C'est intéressant pour moi de rencontrer des gens qui sont en recherche constante. Parmi eux se trouve mon collègue Alexander, fan de véhicules électriques. Vous pouvez trouver des informations sur son développement et la formation d'une flotte de véhicules électriques en Ukraine ici. Mais, curieusement, outre la voiture électrique, il s'intéresse également aux panneaux solaires à haut rendement.
Après lui avoir posé la question, j'ai dû transpirer un peu, et c'est ce qui s'est passé.
Modules PV en cristal de silicium
L'efficacité des cellules des modules de silicium est aujourd'hui d'environ 15 à 20 % (polycristaux - monocristaux). Ce chiffre 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 PV avec un rendement de 22% d'ici deux ans.
Les échantillons de laboratoire existants de cellules monocristallines montrent une productivité de 25%, polycristalline - 20,5%. L'efficacité maximale théorique des éléments en silicium à simple jonction (p-n) est de 33,7%. Jusqu'à ce qu'il soit atteint, et la tâche principale des fabricants, en plus d'augmenter l'efficacité des cellules, est d'améliorer la technologie de production, de réduire le coût des modules photo.
Les modules PV de Sanyo produits à l'aide de la technologie HIT (Hétérojonction avec couche mince intrinsèque) utilisant plusieurs couches de silicium, similaires aux cellules multicouches en tandem, sont positionnés séparément. L'efficacité de tels éléments constitués de C-Si monocristallin et de plusieurs couches de nc-Si nanocristallin est de 23%. Il s'agit du rendement le plus élevé des cellules des modules cristallins en série à ce jour.
Cellules solaires à couche mince
Plusieurs technologies différentes ont été développées sous ce nom, dont les performances peuvent être décrites comme suit.
Aujourd'hui, il existe trois principaux types de cellules solaires à film inorganique : les films de silicium à base de silicium amorphe (a-Si), les films à base de tellurure de cadmium (CdTe) et les films de cuivre-indium-gallium séléniure (CuInGaSe2 ou CIGS).
L'efficacité des cellules solaires modernes à couche mince à base de silicium amorphe est d'environ 10%, les photomodules à base de tellurure de cadmium - 10-11% (fabriqués par First Solar), à base de séléniure de cuivre-indium-gallium - 12-13% (japonais modules solaires FRONTIÈRE SOLAIRE). Indicateurs d'efficacité des cellules en série : CdTe ont une efficacité de 15,7% (modules MiaSole), et les cellules CIGS produites en Suisse - 18,7% (EMPA).
L'efficacité des cellules solaires à couche mince individuelles est beaucoup plus élevée, par exemple, les données sur les performances d'échantillons de laboratoire de cellules en silicium amorphe - 12,2% (United Solar), cellules CdTe - 17,3% (First Solar), cellules CIGS - 20,5% (ZSW). Alors que les convertisseurs solaires basés sur des couches minces de silicium amorphe sont en tête en termes de production parmi d'autres technologies à couches minces - le volume du marché mondial des cellules Si à couches minces est d'environ 80 %, les cellules solaires à base de tellurure de cadmium - environ 18 % des le marché, et le séléniure de cuivre-indium-gallium - 2% du marché.
Ceci est principalement dû au coût et à la disponibilité des matières premières, ainsi qu'à une stabilité des caractéristiques plus élevée que dans les structures multicouches. A noter que le silicium est l'un des éléments les plus abondants 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 la plupart des fabricants de tels panneaux solaires garantir l'élimination complète de leurs produits.
Le développement ultérieur des convertisseurs photoélectriques à base de couches minces inorganiques est associé à l'amélioration de la technologie de production et à la stabilisation de leurs paramètres.
Et pourtant, compte tenu de la stabilité des caractéristiques et des prix relativement bas, la préférence est donnée aux cellules solaires réalisées à base de silicium amorphe. Mais l'efficacité, comme on peut le voir, ne dépasse pas 12,2 %.
