Réseau cristallin de pérovskite CH3NH3PbI3

Wikimédia Commons

Des chercheurs américains ont montré que dans les cellules solaires à base de pérovskites, les porteurs de charge ayant un excès d'énergie sont capables de parcourir une distance importante avant de la dissiper sous forme de chaleur. Cela signifie qu'il est tout à fait possible de mettre en œuvre des cellules photovoltaïques sur supports chauds, pour lesquelles la limite de rendement théorique est deux fois plus élevée que celle des cellules classiques en silicium. L'étude a été publiée dans la revue Science.

Dans les cellules solaires les plus courantes, qui utilisent le silicium comme semi-conducteur, le rendement théoriquement possible dépasse à peine 30 pour cent. Cela est dû au fait que les cellules en silicium ne peuvent utiliser qu’une partie du spectre solaire. Les photons dont l'énergie est inférieure au seuil ne sont tout simplement pas absorbés, et ceux dont l'énergie est trop élevée conduisent à la formation de porteurs de charge dits chauds (par exemple, des électrons) dans la photocellule. La durée de vie de ces derniers est d'environ une picoseconde (10 à 12 secondes), puis ils « se refroidissent », c'est-à-dire qu'ils dissipent l'excès d'énergie sous forme de chaleur. Si les porteurs chauds pouvaient être collectés, cela augmenterait la limite d’efficacité théorique à 66 pour cent, soit deux fois plus. Malgré le fait que dans certaines expériences, il a été possible d'observer de petites économies d'énergie, les éléments sur des porteurs chauds restent encore plutôt hypothétiques.

Des scientifiques de l'Université Purdue et du National Renewable Energy Laboratory (États-Unis) ont contribué à l'étude d'une nouvelle classe prometteuse de cellules photovoltaïques à base de pérovskites et ont démontré que dans ces cellules, les porteurs chauds ont non seulement une durée de vie accrue (jusqu'à 100 picosecondes), mais sont également capables de « parcourir » des distances importantes de plusieurs centaines de nanomètres (ce qui est comparable à l’épaisseur de la couche semi-conductrice).

Les pérovskites organométalliques tirent leur nom de leur structure cristalline. Il répète essentiellement la structure d'un minéral naturel - la pérovskite ou titanate de calcium. Chimiquement, ce sont des halogénures mixtes de plomb et de cations organiques. Les auteurs des travaux ont utilisé une pérovskite commune à base d'iodure de plomb et de méthylammonium. Partant du fait que dans les pérovskites, la durée de vie des porteurs chauds est considérablement augmentée par rapport aux autres semi-conducteurs, les auteurs ont décidé de découvrir jusqu'où les porteurs chauds peuvent être transférés lors de leur refroidissement. Grâce à la microscopie ultra-rapide, les chercheurs ont pu observer directement le transport de porteurs chauds dans de minces films de pérovskite avec une résolution spatiale et temporelle élevée.

Transport de porteurs chauds dans un semi-conducteur pendant la première picoseconde après excitation

Guo et al / Science 2017

Il s’est avéré qu’un refroidissement lent des pérovskites est associé à une plage allant jusqu’à 600 nanomètres. Cela signifie que les porteurs de charge avec un excès d'énergie sont théoriquement capables de surmonter la couche semi-conductrice et d'atteindre l'électrode, c'est-à-dire qu'ils peuvent être collectés (cependant, les auteurs de l'ouvrage ne discutent pas de la manière de mettre en œuvre cela techniquement). Ainsi, des cellules solaires à porteur chaud pourraient être réalisées en utilisant des pérovskites comme base.

