Celle solari a film sottile

Fino all'85% delle celle solari oggi sul mercato sono moduli solari cristallini. Tuttavia, gli esperti assicurano che la tecnologia a film sottile per la produzione di celle solari risulta essere la più efficiente e quindi la più promettente tra i già noti moduli di cristallo.

Il vantaggio principale della tecnologia a film sottile è il suo basso costo, motivo per cui ha tutte le possibilità di diventare leader nei prossimi anni. I moduli della nuova base rendono i pannelli solari flessibili, nel vero senso della parola. Sono leggeri e flessibili, il che consente di posizionare tali batterie letteralmente su qualsiasi superficie, inclusa la superficie dei vestiti.

Le celle solari flessibili si basano su film polimerici, silicio amorfo, alluminio, tellururo di cadmio e altri semiconduttori, che sono già utilizzati nella produzione di caricabatterie portatili per telefoni cellulari, laptop, tablet, videocamere e altri gadget, sotto forma di piccoli dispositivi pieghevoli celle solari. Ma se è necessaria più potenza, l'area del modulo dovrà essere maggiore.

I primi campioni di celle solari a film sottile sono stati realizzati con silicio amorfo depositato su un substrato e l'efficienza era solo del 4-5% e la durata non era lunga. Il passo successivo della stessa tecnologia è stato quello di aumentare l'efficienza all'8% e prolungare la durata, è diventato paragonabile ai suoi predecessori in cristallo. Infine, la terza generazione di moduli a film sottile aveva già un'efficienza del 12%, che rappresenta già un significativo progresso e competitività.

Il seleniuro di indio rame e il tellururo di cadmio qui utilizzati hanno permesso di creare celle solari flessibili e caricabatterie portatili con un'efficienza fino al 10%, e questo è già un risultato significativo, considerando che i fisici stanno lottando per ogni percentuale aggiuntiva di efficienza. Ora diamo un'occhiata più da vicino a come sono fatte le batterie a film sottile.

Per quanto riguarda il tellururo di cadmio, ha iniziato a essere studiato come materiale che assorbe la luce negli anni '70, quando era necessario trovare l'opzione migliore per l'uso nello spazio. Fino ad oggi, il tellururo di cadmio rimane il più promettente per le celle solari. Tuttavia, la questione della tossicità del cadmio rimane aperta per qualche tempo.

A seguito della ricerca, è stato dimostrato che il pericolo è minimo, il livello di cadmio rilasciato nell'atmosfera non è pericoloso. L'efficienza è dell'11%, mentre il prezzo per watt è inferiore di un terzo rispetto a quello degli analoghi al silicio.

Ora per il seleniuro di indio rame. Una quantità significativa di indio oggi viene utilizzata per creare monitor a schermo piatto, quindi l'indio è comunque sostituito dal gallio, che ha le stesse proprietà per energia solare… Le batterie a pellicola su questa base raggiungono un'efficienza del 20%.

Recentemente, i pannelli polimerici hanno iniziato a essere sviluppati.Qui, i semiconduttori organici fungono da materiali che assorbono la luce: fullereni di carbonio, polifenilene, ftalocianina di rame, ecc. Lo spessore della cella solare è di 100 nm, ma l'efficienza è solo del 5-6%. Ma allo stesso tempo, i costi di produzione sono piuttosto bassi, i film sono economici, leggeri e completamente rispettosi dell'ambiente. Per questo motivo, i pannelli in resina sono popolari dove la compatibilità ambientale e la flessibilità meccanica sono importanti.

Quindi l'efficienza delle celle solari a film sottile prodotte oggi:

• Monocristallo — dal 17 al 22%;

• Policristallo — dal 12 al 18%;

• Silicio amorfo: dal 5 al 6%;

• Tellururo di cadmio — dal 10 al 12%;

• Seleniuro di rame-indio — dal 15 al 20%;

• Polimeri organici: dal 5 al 6%.

