Lähde: www.energy.gov
Kun valo paistaa aurinkokennolle (PV), jota kutsutaan myös aurinkokennoksi, se voi heijastua, imeytyä tai kulkea suoraan kennon läpi. PV -kenno koostuu puolijohdemateriaalista; "semi" tarkoittaa, että se voi johtaa sähköä paremmin kuin eriste, mutta ei yhtä hyvin kuin metalli. PV -kennoissa käytetään useita erilaisia puolijohdemateriaaleja.
Kun puolijohde altistuu valolle, se absorboi valon energian ja siirtää sen negatiivisesti varautuneisiin hiukkasiin materiaalissa, jota kutsutaan elektroniksi. Tämän ylimääräisen energian ansiosta elektronit voivat virrata materiaalin läpi sähkövirrana. Tämä virta poistetaan johtavien metallikontaktien-aurinkokennojen ristikkomaisten linjojen-kautta, ja sitä voidaan sitten käyttää kodin ja muun sähköverkon virtalähteenä.
PV -kennon tehokkuus on yksinkertaisesti kennosta tulevan sähkötehon määrä verrattuna siihen loistavan valon energiaan, mikä osoittaa, kuinka tehokkaasti kenno muuntaa energiaa muodosta toiseen. PV -kennoista tuotetun sähkön määrä riippuu käytettävissä olevan valon ominaisuuksista (kuten voimakkuudesta ja aallonpituuksista) ja kennon useista suorituskykyominaisuuksista.
PV -puolijohteiden tärkeä ominaisuus on kaistaetäisyys, joka osoittaa, minkä aallonpituuden valoa materiaali voi absorboida ja muuntaa sähköenergiaksi. Jos puolijohteen kaista -aukko vastaa PV -kennossa loistavan valon aallonpituuksia, kenno voi tehokkaasti hyödyntää kaiken käytettävissä olevan energian.
Lisätietoja alla on PV-kennojen yleisimmin käytetyistä puolijohdemateriaaleista.
SILIKONI
Siliconis on ylivoimaisesti yleisin aurinkokennoissa käytetty puolijohdemateriaali, joka edustaa noin 95% tänään myytävistä moduuleista. Se on myös toiseksi yleisin materiaali maapallolla (hapen jälkeen) ja yleisin puolijohde, jota käytetään tietokonepiireissä. Kiteiset piikennot on valmistettu piiatomeista, jotka on liitetty toisiinsa kidehilan muodostamiseksi. Tämä ristikko tarjoaa organisoidun rakenteen, joka tekee valon muuntamisesta sähköksi tehokkaampaa.
Piistä valmistetut aurinkokennot tarjoavat tällä hetkellä korkean hyötysuhteen, edullisen hinnan ja pitkän käyttöiän yhdistelmän. Moduulien odotetaan kestävän 25 vuotta tai enemmän, ja ne tuottavat edelleen yli 80% alkuperäisestä tehostaan tämän ajan jälkeen.
OHUTKALVOISET VALOKUVAT
Ohutkalvoinen aurinkokenno valmistetaan kerrostamalla yksi tai useampi ohut PV-materiaalikerros tukimateriaalille, kuten lasille, muoville tai metallille. Nykyään markkinoilla on kahta päätyyppiä ohutkalvoisia PV-puolijohteita: kadmiumtelluridi (CdTe) ja kupari-indium-galliumdislenididi (CIGS). Molemmat materiaalit voidaan levittää suoraan moduulin pinnan eteen tai taakse.
CdTe on toiseksi yleisin PV-materiaali piin jälkeen, ja CdTe-kennot voidaan valmistaa edullisilla valmistusprosesseilla. Vaikka tämä tekee niistä kustannustehokkaan vaihtoehdon, niiden tehokkuus ei ole' aivan yhtä suuri kuin pii. CIGS -soluilla on optimaaliset ominaisuudet PV -materiaalille ja korkea hyötysuhde laboratoriossa, mutta neljän elementin yhdistämisen monimutkaisuus tekee siirtymisestä laboratoriosta valmistukseen haastavampaa. Sekä CdTe että CIGS vaativat enemmän suojaa kuin pii, mikä mahdollistaa pitkän käyttöiän ulkona.
PEROVSKITE PHOTOVOLTAICS
Perovskitesolaariset solut ovat eräänlainen ohutkalvokenno ja ne on nimetty niiden ominaisen kiderakenteen mukaan. Perovskite-solut on rakennettu materiaalikerroksilla, jotka on painettu, päällystetty tai tyhjölaskettu alla olevaan tukikerrokseen, joka tunnetaan nimelläalusta.Ne on tyypillisesti helppo koota ja ne voivat saavuttaa kiteisen piin kaltaisia hyötysuhteita. Laboratoriossa perovskite -aurinkokennojen tehokkuus on parantunut nopeammin kuin mikään muu PV -materiaali, 3%: sta vuonna 2009 yli 25%: iin vuonna 2020. Jotta kaupallisesti elinkelpoisia, perovskiitti -PV -kennojen on oltava riittävän vakaita selviytyäkseen 20 vuotta ulkona, joten tutkijat pyrkivät tekemään niistä kestävämpiä ja kehittämään laajamittaisia, edullisia valmistustekniikoita.
