Disculpe, ¿cuál es el problema con las células solares?

Introducción La energía solar es una fuente de energía renovable inagotable para la humanidad. También es una fuente de energía limpia y no produce ninguna contaminación ambiental. La utilización eficaz de la energía solar; la utilización fotovoltaica de la energía oceánica es el campo de investigación más dinámico y de más rápido crecimiento en los últimos años, y también es uno de los proyectos más llamativos. Por este motivo se han desarrollado las células solares. La fabricación de células solares se basa principalmente en materiales semiconductores. Su principio de funcionamiento es que los materiales fotoeléctricos absorben la energía luminosa y luego se produce una reacción de conversión fotoeléctrica. Según los materiales utilizados, las células solares se pueden dividir en: 1. Células solares de silicio; 2. Células hechas de sales inorgánicas, como compuestos de arseniuro de galio III-V, sulfuro de cadmio, seleniuro de cobre e indio y otros compuestos multicomponentes 3; . Células solares de gran tamaño fabricadas con materiales poliméricos funcionales. 4. Células solares nanocristalinas, etc. Independientemente del material que se utilice para fabricar la batería, los requisitos generales para los materiales de las células solares son: 1. La banda prohibida del material semiconductor no puede ser demasiado amplia 2. Alta eficiencia de conversión fotoeléctrica: 3. El material en sí no contamina el medio ambiente; 4. El material es fácil de producir industrialmente y tiene un rendimiento estable. Según las consideraciones anteriores, el silicio es el material más ideal para las células solares, razón principal por la que las células solares están hechas principalmente de silicio. Sin embargo, con el continuo desarrollo de nuevos materiales y tecnologías relacionadas, las células solares basadas en otros materiales rurales presentan perspectivas cada vez más atractivas. Este artículo presenta brevemente los tipos y el estado de la investigación de las células solares y analiza el desarrollo y las tendencias de las células solares. 1 Células solares de silicio 1.1 Células solares de silicio monocristalino Entre las células solares de silicio, las células solares de silicio monocristalino tienen la mayor eficiencia de conversión y la tecnología más madura. Las células de silicio monocristalino de alto rendimiento se basan en materiales de silicio monocristalino de alta calidad y tecnologías de procesamiento de calentamiento relacionadas. En la actualidad, la tecnología de puesta a tierra eléctrica de silicio monocristalino está cerca de su madurez. En la fabricación de baterías se utilizan tecnologías como el texturizado de superficies, la pasivación de regiones emisoras y el dopaje por zonas. generalmente se adopta. Las baterías desarrolladas incluyen principalmente celdas de silicio monocristalino planas y celdas de silicio monocristalino con electrodos de compuerta enterrados en zanjas. La mejora de la eficiencia de conversión depende principalmente del tratamiento de la microestructura de la superficie y del proceso de dopaje dividido del silicio monocristalino. En este sentido, el Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar de Alemania mantiene un nivel líder a nivel mundial. En este estudio, la superficie celular fue texturizada mediante fotolitografía y fotografía para crear una estructura piramidal invertida. Y ponga 13 nm en la superficie. Una gruesa capa de pasivación de óxido combinada con dos capas de revestimientos antirreflectantes aumenta la relación de aspecto de la rejilla mediante un proceso de galvanoplastia mejorado: las celdas fabricadas con el método anterior tienen una eficiencia de conversión de más de 23, pero el valor máximo puede alcanzar 23,3. La eficiencia de conversión de la célula solar monocristalina de gran superficie (225 cm2) preparada por Kyocera es 19,44. El Instituto de Investigación de Energía Solar de Beijing en China también participa activamente en la investigación y el desarrollo de células solares de silicio cristalino de alta eficiencia. La eficiencia de conversión de la celda de silicio monocristalino plana de alta eficiencia (2 cm × 2 cm) es 19,79, y la eficiencia de conversión de la celda de silicio cristalino con electrodo de puerta enterrada en zanja (5 cm × 5 cm) es 8,6. Las células solares de silicio monocristalino tienen sin duda la mayor eficiencia de conversión y aún dominan en aplicaciones a gran escala y en la producción industrial. Sin embargo, debido al impacto del precio de los materiales de silicio monocristalino y la correspondiente tecnología engorrosa de baterías, el costo del silicio monocristalino sigue siendo alto, lo que dificulta reducir significativamente su costo. Para ahorrar materiales de alta calidad y encontrar alternativas a las células de silicio monocristalino, se han desarrollado células solares de película fina, de las cuales son representantes típicos las células solares de película fina de silicio policristalino y las células solares de película fina de silicio amorfo. 1.2 Células solares de película delgada de silicio policristalino Generalmente las células solares de silicio cristalino se fabrican sobre obleas de silicio de alta calidad con un espesor de 350 ~ 450 μm. Las obleas de silicio se cortan a partir de lingotes de silicio estirados o fundidos. Por lo tanto, en realidad se consume más material de silicio. Para ahorrar materiales, a mediados de la década de 1970 se empezó a depositar películas de polisilicio sobre sustratos baratos, pero debido al tamaño de grano de las películas de silicio cultivadas, no se pudieron producir células solares valiosas. Para obtener películas con tamaños de grano grandes, la gente nunca ha dejado de investigar y ha propuesto muchos métodos. Actualmente, la deposición química de vapor (CVD) se usa ampliamente para preparar celdas de película delgada de polisilicio, incluida la deposición química de vapor a baja presión (LPCVD) y la deposición química de vapor mejorada con plasma (PECVD). Además, también se pueden utilizar epitaxia en fase líquida (LPPE) y deposición por pulverización catódica para preparar células de película delgada de polisilicio.

