A célula solar Es un dispositivo que convierte la luz solar directamente en energía eléctrica. Esta conversión se logra aprovechando el efecto fotovoltaico en un material semiconductor, normalmente silicio. Las células solares son un componente clave de las tecnologías de energía renovable y se utilizan ampliamente en sistemas de energía solar.
El siguiente artículo le dará una visión general de la historia de célula solar desarrollo y destacará los registros de eficiencia clave hasta la fecha.
Índice del contenido
El desarrollo de las células solares.
Clasificación
Eficiencia de la celda solar
Récords mundiales de células solares a lo largo de los años
La diferencia entre eficiencia de laboratorio y comercial
Tendencias clave en la tecnología de células solares
Terminando
El desarrollo de las células solares.
La historia de células solares Se remonta a finales del siglo XIX, cuando los científicos descubrieron que ciertos materiales fotovoltaicos podían producir una corriente eléctrica cuando se exponían a la luz. Pero no fue hasta 1800 que los Laboratorios Bell desarrollaron con éxito la primera célula solar de silicio práctica. En la década de 1954, las células solares comenzaron a utilizarse para suministrar energía a las naves espaciales, lo que impulsó un mayor desarrollo de su tecnología.
La comercialización y popularización comenzaron en la década de 1970, con el surgimiento de la crisis energética, las células solares recibieron más atención como fuente de energía renovable. Los avances en tecnología y los menores costos de producción permitieron que las células solares comenzaran a usarse ampliamente en aplicaciones comerciales y residenciales.
Clasificación
Silicio monocristalino células solares: están hechos de un único cristal de silicio y son más eficientes pero relativamente costosos. Por lo general, tienen una alta eficiencia de conversión de energía y una larga vida útil.
Silicio policristalino células solares: fabricados a partir de múltiples cristales pequeños de silicio, son ligeramente menos eficientes que el silicio monocristalino, pero cuestan menos.
Película delgada células solares: El silicio amorfo u otros materiales (p. ej., CdTe, CIGS) están cubiertos en capas muy finas sobre un sustrato. Estas células son más baratas, pero suelen ser menos eficientes que las células de silicio cristalino.
Nuevo células solares: Entre ellas se incluyen células solares orgánicas, células solares de calcogenuro, etc., que pueden ofrecer menores costes de fabricación y nuevas posibilidades de aplicación. Las células calcogenidas, en particular, pueden conducir a nuevos avances.
Eficiencia de la celda solar
Célula solar La eficiencia es una métrica clave de la eficiencia con la que una célula solar convierte la luz solar en electricidad. En concreto, es la relación entre la energía eléctrica producida por una célula solar y la energía que recibe de la radiación solar. En otras palabras, describe cuánta energía solar absorbida por la célula solar se convierte de manera eficiente en energía eléctrica.
La importancia de la eficiencia de las células solares.
Salida de potencia: cuanto mayor sea la eficiencia, más electricidad puede producir una célula solar del mismo tamaño en las mismas condiciones de luz.
Rentabilidad: Una mayor eficiencia reduce el costo unitario de la electricidad solar, lo que hace que la energía solar sea más competitiva económicamente.
Utilización del espacio: Las células solares de alta eficiencia pueden producir más electricidad en un espacio limitado, lo cual es especialmente importante para aplicaciones con espacio limitado, como sistemas solares en tejados o instalaciones pequeñas.
Proceso de mejora de la eficiencia
El desarrollo de las células solares se puede dividir en tres etapas, cada una de las cuales tiene sus propios avances tecnológicos específicos:
Fase I: Células solares de silicio cristalino
La primera etapa de células solares Se basa principalmente en materiales de silicio monocristalino y policristalino. Las células solares de silicio comercializadas inicialmente tenían eficiencias de alrededor del 6%, pero con mejoras tecnológicas, las modernas células de silicio monocristalino han podido alcanzar eficiencias de más del 22% en condiciones de laboratorio.
Proceso de logro: El aumento de la eficiencia se debe principalmente a los avances tecnológicos en la pureza del silicio, la optimización de la estructura reticular, la reducción de la reflectividad, la mejora del diseño de los electrodos y la reducción de la pérdida de energía dentro de la celda.
