Panells d'energia
solar fotovoltaica

Cèl·lula solar de pel·lícula fina

Cèl·lula solar de pel·lícula fina

Una cèl·lula solar de pel·lícula prima és una segona generació de cèl·lules solars que es fa mitjançant el dipòsit d'una o més capes primes, o de pel·lícula prima (TF) de material fotovoltaic sobre un substrat, tal com vidre, plàstic o metall.

El gruix de la pel·lícula varia des d'uns pocs nanòmetres (nm) fins a desenes de micròmetres (micres). La pel·lícula és molt més prima que la tecnologia rival de la pel·lícula prima, la cel solar de silici cristal·lí convencional (c-Si) de primera generació, que utilitza hòsties de fins a 200 micres de gruix. Això permet que les cèl·lules de pel·lícula prima siguin flexibles i de menor pes. S'utilitza en la construcció de sistemes fotovoltaics integrats i com a material de vidre fotovoltaic semitransparent que es pot laminar en finestres. Altres aplicacions comercials utilitzen panells solars de pel·lícula prima rígida (intercalats entre dos panells de vidre) en algunes de les centrals fotovoltaiques més grans del món.

La tecnologia de pel·lícula prima sempre ha estat més barata però menys eficient que la tecnologia convencional de c-Si. No obstant això, ha millorat significativament amb els anys. L'eficiència de la cel·la de laboratori per CdTe i CIGS ara supera el 21 per cent, superant al silici multicristalino, el material dominant utilitzat actualment en la majoria dels sistemes solars fotovoltaics. Les proves de vida accelerada dels mòduls de pel·lícula prima en condicions de laboratori van mesurar una degradació una mica més ràpida en comparació amb el PV convencional, mentre que generalment s'espera una vida útil de 20 anys o més. Malgrat aquestes millores,

Altres tecnologies de pel·lícula prima que encara es troben en una etapa inicial d'investigació en curs o amb disponibilitat comercial limitada sovint es classifiquen com cèl·lules fotovoltaiques emergents o de tercera generació i inclouen orgànics i sensibilitzats per colorants, així com punts quàntics, sulfur de coure zinc estany, nanocristalls, micromorfos i cèl·lules solars de perovskita.

Tipus de cèl·lules fotovoltaiques de capa prima

Molts dels materials fotovoltaics es fabriquen amb diferents mètodes de deposició en una varietat de substrats. Les cèl·lules solars de pel·lícula prima generalment es classifiquen d'acord amb el material fotovoltaic utilitzat. Segons aquests criteris es troben els següents tipus de cèl·lules fotovoltaiques de capa prima.

  • El silici amorf (a-Es), i altres silicones de pel·lícula prima (TF-Es)
  • Tel·luri de cadmi (CdTe)
  • Gal·li indi i coure semenio (CIS o CIGS)
  • Cèl·lules solars sensibles al color (DSC) i altres cèl·lules solars orgàniques.

Tel·luri de cadmi

L'ús d'tel·lurur de cadmi en la producció de pel·lícules primes és la tecnologia de pel·lícula prima més avançada. Aproximadament la meitat de la producció mundial de panells fotovoltaics i més de la meitat del mercat de pel·lícules primes estan en mans d'aquesta tecnologia. L'eficiència del cel·lular in vitro ha augmentat dramàticament en els últims anys i està en línia amb la pel·lícula prima CIGS i propera a l'eficiència del silici multicristalino. El tel·lurur de cadmi també té el temps de recuperació d'energia més baix de totes les tecnologies de producció en massa, i en situacions desitjables pot ser tan curt com vuit mesos.

Si bé les preocupacions ambientals sobre la toxicitat del cadmi poden remeiar-se completament reciclant cadmi al final del seu període, encara hi ha dubtes sobre la tecnologia i l'opinió pública és escèptica. L'ús de materials escassos també pot ser un problema per a la viabilitat econòmica de la tecnologia de pel·lícula prima de cadmi.