La deposición química de vapor utiliza principalmente SiH2Cl2, SiHCl3, Sicl4 o SiH4 como gas de reacción y reacciona en una determinada atmósfera protectora para generar átomos de silicio, que se depositan sobre el sustrato calentado. Los materiales del sustrato suelen ser silicio, dióxido de silicio, nitruro de silicio, etc. Sin embargo, se descubrió que es difícil formar granos grandes en sustratos que no son de silicio y que se forman fácilmente espacios entre los granos. La solución a este problema es depositar primero una capa delgada de silicio amorfo sobre el sustrato mediante LPCVD, luego recocer la capa de silicio amorfo para obtener granos más grandes y luego depositar una capa gruesa de polisilicio sobre la membrana de la semilla. Por tanto, la tecnología de recristalización es sin duda un eslabón muy importante. Las principales tecnologías utilizadas actualmente incluyen la cristalización en estado sólido y la recristalización por fusión en zonas. Además del proceso de recristalización, las células de película delgada de silicio policristalino adoptan casi todos los procesos para preparar células solares de silicio monocristalino, lo que mejora significativamente la eficiencia de conversión de las células solares preparadas. La eficiencia de conversión de la celda de silicio policristalino preparada por el Instituto de Investigación de Energía Solar de Friburgo en Alemania sobre el sustrato FZ Si es 19, y la de Mitsubishi Corporation de Japón es 16,42. El principio de la epitaxia en fase líquida (LPE) es fundir el silicio en la matriz y bajar la temperatura para depositar la película de silicio. La eficiencia de la batería preparada por LPE de la empresa Astropower de Estados Unidos alcanza el 12,2. Chen Zheliang, del Centro de Tecnología de Desarrollo Optoelectrónico de China, utilizó epitaxia en fase líquida para hacer crecer granos de silicio en obleas de silicio de grado metalúrgico y diseñó un nuevo tipo de célula solar similar a las células solares de película delgada de silicio cristalino, llamadas células solares de "grano de silicio", pero no ha sido así. aún ha sido Ver informes sobre su desempeño. Las células de película delgada de silicio policristalino utilizan mucho menos silicio que el silicio monocristalino, no hay problema de disminución de la eficiencia y pueden producirse sobre materiales de sustrato baratos. Su coste es mucho menor que el de las células de silicio monocristalino, pero su eficiencia es mayor que la de las células de película fina de silicio amorfo. Por lo tanto, las células de película delgada de silicio policristalino pronto dominarán el mercado solar. 1.3 Células solares de película delgada de silicio amorfo Las dos cuestiones clave en el desarrollo de células solares son: mejorar la eficiencia de conversión y reducir los costos. Las células solares de película delgada de silicio amorfo han atraído la atención de la gente y se han desarrollado rápidamente debido a su bajo costo y facilidad de producción en masa. De hecho, ya a principios de la década de 1970, Carlson y otros ya habían comenzado la investigación y el desarrollo de células de silicio amorfo. En los últimos años, su trabajo de investigación y desarrollo se ha desarrollado rápidamente. Muchas empresas de todo el mundo fabrican actualmente este tipo de baterías. Aunque el silicio amorfo es un buen material para células solares, su banda prohibida óptica es de 1,7 eV, lo que hace que el material en sí sea insensible a la región de longitud de onda larga del espectro de radiación solar, limitando así la eficiencia de conversión de las células solares de silicio amorfo. Además, su eficiencia fotoeléctrica disminuirá con la extensión del tiempo de iluminación, lo que es el llamado efecto S-W de fotoatenuación, lo que hace que el rendimiento de la batería sea inestable. Una solución a estos problemas es preparar células