Гъвкави соларни повърхности

Технологии и материали за производството

Фотоволтаичното производство на електричество е една от най-бързо развиващите се области на ВЕИ енергетиката. Разрастването и развитието й са свързани с научни изследвания, подобряващи ефективността на слънчевите панели. Постига се голям напредък обаче и в друга посока – разширяването на приложенията на фотоволтаични клетки и интегрирането им в различни предмети и повърхности. Това е свързано с разработването на гъвкави соларни клетки.

Осъществяването на успешни проекти е следствие от научни изследвания, целящи създаването на нови материали, от които да бъдат изработвани соларните клетки – това включва опити са производство на по-тънки пластини на силициева основа, други материали, абсорбиращи светлина, както и материали за субстрата или основата на клетките или материали за производството на електроди. 

Текст: списание Енергия

Поради по-голямото търсене на слънчева енергия, соларните панели са в постоянно развитие. Разработването на нови технологии и постоянното развитие на производството на слънчеви клетки е свързано с нарастващото търсене на фотоволтаични панели. Това развитието води не само до намаляване на цените на панелите поради големия мащаб на производство, но и до подобрения като увеличаване на ефективността. В ранните дни на изследванията в областта на соларната енергия основната визия за внедряване на фотоволтаици се фокусираше върху поставяне на фотоволтаични панели върху сгради или монтирането им на земята като част от големи инсталации, но с течение на времето се изследват и интегрирани в сградата продукти и преносими устройства. Развитието в посока на разнообразяване и разширяване на възможностите за внедряване на фотоволтаични клетки в различни строителни елементи, структури или предмети е свързана с разработването на гъвкави соларни клетки, които да пасват на различни по форма повърхности. За постигането на тази цел голяма роля играе разработката на нови материали за изработването на различните елементи на фотоволтаичните клетки.

Днешните ниски цени на фотоволтаичните модули са възможни, тъй като фотоволтаичната промишленост масово произвежда почти милиард модула годишно. Успехът на новите фотоволтаични повърхности може да изисква масово производство в сравним мащаб. Понастоящем фотоволтаичната индустрия е нараснала до размер, който може да привлече инвестиции от основните строители, позволявайки нискотарифни и нискорискови фотоволтаични продукти да се използват като опция по подразбиране не само за покривни материали, но и за фасади, прозорци и други строителни компоненти. Създаването на гъвкава фотоволтаична технология би направило лесно внедряването или прилагането є върху всяка повърхност или конструкция (твърда, извита или гъвкава), сключително при приложения в преносимата електроника. Научен пробив по отношение на материалите, използвани за производство на фотоволтаични клетки, може да доведе до производството на по-тънки, леки и гъвкави слънчеви панели, които да се използват за захранване на повече домове и да се използват в по-широк спектър от продукти. Секторът на възобновяемите енергийни източници непрекъснато търси нови начини за увеличаване на поглъщането на светлина от слънчевите клетки от леки материали, които могат да бъдат вградени в най-различни предмети около нас - от керемиди до платна за лодки и оборудване за къмпинг.

Гъвкави силициеви панели

Производството на масово изпозлваният днес силиций (около 90% от световния пазар на фотоволтаици) е много енергоемко, така че създаването на по-тънки клетки и промяната на дизайна на повърхността би ги направило по-евтини и по-екологични. Изтъняването на силициевата пластина значително под стандартните за индустрията 160μm по принцип намалява както производствените разходи, така и капиталовите разходи и ускорява икономически устойчивото разширяване на производството на фотоволтаични системи.

Гъвкавите слънчеви панели се състоят от ултратънки силициеви пластини и стават все по-популярни. За разлика от конвенционалните слънчеви панели, гъвкавите слънчеви панели се изработват чрез наслояване на един или повече тънки слоя от фотоволтаичен материал върху основен слой от пластмаса, стъкло или метал. В резултат на това слънчевият панел става много по-тънък от конвенционалните слънчеви панели, което го прави гъвкав и лек.