À ce jour, le rendement maximum, atteignant 46 %, a été enregistré pour les cellules photovoltaïques multicouches à plusieurs composants, qui comprennent de l'arséniure de gallium, de l'indium, du germanium avec des inclusions de phosphore. Ces semi-conducteurs utilisent la lumière plus efficacement en absorbant différentes parties du spectre. Leur production étant très coûteuse, ces éléments ne sont utilisés que dans l'industrie spatiale. Nous avons également parlé précédemment d'éléments à base de tellurure de cadmium, qui peuvent être produits sous forme de films flexibles et minces. Bien que la contribution totale de l'énergie solaire à la production d'électricité ne dépasse pas encore 1 %, le taux de croissance peut être qualifié d'explosif. Des pays comme l’Inde et la Chine sont particulièrement intéressés par l’utilisation de l’énergie solaire renouvelable. Société Google Fin 2016, elle a annoncé qu’elle allait se tourner entièrement vers les énergies renouvelables cette année.

Actuellement, les cellules solaires au silicium sont principalement utilisées dans la vie quotidienne, avec un rendement réel de 10 à 20 pour cent. Les éléments à base de pérovskites sont apparus il y a moins de 10 ans et ont immédiatement suscité un intérêt bien mérité (nous en avons déjà parlé). L'efficacité de ces éléments augmente rapidement et atteint presque 25 %, ce qui est comparable aux meilleurs exemples de cellules solaires au silicium. De plus, ils sont très simples à réaliser. Malgré le succès technologique, les principes physiques de fonctionnement des cellules pérovskites sont relativement peu étudiés, de sorte que les travaux discutés par des scientifiques américains apportent une contribution importante aux principes fondamentaux du photovoltaïque et, bien sûr, impliquent la perspective d'augmenter encore la efficacité des cellules solaires.

Daria Spasskaïa

Je crie et je pleure, c'est probablement ainsi que la vidéo aurait dû commencer, mais beaucoup de gens commencent immédiatement à penser dans la mauvaise direction. Oui à propos de l'efficacité panneaux solaires beaucoup de matériel. Il y en a tellement que tout le monde recherche un panneau solaire avec un rendement de 30 à 50 % et quel que soit son prix. Attends quoi? Êtes-vous vraiment de ceux qui pensent qu'aujourd'hui l'efficacité des panneaux est ce qui compte accès libre ce n'est pas assez. En réalité, 22 à 28 % ne suffisent-ils pas ?

Voulez-vous un exemple de ce qui a réellement un faible rendement, et nous parlerons des panneaux solaires produits en 1990 avec un rendement d'environ 10 %, et vous savez, maintenant je peux certainement dire avec certitude que le conte de fées que tous ceux qui le font Je ne comprends pas qui se répand sur Internet, c'est carrément faux. Et pour dire cela en toute confiance, j'avais besoin d'acheter 2 panneaux avec mon propre argent, de les installer en fonctionnement et de les observer pendant environ un an avec différentes options de connexion.

Eh bien, le verdict est prêt.

L'efficacité des panneaux solaires plus anciens, produits avant 2010, est nettement inférieure à l'efficacité des panneaux modernes, et nous ne parlons même pas ici de la réduction du coût de ces derniers, mais spécifiquement de la technologie de production. Nous n'aborderons pas le fait que les panneaux modernes sont plus fins, disposent d'un nouveau revêtement absorbant, plus efficace que les panneaux plus anciens et se décolore moins. Non, nous parlerons simplement d'efficacité.

Pour commencer, qu'est-ce que l'efficacité - coefficient de performance.

Donc, dans un langage simple, c'est ainsi que fonctionnent les panneaux solaires efficaces aujourd'hui, mais pas à l'avenir, car plus le panneau solaire fonctionne longtemps et plus l'efficacité diminue. Et si vous tiriez et chargeiez des panneaux solaires ? court-circuit, spirales ou lampes IR, comme certains le font. L’efficacité des panneaux solaires fondra tout simplement plusieurs fois plus rapidement.

Il n’existe donc pas vraiment d’informations de ce type, même si elles sont si grossières, d’autant plus que les panneaux solaires sont tellement usés qu’il est difficile d’en trouver dans notre pays. Et on se retrouve avec quoi ?

