A cellule photovoltaïque est un appareil qui convertit directement la lumière du soleil en énergie électrique. Cette conversion est obtenue en utilisant l'effet photovoltaïque dans un matériau semi-conducteur, généralement du silicium. Les cellules solaires sont un élément clé des technologies d’énergie renouvelable et sont largement utilisées dans les systèmes d’énergie solaire.
L'article suivant vous donnera un aperçu de l'histoire de cellule photovoltaïque développement et mettra en évidence les principaux records d’efficacité à ce jour.
Table des matières
Le développement des cellules solaires
Classification
Efficacité des cellules solaires
Records mondiaux de cellules solaires au fil des ans
La différence entre l’efficacité du laboratoire et celle commerciale
Principales tendances de la technologie des cellules solaires
Emballage en place
Le développement des cellules solaires
L'histoire de cellules solaires remonte à la fin des années 1800, lorsque les scientifiques ont découvert que certains matériaux photovoltaïques pouvaient produire un courant électrique lorsqu'ils étaient exposés à la lumière. Mais ce n’est qu’en 1954 que les Bell Labs ont développé avec succès la première cellule solaire au silicium pratique. Dans les années 1960, les cellules solaires ont commencé à être utilisées pour alimenter en énergie les vaisseaux spatiaux, ce qui a stimulé le développement de leur technologie.
La commercialisation et la vulgarisation ont commencé dans les années 1970, avec l'émergence de la crise énergétique, les cellules solaires ont reçu davantage d'attention en tant que source d'énergie renouvelable. Les progrès technologiques et la baisse des coûts de production ont permis aux cellules solaires de commencer à être largement utilisées dans des applications commerciales et résidentielles.
Classification
Silicium monocristallin cellules solaires: ils sont constitués d'un seul cristal de silicium et sont plus efficaces mais relativement coûteux. Ils ont généralement un rendement de conversion énergétique élevé et une longue durée de vie.
Silicium polycristallin cellules solaires: fabriqués à partir de plusieurs petits cristaux de silicium, ils sont légèrement moins efficaces que le silicium monocristallin, mais coûtent moins cher.
Couche mince cellules solaires: Le silicium amorphe ou d'autres matériaux (par exemple CdTe, CIGS) sont recouverts de couches très fines sur un substrat. Ces cellules sont moins chères, mais sont généralement moins efficaces que les cellules en silicium cristallin.
Nouveauté cellules solaires: Il s'agit notamment des cellules solaires organiques, des cellules solaires au chalcogénure, etc., qui peuvent offrir des coûts de fabrication inférieurs et de nouvelles possibilités d'application. Les cellules chalcogénures, en particulier, pourraient conduire à de nouvelles avancées.
Efficacité des cellules solaires
Cellule photovoltaïque L'efficacité est une mesure clé de l'efficacité avec laquelle une cellule solaire convertit la lumière du soleil en électricité. Plus précisément, il s'agit du rapport entre la puissance électrique produite par une cellule solaire et la puissance qu'elle reçoit du rayonnement solaire. En d’autres termes, il décrit la quantité d’énergie solaire absorbée par la cellule solaire qui est efficacement convertie en énergie électrique.
L'importance de l'efficacité des cellules solaires
Puissance de sortie : plus l’efficacité est élevée, plus une cellule solaire de même taille peut produire d’électricité dans les mêmes conditions d’éclairage.
Rentabilité : Une efficacité accrue réduit le coût unitaire de l’électricité solaire, rendant l’énergie solaire plus compétitive sur le plan économique.
Utilisation de l'espace : Les cellules solaires à haut rendement peuvent produire plus d'électricité dans un espace limité, ce qui est particulièrement important pour les applications limitées en espace telles que les systèmes solaires sur les toits ou les petites installations.
Processus d’amélioration de l’efficacité
Le développement des cellules solaires peut être divisé en trois étapes, chacune comportant ses propres avancées technologiques spécifiques :
Phase I : Cellules solaires en silicium cristallin
La première étape de cellules solaires est principalement basé sur des matériaux en silicium monocristallin et polycristallin. Les premières cellules solaires au silicium commercialisées avaient un rendement d'environ 6 %, mais grâce aux améliorations technologiques, les cellules modernes en silicium monocristallin ont pu atteindre un rendement de plus de 22 % dans des conditions de laboratoire.
Processus de réalisation : L'augmentation de l'efficacité est principalement due aux progrès technologiques en matière de pureté du silicium, à l'optimisation de la structure du réseau, à la réduction de la réflectivité, à l'amélioration de la conception des électrodes et à la réduction des pertes d'énergie au sein de la cellule.
Phase II : Cellules solaires à couches minces
Ces cellules solaires comprennent le séléniure de cuivre, d'indium et de gallium (CIGS), le tellure de cadmium (CdTe) et les cellules solaires en silicium amorphe. L'efficacité de démarrage de ces cellules à couches minces est faible, généralement autour de 10 %, mais avec le développement des matériaux et de la technologie des procédés, l'efficacité en laboratoire des cellules CIGS et CdTe a dépassé 23 %.