Най-голямото предимство на гъвкавите слънчеви панели е способността им да се адаптират към много различни видове слънчеви проекти. Те могат да бъдат огънати и оформени по начин, който да пасва на повърхността, върху която са инсталирани. Нещо повече, те често се наричат ​​леки слънчеви панели, тъй като те обикновено тежат по-малко от традиционните слънчеви панели, съответно представляват чудесно решение за покриви, които не могат да понесат голямото тегло на традиционните системи. Друго предимство на гъвкавите слънчеви панели е, че те са преносими - клетките могат да бъдат инсталирани временно и по-късно да се съхраняват или инсталират на друго място. Гъвкавите слънчеви панели могат да бъдат полупрозрачни, което им позволява да се прилагат върху стъклени повърхности, т. е. могат да се използват за създаване на прозорци, които генерират слънчева енергия. Към този момент обаче се наблюдават и няколко недостатъка на тези клетки, над чието разрешаване работят много изследователи по света - гъвкавите панели имат по-ниска ефективност и относително кратък живот.

Намаляването на дебелината на пластините силиций изглежда обещаващо да намали разходите за производство и да даде възможност за нови приложения. Все още има два ключови въпроса, които трябва да бъдат разгледани: колко може да се спечели икономически днес от „старата“ идея за намаляване на дебелината на пластините и какви са технологиите, необходими за производството на високоефективни тънки силициеви модули с висока производителност и висока ефективност на преобразуване на мощността?

Ефективността е влиятелен фактор при преценката на това дали разходите са оправдани и представляват печеливша инвестиция. Изтъняването на пластините намалява способността им да улавят наличните фотони, особено тези в близкия инфрачервен спектрален диапазон, което може да доведе до по-ниска ефективност. Тази загуба на ефективност може да бъде компенсирана от неотдавнашният индустриален преход към PERC и по-нататъшното усъвършенстване на технологията за пасивиране на повърхността. По-добрата пасивация на задната повърхност също е свързана с подобрени оптични характеристики, което също допринася за по-висока ефективност.

Различни основи

Гъвкавите субстрати (или основи) са един от основните елементи в гъвкавата фотоволтаика, допринасящи за нейното развитие. Най-често използваните гъвкави субстрати за производство на соларни клетки могат да бъдат категоризирани според материала, от който се състоят - метален, керамичен и пластмасов субстрат.

Тънките метални (<125μm) фолиа са гъвкави и често се използват като субстрати за производството на гъвкави слънчеви клетки. Най-използваната гъвкава метална основа е фолио от неръждаема стомана поради ниската си цена, отлична термична и химическа стабилност. Първото му използване за слънчеви клетки (които също могат да бъдат гъвкави) може да бъде проследено до 80-те години на миналия век. Фолиото от неръждаема стомана вече е приложено към търговските гъвкави слънчеви панели, като например гъвкав слънчев панел от мед, индий, галий и селенид (CIGS). В допълнение към фолиото от неръждаема стомана, фолиото от алуминиева сплав също е използвано като субстрат на гъвкави слънчеви клетки за търговско приложение. Други метали като титаново фолио също се използват през последните години за производството на перовскитни слънчеви клетки (PSC). Въпреки това, поради високата цена на титаниевото фолио, масовото производство с този субстрат изглежда нереалистично. Трябва да се отбележи, че металното фолио има висока оптична отразяваща способност във видимия спектър и следователно горният електрод на слънчевата клетка трябва да бъде оптически прозрачен, което позволява предаването на фотони в активните материали.

Най-използваният керамичен субстрат за слънчеви клетки е стъкленият субстрат, който показва добра термична стабилност и е устойчив на влиянието на химически елементи и влага. Лошата пластичност на стъклото обаче компрометира неговата гъвкавост, което води до много по-малък радиус на безопасно огъване в сравнение с този на металното фолио или на пластмасовия субстрат. Със съвременни технологи за производство на стъкло дебелината на стъкления субстрат може да бъде намалена до под 100μm, което прави стъклото много по-гъвкаво.