C’est simple : quand il y a du soleil, les panneaux solaires produisent presque toute leur énergie, mais la tension de fonctionnement et de repos chute. Oui, le courant a un peu baissé, environ 0,5 à 1A. Et on pourrait s'arrêter là, en prenant en compte les propos de la plupart des blogueurs, mais non, notre efficacité a également baissé, désormais les panneaux solaires produisent moins tant en tension qu'en courant, par temps nuageux ou en lumière réfléchie. Il s'agit d'une baisse d'efficacité ou d'une usure du panneau. Cela semble fonctionner, mais cela ne semble pas fonctionner par mauvais temps.

Vous pensez à tout, mais ce n'est pas le cas, j'ai déjà l'habitude de tout dire ou presque, même si les pantoufles me volent dessus à l'heure actuelle, et à l'avenir elles sont collectées en disant, mais pourquoi ne le saviez-vous pas :) Je vais vous raconter un autre problème avec les panneaux solaires usés.

À savoir! Le fait est qu'en raison de l'usure du panneau solaire et du revêtement absorbant et absorbant la lumière gravement endommagé et brûlé, certaines personnes qui ne sont pas au courant appellent ce revêtement un revêtement dissipatif ou autre chose. . Mais en absorbant et en absorbant correctement la lumière, sa tâche est de protéger la plaquette de silicium et la structure de l'élément lui-même, et d'absorber plus efficacement la lumière du soleil ! Une grande partie de l’efficacité dépend de cette fine couche.

Ainsi, lorsqu’elles s’effondrent et brûlent, les cellules solaires commencent à chauffer plus intensément et leur puissance diminue. L'effet est très similaire à celui d'un semi-conducteur semi-percé ou surchauffé, qui semble fonctionner, mais chauffe et ses caractéristiques chutent. Ainsi, puisqu'une cellule solaire est le même conducteur avec une jonction n, mais de plus grande taille, toutes les règles de l'électronique s'appliquent également à une cellule solaire.

Et le plus important est que vous ne pouvez pas combiner d'anciens panneaux solaires avec des nouveaux, car lorsque la puissance de sortie des plus faibles diminue, mais que sur les nouveaux il y a encore de l'énergie, les anciens panneaux puiseront une partie de l'énergie sur eux-mêmes, car une charge, chauffant ainsi la rue au lieu de travailler !

C'est ça. Et maintenant, j'en parlerai plus souvent, afin que la majorité des conteurs et des personnes qui ne sont pas dans le sujet disposent d'informations plus compétentes. Et s'il existe des observations réelles, il existe alors des informations sur la manière de prolonger la durée de vie des cellules solaires.

Date d'ajout : 30/04/2015

De nos jours, les énergies renouvelables, notamment dans le domaine de l'énergie solaire, se développent de manière très intensive. À cet égard, il continue recherche active méthodes et dispositifs, augmentant la productivité des systèmes existants qui permettent la conversion la plus efficace de l'énergie solaire en électricité. Ici, deux directions peuvent être distinguées : la conversion directe du rayonnement solaire en électricité, et conversion répétée de l'énergie solaire - en chaleur, puis en travail mécanique, puis en électricité. Jusqu'à présent, de meilleurs résultats ont été obtenus dans la deuxième direction : les installations solaires industrielles équipées de concentrateurs, de turbines ou de moteurs Stirling affichent une excellente productivité dans la conversion de l'énergie solaire. Ainsi, dans une station solaire fonctionnant au Nouveau-Mexique avec des concentrateurs solaires et des moteurs Stirling, un rendement de 31,25 % a été obtenu, en tenant compte de la consommation d'énergie pour le système d'orientation, etc.