solares en tándem, que se fabrican depositando una o más subcélulas P-i-n en células solares de unión simple P, I y N preparadas. Los problemas clave para mejorar la eficiencia de conversión y resolver la inestabilidad de las células solares de unión simple son: ① Combina materiales con diferentes bandas prohibidas para mejorar el rango de respuesta espectral (2) La capa I de la celda superior es delgada y eléctrica; intensidad de campo causada por cambios de luz No grande, lo que garantiza la extracción de portadores fotogenerados en la capa I (3) Los portadores generados por la celda inferior son aproximadamente la mitad de los de una sola celda y el efecto de fotodesvanecimiento se reduce; Conexión en serie de cada subcélula de la célula solar apilada. Existen muchos métodos para preparar células solares de película delgada de silicio amorfo, incluida la pulverización catódica reactiva, PECVD, LPCVD, etc. El gas materia prima de reacción es SiH4 diluido con H2 y el sustrato es principalmente vidrio y acero inoxidable. Las películas delgadas de silicio amorfo se pueden convertir en células de unión simple y células solares en tándem mediante diferentes procesos celulares. En la actualidad, se han logrado dos avances importantes en la investigación de células solares de silicio amorfo: primero, la eficiencia de conversión de las células solares de silicio amorfo de tres capas ha alcanzado 13, estableciendo un nuevo récord en la capacidad de producción anual de energía solar de dos y tres capas; células ha alcanzado los 5MW. La eficiencia de conversión máxima de las células solares de unión simple fabricadas por United Solar Energy Corporation (VSSC) es 9,3, y la eficiencia de conversión máxima de las células de tres capas con tres bandas prohibidas es 13, como se muestra en la Tabla 1. La eficiencia de conversión máxima mencionada anteriormente se logra con una batería de área pequeña (0,25 cm2). Se informa que la eficiencia de conversión de las células solares de silicio amorfo de unión simple supera los 65.438 02,5. La Academia Sínica de Japón ha adoptado una serie de nuevas medidas y la eficiencia de conversión de las células solares de silicio amorfo es de 13,2.

No hay mucha investigación sobre células de película delgada de silicio amorfo, especialmente células solares en tándem, en China. Geng Xinhua y otros de la Universidad de Nankai utilizaron materiales industriales para preparar una célula solar apilada A-Si/A-Si con un área de 20X20 cm2, una eficiencia de conversión de 8,28 y un electrodo posterior de aluminio. Las células solares de silicio amorfo tienen un gran potencial debido a su alta eficiencia de conversión, bajo costo y peso ligero. Pero al mismo tiempo, debido a su baja estabilidad, incide directamente en su aplicación práctica. Si se puede resolver aún más el problema de estabilidad y mejorar la tasa de conversión, las células solares de silicio amorfo serán sin duda uno de los principales productos de desarrollo de las células solares. 2 Células solares de película delgada compuestas de múltiples componentes Para encontrar alternativas a las células de silicio monocristalino, se han desarrollado células solares que utilizan otros materiales además del silicio policristalino y las películas delgadas de silicio amorfo. Estos incluyen principalmente compuestos de arseniuro de galio III-V, sulfuro de cadmio, sulfuro de cadmio y baterías de película delgada de seleniuro de indio y cobre. Entre las baterías mencionadas anteriormente, las baterías de película delgada policristalinas de sulfuro de cadmio y telururo de cadmio son más eficientes que las células solares de película delgada de silicio amorfo, tienen un costo menor que las células de silicio monocristalino y son más fáciles de producir en masa. Sin embargo, el cadmio es altamente tóxico y puede causar una grave contaminación al medio ambiente. Por