordrende. Både CdTe og CIGS krever mer beskyttelse enn silisium for å muliggjøre langvarig bruk utendørs.
PEROVSKITE PHOTOVOLTAICS
Perovskitesolare celler er en type tynnfilmcelle og er oppkalt etter sin karakteristiske krystallstruktur. Perovskittceller er bygget med lag med materialer som skrives ut, belegges eller vakuumavsettes på et underliggende støttelag, kjent somunderlag.De er vanligvis enkle å montere og kan oppnå effektivitet som ligner krystallinsk silisium. I laboratoriet har perovskite solcelleeffektivitet blitt raskere enn noe annet PV -materiale, fra 3% i 2009 til over 25% i 2020. For å være kommersielt levedyktige må perovskite PV -celler bli stabile nok til å overleve 20 år utendørs, så forskere jobber med å gjøre dem mer holdbare og utvikle store, rimelige produksjonsteknikker.
ORGANISK FOTOVOLTAIKK
Organiske PV, eller OPV, celler består av karbonrike (organiske) forbindelser og kan skreddersys for å forbedre en spesifikk funksjon av PV-cellen, for eksempel båndgap, gjennomsiktighet eller farge. OPV -celler er for tiden bare omtrent halvparten så effektive som krystallinske silisiumceller og har kortere levetid, men kan være billigere å produsere i store volumer. De kan også brukes på en rekke støttematerialer, for eksempel fleksibel plast, noe som gjør OPV i stand til å tjene en rekke bruksområder.
KVANTUMPUNKTER
Quantum dot -solceller leder elektrisitet gjennom små partikler av forskjellige halvledermaterialer bare noen få nanometer brede, kalt kvantepunkter. Quantum dots gir en ny måte å behandle halvledermaterialer på, men det er vanskelig å opprette en elektrisk forbindelse mellom dem, så de er foreløpig lite effektive. Imidlertid er de enkle å lage til solceller. De kan deponeres på asubstrat ved hjelp av en spin-coat-metode, en spray eller rull-til-rull-skrivere som de som ble brukt til å skrive ut aviser.
Quantum prikker kommer i forskjellige størrelser, og deres båndgap kan tilpasses, slik at de kan samle lys som er vanskelig å fange og kan pares med andre halvledere, som perovskitter, for å optimalisere ytelsen til en multifunksjonell solcelle (mer om dem nedenfor).
MULTIJUNCTION PHOTOVOLTAICS
En annen strategi for å forbedre PV -celleeffektiviteten er å lagre flere halvledere for å lage flere solceller. Disse cellene er i hovedsak stabler av forskjellige halvledermaterialer, i motsetning til enkeltkryssede celler, som bare har en halvleder. Hvert lag har et annet båndgap, slik at de hver absorberer en annen del av solspekteret, og bruker sollys større enn enkeltkryssingsceller. Flerfunksjonelle solceller kan nå rekordeffektivitetsnivåer fordi lyset som ikke blir absorbert av det første halvlederlaget, fanges opp av et lag under det.
Mens alle solceller med mer enn ett båndgap er flerfunksjonelle solceller, kalles en solcelle med nøyaktig to båndgap en tandemsolcelle. Flerfunksjonelle solceller som kombinerer halvledere fra kolonne III og V i den periodiske tabellen heter multijunction III-V solceller.
Flerfunksjonelle solceller har vist effektivitet høyere enn 45%, men de er kostbare og vanskelige å produsere, så de er forbeholdt romforskning. Militæret bruker III-V solceller i droner, og forskere undersøker andre bruksområder for dem der høy effektivitet er nøkkelen.
KONSENTRASJONSFOTOVOLTAIKK
Konsentrasjon PV, også kjent som CPV, fokuserer sollys på en solcelle ved hjelp av et speil eller et objektiv. Ved å fokusere sollys på et lite område, kreves mindre PV -materiale. PV -materialer blir mer effektive ettersom lyset blir mer konsentrert, så den høyeste totale effektiviteten oppnås med CPV -celler og moduler. Imidlertid er dyrere materialer, produksjonsteknikker og evne til å spore solens bevegelse påkrevd, så det har blitt utfordrende å demonstrere den nødvendige kostnadsfordelen i forhold til dagens'-volum silisiummoduler.