Fase II: Células solares de película delgada
Estas células solares incluyen seleniuro de cobre, indio y galio (CIGS), cadmio y teluro (CdTe) y células solares de silicio amorfo. La eficiencia inicial de estas celdas de película delgada es baja, generalmente alrededor del 10 %, pero con el desarrollo de materiales y tecnología de procesos, la eficiencia de laboratorio de las celdas CIGS y CdTe ha superado el 23 %.
Esto se logra principalmente mejorando la capacidad de absorción de luz de los materiales de película delgada, mejorando la eficiencia del transporte del portador y optimizando la estructura celular.
Fase III: Células solares de titanita de calcio
titanita de calcio células solares son la clase de células solares de más rápido crecimiento en los últimos años. Desde su primer informe en 2009, su eficiencia ha aumentado rápidamente desde un 3.8% inicial a más del 33.9% en la actualidad.
El rápido aumento de la eficiencia se atribuye a las ventajas únicas de los materiales de calcogenuro, como altos coeficientes de absorción de luz, bandas prohibidas ajustables y procesos de fabricación simples.
Récords mundiales de células solares a lo largo de los años
Etapa incipiente de desarrollo (2009 ~ 2012)
2009, eficiencia de conversión de energía 3.5%: El científico japonés Miyasaka utilizó material calcogenuro para células solares sensibilizadas con tintes como material absorbente de luz, pero el material era inestable y falló después de unos minutos.
2011, eficiencia de conversión de energía 6.5%: Nam-Gyu Park, Universidad Sungkyunkwan, Corea del Sur, mejoró la tecnología de las células solares de calcogenuro, aumentando dramáticamente la eficiencia de conversión fotoeléctrica, pero el material aún es inestable debido a que todavía se usa electrolito líquido, y la eficiencia se redujo en un 80% después unos minutos.
2012, eficiencia de conversión de energía 10%: El grupo de Henry Snaith de la Universidad de Oxford introdujo el material de transporte Spiro-OMeTA, realizó el estado sólido de la celda de calcogenuro, mejoró aún más la eficiencia de conversión y el rendimiento fotovoltaico no decayó obviamente después de 500 horas, demostrando un excelente rendimiento de estabilidad.
Etapa de desarrollo inicial (2012~2015)
en 2012, Henry Snaith de la Universidad de Oxford reemplazó el TiO2 en la celda con aluminio (A1203), y desde entonces la calcita no sólo ha sido una capa absorbente de luz en la celda, sino que también sirvió como material semiconductor para transferir carga eléctrica.
en 2013, el calcogenuro fue seleccionado como uno de los 10 principales avances científicos en Science 2013.
En 2015, eficiencia de conversión de energía del 15%: China, Japón y Suiza cooperaron para fabricar células solares de calcogenuro de gran superficie (área de trabajo de más de 1 cm2), que fueron certificadas por autoridades internacionales.
Etapa de desarrollo rápido (2016-presente)
2016, eficiencia de conversión de energía 19.6%: El grupo del profesor Gratzel del Instituto Federal Suizo de Tecnología en Lausana aumentó la eficiencia certificada al 19.6%.
2018, eficiencia de conversión de energía 23.7%: El Instituto de Investigación de Semiconductores de la Academia de Ciencias de China propuso la pasivación con sales orgánicas de los defectos de la superficie del calcogenuro, aumentando sucesivamente la eficiencia de conversión al 23.3% y al 23.7%.
2021, eficiencia de conversión de energía 29.8%: El Centro Helmholtz de Berlín (HZB) desarrolló una eficiencia de conversión de baterías en tándem de calcogenuro del 29.8%, superando el límite de eficiencia de la unión heterogénea (HJT), TOPCon y otras tecnologías de silicio cristalino.
2022, eficiencia de conversión de energía del 31.3%: La Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL) y el Centro Suizo de Electrónica y Microtecnología (CSEM) han creado células fotovoltaicas apiladas de calcogenuro de silicio con una eficiencia de conversión del 31.3%.
2023, eficiencia de conversión de energía 33.9%: La eficiencia de la celda apilada de silicio cristalino y calcita desarrollada independientemente por LONGi Green Energy Technology Co. de China alcanza el 33.9 %, superando el límite de eficiencia teórica de Shockley-Quayther (SQ) del 33.7 % para celdas de unión simple.