lo tanto, no es el sustituto más ideal de las células solares de silicio cristalino para los compuestos de arseniuro de galio III-V y las células de película delgada de seleniuro de indio y cobre. La gente le presta más atención debido a su alta eficiencia de conversión. GaAs es un material semiconductor compuesto III-V con una brecha de energía de 1,4 eV, que es exactamente el valor de alta absorción de luz solar. Es un material ideal para baterías. La preparación de baterías de película delgada compuestas III-V, como GaAs, utiliza principalmente tecnologías MOVPE y LPE. La preparación de baterías de película delgada de GaAs mediante el método MOVPE se ve afectada por muchos parámetros, como la dislocación del sustrato, la presión de reacción, la relación III-V y. caudal total. Además de GaAs, también se han desarrollado otros compuestos III-V como Gasb, GaInP y otros materiales para baterías. Desde 65438 hasta 0998, la eficiencia de conversión de las células solares de GaAs fabricadas por el Instituto de Sistemas de Energía Solar de Friburgo, Alemania, fue de 24,2, estableciendo un récord europeo. La batería GaInP preparada por primera vez tiene una eficiencia de conversión de 14,7. Ver Tabla 2. Además, el instituto también utiliza estructuras apiladas para preparar baterías de GaAs y Gasb. Este tipo de batería está apilada por dos celdas independientes, GaAs como batería superior y Gasb como batería inferior. La eficiencia de la batería alcanzó 31,1. El seleniuro de indio y cobre CuInSe2 se abrevia como CIC. La energía de las sustancias cis se reduce a 1. Lev, adecuado para la conversión fotoeléctrica de la luz solar. Además, no existe ningún problema de fotodegradación en las células solares de película fina de la CEI. Por lo tanto, el uso de CIS como material de células solares de película delgada con alta eficiencia de conversión también ha atraído la atención de la gente. La preparación de películas delgadas de baterías CIS incluye principalmente evaporación al vacío y selenización. El método de evaporación al vacío utiliza fuentes de evaporación separadas de cobre, indio y selenio para la evaporación. El método de selenización utiliza una película laminada de H2Se para la selenización. Sin embargo, es difícil obtener CIS con una composición uniforme utilizando este método. La eficiencia de conversión de las baterías de película delgada de la CEI ha pasado de 8 en la década de 1980 a aproximadamente 15 en la actualidad. La eficiencia de conversión fotoeléctrica de la celda CIS dopada con galio desarrollada por Panasonic Corporation de Japón es de 15,3 (área de 1 cm2). En 1995, el Instituto Americano de Investigación de Energías Renovables desarrolló una célula solar CIS con una eficiencia de conversión de 17. L, que es la eficiencia de conversión más alta del mundo hasta la fecha. Se espera que en el año 2000 la eficiencia de conversión de las células de la CEI alcance 20, lo que equivale a la de las células solares de silicio policristalino. Como material semiconductor para células solares, el CIS tiene las ventajas de un precio bajo, un buen rendimiento y un proceso sencillo, y se convertirá en una dirección importante para el desarrollo de las células solares en el futuro. El único problema es de dónde viene el material. Dado que el indio y el selenio son elementos relativamente raros, el desarrollo de este tipo de batería será limitado. 3 Células solares de electrodos modificados multicapa de polímero El uso de polímeros para reemplazar materiales inorgánicos en células solares es una dirección de investigación en la fabricación de células solares. El principio es utilizar los diferentes potenciales redox de diferentes polímeros redox para realizar compuestos multicapa en la superficie de materiales conductores (electrodos) para crear dispositivos conductores unidireccionales similares a las uniones PN inorgánicas.