Des résultats plus élevés ont été obtenus jusqu'à présent dans des conditions de laboratoire. Un exemple est le développement des ingénieurs du Laboratoire national suisse des matériaux, des sciences et de la technologie EMPA, qui ont réussi à atteindre un facteur d'efficacité élevé (20,4%) en travaillant avec une nouvelle génération de panneaux solaires à couche mince. Les nouveaux panneaux sont à base de polymères flexibles issus du composé complexe CIGS ou de cuivre indium gallium (di) séléniure (cuivre-indium-gallium-(di) séléniure).
Tout le monde sait très bien que plus l'efficacité est grande, mieux c'est. Cette règle s'applique également à l'efficacité des cellules solaires. Grâce aux nouvelles technologies et méthodes de production, l'efficacité des cellules photovoltaïques ne cesse de croître, bien que très lentement, mais l'essentiel est que les progrès ne s'arrêtent pas.
Vous trouverez ci-dessous un graphique des gains de performances de différents fabricants au fil du temps. Du milieu au sommet - les semi-conducteurs ont été développés pour de nouveaux records et tâches spatiales, le coût est approprié. Tout ce qui suit est déjà disponible et peut être acheté à notre époque.
Tout le monde connaît l'efficacité, mais peu de gens comprennent d'où viennent ces pourcentages et comment ils sont calculés. Essayons de le comprendre.
En règle générale, le fabricant indique l'efficacité de ses modules assemblés et l'efficacité des cellules solaires individuelles qui composent le panneau solaire. Ces paramètres, comme d'autres caractéristiques, sont indiqués dans les conditions dites standards - STS, les principales sont l'insolation 1000W/m² et la température des éléments est de 25°C à laquelle ils sont retirés Caractéristiques, y compris l'efficacité.
De nos jours, les fabricants de bonne foi ont commencé à tester chaque batterie solaire qu'ils produisaient après assemblage et à imprimer les paramètres individuels, qui sont investis dans chaque batterie. Ceci est fait pour confirmer la qualité de leurs produits.
Vous trouverez ci-dessous une impression de l'un des panneaux solaires SY-100 de Suoyang energy :
Chaque module a ses propres caractéristiques individuelles. Si vous prenez deux panneaux identiques du même modèle, ils auront tout de même des paramètres légèrement différents.
Les panneaux solaires de ce fabricant ont une tolérance positive, nous avons donc 104,617 W et un rendement de 15,74 % (une cellule séparée fait 18,7 %). Comment a-t-il obtenu ce sens ?
La formule de calcul du rendement des cellules solaires est la suivante :
Rendement = Psb / Ssb / 10, où :
Psb - puissance de SB;
Sсб - zone de sb.
Remplaçons les valeurs dans la formule :
Efficacité = 104,617 / (1,2 * 0,554) / 10 = 15,74 %
Tout converge, mais une autre question se pose : pourquoi alors l'efficacité des photocellules individuelles est-elle plus élevée ? La réponse est simple - l'essentiel est qu'une batterie solaire se compose de nombreuses cellules photovoltaïques et qu'entre elles il y a distance courte, qui n'est pas utilisé pour la production d'électricité, et le cadre en aluminium "prend également de la place", respectivement, la surface augmente et l'efficacité diminue.
Vous trouverez ci-dessous des photos et des vidéos de certaines tentatives pour obtenir une plus grande efficacité des cellules photoélectriques, en créant des éléments de formes complexes, en refroidissant forcé les cellules solaires et en focalisant la lumière à l'aide de lentilles. Peut-être que les nouveaux articles se montreront bien, qu'ils seront mis en production en série et qu'ils deviendront disponibles pour vous et moi.
Il s'agit d'une batterie solaire hybride Vitru, dans la lutte pour l'efficacité, le fabricant a du mal à chauffer les éléments. L'eau dans le ballon refroidit les éléments, de sorte que la tension ne diminue pas et que la puissance ne baisse pas.
