A celle a energia solare è un dispositivo che converte la luce solare direttamente in energia elettrica. Questa conversione si ottiene utilizzando l'effetto fotovoltaico in un materiale semiconduttore, solitamente il silicio. Le celle solari sono un componente chiave delle tecnologie di energia rinnovabile e sono ampiamente utilizzate nei sistemi di energia solare.
Il seguente articolo ti fornirà una panoramica della storia di celle a energia solare sviluppo ed evidenzierà i principali risultati raggiunti fino ad oggi in termini di efficienza.
Sommario
Lo sviluppo delle celle solari
Classificazione
Efficienza delle celle solari
Record mondiali per le celle solari nel corso degli anni
La differenza tra efficienza di laboratorio ed efficienza commerciale
Tendenze chiave nella tecnologia delle celle solari
Concludendo
Lo sviluppo delle celle solari
La storia di celle solari risale alla fine del 1800, quando gli scienziati scoprirono che alcuni materiali fotovoltaici potevano produrre corrente elettrica se esposti alla luce. Ma fu solo nel 1954 che i Bell Labs svilupparono con successo la prima pratica cella solare in silicio. Negli anni ’1960, le celle solari iniziarono ad essere utilizzate per la fornitura di energia nei veicoli spaziali, stimolando l’ulteriore sviluppo della loro tecnologia.
La commercializzazione e la divulgazione iniziarono negli anni ’1970, con l’emergere della crisi energetica, le celle solari ricevettero maggiore attenzione come fonte di energia rinnovabile. I progressi tecnologici e la riduzione dei costi di produzione hanno consentito alle celle solari di iniziare ad essere ampiamente utilizzate in applicazioni commerciali e residenziali.
Classificazione
Silicio monocristallino celle solari: sono costituiti da un singolo cristallo di silicio e sono più efficienti ma relativamente costosi. In genere hanno un'elevata efficienza di conversione energetica e una lunga durata.
Silicio policristallino celle solari: realizzati con più piccoli cristalli di silicio, sono leggermente meno efficienti del silicio monocristallino, ma costano meno.
Pellicola sottile celle solari: Il silicio amorfo o altri materiali (ad esempio CdTe, CIGS) sono ricoperti in strati molto sottili su un substrato. Queste celle sono più economiche, ma in genere sono meno efficienti delle celle in silicio cristallino.
New celle solari: Questi includono celle solari organiche, celle solari calcogenuri, ecc., che possono offrire costi di produzione inferiori e nuove possibilità di applicazione. Le cellule calcogenuri, in particolare, potrebbero portare a nuove scoperte.
Efficienza delle celle solari
Celle a energia solare l’efficienza è un parametro chiave per valutare l’efficienza con cui una cella solare converte la luce solare in elettricità. Nello specifico, è il rapporto tra l'energia elettrica prodotta da una cella solare e l'energia che riceve dalla radiazione solare. In altre parole, descrive quanta energia solare assorbita dalla cella solare viene convertita in modo efficiente in energia elettrica.
L’importanza dell’efficienza delle celle solari
Potenza in uscita: maggiore è l'efficienza, maggiore è la quantità di elettricità che una cella solare della stessa dimensione può produrre nelle stesse condizioni di luce.
Efficacia dei costi: Una maggiore efficienza riduce il costo unitario dell’elettricità solare, rendendo l’energia solare più competitiva dal punto di vista economico.
Utilizzo dello spazio: Le celle solari ad alta efficienza possono produrre più elettricità in uno spazio limitato, il che è particolarmente importante per applicazioni con vincoli di spazio come i sistemi solari sui tetti o le piccole installazioni.
Processo di miglioramento dell'efficienza
Lo sviluppo delle celle solari può essere suddiviso in tre fasi, ciascuna delle quali presenta innovazioni tecnologiche specifiche:
Fase I: celle solari in silicio cristallino
Il primo stadio di celle solari si basa principalmente su materiali di silicio monocristallino e policristallino. Le celle solari in silicio inizialmente commercializzate avevano un'efficienza di circa il 6%, ma con i miglioramenti tecnologici, le moderne celle in silicio monocristallino sono state in grado di raggiungere efficienze superiori al 22% in condizioni di laboratorio.
Processo di raggiungimento: L’aumento dell’efficienza è dovuto principalmente ai progressi tecnologici nella purezza del silicio, all’ottimizzazione della struttura reticolare, alla riduzione della riflettività, al miglioramento del design degli elettrodi e alla riduzione della perdita di energia all’interno della cella.