Пластмасовият (или полимерен) субстрат привлича голямо внимание в областта на гъвкавите слънчеви клетки поради това, че е лек и има ниска цена. Основният недостатък на пластмасовия субстрат е неговата висока пропускливост на кислород и влага, което е вредно за слънчевите клетки. Този проблем може да бъде преодолян чрез покриване с бариерни слоеве от двете страни на пластмасовия субстрат. Например алуминиевият оксид и силициевият оксид често се полагат върху пластмасова основа като бариерни слоеве, за да се предотврати проникването на кислород и влага. Друг недостатък на пластмасовия субстрат е ниската термична стабилност поради ниската температура на преминаване на стъклото (Tg). Следователно пластмасовият субстрат не е подходящ за направата на слънчеви клетки, които изискват полагане на активни полупроводникови слоеве при повишени температури, например силициеви слънчеви клетки или слънчеви клетки от CIGS. Въпреки това, пластмасовият субстрат е много подходящ за производство на слънчеви клетки при ниска температура на процеса като органични/полимерни слънчеви клетки и PSC. Често използваните пластмасови основи са полиетилен терефталат (PET), PEN, поликарбонат (PC) и полиимид (PI).

Критерии за оценка на материалите

Скоростите на предаване на кислород и на водна пара (OTR и WVTR) са два важни параметъра за оценка на пропускливостта на материалите по отношение на кислорода и влагата. В зависимост от приложението, изискванията за OTR и WVTR могат да бъдат различни. Металът и стъклото обикновено имат изключително ниски OTR и WVTR поради плътната атомна подредба при тези материали. Въпреки това, пластмасовите материали обикновено имат много по-високи OTR и WVTR, тъй като при тяхната структура атомите не са толкова плътно подредени. Газовите молекули или влагата могат да проникнат и лесно да реагират с активните материали на устройството. Също така някои полимери са склонни да абсорбират вода, докато други не. Следователно сложните слоеве от бариери срещу газ и влага са от решаващо значение за това пластмасовия субстрат да функционира като надеждно за усъвършенствани оптоелектронни приложения. Тези многослойни покрития добавят значителни разходи към производството на соларни клетки с пластмасови основи.

Термичната стабилност също е важен фактор на материалите на основата, който определя дали производството на слънчеви клетки, използващо субстрата, може да се извършва при висока температура. Метали и керамични стъкла са толерантни към висока температура. Въпреки това, пластмасовите материали обикновено имат ниска термична стабилност, ограничена от температурата им на преминаване на стъкло (Tg) - критичната температура, определяща прехода между твърда стъклена мрежа и състояние, подобно на каучукова течност.

Екологичната стабилност на материала на основата е друго важно съображение за гъвкавите слънчеви клетки. Субстратът трябва да е устойчив на химическите атаки на околната среда по време на работата на слънчеви клетки на открито. Гъвкавите основи на метална основа обикновено показват добра екологична стабилност. Керамичните материали също имат задоволителна екологична стабилност. Стъклото е химически инертно и е устойчиво на влиянието на вода, солни разтвори, киселини и органични вещества. Въпреки това, то не може да устои добре на излагане на основи и флуороводородна киселина. За нормалната работа на открито соларните клетки, произведени върху метални фолиа или керамични основи, могат да бъдат екологично стабилни. За разлика от тях, пластмасовите субстрати показват по-лоша екологична стабилност от металните или керамичните субстрати, поради лесното разграждане на полимерите в присъствието на кислород в околната среда.