La capa interna de un electrodo se modifica con un polímero con un potencial de reducción más bajo, y el polímero externo tiene un potencial de reducción más alto. La dirección de transferencia de electrones solo se puede transferir desde la capa interna a la capa externa; es todo lo contrario. El potencial de reducción de los dos polímeros es mayor que el de los dos últimos polímeros. Cuando se colocan dos electrodos modificados en una onda de electrólisis que contiene un fotosensibilizador, los electrones generados después de que el fotosensibilizador absorbe la luz se transfieren al electrodo con un potencial de reducción más bajo. Los electrones acumulados en el electrodo con un potencial de reducción más bajo no se pueden transferir al exterior. En los polímeros, solo puede regresar al electrolito a través del circuito externo a través del electrodo con un mayor potencial de reducción, por lo que se genera una fotocorriente en el circuito externo. Los materiales orgánicos son de gran importancia para la utilización a gran escala de la energía solar y el suministro de electricidad barata debido a sus ventajas como buena flexibilidad, fácil fabricación, amplia fuente de materiales y bajo costo. La investigación sobre células solares preparadas con materiales orgánicos apenas ha comenzado. Ni la vida útil ni la eficiencia de las células pueden compararse con las de materiales inorgánicos, especialmente las de silicio. Si se puede desarrollar en productos de importancia práctica requiere más investigación y exploración. 4 Células solares químicas nanocristalinas Entre las células solares, las células solares basadas en silicio son sin duda las más maduras, pero debido a su alto costo, están lejos de cumplir con los requisitos para su promoción y aplicación a gran escala. Con este fin, la gente ha estado explorando la tecnología de baterías, nuevos materiales y películas delgadas. Las células solares de energía química de cristal nanométrico de TiO2 recientemente desarrolladas han atraído la atención de científicos nacionales y extranjeros. Desde que el profesor Gratzel de Suiza desarrolló con éxito células solares químicas de nano-TiO2_2, algunas unidades nacionales también están realizando investigaciones en este campo. Las células solares químicas nanocristalinas (en lo sucesivo denominadas células NPC) se forman modificando un material semiconductor con una banda prohibida y ensamblándolo sobre otro material semiconductor con una brecha de energía mayor. El material semiconductor de banda prohibida estrecha utiliza metales de transición Ru, Os y otros compuestos orgánicos para sensibilizar colorantes, y el material semiconductor de banda prohibida grande es TiO2 nanopolicristalino y se utiliza para fabricar electrodos. Además, las baterías NPC también eligen un electrolito redox adecuado. El principio de funcionamiento del TiO_2 nanocristalino: las moléculas de tinte absorben energía solar y saltan al estado excitado, y el estado excitado es inestable. Los electrones se inyectan rápidamente en la banda de conducción adyacente de TiO_2 y los electrones perdidos en el tinte se compensan rápidamente con el electrolito. La electricidad que ingresa a la banda de conducción de TiO_2 finalmente ingresa a la película conductora y luego genera fotocorriente a través del bucle externo. Las ventajas de las células solares nanocristalinas de TiO2_2 son su bajo costo, su proceso simple y su rendimiento estable. Su eficiencia fotoeléctrica es estable en más de 10, el costo de fabricación es sólo de 1/5 a 1/10 del de las células solares de silicio y la vida útil puede alcanzar más de 20 años. Sin embargo, dado que la investigación y el desarrollo de este tipo de baterías acaban de comenzar, se estima que poco a poco irán entrando al mercado en un futuro próximo. 5. Tendencia de desarrollo de las células solares Como se puede ver en la discusión anterior, como materiales para las células solares, los compuestos III-V y CIS están hechos de elementos raros. Aunque la eficiencia de conversión de las células solares fabricadas con ellas es muy alta, desde la perspectiva de las fuentes materiales, es poco probable que este tipo de células solares dominen en el futuro. Los otros dos tipos de baterías, las células solares nanocristalinas y los electrodos modificados con polímeros, tienen algunos problemas. Por ejemplo, su investigación acaba de comenzar, la tecnología aún no está muy madura y la eficiencia de conversión aún es relativamente baja. Estas dos baterías aún se encuentran en la etapa de exploración y es poco probable que reemplacen a las células solares en poco tiempo. Por lo tanto, desde la perspectiva de la eficiencia de conversión y las fuentes de materiales, el foco del desarrollo futuro siguen siendo las células solares de silicio, especialmente el silicio policristalino y las células de película delgada de silicio amorfo. Debido a su alta eficiencia de conversión y costo relativamente bajo, las celdas de película delgada de silicio policristalino y silicio amorfo eventualmente reemplazarán a las celdas de silicio monocristalino y se convertirán en los productos líderes en el mercado. Mejorar la eficiencia de conversión y reducir los costos son dos factores principales que se consideran al preparar las células solares. Para las células solares actuales basadas en silicio, es difícil mejorar aún más la eficiencia de conversión. Por lo tanto, además de seguir desarrollando nuevos materiales para baterías, el foco de la investigación futura también debería centrarse en cómo reducir costes. Las células solares existentes con alta eficiencia de conversión se fabrican con obleas de silicio de alta calidad, que es la parte más cara de la fabricación de células solares de silicio. Por lo tanto, es particularmente importante reducir el coste del sustrato garantizando al mismo tiempo una alta eficiencia de conversión. También es un problema urgente que debe resolverse en el futuro desarrollo de las células solares.

Recientemente, países extranjeros han utilizado algunas tecnologías para convertir tiras de silicio en el sustrato de células solares de película delgada de silicio policristalino para lograr el propósito de reducir costos, y el efecto es bastante satisfactorio.

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