Fase II: celle solari a film sottile
Strumenti Bowman per analizzare le seguenti finiture: celle solari includono seleniuro di rame indio gallio (CIGS), cadmio tellurio (CdTe) e celle solari in silicio amorfo. L'efficienza iniziale di queste celle a film sottile è bassa, generalmente intorno al 10%, ma con lo sviluppo dei materiali e della tecnologia di processo, l'efficienza di laboratorio delle celle CIGS e CdTe ha superato il 23%.
Ciò si ottiene principalmente migliorando la capacità di assorbimento della luce dei materiali a film sottile, migliorando l’efficienza del trasporto del vettore e ottimizzando la struttura cellulare.
Fase III: celle solari alla titanite di calcio
Titanite di calcio celle solari sono la classe di celle solari in più rapida crescita negli ultimi anni. Dal suo primo rapporto nel 2009, la sua efficienza è rapidamente aumentata dal 3.8% iniziale a oltre il 33.9% di oggi.
Il rapido aumento dell'efficienza è attribuito ai vantaggi unici dei materiali calcogenuri, come elevati coefficienti di assorbimento della luce, bande proibite regolabili e processi di fabbricazione semplici.
Record mondiali per le celle solari nel corso degli anni
Fase nascente dello sviluppo (2009~2012)
2009, efficienza di conversione energetica 3.5%: Lo scienziato giapponese Miyasaka ha utilizzato materiale calcogenuro per celle solari sensibilizzate con coloranti come materiale che assorbe la luce, ma il materiale era instabile e si è guastato dopo pochi minuti.
2011, efficienza di conversione energetica 6.5%: Nam-Gyu Park, Università di Sungkyunkwan, Corea del Sud, ha migliorato la tecnologia delle celle solari al calcogenuro, aumentando notevolmente l'efficienza di conversione fotoelettrica, ma il materiale è ancora instabile a causa dell'elettrolita liquido ancora in uso, e l'efficienza è stata ridotta dell'80% dopo pochi minuti.
2012, efficienza di conversione energetica 10%: Il gruppo di Henry Snaith dell'Università di Oxford ha introdotto il materiale di trasporto Spiro-OMeTA, ha realizzato lo stato solido della cella calcogenuro, ha ulteriormente migliorato l'efficienza di conversione e le prestazioni fotovoltaiche non sono ovviamente diminuite dopo 500 ore, dimostrando eccellenti prestazioni di stabilità.
Fase di sviluppo iniziale (2012~2015)
in 2012, Henry Snaith dell'Università di Oxford ha sostituito il TiO2 nella cella con l'alluminio (A1203), e da allora la calcite non solo è stata uno strato assorbente di luce nella cella, ma è anche servita come materiale semiconduttore per il trasferimento di carica elettrica.
in 2013, il calcogenuro è stato selezionato come una delle 10 principali scoperte scientifiche in Science 2013.
Nel 2015, efficienza di conversione energetica del 15%: Cina, Giappone e Svizzera hanno collaborato per realizzare celle solari al calcogenuro di grande superficie (area di lavoro superiore a 1 CM2), che sono state certificate da autorità internazionali.
Fase di sviluppo rapido (2016-oggi)
2016, efficienza di conversione energetica 19.6%: Il gruppo del Prof. Gratzel del Politecnico Federale di Losanna ha aumentato il rendimento certificato al 19.6%.
2018, efficienza di conversione energetica 23.7%: l'Istituto di ricerca sui semiconduttori dell'Accademia cinese delle scienze ha proposto la passivazione con sali organici dei difetti superficiali del calcogenuro, aumentando successivamente l'efficienza di conversione al 23.3% e al 23.7%.
2021, efficienza di conversione energetica 29.8%: Il Centro Helmholtz di Berlino (HZB) ha sviluppato un'efficienza di conversione della batteria tandem al calcogenuro del 29.8%, superando il limite di efficienza della giunzione eterogenea (HJT), TOPCon e altre tecnologie al silicio cristallino.
2022, efficienza di conversione energetica del 31.3%: l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) e il Centro svizzero di elettronica e microtecnologia (CSEM) hanno creato celle fotovoltaiche a strati di calcogenuro-silicio con un'efficienza di conversione del 31.3%.
2023, efficienza di conversione energetica 33.9%: L'efficienza della cella cristallina impilata in silicio-calcite sviluppata in modo indipendente dalla cinese LONGi Green Energy Technology Co. raggiunge il 33.9%, superando il limite di efficienza teorico di Shockley-Quayther (SQ) del 33.7% per le celle a giunzione singola.