Ceci est principalement réalisé en améliorant la capacité d’absorption de la lumière des matériaux en couches minces, en améliorant l’efficacité du transport des porteurs et en optimisant la structure cellulaire.
Phase III : Cellules solaires au titanite de calcium
Titanite de calcium cellules solaires constituent la classe de cellules solaires qui connaît la croissance la plus rapide ces dernières années. Depuis son premier rapport en 2009, son efficacité a rapidement augmenté, passant de 3.8 % initialement à plus de 33.9 % aujourd'hui.
L'augmentation rapide de l'efficacité est attribuée aux avantages uniques des matériaux chalcogénures, tels que des coefficients d'absorption de la lumière élevés, des bandes interdites réglables et des processus de fabrication simples.
Records mondiaux de cellules solaires au fil des ans
Stade naissant de développement (2009~2012)
2009, efficacité de conversion énergétique 3.5% : Le scientifique japonais Miyasaka a utilisé un matériau chalcogénure pour les cellules solaires sensibilisées aux colorants comme matériau absorbant la lumière, mais le matériau était instable et a échoué au bout de quelques minutes.
2011, efficacité de conversion énergétique 6.5% : Nam-Gyu Park, Université Sungkyunkwan, Corée du Sud, a amélioré la technologie des cellules solaires au chalcogénure, augmentant considérablement l'efficacité de la conversion photoélectrique, mais le matériau est toujours instable en raison de l'électrolyte liquide toujours utilisé, et l'efficacité a été réduite de 80 % après quelques minutes.
2012, efficacité de conversion énergétique 10% : Le groupe d'Henry Snaith de l'Université d'Oxford a introduit le matériau de transport Spiro-OMeTA, a réalisé l'état solide de la cellule au chalcogénure, a encore amélioré l'efficacité de conversion et les performances photovoltaïques ne se sont visiblement pas dégradées après 500 heures, démontrant d'excellentes performances de stabilité.
Phase de développement initiale (2012~2015)
En 2013, j'ai nommé Ambassadeur Amina C. Mohamed, mon secrétaire du Cabinet (Ministre) du Ministère des Affaires étrangères et du Commerce international. Depuis lors, l'Ambassadeur Mohamed a dirigé avec brio notre action diplomatique. Nous avons bénéficié énormément de ses démarches tant régionalesqu’internationales d'importance à la fois nationale et continentale. , Henry Snaith de l'Université d'Oxford a remplacé le TiO2 dans la cellule par de l'aluminium (A1203), et depuis lors, la calcite est non seulement une couche absorbant la lumière dans la cellule, mais sert également de matériau semi-conducteur pour le transfert de charge électrique.
En 2013, j'ai nommé Ambassadeur Amina C. Mohamed, mon secrétaire du Cabinet (Ministre) du Ministère des Affaires étrangères et du Commerce international. Depuis lors, l'Ambassadeur Mohamed a dirigé avec brio notre action diplomatique. Nous avons bénéficié énormément de ses démarches tant régionalesqu’internationales d'importance à la fois nationale et continentale. , le chalcogénure a été sélectionné comme l'une des 10 principales avancées scientifiques de Science 2013.
En 2015, rendement de conversion énergétique de 15 % : La Chine, le Japon et la Suisse ont coopéré pour fabriquer des cellules solaires au chalcogénure de grande surface (zone de travail de plus de 1 CM2), certifiées par les autorités internationales.
Phase de développement rapide (2016-présent)
2016, efficacité de conversion énergétique 19.6% : Le groupe du professeur Gratzel de l'Ecole polytechnique fédérale de Lausanne a augmenté le rendement certifié à 19.6 %.
2018, efficacité de conversion énergétique 23.7% : l'Institut de recherche sur les semi-conducteurs de l'Académie chinoise des sciences a proposé la passivation par sel organique des défauts de surface du chalcogénure, augmentant successivement l'efficacité de conversion à 23.3 % et 23.7 %.
2021, efficacité de conversion énergétique 29.8% : Le Helmholtz Center Berlin (HZB) a développé une efficacité de conversion de batterie tandem au chalcogénure de 29.8 %, dépassant la limite d'efficacité de la jonction hétérogène (HJT), du TOPCon et d'autres technologies de silicium cristallin.
2022, efficacité de conversion énergétique de 31.3% : l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) et le Centre Suisse d'Electronique et de Microtechnique (CSEM) ont créé des cellules photovoltaïques empilées chalcogénure-silicium avec un rendement de conversion de 31.3 %.
2023, efficacité de conversion énergétique 33.9% : L'efficacité de la cellule empilée de silicium cristallin-calcite développée indépendamment par la société chinoise LONGi Green Energy Technology Co. atteint 33.9 %, dépassant la limite d'efficacité théorique de Shockley-Quayther (SQ) de 33.7 % pour les cellules à jonction unique.