Mais de telles installations solaires sont extrêmement complexes et coûteuses, sont efficaces dans des conditions d'ensoleillement très élevé et n'ont pas encore été suffisamment développées dans le monde. Par conséquent, les convertisseurs directs du rayonnement solaire - panneaux solaires , occupent une position de leader dans le monde de l’énergie solaire en termes d’installations et de gamme d’applications. La productivité des panneaux solaires industriels en série varie aujourd'hui, selon la technologie, de 7 à 20 %. Les technologies ne s'arrêtent pas, elles se développent et s'améliorent, de nouvelles cellules sont déjà développées et testées, au moins deux fois plus productives que celles existantes. Essayons d'examiner brièvement les principales orientations de développement des panneaux photovoltaïques, leurs technologies et leur productivité.

La grande majorité des cellules de convertisseur solaire des photomodules série modernes sont constituées de silicium monocristallin (C-Si) ou polycristallin (MS-Si). Aujourd'hui, ces modules photovoltaïques en silicium occupent environ 90 % du marché des convertisseurs photovoltaïques, dont environ 2/3 sont du silicium polycristallin et 1/3 sont des monocristallins. Viennent ensuite les modules solaires, dont les photocellules sont fabriquées selon la technologie des couches minces - la méthode de dépôt ou de pulvérisation de substances photosensibles sur divers substrats. Un avantage significatif des modules fabriqués à partir de ces éléments est leur moindre coût de production, car ils nécessitent environ 100 fois moins de matériau que les plaquettes de silicium. Et jusqu'à présent, les cellules solaires multijonctions les moins représentées sont celles dites tandem, ou cellules multijonctions.

Parts de marché des panneaux photovoltaïques de diverses technologies :

Photomodules cristallins de silicium.

L'efficacité des cellules des modules en silicium est aujourd'hui d'environ 15 à 20 % (polycristaux - monocristaux). Ce chiffre dans son ensemble pourrait bientôt être augmenté de plusieurs pour cent. Par exemple, SunTech Power, l'un des plus grands fabricants mondiaux de modules en silicium cristallin, a annoncé son intention de lancer des modules photovoltaïques avec un rendement de 22 % au cours des deux prochaines années. Les échantillons de laboratoire existants de cellules monocristallines montrent une productivité de 25 %, polycristallines - 20,5 %. L'efficacité maximale théorique des éléments à unijonction (p-n) en silicium est de 33,7 %. Bien que cet objectif n'ait pas été atteint, la tâche principale des fabricants, en plus d'augmenter l'efficacité des cellules, est d'améliorer la technologie de production et de réduire le coût des photomodules.

Les modules photo de Sanyo sont positionnés séparément, produits à l'aide de la technologie HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin layer) utilisant plusieurs couches de silicium, similaires aux cellules multicouches en tandem. L'efficacité de tels éléments constitués de C-Si monocristallin et de plusieurs couches de nc-Si nanocristallin est de 23 %. C'est le plus haut aujourd'hui indicateur d'efficacité cellules de modules cristallins en série, une sorte de nanocellules solaires.

Efficacité des cellules solaires à couches minces.