Quali sono le caratteristiche delle batterie a film sottile? Prima di tutto, vale la pena notare le elevate prestazioni dei moduli anche in condizioni di luce diffusa, che durante l'anno forniscono fino al 15% di potenza in più rispetto agli analoghi di cristallo. Poi arriva il vantaggio del costo di produzione. Nei sistemi ad alta potenza, a partire da 10 kW, i moduli a film sottile mostrano una maggiore efficienza, sebbene sia necessaria un'area 2,5 volte maggiore.

Pertanto, possiamo nominare le condizioni in cui i moduli a film sottile ottengono un vantaggio giustificato. Nelle regioni con tempo prevalentemente nuvoloso, le batterie a film sottile funzioneranno in modo efficiente (luce diffusa). Per le regioni con climi caldi, i film sottili sono più efficienti (funzionano altrettanto efficacemente alle alte temperature che alle basse temperature). Possibilità di utilizzo come soluzioni progettuali decorative per la finitura delle facciate degli edifici. È possibile una trasparenza fino al 20%, che gioca ancora una volta nelle mani dei designer.

Nel frattempo, nel 2008, l'azienda americana Solyndra ha proposto di posizionare batterie a film sottile su cilindri, dove uno strato di fotocellula è applicato a un tubo di vetro che viene posto all'interno di un altro tubo dotato di contatti elettrici. I materiali utilizzati sono rame, selenio, gallio, indio.

Il design cilindrico consente di assorbire più luce e un set di 40 cilindri si adatta per metro di due pannelli. Il clou qui è che il rivestimento bianco del tetto contribuisce all'elevata efficienza di tale soluzione, perché poi funzionano anche i raggi riflessi, aggiungendo il 20% della loro energia. Inoltre i set cilindrici sono resistenti anche a venti forti con raffiche fino a 55 m/s.

La maggior parte delle celle solari prodotte oggi contiene solo una giunzione pn e i fotoni con energia inferiore al band gap semplicemente non partecipano alla generazione. Quindi gli scienziati hanno escogitato un modo per superare questa limitazione, sono stati sviluppati elementi a cascata di una struttura multistrato, in cui ogni strato ha la propria larghezza di banda, ovvero ogni strato ha una giunzione pn separata con un valore individuale dell'energia dell'assorbimento fotoni.

Lo strato superiore è formato da una lega a base di silicio amorfo idrogenato, il secondo - una lega simile con l'aggiunta di germanio (10-15%), il terzo - con l'aggiunta dal 40 al 50% di germanio. Pertanto, ogni strato successivo ha uno spazio più stretto di quello dello strato precedente ei fotoni non assorbiti negli strati superiori vengono assorbiti dagli strati sottostanti del film.

In questo approccio, il costo dell'energia generata è dimezzato rispetto alle tradizionali celle in silicio cristallino. Di conseguenza, è stata raggiunta un'efficienza del 31% con una pellicola a tre passaggi e una pellicola a cinque passaggi promette un totale del 43%.

Recentemente, gli specialisti dell'Università Statale di Mosca hanno sviluppato celle solari di tipo roll basate su un polimero applicato a un substrato flessibile di materiale organico. L'efficienza si è rivelata solo del 4%, ma tali batterie possono funzionare anche a + 80 ° C per 10.000 ore. Questi studi non sono ancora stati completati.

Gli scienziati svizzeri hanno raggiunto un'efficienza del 20,4% su base polimerica e come semiconduttori sono stati utilizzati indio, rame, selenio e gallio. Oggi, questo è un record per elementi su un sottile film polimerico.

In Giappone, hanno raggiunto un'efficienza del 19,7% in semiconduttori depositati per polverizzazione simili (indio, selenio, rame). E in Giappone hanno iniziato a produrre tessuto solare, i pannelli solari in tessuto sono stati sviluppati utilizzando elementi cilindrici di circa 1,2 millimetri di diametro attaccati al tessuto. All'inizio del 2015, hanno pianificato di avviare la produzione di abbigliamento e ombrelloni su questa base.

È ovvio che i pannelli solari a film sottile diventeranno finalmente generalmente disponibili per la popolazione nel prossimo futuro, non per niente si stanno conducendo così tante ricerche in tutto il mondo per ridurre i costi.