ORGANIC PHOTOVOLTAICS
Orgaaniset PV- tai OPV-solut koostuvat hiilipitoisista (orgaanisista) yhdisteistä, ja ne voidaan räätälöidä parantamaan PV-solun tiettyä toimintoa, kuten kaistanväliä, läpinäkyvyyttä tai väriä. OPV -kennot ovat tällä hetkellä vain noin puolet tehokkaampia kuin kiteiset piikennot ja niiden käyttöikä on lyhyempi, mutta niiden valmistaminen suurina määrinä voi olla halvempaa. Niitä voidaan myös käyttää erilaisiin tukimateriaaleihin, kuten joustavaan muoviin, jolloin OPV pystyy palvelemaan monenlaisia käyttötarkoituksia.
MÄÄRÄPISTEET
Kvanttipisteiset aurinkokennot johtavat sähköä pienistä hiukkasista eri puolijohdemateriaaleista, jotka ovat vain muutaman nanometrin leveitä, nimeltään kvanttipisteitä. Kvanttipisteet tarjoavat uuden tavan käsitellä puolijohdemateriaaleja, mutta niiden välille on vaikea luoda sähköistä yhteyttä, joten ne eivät tällä hetkellä ole kovin tehokkaita. Niistä on kuitenkin helppo tehdä aurinkokennoja. Ne voidaan sijoittaa alustalle käyttämällä spin-coat-menetelmää, suihketta tai rullalta rullalle tulostimia, kuten sanomalehtien tulostamiseen.
Kvanttipisteitä on erikokoisia, ja niiden kaistanleveys on muokattavissa, joten ne voivat kerätä vaikeasti kaapattavaa valoa ja muodostaa parin muiden puolijohteiden, kuten perovskiittien, kanssa, jotta voidaan optimoida moniliittymäisen aurinkokennon suorituskyky (lisätietoja alla olevista).
MONITOIMINTAINEN VALOVOLTAIIKKA
Toinen strategia PV -kennojen tehokkuuden parantamiseksi on kerrostaa useita puolijohteita makemultijunction -aurinkokennoihin. Nämä solut ovat pohjimmiltaan eri puolijohdemateriaalien pinoja, toisin kuin yksiristiset kennot, joissa on vain yksi puolijohde. Jokaisella kerroksella on erilainen kaista-aukko, joten ne absorboivat eri osan aurinkospektristä hyödyntäen enemmän auringonvaloa kuin yksiristeiset solut. Monikäyttöiset aurinkokennot voivat saavuttaa ennätykselliset tehokkuustasot, koska valo, joka ei ime ensimmäistä puolijohdekerrosta, vangitsee sen alla olevan kerroksen.
Vaikka kaikki aurinkokennot, joissa on useampi kuin yksi kaista -aukko, ovat moniliittymäisiä aurinkokennoja, täsmälleen kahden kaista -aukon aurinkokennoa kutsutaan tandem -aurinkokennoksi. Monitoimisia aurinkokennoja, jotka yhdistävät jaksollisen taulukon sarakkeiden III ja V puolijohteita, kutsutaan moniliittymäisiksi III-V-aurinkokennoiksi.
Monikäyttöisten aurinkokennojen tehokkuus on ollut yli 45%, mutta ne ovat kalliita ja vaikeita valmistaa, joten ne on varattu avaruustutkimukseen. Armeija käyttää III-V-aurinkokennoja droneissa, ja tutkijat tutkivat muita käyttötarkoituksia, joissa korkea hyötysuhde on avainasemassa.
KESKITYS FOTOVOLTAIIKKA
Pitoisuus PV, joka tunnetaan myös nimellä CPV, keskittyy auringonvaloon aurinkokennoon peilin tai linssin avulla. Keskittämällä auringonvalon pieneen alueeseen tarvitaan vähemmän PV -materiaalia. PV -materiaalit muuttuvat tehokkaammiksi valon keskittyessä, joten suurin kokonaistehokkuus saavutetaan CPV -kennoilla ja -moduuleilla. Kalliimpia materiaaleja, valmistustekniikoita ja kykyä seurata auringon liikettä tarvitaan kuitenkin, joten tarvittavan kustannusetun osoittaminen': n suuriin piimoduuleihin verrattuna on tullut haastavaksi.