Gal·li indi i coure semenio

Els possibles compostos dels elements del grup XI, XIII, XVI a la taula periòdica fotovoltaica són: coure, plata, or, alumini, gal·li, indi, silici, seleni, tel·luri. Una cèl·lula fotovoltaica de seleni, gal·li o CIGS utilitza un adsorbent de seleni, gal·li, indi i coure, els altres tipus de gal·li lliure s'abreugen CIS.

Aquesta tecnologia és una de les tres corrents principals de tecnologia de pel·lícula prima, les altres dues són tel·lurur de cadmi i silici amorf, que té una eficiència de laboratori del 5% i una quota de mercat del 5%.

El silici amorf

El silici amorf és una forma múltiple de silici no cristal i ha estat la tecnologia de pel·lícula prima més avançada fins a la data. Si bé les cèl·lules fotovoltaiques CIS i CdTe han funcionat amb èxit in vitro, la indústria encara s'està centrant en les cèl·lules de pel·lícula prima basades en silici.

Els productes basats en silici són menys problemàtics que els productes CIS i CdTe, per exemple, els problemes de toxicitat i humitat de les cèl·lules CdTe i la baixa producció de productes CIS no sorgeixen a causa de la complexitat dels materials associats amb els productes de silici. A més, no hi ha objecció a l'ús de silici estàndard com a resultat de la resistència política a l'ús de materials no verdes a la producció d'energia solar. Els mòduls de silici es divideixen en tres categories:

  • Cèl·lules fotovoltaiques de silici amorf
  • Cèl·lules fotovoltaiques tàndem multicristalinas
  • Pel·lícula prima de silici multicristalino sobre vidre

Eficiències de la cèl·lula fotovoltaica de pel lícula prima

Les millores incrementals en l'eficiència començar amb la invenció de la primera cèl·lula solar de silici moderna en 1954. En 2010, aquestes millores constants havien donat com a resultat mòduls capaços de convertir del 12 al 18 per cent de la radiació solar en electricitat. Les millores en l'eficiència han seguit accelerant en els anys transcorreguts des de 2010, com es mostra en el quadre adjunt.

Les cel·les fetes de materials més nous tendeixen a ser menys eficients que el silici a granel, però la seva producció és menys costosa. La seva eficiència quàntica també és menor a causa del nombre reduït de portadors de càrrega recol·lectats per fotó incident.

El rendiment i el potencial dels materials de pel·lícula prima són alts, arribant eficiències cel·lulars del 12-20%; prototips d'eficiències del mòdul del 7 al 13%; i mòduls de producció en el rang del 9%. El prototip de cel·la de pel·lícula prima amb la millor eficiència produeix 20.4% (First Solar), comparable a la millor eficiència de prototip de cel·la solar convencional de 25.6% de Panasonic.

La frontera solar ha aconseguit un nou rècord d'eficiència de cèl·lules solars de pel·lícula prima del 22,3%, el proveïdor d'energia solar cis més gran del món. En una investigació conjunta amb l'Organització de Desenvolupament de Nova Energia i Tecnologia Industrial (NEDO) del Japó, Solar Frontier va aconseguir una eficiència de conversió 22.3% en una cel·la de 0.5 cm2 utilitzant la seva tecnologia CIS. Aquest és un augment de 0.6 punts percentuals sobre el rècord anterior de pel·lícula prima de la indústria de 21.7%.

Energia fotovoltaica emergent

Una cèl·lula solar experimental basada en silici desenvolupada en els Laboratoris Nacionals Sandia

El Laboratori Nacional d'Energia Renovable (NREL) classifica un seguit de tecnologies de pel·lícula prima com fotovoltaica emergent; la majoria d'elles encara no s'han aplicat comercialment i encara estan en la fase de recerca o desenvolupament. Molts fan servir materials orgànics, sovint compostos organometàl·lics, així com substàncies inorgàniques. Tot i que les seves eficiències havien estat baixes i l'estabilitat del material absorbent era sovint massa curta per a aplicacions comercials, s'inverteix molta recerca en aquestes tecnologies, ja que prometen assolir l'objectiu de produir baix cost i alta eficiència. cèl·lules solars.

