СУЧАСНИЙ СТАН І ПЕРСПЕКТИВНІ НАПРЯМИ РОЗВИТКУ ТЕХНОЛОГІЙ ВИРОБНИЦТВА ГЕЛІОПАНЕЛЕЙ
Ключові слова:
енергоефективність, електротехнологія, сонячний елемент, сонячна панель, проєктування фотовольтаїчних систем, екологічність
Анотація
У статті виконано докладний огляд існуючих технологій виробництва складників сонячних панелей – фотоелементів, що входять до складу сонячних електростанцій. Визначено їхні переваги і недоліки та методи підвищення енергетичної ефективності, надійності відповідно до загальноприйнятої класифікації, яка включає три покоління – від класичних моно- та полікристалічних фотоелементів через тонкоплівкові технології на основі аморфного кремнію, CIGS і CdTe до сучасних ІІІ–V тандемних багатоперехідних фотоелементів, технологій на основі гетерокристалічного кремнію, перовскітних і квантово-точкових фотоелементів, а також проаналізовано сучасні тренди розвитку їх промислового виробництва у світі. Оглянуто питання екологічності технологій і стабільності роботи сонячних елементів. Акцентовано увагу на поступовому зростанні ролі тонкоплівкових технологій та розробленні гнучких фотоелементів, що все частіше використовуються для виробництва електроенергії на поверхнях довільної форми, повторюючи її.
Посилання
1. National Renewable Energy Laboratory. Best Research-Cell efficiency chart. URL: https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html (дата звернення: 31.01.2025).
2. Rühle S. Tabulated values of the Shockley-Queisser limit for single junction solar cells. Solar Energy. 2016. Vol. 130. P. 139–147. https://doi.org/10.1016/j.solener.2016.02.015
3. LONGi Sets New World-Record for Silicon Solar Cell Efficiency, Launching 2nd Generation Ultra-Efficient BC-Based Module. Longi. URL: https://www.longi.com/en/news/longi-hi-mo9-bc-world-record (дата звернення: 31.01.2025)
4. Fu J., Yang Q., Huang P., Yu R., Wang Y., Hou J. Rational molecular and device design enables organic solar cells approaching 20% efficiency. Nature Communications. 2024. Vol. 15. Article 1830. https://doi.org/10.1038/s41467-024-46022-3
5. Wang J., Wang Y., Bi P., Gao Y., Xu Y., Yang Y. Binary organic solar cells with 19.2 % efficiency enabled by solid additive. Advanced Materials. 2023. Vol. 35. Article 202301583. https://doi.org/10.1002/adma.202301583
6. Zhang R., Chen H., Wang T., Gao X., Liu H., Hu Z., Li Y., Chen Y., Liu F., Zhang J., Zhang M., Tang Z. Equally high efficiencies of organic solar cells processed from different solvents reveal key factors for morphology control. Nature Energy. 2024. https://doi.org/10.1038/s41560-024-01678-5
7. Dhonde M., Sahu K., Das M. Review – Recent advancements in dye-sensitized solar cells; from photoelectrode to counter electrode. Journal of The Electrochemical Society. 2022. Vol. 169. Article 066507. https:// doi.org/10.1149/1945-7111/ac741f
8. Szindler M., Szindler M., Drygała A., Wieczorek S., Kępiński L., Laskowska M., Bratek L. Dye-sensitized solar cell for building-integrated photovoltaic (BIPV) applications. Materials. 2021. Vol. 14. No. 13. Article 3743. https://doi.org/10.3390/ma14133743
9. Ren Y., Zhang D., Suo J., Zhang Y., Li J., Wang Q., Wang C., Yang L., Yang J., Liu W., Wu Z. Hydroxamic acid preadsorption raises efficiency of cosensitized solar cells. Nature. 2023. Vol. 613. P. 60–65. https://doi.org/10.1038/s41586-022-05460-z
10. Manser J.S., Christians J.A., Kamat P.V. Intriguing optoelectronic properties of metal halide perovskites. Chemical Reviews. 2017. Vol. 116. No. 21. P. 12956–13008. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.6b00136
11. Li X., Bi D., Yi C., Luo J., Zhang F., Wang H., Yang Y., Yan Y., Duan H., Gao Z., Wei Z., Li N., Ma T., Xiao Z., Zhan X., Wang Q., Dou L., Gao W. A vacuum flash-assisted solution process for high-efficiency large-area perovskite solar cells. Science. 2016. Vol. 353. No. 6294. P. 58–62. https://doi.org/10.1126/science.aaf8060
12. Jiang X., Lang F., Li Y., Wei D., Zheng H., Hou J., Wu H., Zhao Y. Isomeric diammonium passivation for perovskite-organic tandem solar cells. Nature. 2024. Vol. 635. No. 8040. P. 860–866. https://doi.org/10.1038/s41586-024-08160-y
13. LONGi sets a new world record of 33.9 % for the efficiency of crystalline silicon-perovskite tandem solar cells. Longi. URL: https://www.longi.com/en/news/new-world-record-for-the-efficiency-of-crystalline-silicon-perovskite-tandem-solar-cells (дата звернення: 31.01.2025).