La differenza tra efficienza di laboratorio ed efficienza commerciale
L'efficienza del laboratorio e l'efficienza della commercializzazione sono due parametri diversi per valutare le prestazioni delle celle solari e tra loro esistono alcune differenze fondamentali:
Efficienza di laboratorio
Definizione:
L'efficienza del laboratorio è la massima efficienza di a celle a energia solare misurato in condizioni di laboratorio ideali. Di solito si tratta di condizioni di test standard (STC) come un'intensità luminosa specifica (1000 W/m²), una distribuzione spettrale specifica e una temperatura fissa (solitamente 25°C).
caratteristiche:
Le efficienze di laboratorio vengono generalmente misurate in condizioni di test ottimizzate impostate per massimizzare le prestazioni della cella.
Tali efficienze vengono solitamente misurate per singole celle o piccoli campioni di celle, piuttosto che per un intero pannello o sistema solare.
Le efficienze di laboratorio riflettono il limite superiore del potenziale tecnico di una cella solare.
Efficienza della commercializzazione
Definizione:
L'efficienza di commercializzazione è l'efficienza media di celle solari o pannelli solari effettivamente prodotti e immessi sul mercato. È il livello di prestazioni che i consumatori possono aspettarsi quando acquistano e utilizzano un sistema di celle solari.
caratteristiche:
L’efficienza della commercializzazione è generalmente inferiore all’efficienza del laboratorio perché deve tenere conto di una serie di fattori pratici nel processo di produzione di massa, come variazioni dei materiali, tolleranze di produzione e affidabilità a lungo termine.
Questa efficienza viene misurata in condizioni più vicine alle condizioni operative effettive, comprese temperature variabili, condizioni di luce e possibili ombreggiature.
Le efficienze commercializzate riflettono maggiormente le prestazioni effettive delle celle solari nell’uso quotidiano.
Differenze
Efficienza: L’efficienza di laboratorio è solitamente superiore all’efficienza commerciale perché è ottenuta in condizioni ideali.
Utilizzo: L'efficienza del laboratorio è maggiormente utilizzata nella ricerca e nello sviluppo per promuovere nuove scoperte tecnologiche; mentre l’efficienza commercializzata si concentra sulle prestazioni effettive del prodotto e sulla competitività del mercato.
Costo: Una volta raggiunta l’efficienza commercializzata, è necessario considerare anche il costo di produzione e la fattibilità della produzione su larga scala, che di solito non è una considerazione importante nella determinazione dell’efficienza del laboratorio.
Tendenze chiave nella tecnologia delle celle solari
Future scoperte in celle a energia solare La tecnologia è incentrata sul miglioramento dell'efficienza, sulla riduzione dei costi, sul miglioramento della durata e sull'adattamento alle esigenze di diverse applicazioni. Di seguito è riportato uno sguardo dettagliato su queste tendenze:
Maggiore efficienza di conversione energetica
Celle solari multigiunzione: Impilando materiali semiconduttori con diversi intervalli di banda, le celle solari multi-giunzione possono assorbire una banda più ampia di luce solare, migliorando così l’efficienza complessiva. In futuro si potrebbero vedere più celle solari a tripla e persino quadrupla giunzione.
Combinazione di calcogenuro e silicio: La combinazione di celle solari al calcogenuro con celle convenzionali al silicio per formare celle solari ibride o impilate può offrire una maggiore efficienza e una migliore risposta spettrale.
Ridurre i costi e migliorare la sostenibilità
Produzione su larga scala: Si prevede che il costo di produzione delle celle solari diminuirà ulteriormente man mano che la tecnologia matura e viene realizzata la produzione su larga scala.
Materiali rinnovabili: La ricerca e lo sviluppo di materiali più rispettosi dell'ambiente e riciclabili e la riduzione della dipendenza da materiali rari e tossici contribuiranno a migliorare la sostenibilità ambientale delle celle solari.
Durata e affidabilità migliorate
Migliorare la stabilità a lungo termine: I ricercatori mirano a migliorare la stabilità a lungo termine e la resistenza agli agenti atmosferici delle celle solari per far fronte a una varietà di condizioni ambientali e prolungarne la durata.
Materiali autoriparanti: Sviluppare materiali per celle solari in grado di autoriparare piccoli danni per mantenere un’elevata efficienza a lungo termine.
Concludendo
Il miglioramento dell'efficienza di celle solari è entrato in una fase rapida, soprattutto con l’utilizzo pratico delle cellule calcogenuri che porteranno nuova vitalità a questo campo. Il miglioramento continuo dell’efficienza delle celle solari è un fattore chiave che guida lo sviluppo della tecnologia solare e l’adozione sul mercato.
Grazie alle innovazioni nella scienza dei materiali, alla progettazione avanzata delle celle e al progresso nella tecnologia di produzione, le celle solari stanno diventando più efficienti, economiche e affidabili. Con ulteriori miglioramenti in termini di efficienza e l’applicazione di nuove tecnologie, possiamo aspettarci che forniranno soluzioni energetiche più affidabili ed economiche per case e aziende.
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