Ce nom fait référence à plusieurs technologies différentes dont les performances seront brièvement évoquées. Actuellement, il existe trois principaux types de cellules solaires à film inorganique : les films de silicium amorphe (a-Si), les films de tellurure de cadmium (CdTe) et les films de séléniure de cuivre, d'indium et de gallium (CuInGaSe2 ou CIGS). L'efficacité des cellules solaires modernes à couches minces à base de silicium amorphe est d'environ 10 %, les photomodules à base de tellurure de cadmium - 10-11 % (société First Solar), à base de séléniure de cuivre-indium-gallium - 12-13 % (société solaire japonaise modules SOLAIRE FRONTIERE). Indicateurs d'efficacité des cellules de pré-série : le CdTe a un rendement de 15,7 % (modules MiaSole) et les cellules CIGS ont un rendement de 18,7 % (EMPA). L'efficacité des cellules solaires individuelles à couches minces est beaucoup plus élevée, par exemple, les données sur les performances d'échantillons de laboratoire de cellules en silicium amorphe sont de 12,2 % (United Solar), les cellules CdTe - 17,3 % (First Solar), les cellules CIGS - 20,5 % (ZSW). Jusqu'à présent, les convertisseurs solaires basés sur des couches minces de silicium amorphe sont en tête des volumes de production parmi d'autres technologies à couches minces - le volume du marché mondial des cellules en silicium à couches minces est d'environ 80 %, les cellules solaires à base de tellurure de cadmium représentent environ 18 % du marché. le marché, et le séléniure de cuivre-indium-gallium représente 2% du marché. Cela est dû, tout d'abord, au coût et à la disponibilité des matières premières, ainsi qu'à une plus grande stabilité des caractéristiques que dans les structures multicouches. Après tout, le silicium est l’un des éléments les plus répandus dans la croûte terrestre, tandis que l’indium (éléments CIGS) et le tellure (éléments CdTe) sont dispersés et extraits en petites quantités. De plus, le cadmium (éléments CdTe) est toxique, bien que tous les fabricants de ce type modules solaires garantir le recyclage complet de leurs produits. De plus, le processus de dégradation dans les éléments des modules à couches minces se déroule plus rapidement que dans les cellules cristallines. La poursuite du développement Le développement de convertisseurs photoélectriques à base de couches minces inorganiques est associé à l'amélioration des technologies de production et à la stabilisation de leurs paramètres.

Les cellules solaires à couches minces comprennent également des éléments photosensibles à couches minces organiques/polymères et des colorants sensibilisés. Dans ce sens, l'utilisation commerciale des cellules solaires est encore limitée, tout est au stade du laboratoire, ainsi que de l'amélioration de la technologie pour une future production de masse. Plusieurs sources ont annoncé que l'efficacité des éléments à base de convertisseurs organiques a atteint plus de 10 % : la société allemande Heliatek - 10,7 %, l'Université de Californie UCLA - 10,6 %. Un groupe de scientifiques d'un laboratoire de l'EPFL a obtenu une efficacité de 12,3% pour des cellules fabriquées à partir de colorants sensibilisés. En général, la direction des éléments organiques en couches minces, ainsi que des colorants photosensibles, est considérée comme l'une des plus prometteuses. Des déclarations sont régulièrement faites sur l'atteinte d'un nouveau record d'efficacité, une technologie dépassant les murs des laboratoires et couvrant bientôt toutes les surfaces disponibles avec des convertisseurs solaires hautement efficaces et bon marché - des sociétés Konarka, Dyesol, Solarmer Energy. Les travaux visent à accroître la stabilité des caractéristiques et à réduire le coût de la technologie.

Caractéristiques des panneaux solaires multijonctions (multicouches, tandem).

Les cellules constituées de tels éléments contiennent des couches de divers matériaux qui forment plusieurs jonctions p-n. En théorie, une cellule solaire idéale aurait des centaines de couches différentes (jonctions pn), chacune étant adaptée à une petite gamme de longueurs d'onde de lumière sur l'ensemble du spectre, de l'ultraviolet à l'infrarouge. Chaque transition absorbe le rayonnement solaire à une longueur d'onde spécifique, couvrant ainsi l'ensemble du spectre. Les principaux matériaux pour ces éléments sont les composés de gallium (Ga) - phosphure de gallium-indium, arséniure de gallium, etc.