14. Sidhik S., Metcalf I., Li W., Kim T., Moon D., Choi S., Lee J., Jeon N., Lee S., Kim Y., Im S., Park N. Two- dimensional perovskite templates for durable, efficient formamidinium perovskite solar cells. Science. 2024. Vol. 384. No. 6701. P. 1227–1235. https://doi.org/10.1126/science.abq6993
15. Hao F., Stoumpos C.C., Cao D.H., Chang R.P.H., Kanatzidis M.G. Lead-free solid-state organic-inorganic halide perovskite solar cells. Nature Photonics. 2014. Vol. 8. No. 6. P. 489–494. https://doi.org/10.1038/nphoton.2014.82
16. Lai H.M., Lu Z., Choi C.K.K., Kim T., Sun H., Ho H., Wang L., Ke M., Ren X. Direct room temperature synthesis of α-CsPbI3 perovskite nanocrystals with high photoluminescence quantum yields: implications for lighting and photovoltaic applications. ACS Applied Nano Materials. 2022. Vol. 5. No. 9. P. 12366–12373. https://doi.org/10.1021/acsanm.2c00732
17. Li F., Deng X., Shi Z., Zhang Z., Zhang Q., Zhang X., Wei M., Wang H., Xu J., Wei Z., Luo D. Hydrogen- bond-bridged intermediate for perovskite solar cells with enhanced efficiency and stability. Nature Photonics. 2023. Vol. 17. P. 478–484. https://doi.org/10.1038/s41566-023-01180-6
18. Barnham K.W.J., Duggan G. A new approach to high‐efficiency multi‐band‐gap solar cells. Journal of Applied Physics. 1990. Vol. 67. No. 7. P. 3490–3493. https://doi.org/10.1063/1.345339
19. Shishodia S., Chouchene B., Gries T., Schneider R., Ohtani R., Yoshida T., Hane K., Chen S. Selected I-III-VI2 semiconductors: synthesis, properties and applications in photovoltaic cells. Nanomaterials. 2023. Vol. 13. No. 21. Article 2889. https://doi.org/10.3390/nano13212889
20. Nozik A.J. Quantum Dot Solar Cells: Preprint. NCPV program review meeting Lakewood, Colorado NREL/ CP-590-31011. 14–17 October 2001. Retrieved 06.01.2025. URL: https://www.nrel.gov/docs/fy02osti/31011.pdf
21. Danladi E., Kashif M., Ouladsmane M., Zong J., Imran M., Chen L., Qin M., Iqbal S., Li Z., Zhang Z., Zhang J. Modeling and simulation of > 19% highly efficient PbS colloidal quantum dot solar cell: A step towards unleashing the prospect of quantum dot absorber. Optik. 2023. Vol. 291. Article 171325. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2023.171325
22. Yang J., Tang Q., Meng Q., Wei X., Zhao X., Zhang Y., Li H., Ren Y., Sun X. Photoelectric conversion beyond sunny days: all-weather carbon quantum dot solar cells. Journal of Materials Chemistry. 2017. Vol. 5. P. 2143–2150. https://doi.org/10.1039/C6TA09261F
23. Yan Y., Crisp R., Gu J., Zhang D., Yang L., Wang X., Li Q. Multiple exciton generation for photoelectrochemical hydrogen evolution reactions with quantum yields exceeding 100%. Nature Energy. 2017. Vol. 2. Article 17052. https://doi.org/10.1038/nenergy.2017.52
24. Zhang Z., Wang W., Rao H., Li J., Zhang H., Cui Y., Sun J., Yang X., Liu Z., Xu B. Improving the efficiency of quantum dot-sensitized solar cells by increasing the QD loading amount. Chemical Science. 2024. Vol. 15. P. 5482–5495. https://doi.org/10.1039/D3SC06911G