Оптичните свойства на гъвкавия субстрат също трябва да бъдат взети под сериозно внимание, тъй като те ще определят как трябва да бъде проектирана структурата на слънчевите клетки. Субстрат с висока оптична или висока отражателна способност е подходяща за изработване на гъвкави слънчеви клетки. Оптичната пропускливост и отражателна способност са два количествени параметъра, дефинирани като съотношението на пропусната светлина и отразена светлина, съответно върху общата падаща светлина. Неръждаемата стомана показва отражателна способност от 60% -70% върху видимия спектър и не е оптически прозрачна. Слъкления субстрат е оптически прозрачен с оптичен коефициент на пропускане над 90%. Пластмасовите основи също имат висока пропускливост. Слънчева клетка може да бъде интегрирана в прозорец, което изисква отлична оптична прозрачност на основата. Керамичните и пластмасовите основи ще играят значителна роля в този тип приложения.

В бъдеще субстратите от метално фолио все още ще заемат важно място в индустрията за гъвкави слънчеви панели при производството на силициеви и CIGS соларни клетки, поради отличната си гъвкавост и термична стабилност. Въпреки това, металното фолио обикновено има висока грапавост на повърхността, която трябва да се намали чрез полиране, за да отговори на изискванията на електрониката. Процесът на полиране допълнително увеличава производствените разходи и следователно една бъдеща насока за слънчевите панели с метално фолио е разработването на евтин и ефективен процес на полиране. Освен това металната основа е електропроводима и монолитната интеграция на слънчевата клетка изисква изолиращ слой между основата и електрода. Разработването на по-добра техника за полагане може допълнително да намали общите производствени разходи.

Гъвкавите керамични субстрати навлязоха на пазара през последните години и съответните слънчеви панели в момента са в търговска разработка. Въпреки това, поради крехкоста на материала, гъвкавостта на керамичния субстрат все още отстъпва на метала или пластмасата. По този начин бъдещите усилия за керамичната основа трябва да се положат за подобряване на гъвкавостта чрез допълнително намаляване на дебелината или разработване на нови керамични материали. Пластмасовият субстрат позволява производството на слънчеви клетки при ниска температура на процеса и една бъдеща посока на развитие е да се повиши ефективността и живота на тези нови слънчеви клетки до търговското ниво. Въпреки това високата пропускливост на газ/влага на пластмасата изисква бариерно покритие от двете страни, което допълнително увеличава производствените разходи. По този начин, друга потенциална насока за пластмасовия субстрат е да се разработи икономична технология за покритие.

Перовскит

Слънчевите клетки от перовскит са във фокуса на изследванията за разработване на слънчеви клетки през последните години поради тяхната висока ефективност и икономично производство. За първи път перовскитното съединение е открито от Густав Роуз през 1839 г., кръстен на руския минералог Л. А. Перовски. Слънчевите клетки от перовскит използват абсорбер на перовскит между електронотранспортиращ слой върху проводящ стъклен субстрат (FTO), перовскитният материал действа като поглъща светлина, а идеалният селективен контакт не влошава светлопоглъщащия слой и също така не предизвиква разграждане.

Сега изследванията се пренасочват към гъвкави перовскитни слънчеви клетки (F-PSC), като се бележат успехи по отношение на повишаването на ефективността. За разлика от твърдите PSC, при които се използва стъклен субстрат, F-PSC използват гъвкави основи като полиетилен терефталат (PET), които не могат да издържат при температура на обработка значително по-висока от 200°C. Следователно са разработени различни нискотемпературни техники за производство на електронни селективни слоеве (ESL) с голям напредък в постигането на висока ефективност на преобразуване на мощността. Двата важни аспекта за постигане на висока ефективност при F-PSC са нискотемпературните ESL и висококачествените перовскитни абсорбери. F-PSC имат много по-ниска ефикасност на преобразуването на енергия в сравнение с твърди аналози, въпреки че процесът, използван за полагане на перовскитен абсорбиращ слой, е подобен. Изискват различни методи за полагане, за да се постигне желаната ефективност на преобразуване на мощността на перовскитните филми, особено за F-PSC с по-голяма площ.