La nouveauté n'est pas encore en vente et est en phase de test, mais comme le dit V3Solar, tout le secret réside dans la forme conique et la rotation de la structure, grâce à laquelle les cellules n'ont pas le temps de chauffer et l'efficacité ne diminuer tout au long de la journée.
Réseau cristallin de pérovskite CH3NH3PbI3
Wikimedia Commons
Des chercheurs américains ont montré que dans les cellules solaires à base de pérovskites, les porteurs de charge en excès d'énergie sont capables de parcourir une distance considérable avant de la dissiper sous forme de chaleur. Cela signifie qu'il est tout à fait possible en pratique de réaliser des cellules photovoltaïques sur porteurs chauds, dont la limite d'efficacité théorique est le double de celle des cellules conventionnelles en silicium. Recherche publiée dans la revue Science.
Dans les cellules solaires les plus courantes aujourd'hui, utilisant le silicium comme semi-conducteur, le rendement théoriquement possible dépasse à peine 30 %. Cela est dû au fait que les cellules au silicium sont capables d'utiliser le spectre lumière du soleil que partiellement. Les photons dont l'énergie est inférieure au seuil ne sont tout simplement pas absorbés et ceux qui sont trop élevés conduisent à la formation de porteurs de charge chauds (par exemple, des électrons) dans la cellule photoélectrique. La durée de vie de ces derniers est d'environ une picoseconde (10 -12 secondes), puis ils se « refroidissent », c'est-à-dire qu'ils dissipent l'excès d'énergie sous forme de chaleur. Si les médias chauds pouvaient être collectés, cela augmenterait la limite d'efficacité théorique à 66 pour cent, c'est-à-dire deux fois. Malgré le fait que dans certaines expériences il a été possible d'observer une faible conservation de l'énergie, les éléments sur porteurs chauds restent encore assez hypothétiques.
Des scientifiques de l'Université Purdue et du National Renewable Energy Laboratory (USA) ont contribué à l'étude d'une nouvelle classe prometteuse de cellules photovoltaïques à base de pérovskites et ont démontré que dans de telles 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 de plomb mélangés et des cations organiques. Les auteurs des travaux ont utilisé une pérovskite très répandue à base d'iodure de plomb et de méthylammonium. Partant du fait que la durée de vie des porteurs chauds dans les pérovskites est significativement augmentée par rapport à d'autres semi-conducteurs, les auteurs ont décidé de déterminer jusqu'où les porteurs chauds peuvent être transportés lors de leur refroidissement. Grâce à la microscopie ultrarapide, les chercheurs ont pu observer directement le transport de porteurs chauds dans des films minces de pérovskite avec une haute résolution spatiale et temporelle.
Transport de porteurs chauds dans un semi-conducteur pendant la première picoseconde après excitation
Guo et al / Science 2017
Il s'est avéré que le refroidissement lent des pérovskites est associé à une plage allant jusqu'à 600 nanomètres. Cela signifie que les porteurs de charge avec une énergie excédentaire 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 cela en œuvre techniquement). Ainsi, des cellules solaires sur porteurs chauds pourront être réalisées à partir de pérovskites.
À ce jour, l'efficacité maximale, atteignant 46%, a été enregistrée pour les cellules photovoltaïques multicouches multi-composants, qui incluent l'arséniure de gallium, l'indium, le germanium avec des inclusions de phosphore. Ces semi-conducteurs utilisent la lumière plus efficacement en absorbant différentes parties du spectre. Leur production est très coûteuse, de tels éléments ne sont donc utilisés que dans l'industrie spatiale. Plus tôt, nous avons également parlé d'éléments à base de tellurure de cadmium, qui peuvent être produits sous forme de films souples et minces. Malgré le fait que la contribution totale à la production d'électricité à partir de l'énergie solaire 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. Google a annoncé fin 2016 qu'elle allait passer cette année complètement aux énergies renouvelables.