25. Seo G., Han S., Lee D.G., Lee K., Park J., Han K., Lee H., Kim Y. Multifaceted anchoring ligands for uniform orientation and enhanced cubic-phase stability of perovskite quantum dots. Chemical Engineering Journal. 2024. Vol. 496. Article 154312. https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.154312
2. Rühle S. Tabulated values of the Shockley-Queisser limit for single junction solar cells. Solar Energy. 2016. Vol. 130. P. 139–147. https://doi.org/10.1016/j.solener.2016.02.015
3. LONGi Sets New World-Record for Silicon Solar Cell Efficiency, Launching 2nd Generation Ultra-Efficient BC-Based Module. Longi. URL: https://www.longi.com/en/news/longi-hi-mo9-bc-world-record (дата звернення: 31.01.2025)
4. Fu J., Yang Q., Huang P., Yu R., Wang Y., Hou J. Rational molecular and device design enables organic solar cells approaching 20% efficiency. Nature Communications. 2024. Vol. 15. Article 1830. https://doi.org/10.1038/s41467-024-46022-3
5. Wang J., Wang Y., Bi P., Gao Y., Xu Y., Yang Y. Binary organic solar cells with 19.2 % efficiency enabled by solid additive. Advanced Materials. 2023. Vol. 35. Article 202301583. https://doi.org/10.1002/adma.202301583
6. Zhang R., Chen H., Wang T., Gao X., Liu H., Hu Z., Li Y., Chen Y., Liu F., Zhang J., Zhang M., Tang Z. Equally high efficiencies of organic solar cells processed from different solvents reveal key factors for morphology control. Nature Energy. 2024. https://doi.org/10.1038/s41560-024-01678-5
7. Dhonde M., Sahu K., Das M. Review – Recent advancements in dye-sensitized solar cells; from photoelectrode to counter electrode. Journal of The Electrochemical Society. 2022. Vol. 169. Article 066507. https:// doi.org/10.1149/1945-7111/ac741f
8. Szindler M., Szindler M., Drygała A., Wieczorek S., Kępiński L., Laskowska M., Bratek L. Dye-sensitized solar cell for building-integrated photovoltaic (BIPV) applications. Materials. 2021. Vol. 14. No. 13. Article 3743. https://doi.org/10.3390/ma14133743
9. Ren Y., Zhang D., Suo J., Zhang Y., Li J., Wang Q., Wang C., Yang L., Yang J., Liu W., Wu Z. Hydroxamic acid preadsorption raises efficiency of cosensitized solar cells. Nature. 2023. Vol. 613. P. 60–65. https://doi.org/10.1038/s41586-022-05460-z
10. Manser J.S., Christians J.A., Kamat P.V. Intriguing optoelectronic properties of metal halide perovskites. Chemical Reviews. 2017. Vol. 116. No. 21. P. 12956–13008. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.6b00136
11. Li X., Bi D., Yi C., Luo J., Zhang F., Wang H., Yang Y., Yan Y., Duan H., Gao Z., Wei Z., Li N., Ma T., Xiao Z., Zhan X., Wang Q., Dou L., Gao W. A vacuum flash-assisted solution process for high-efficiency large-area perovskite solar cells. Science. 2016. Vol. 353. No. 6294. P. 58–62. https://doi.org/10.1126/science.aaf8060
12. Jiang X., Lang F., Li Y., Wei D., Zheng H., Hou J., Wu H., Zhao Y. Isomeric diammonium passivation for perovskite-organic tandem solar cells. Nature. 2024. Vol. 635. No. 8040. P. 860–866. https://doi.org/10.1038/s41586-024-08160-y
13. LONGi sets a new world record of 33.9 % for the efficiency of crystalline silicon-perovskite tandem solar cells. Longi. URL: https://www.longi.com/en/news/new-world-record-for-the-efficiency-of-crystalline-silicon-perovskite-tandem-solar-cells (дата звернення: 31.01.2025).