L' energia fotovoltaica emergent, sovint anomenada cèl·lules fotovoltaiques de tercera generació, inclou:

  • Celda solar de coure zinc estany sulfur (CZTS) i derivats CZTSe i CZTSSe
  • Cèl·lula solar sensibilitzada per colorant, també coneguda com "cèl·lula de Grätzel"
  • Cèl·lula solar orgànica
  • Celda solar de perovskita
  • Cèl·lula solar de punt quàntic

Especialment els èxits en la investigació de les cèl·lules de perovskita han rebut una gran atenció per part del públic, ja que els seus eficiències d'investigació recentment es van disparar per sobre del 20 per cent. També ofereixen un ampli espectre d'aplicacions de baix cost. A més, una altra tecnologia emergent, el concentrador fotovoltaic (CPV), utilitza cèl·lules solars d'unió múltiple d'alta eficiència en combinació amb lents òptiques i un sistema de seguiment.

Absorció de la radiació solar per part de la cèl·lula solar de pel lícula prima

S'han emprat múltiples tècniques per augmentar la quantitat de llum que entra a la cèl·lula i reduir la quantitat que escapa sense absorció. La tècnica més òbvia és minimitzar la cobertura de contacte superior de la superfície cel·lular, reduint l'àrea que impedeix que la llum arribi a la cèl·lula.

La llum de longitud d'ona llarga dèbilment absorbida pot acoblar obliquament al silici i travessa la pel·lícula diverses vegades per millorar l'absorció.

S'han desenvolupat múltiples mètodes per augmentar l'absorció en reduir la quantitat de fotons incidents que es reflecteixen lluny de la superfície cel·lular. Un recobriment antireflectant addicional pot causar interferència destructiva dins de la cel·la a modular l'índex de refracció del recobriment de la superfície. La interferència destructiva elimina l'ona reflectant, fent que tota la llum incident entri a la cel·la.

El texturitzat de superfície és una altra opció per augmentar l'absorció, però augmenta els costos. En aplicar una textura a la superfície del material actiu, la llum reflectida pot refractar per colpejar la superfície novament, reduint així la reflectància. Per exemple, la textura de silici negre per gravat iònic reactiu (RIE) és un enfocament efectiu i econòmic per augmentar l'absorció de cèl·lules solars de silici de pel·lícula prima. Un reflector posterior amb textura pot evitar que la llum s'escapi per la part posterior de la cel·la.

A més de la textura de la superfície, l'esquema de captura de llum plasmònica va atreure molta atenció per ajudar a millorar la fotocorriente en les cèl·lules solars de pel·lícula prima. Aquest mètode utilitza l'oscil·lació col·lectiva d'electrons lliures excitats en nanopartícules de metalls nobles, que estan influenciades per la forma de les partícules, la mida i les propietats dielèctriques del medi circumdant.

A més de minimitzar la pèrdua reflectant, el material de la cèl·lula solar en si pot optimitzar-se per tenir una major probabilitat d'absorbir un fotó que ho aconsegueix. Les tècniques de processament tèrmic poden millorar significativament la qualitat del vidre de les cèl·lules de silici i, per tant, augmentar l'eficiència. La capa de cèl·lules de pel·lícula prima per crear una cèl·lula solar d'unió múltiple també es pot fer. L'interval de banda de cada capa es pot dissenyar per absorbir millor un rang diferent de longituds d'ona, de manera que juntes puguin absorbir un major espectre de llum.

Un major avanç en consideracions geomètriques pot explotar la dimensionalitat del nanomaterial. Les grans matrius paral·leles de nanocables permeten llargues longituds d'absorció al llarg de la longitud del cable mentre mantenen curtes longituds de difusió de portadors minoritaris al llarg de la direcció radial. Afegir nanopartícules entre els nanocables permet la conducció. La geometria natural d'aquestes matrius forma una superfície texturitzada que atrapa més llum.

valoración: 3 - votos 1

Última revisió: 26 de setembre de 2019