À l'heure actuelle, dans la vie quotidienne, on utilise principalement des cellules solaires au silicium, dont le rendement réel est de 10 à 20 %. 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 telles cellules augmente rapidement et est pratiquement portée à 25 pour cent, ce qui est comparable aux meilleurs échantillons de cellules photoélectriques au silicium. De plus, ils sont très faciles à fabriquer. Malgré le succès technologique, les principes physiques du fonctionnement des éléments pérovskites sont relativement peu étudiés, c'est pourquoi les travaux discutés de scientifiques des États-Unis apportent une contribution importante aux fondements fondamentaux du photovoltaïque et, bien sûr, entraînent la perspective d'augmenter encore l'efficacité des cellules solaires.
Daria Spasskaïa
Les panneaux solaires sont système unique vous permettant de convertir les rayons du soleil en électricité et l'énérgie thermique... La demande croissante de produits solaires, aujourd'hui, est due à leur retour sur investissement rapide et à leur durabilité, ainsi qu'à la disponibilité du liquide de refroidissement. Mais quelle tension les panneaux solaires peuvent-ils générer ? À propos de l'efficacité des systèmes solaires et de quoi dépend le coefficient de leur efficacité - lisez l'article.
Panneaux solaires à haut rendement : types de convertisseurs
L'efficacité des panneaux solaires est une valeur qui est égale au rapport de la puissance de l'électricité à la puissance de l'appareil tombant sur le panneau rayons de soleil... Les cellules solaires modernes ont un rendement compris entre 10 et 45%. Cette grande différence est due aux différences entre les matériaux de fabrication et la conception des plaques de batterie.
Ainsi, les panneaux solaires peuvent être :
- Couche mince;
- Multi-jonction.
Les panneaux solaires de ce dernier type sont aujourd'hui les plus chers, mais aussi les plus productifs. Cela est dû au fait que chaque transition dans la plaque absorbe des ondes d'une certaine longueur. Ainsi, l'appareil couvre tout le spectre de la lumière solaire. L'efficacité maximale en laboratoire des batteries avec panneaux multi-jonctions est de 43,5%.
Les ingénieurs électriciens déclarent avec confiance que dans quelques années, ce chiffre passera à 50%. L'efficacité des plaques à couche mince dépend, dans une plus large mesure, du matériau de leur fabrication.
Ainsi, les cellules solaires à couche mince sont divisées en les types suivants:
- Silicium;
- Cadmium.
Les panneaux solaires les plus populaires pouvant être utilisés à des fins domestiques sont les installations avec des plaques de film de silicium. Le volume de tels appareils sur le marché est de 80%. Leur efficacité est plutôt faible - seulement 10%, mais ils diffèrent par leur disponibilité et leur fiabilité. L'efficacité est plusieurs pour cent plus élevée pour les plaques de cadmium. Les films contenant des particules de séléniure, de cuivre, d'indium et de gallium ont une efficacité plus élevée, qui est de 15 %.
Qu'est-ce qui détermine l'efficacité des panneaux solaires
L'efficacité des convertisseurs photovoltaïques est influencée par de nombreux facteurs. Ainsi, comme indiqué ci-dessus, la quantité d'énergie générée dépend de la structure du panneau convertisseur, du matériau de leur fabrication.
De plus, le rendement des convertisseurs solaires dépend :
- Les forces du rayonnement solaire. Ainsi, avec une diminution de l'activité solaire, la puissance des centrales solaires diminue. Afin que les batteries fournissent de l'énergie au consommateur la nuit, elles sont fournies avec des batteries spéciales.
- Températures de l'air. Ainsi, les panneaux solaires avec dispositifs de refroidissement sont plus productifs : les panneaux chauffants affectent négativement leur capacité à convertir l'énergie en courant. Ainsi, par temps clair et glacial, l'efficacité des cellules solaires est supérieure à celle des cellules ensoleillées et chaudes.
- L'angle d'inclinaison de l'appareil et l'incidence de la lumière du soleil. Pour une efficacité maximale, le panneau solaire doit être orienté strictement vers la lumière du soleil. Les modèles les plus efficaces sont considérés, dont le niveau d'inclinaison peut être modifié par rapport à l'emplacement du Soleil.