14. Sidhik S., Metcalf I., Li W., Kim T., Moon D., Choi S., Lee J., Jeon N., Lee S., Kim Y., Im S., Park N. Two- dimensional perovskite templates for durable, efficient formamidinium perovskite solar cells. Science. 2024. Vol. 384. No. 6701. P. 1227–1235. https://doi.org/10.1126/science.abq6993
15. Hao F., Stoumpos C.C., Cao D.H., Chang R.P.H., Kanatzidis M.G. Lead-free solid-state organic-inorganic halide perovskite solar cells. Nature Photonics. 2014. Vol. 8. No. 6. P. 489–494. https://doi.org/10.1038/nphoton.2014.82
16. Lai H.M., Lu Z., Choi C.K.K., Kim T., Sun H., Ho H., Wang L., Ke M., Ren X. Direct room temperature synthesis of α-CsPbI3 perovskite nanocrystals with high photoluminescence quantum yields: implications for lighting and photovoltaic applications. ACS Applied Nano Materials. 2022. Vol. 5. No. 9. P. 12366–12373. https://doi.org/10.1021/acsanm.2c00732
17. Li F., Deng X., Shi Z., Zhang Z., Zhang Q., Zhang X., Wei M., Wang H., Xu J., Wei Z., Luo D. Hydrogen- bond-bridged intermediate for perovskite solar cells with enhanced efficiency and stability. Nature Photonics. 2023. Vol. 17. P. 478–484. https://doi.org/10.1038/s41566-023-01180-6
18. Barnham K.W.J., Duggan G. A new approach to high‐efficiency multi‐band‐gap solar cells. Journal of Applied Physics. 1990. Vol. 67. No. 7. P. 3490–3493. https://doi.org/10.1063/1.345339
19. Shishodia S., Chouchene B., Gries T., Schneider R., Ohtani R., Yoshida T., Hane K., Chen S. Selected I-III-VI2 semiconductors: synthesis, properties and applications in photovoltaic cells. Nanomaterials. 2023. Vol. 13. No. 21. Article 2889. https://doi.org/10.3390/nano13212889
20. Nozik A.J. Quantum Dot Solar Cells: Preprint. NCPV program review meeting Lakewood, Colorado NREL/ CP-590-31011. 14–17 October 2001. Retrieved 06.01.2025. URL: https://www.nrel.gov/docs/fy02osti/31011.pdf
21. Danladi E., Kashif M., Ouladsmane M., Zong J., Imran M., Chen L., Qin M., Iqbal S., Li Z., Zhang Z., Zhang J. Modeling and simulation of > 19% highly efficient PbS colloidal quantum dot solar cell: A step towards unleashing the prospect of quantum dot absorber. Optik. 2023. Vol. 291. Article 171325. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2023.171325
22. Yang J., Tang Q., Meng Q., Wei X., Zhao X., Zhang Y., Li H., Ren Y., Sun X. Photoelectric conversion beyond sunny days: all-weather carbon quantum dot solar cells. Journal of Materials Chemistry. 2017. Vol. 5. P. 2143–2150. https://doi.org/10.1039/C6TA09261F
23. Yan Y., Crisp R., Gu J., Zhang D., Yang L., Wang X., Li Q. Multiple exciton generation for photoelectrochemical hydrogen evolution reactions with quantum yields exceeding 100%. Nature Energy. 2017. Vol. 2. Article 17052. https://doi.org/10.1038/nenergy.2017.52
24. Zhang Z., Wang W., Rao H., Li J., Zhang H., Cui Y., Sun J., Yang X., Liu Z., Xu B. Improving the efficiency of quantum dot-sensitized solar cells by increasing the QD loading amount. Chemical Science. 2024. Vol. 15. P. 5482–5495. https://doi.org/10.1039/D3SC06911G
25. Seo G., Han S., Lee D.G., Lee K., Park J., Han K., Lee H., Kim Y. Multifaceted anchoring ligands for uniform orientation and enhanced cubic-phase stability of perovskite quantum dots. Chemical Engineering Journal. 2024. Vol. 496. Article 154312. https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.154312
Опубліковано
2025-05-30
Як цитувати
Козін, В. М., Савойський, О. Ю., Барсукова, Г. В., Вольвач, Т. С., Рясна, О. В., & Марченко, А. Ю. (2025). СУЧАСНИЙ СТАН І ПЕРСПЕКТИВНІ НАПРЯМИ РОЗВИТКУ ТЕХНОЛОГІЙ ВИРОБНИЦТВА ГЕЛІОПАНЕЛЕЙ. Праці Таврійського державного агротехнологічного університету імені Дмитра Моторного, 25(2), 45-53. https://doi.org/10.32782/2078-0877-2025-25-2-5
Розділ
ЕНЕРГОВИРОБНИЦТВО (ЗА СПЕЦІАЛІЗАЦІЄЮ)