La différence entre l’efficacité du laboratoire et celle commerciale
L'efficacité du laboratoire et l'efficacité de la commercialisation sont deux mesures différentes pour évaluer les performances des cellules solaires, et il existe quelques différences clés entre elles :
L'efficacité du laboratoire
Définition:
L'efficacité du laboratoire est l'efficacité maximale d'un cellule photovoltaïque mesuré dans des conditions idéalisées de laboratoire. Cela implique généralement des conditions de test standard (STC) telles qu'une intensité lumineuse spécifique (1000 25 W/m²), une distribution spectrale spécifiée et une température fixe (généralement XNUMX°C).
Caractéristiques:
L'efficacité des laboratoires est généralement mesurée dans des conditions de test optimisées, définies pour maximiser les performances des cellules.
De telles efficacités sont généralement mesurées pour des cellules individuelles ou de petits échantillons de cellules, plutôt que pour un panneau ou un système solaire dans son ensemble.
L'efficacité des laboratoires reflète la limite supérieure du potentiel technique d'une cellule solaire.
Efficacité de la commercialisation
Définition:
L'efficacité de la commercialisation est l'efficacité moyenne de cellules solaires ou des panneaux solaires qui sont réellement produits et mis sur le marché. Il s’agit du niveau de performance auquel les consommateurs peuvent s’attendre lorsqu’ils achètent et utilisent un système de cellules solaires.
Caractéristiques:
L'efficacité de la commercialisation est généralement inférieure à l'efficacité du laboratoire car elle doit prendre en compte divers facteurs pratiques dans le processus de production de masse, tels que les variations des matériaux, les tolérances de fabrication et la fiabilité à long terme.
Cette efficacité est mesurée dans des conditions plus proches des conditions de fonctionnement réelles, notamment des températures variables, des conditions d'éclairage et un éventuel ombrage.
Les efficacités commercialisées reflètent davantage les performances réelles des cellules solaires dans une utilisation quotidienne.
Différences
Rendement : L’efficacité du laboratoire est généralement supérieure à l’efficacité commerciale car elle est obtenue dans des conditions idéalisées.
Application: L’efficacité des laboratoires est davantage utilisée dans la recherche et le développement pour promouvoir de nouvelles percées technologiques ; tandis que l’efficacité commercialisée se concentre sur la performance réelle du produit et la compétitivité du marché.
Prix: Lorsque l’efficacité commerciale est atteinte, le coût de production et la faisabilité d’une production à grande échelle doivent également être pris en compte, ce qui n’est généralement pas un facteur majeur dans la détermination de l’efficacité du laboratoire.
Principales tendances de la technologie des cellules solaires
De futures percées dans cellule photovoltaïque La technologie est centrée sur l’amélioration de l’efficacité, la réduction des coûts, l’amélioration de la durabilité et l’adaptation aux besoins de diverses applications. Voici un aperçu détaillé de ces tendances :
Efficacité de conversion énergétique accrue
Cellules solaires multi-jonctions : En empilant des matériaux semi-conducteurs avec différentes bandes interdites, les cellules solaires à jonctions multiples peuvent absorber une bande de lumière solaire plus large, améliorant ainsi l'efficacité globale. Davantage de cellules solaires à triple jonction, voire quadruple jonction, pourraient être vues à l'avenir.
Combinaison de chalcogénure et de silicium : La combinaison de cellules solaires au chalcogénure avec des cellules au silicium conventionnelles pour former des cellules solaires hybrides ou empilées peut offrir un rendement plus élevé et une meilleure réponse spectrale.
Réduire les coûts et améliorer la durabilité
Production à grande échelle : Le coût de fabrication des cellules solaires devrait encore diminuer à mesure que la technologie évolue et que la production augmente.
Matériaux renouvelables : La recherche et le développement de matériaux recyclables plus respectueux de l’environnement et la réduction du recours à des matériaux rares et toxiques contribueront à améliorer la durabilité environnementale des cellules solaires.
Durabilité et fiabilité améliorées
Améliorer la stabilité à long terme : Les chercheurs visent à améliorer la stabilité à long terme et la résistance aux intempéries des cellules solaires pour faire face à diverses conditions environnementales et prolonger leur durée de vie.
Matériaux auto-cicatrisants : Développer des matériaux de cellules solaires capables de réparer automatiquement des dommages mineurs afin de maintenir une efficacité élevée à long terme.
Emballage en place
L’amélioration de l’efficacité de cellules solaires est entrée dans une phase rapide, notamment avec l’utilisation pratique des cellules chalcogénures qui apporteront une nouvelle vitalité à ce domaine. L’amélioration continue de l’efficacité des cellules solaires est un facteur clé du développement de la technologie solaire et de son adoption sur le marché.
Grâce aux innovations dans la science des matériaux, à la conception avancée des cellules et aux progrès de la technologie de fabrication, les cellules solaires deviennent plus efficaces, plus rentables et plus fiables. Avec de nouvelles améliorations de l’efficacité et l’application de nouvelles technologies, nous pouvons nous attendre à ce qu’elles fournissent des solutions énergétiques plus fiables et plus rentables pour les foyers et les entreprises.
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