- Conditions météorologiques. En pratique, il a été constaté que dans les zones à temps nuageux et pluvieux, l'efficacité des convertisseurs solaires est beaucoup plus faible que dans les régions ensoleillées.
De plus, l'efficacité des convertisseurs solaires est influencée par le niveau de leur pureté. Pour que l'appareil fonctionne efficacement, ses plaques doivent consommer le plus de rayonnement solaire possible. Cela ne peut être fait que si les appareils sont propres.
L'accumulation de neige, de poussière et de saleté sur l'écran peut réduire l'efficacité de l'appareil de 7 %.
Il est recommandé de laver les écrans 1 à 4 fois par an, selon le degré de contamination. Dans ce cas, pour le nettoyage, vous pouvez utiliser un tuyau avec une buse. L'inspection technique des éléments du convertisseur doit être effectuée tous les 3-4 mois.
Énergie solaire par mètre carré
Comme indiqué ci-dessus, en moyenne, un mètre carré de convertisseurs photovoltaïques fournit 13 à 18 % de la puissance des rayons du soleil qui tombent dessus. C'est-à-dire, dans les conditions les plus favorables, avec mètre carré les panneaux solaires peuvent obtenir 130-180 watts.
La puissance des systèmes solaires peut être augmentée en agrandissant les panneaux et en augmentant la surface des convertisseurs photovoltaïques.
Vous pouvez obtenir plus de puissance en installant des panneaux avec une efficacité plus élevée. Néanmoins, le rendement assez faible (en comparaison, par exemple, avec les convertisseurs à induction) des panneaux solaires disponibles est le principal obstacle à leur généralisation. L'augmentation de la capacité et de l'efficacité des systèmes solaires est la tâche principale de l'ingénierie électrique moderne.
Les panneaux solaires les plus performants : classement
Les convertisseurs solaires les plus efficaces aujourd'hui sont fabriqués par Sharp. Les panneaux solaires à concentration de haute puissance à trois couches ont un rendement de 44,4%. Leur coût est incroyablement élevé, ils n'ont donc trouvé d'application que dans l'industrie aérospatiale.
Les plus abordables et les plus efficaces sont les panneaux solaires modernes des entreprises :
- Solutions écologiques Panasonic ;
- Premier solaire ;
- MiaSole ;
- JinkoSolar ;
- Trina solaire;
- Yingli vert ;
- ReneSola ;
- solaire canadien.
Sun Power fabrique les convertisseurs solaires les plus fiables avec un rendement de 21,5%. Les produits de cette société sont absolument populaires dans les installations commerciales et industrielles, cédant peut-être aux appareils de Q-Cells.
Efficacité des cellules solaires (vidéo)
Les panneaux solaires modernes, en tant que dispositifs de conversion d'énergie respectueux de l'environnement avec un liquide de refroidissement inépuisable, gagnent en popularité. Déjà aujourd'hui, les appareils avec convertisseurs photovoltaïques sont utilisés à des fins domestiques (chargement de téléphones, tablettes). Le rendement des installations solaires est encore inférieur moyens alternatifs obtenir de l'énergie. Mais, augmenter l'efficacité des convertisseurs est la tâche principale de l'ingénierie électrique moderne.
La science et la technologie ne restent pas immobiles dans le domaine de l'utilisation des énergies alternatives, et l'utilisation de l'énergie solaire dans la vie quotidienne et dans l'industrie continuera de se développer et de s'améliorer, essayant de remplacer les sources d'énergie traditionnelles. Malheureusement, la domination mondiale de l'énergie solaire est encore loin et la raison en est la faible efficacité des panneaux solaires.
Facteurs affectant l'efficacité des panneaux solaires
L'efficacité des panneaux solaires est influencée par des facteurs objectifs et subjectifs, tels que :
- matériaux utilisés dans la fabrication,
- La technologie,
- lieu d'utilisation (latitude),
- l'angle d'incidence des rayons du soleil,
- poussière et dommages.