Технологиите за производство на тънките филми вече са навлезлиа във фотоволтаичната индустрия. Тънкослойните слънчеви клетки предлагат най-обещаващите възможности за намаляване на разходите за фотоволтаични системи. Слънчевите клетки от перовскит отварят възможности за нови приложения с повишаване на стабилността и надеждността. Основен проблем, над който се работи, е токсичността на оловото и неговото въздействие върху околната среда. Тогава основна задача е намирането на материал, който да замести оловото, като към момента това най-често е калай.

Въпреки забележителните подобрения в PCE, дългосрочната стабилност, подходяща за осигуряване на повече от 25 години експлоатация на открито, остава да бъде доказана. Едно от най-честите притеснения е, че излагането на перовскитите на светлина води до значително разграждане чрез миграция на йони. Належащ въпрос е да се обърне внимание на оперативната стабилност на гъвкавите перовскитни слънчеви клетки при топлинно и светлинно напрежение. За да се стабилизират перовскитните активни материали е възможно да се настрои качеството на тънкия филм чрез модифициране на химичния състав. 

Графенът и органичните съединения

Фотоволтаичните слънчеви клетки, изработени от органични съединения, биха предложили различни предимства пред днешните неорганични силициеви слънчеви клетки. Те биха били по-евтини и по-лесни за производство. Те биха били по-леки и гъвкави, отколкото тежки, твърди и крехки, и така биха били по-лесни за транспортиране, включително до отдалечени региони без централна електрическа мрежа. И те биха могли да бъдат прозрачни. Много органични материали абсорбират ултравиолетовите и инфрачервените компоненти на слънчевата светлина, но предават видимата част, която очите ни могат да открият. Следователно органичните слънчеви клетки могат да бъдат монтирани на повърхности навсякъде около нас и да събират енергия, без да ги забелязваме. Изследователите постигнаха значителен напредък през последното десетилетие към разработването на прозрачни органични слънчеви клетки. Но те са срещнали една постоянна пречка: намирането на подходящи материали за електродите, които извеждат ток от клетката.

Графенът е материал с дебелина само един атом, който ефективно провежда топлина и електричество. Разработват се техники, използващи графен, за да създадат слънчеви клетки, които могат да се монтират на повърхности, вариращи от стъкло до пластмаса до хартия. Напредък в соларната технология беше постигнат благодарение на нов метод за нанасяне на дебел един атом слой графен върху слънчевата клетка - без да се увреждат близките чувствителни органични материали. Досега разработчиците на прозрачни слънчеви клетки обикновено разчитаха на скъпи, чупливи електроди, склонни към напукване, когато устройството се огъва. Възможността да се използва графен вместо това прави възможно да бъдат произвеждани наистина гъвкави, евтини, прозрачни слънчеви клетки, които могат да превърнат практически всяка повърхност в източник на електрическа енергия.

Два ключови проблема забавиха навлизанео на графенови електроди в масовото производство. Първият проблем е полагането на графеновите електроди върху слънчевата клетка. Повечето слънчеви клетки са изградени върху субстрати като стъкло или пластмаса. Долният графенов електрод се полага директно върху този субстрат - задача, която може да бъде постигната чрез процеси, включващи вода, разтворители и топлина. След това се добавят останалите слоеве, завършващи с горния графенов електрод. Но поставянето на горния електрод върху повърхността на т. нар. транспортния слой е сложно. Този слой се разтваря във вода, а органичните материали точно под него са чувствителни към почти всичко, включително вода, разтворители и топлина. В резултат на това изследователите обикновено използват горен ITO електрод. Вторият проблем при използването на графен е, че двата електрода трябва да играят различни роли. Лекотата, с която даден материал пропуска електрони, е свойство, определено като негова работна функция. Но в слънчевата клетка само един от електродите трябва да позволи на електроните да преминават лесно. В резултат на това, ако двата електрода са направени от графен, ще се изисква промяна на работната функция на един от тях, така че електроните да се движат в една посока.