La diferencia entre eficiencia de laboratorio y comercial
La eficiencia del laboratorio y la eficiencia de la comercialización son dos métricas diferentes para evaluar el rendimiento de las células solares, y existen algunas diferencias clave entre ellas:
Eficiencia de laboratorio
Definición:
La eficiencia de un laboratorio es la máxima eficiencia de un célula solar medido en condiciones de laboratorio idealizadas. Esto suele implicar condiciones de prueba estándar (STC), como una intensidad de luz específica (1000 W/m²), una distribución espectral específica y una temperatura fija (normalmente 25 °C).
Características:
Las eficiencias de laboratorio generalmente se miden en condiciones de prueba optimizadas que están configuradas para maximizar el rendimiento de la celda.
Estas eficiencias generalmente se miden para células individuales o muestras de células pequeñas, en lugar de para un panel o sistema solar completo.
Las eficiencias de laboratorio reflejan el límite superior del potencial técnico de una célula solar.
Eficiencia de comercialización
Definición:
La eficiencia de comercialización es la eficiencia promedio de células solares o paneles solares que realmente se producen y se comercializan. Es el nivel de rendimiento que los consumidores pueden esperar al comprar y utilizar un sistema de células solares.
Características:
La eficiencia de la comercialización suele ser menor que la eficiencia del laboratorio porque debe tener en cuenta una variedad de factores prácticos en el proceso de producción en masa, como variaciones de materiales, tolerancias de fabricación y confiabilidad a largo plazo.
Esta eficiencia se mide en condiciones más cercanas a las condiciones operativas reales, incluidas temperaturas variables, condiciones de luz y posibles sombras.
Las eficiencias comercializadas reflejan más el rendimiento real de las células solares en el uso diario.
Diferencias
Eficiencia: La eficiencia del laboratorio suele ser mayor que la eficiencia comercial porque se obtiene en condiciones idealizadas.
Aplicación: La eficiencia del laboratorio se utiliza más en investigación y desarrollo para promover nuevos avances tecnológicos; mientras que la eficiencia comercializada se centra en el rendimiento real del producto y la competitividad del mercado.
Costo: Cuando se logra la eficiencia comercializada, también es necesario considerar el costo de producción y la viabilidad de la producción a gran escala, lo que generalmente no es una consideración importante en la determinación de la eficiencia del laboratorio.
Tendencias clave en la tecnología de células solares
Avances futuros en célula solar La tecnología se centra en mejorar la eficiencia, reducir costes, mejorar la durabilidad y adaptarse a las necesidades de diversas aplicaciones. A continuación se presenta un panorama detallado de estas tendencias:
Mayor eficiencia de conversión de energía.
Células solares multiunión: Al apilar materiales semiconductores con diferentes bandas prohibidas, las células solares de uniones múltiples pueden absorber una banda más amplia de luz solar, mejorando así la eficiencia general. Es posible que en el futuro se vean más células solares de triple unión e incluso de cuádruple unión.
Combinación de calcogenuro y silicio: La combinación de células solares de calcogenuro con células de silicio convencionales para formar células solares híbridas o apiladas puede ofrecer una mayor eficiencia y una mejor respuesta espectral.
Reducir costes y mejorar la sostenibilidad
Producción a escala: Se espera que el costo de fabricación de células solares disminuya aún más a medida que la tecnología madure y se amplíe la producción.
Materiales renovables: La investigación y el desarrollo de materiales reciclables más respetuosos con el medio ambiente y la reducción de la dependencia de materiales raros y tóxicos ayudarán a mejorar la sostenibilidad medioambiental de las células solares.
Mayor durabilidad y confiabilidad
Mejorar la estabilidad a largo plazo: Los investigadores pretenden mejorar la estabilidad a largo plazo y la resistencia a la intemperie de las células solares para hacer frente a una variedad de condiciones ambientales y prolongar su vida útil.
Materiales autocurativos: Desarrollar materiales para células solares que puedan reparar daños menores para mantener una alta eficiencia a largo plazo.
Terminando
La mejora de la eficiencia de células solares ha entrado en una etapa rápida, especialmente con la utilización práctica de células calcogenidas que aportarán nueva vitalidad a este campo. La mejora continua de la eficiencia de las células solares es un factor clave que impulsa el desarrollo de la tecnología solar y la adopción del mercado.
Gracias a las innovaciones en la ciencia de los materiales, el diseño avanzado de células y el progreso en la tecnología de fabricación, las células solares se están volviendo más eficientes, rentables y fiables. Con mayores mejoras en la eficiencia y la aplicación de nuevas tecnologías, podemos esperar que proporcionen soluciones energéticas más confiables y rentables para hogares y empresas.
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