De plus, tous ces facteurs sont liés et dépendants les uns des autres en termes d'influence sur le rendement des panneaux solaires. Mais le facteur initial qui détermine l'efficacité est le coût de fabrication d'une cellule solaire.
Leaders de l'efficacité énergétique solaire
Considérez les leaders dans la fabrication des composants de panneaux solaires les plus efficaces et triez-les en fonction de leur efficacité :
- 44,7 % d'efficacité du premier institut de recherche non universitaire en Allemagne. Le résultat a été obtenu pour des concentrateurs d'une triple transition de couches d'une composition semi-conductrice complexe (Ga 0,35 V 0,65 P / Ga 0,83 V 0,17 As / Ge). De telles cellules solaires sont complexes, non utilisées à des fins résidentielles ou commerciales car elles sont très chères. Ils sont utilisés dans la technologie spatiale par des fabricants tels que la NASA, où l'espace est limité.
- Un rendement de 37,9% est obtenu à partir d'un module de jonction semi-conducteur monocouche (InGaP / GaAs / InGaAs). Dans ce cas, le résultat a été obtenu exclusivement pour le 90° normal au Soleil. Ces cellules solaires sont également difficiles et longues à fabriquer, mais leur production industrielle semble plus prometteuse.
- 32,6% ont été réalisés par des chercheurs espagnols de l'institut (IES) et de l'université (UPM). Ils ont utilisé des multimodules issus de concentrateurs à deux jonctions semi-conductrices. Encore une fois, ces articles sont loin d'être largement utilisés pour des applications commerciales ou résidentielles.
Bilan d'efficacité des cellules solaires
Il existe environ une douzaine des plus grands fabricants produisant des panneaux solaires avec une efficacité relativement bonne et un coût modéré. Les principales entreprises de panneaux solaires avec le plus technologies modernes peut fabriquer industriellement des cellules solaires avec un rendement proche de 25 %. Dans le même temps, la production de masse de modules avec l'efficacité des cellules solaires, en règle générale, ne dépasse pas 14-17% est bien établie. La principale raison de cette différence d'efficacité est que les méthodes de recherche utilisées dans les laboratoires ne sont pas adaptées à la production commerciale de produits photovoltaïques et, par conséquent, les technologies plus abordables ont des coûts de production relativement faibles, ce qui entraîne une diminution de l'efficacité d'utilisation.
Pour ce faire, nous montrerons sur le graphique la dépendance du coût du module fini par rapport au coût de l'électricité produite pour les séries technologiques de cellules solaires avec leurs indicateurs d'efficacité caractéristiques.
Le graphique comparatif montre clairement l'efficacité économique des cellules solaires avec des indicateurs d'efficacité de laboratoire initiaux, fabriqués selon différentes technologies, en couple coût optimalélectricité produite à 6 cents par kWh (3,4 roubles / kWh).
Ainsi, les cellules solaires les plus facilement disponibles et les moins chères en silicium amorphe sous la forme d'un film mince pliable s'amortissent dans des tailles relativement petites, mais ne sont pas économiquement efficaces dans le cas de besoins en énergie élevés. Ils sont largement utilisés pour les chargeurs de téléphones portables, les lampes, etc.
Les batteries au silicium polycristallin deviennent déjà efficaces dans les bâtiments résidentiels et les petites serres. 
Les éléments des centrales solaires expérimentales sont réalisés à base de monocristaux de silicium de haute pureté (99 999). Ils disposent d'indicateurs de performance optimaux et d'un délai de récupération économiquement justifié.
Les derniers développements scientifiques des cellules solaires, qui ont le rendement le plus élevé, sont utilisés exclusivement dans les branches de la science et de l'industrie, où le coût n'est pas le principal critère de sélection.
L'utilisation de cellules solaires est de plus en plus incluse dans divers domaines de notre vie, mais malheureusement, en raison de l'imperfection de la technologie de production (et en raison de l'efficacité suffisamment faible), à un coût important, elle n'est pas largement utilisée.