L'une des solutions privées pour convertir l'ensemble du spectre solaire consiste à utiliser des prismes qui décomposent la lumière solaire en spectres, en se concentrant sur des éléments à jonction unique avec différentes plages de conversion de rayonnement. Malgré le fait que la recherche dans le domaine des cellules solaires multijonctions se poursuit depuis deux décennies et que les photomodules de ces cellules fonctionnent avec succès dans l'espace (batteries solaires de la station Mir, Mars Exploration Rover, etc.), leur utilisation pratique sur Terre a commencé relativement récemment. Les premiers produits commerciaux basés sur de tels éléments sont entrés sur le marché il y a plusieurs années et ont donné d'excellents résultats, et les recherches dans ce sens attirent constamment l'attention. Le fait est que l'efficacité théorique des cellules à deux couches peut être de 42 %, celle des cellules à trois couches de 49 % et celle des cellules avec un nombre infini de couches de 68 % de la lumière solaire non focalisée. La limite de productivité des cellules comportant un nombre infini de couches est de 86,8 % lors de l'application d'un rayonnement solaire concentré. Aujourd’hui, les résultats pratiques d’efficacité des cellules multijonctions sont de l’ordre de 30 % en cas de lumière solaire non focalisée. Cela ne suffit pas à compenser le coût de production de telles cellules : le coût d'une cellule multijonction est environ 100 fois plus élevé que celui d'une cellule en silicium de surface similaire, c'est pourquoi les conceptions de modules de cellules multijonctions utilisent des concentrateurs pour focaliser la lumière 500 à 1 000 fois. Un concentrateur sous la forme d'une lentille de Fresnel et d'un miroir parabolique capte la lumière solaire d'une zone 1 000 fois plus grande que la surface de la cellule. Le coût total des photomodules fabriqués à partir de cellules multijonctions utilisant des concentrateurs (CPV) est considérablement réduit en raison de lentilles et de substrats peu coûteux, compensant le coût de production élevé de la cellule elle-même. Dans le même temps, la productivité cellulaire augmente jusqu'à 40 %.

Caractéristiques des batteries solaires. Par exemple, l'efficacité des cellules SolFocus mesurant 5,5 mm x 5,5 mm est de 40 % lors de l'utilisation de concentrateurs ; et les tailles moyennes des cellules dans les systèmes CPV vont de 5,5 mm x 5,5 mm à 1 cm x 1 cm. Qu'est-ce que cela a à voir avec la production de 1 cm ? les cellules nécessitent 1/1000ème de matière première par rapport à une cellule de productivité similaire fabriquée à partir de silicium cristallin. Pour que les cellules multijonctions fonctionnent avec efficacité maximale, une intensité élevée et constante de rayonnement solaire est requise ; pour cela, des systèmes d'orientation à deux axes des systèmes CPV sont utilisés. Les sites de déploiement de parcs solaires basés sur des modules de cellules multi-jonctions avec concentrateurs sont des régions à fort ensoleillement solaire.

L'efficacité maximale des cellules multijonctions, obtenue en laboratoire à l'aide de concentrateurs, est actuellement de 43,5 % (Solar Junction) et devrait augmenter dans les deux prochaines années pour atteindre 50 %.

Comme vous pouvez le constater, il existe aujourd'hui des cellules solaires à haute productivité, fabriquées à l'aide de diverses technologies, et la tâche principale des fabricants est de réduire le coût du produit final, de s'adapter recherche en laboratoire pour une production de masse. Malgré la faible consommation de matières premières dans les cellules solaires à couches minces, le coût de certains composants est différents types assez élevé, tout comme les technologies de production elles-mêmes sont énergivores. La stabilité à long terme des paramètres reste discutable. Les cellules solaires multijonctions restent très chères, pour un maximum travail efficace qui nécessitent également une concentration accrue de rayonnement solaire. Par conséquent, les éléments en silicium cristallin occuperont dans un avenir proche une position de leader sur le marché des convertisseurs photovoltaïques, avec un prix en baisse. Ils ne seront remplacés que par des modules à couches minces efficaces et bon marché, éventuellement fabriqués à partir de semi-conducteurs polymères ou de colorants photosensibles. Mais prévoir le développement de telle ou telle technologie n’est pas une tâche gratifiante. Attend et regarde.