Des batteries solaires à l’efficacité record. L'efficacité des différents types de panneaux solaires et les moyens de l'augmenter

Parmi les batteries solaires disponibles aujourd'hui sur le marché, les détenteurs du record d'efficacité sont les batteries solaires basées sur des photocellules multicouches, développées par l'Institut Fraunhofer des systèmes d'énergie solaire en Allemagne. Depuis 2005, leur mise en œuvre commerciale est assurée par Soitec.

La taille des photocellules elles-mêmes ne dépasse pas 4 millimètres et la focalisation de la lumière solaire sur elles est obtenue grâce à l'utilisation de lentilles de concentration auxiliaires, grâce auxquelles la lumière solaire saturée est convertie en électricité avec un rendement atteignant 47 %.

La batterie contient quatre jonctions p-n afin que quatre parties différentes de la cellule photoélectrique puissent recevoir et convertir efficacement le rayonnement d'une longueur d'onde spécifique, provenant de la lumière solaire, concentré 297,3 fois, dans la plage de longueurs d'onde allant de l'infrarouge à l'ultraviolet.

Les chercheurs dirigés par Frank Dimiroth se sont d'abord donné pour tâche de faire croître un cristal multicouche, et une solution a été trouvée : ils ont épissé des substrats de croissance, et le résultat a été un cristal avec différentes couches semi-conductrices, avec quatre sous-cellules photovoltaïques.

Les photocellules multicouches sont utilisées depuis longtemps sur les engins spatiaux, mais des stations solaires basées sur celles-ci ont désormais été lancées dans 18 pays. Cela devient possible grâce à une technologie améliorée et moins chère. En conséquence, le nombre de pays équipés de nouvelles stations solaires va augmenter et il existe une tendance à la concurrence sur le marché des panneaux solaires industriels.

En deuxième position se trouvent les batteries solaires basées sur des photocellules Sharp à trois couches, dont le rendement a atteint 44,4 %. Le phosphure d'indium et de gallium est la première couche de la cellule solaire, l'arséniure de gallium est la deuxième et l'arséniure d'indium et de gallium est la troisième couche. Les trois couches sont séparées par un diélectrique qui permet d'obtenir un effet tunnel.

La concentration de la lumière sur la photocellule est obtenue grâce à une lentille de Fresnel, comme les développeurs allemands - la lumière du soleil est concentrée 302 fois et convertie par une photocellule semi-conductrice à trois couches.

Des recherches scientifiques sur le développement de cette technologie sont menées en permanence par Sharp depuis 2003 avec le soutien de NEDO, une organisation d'administration publique japonaise promouvant la recherche et le développement scientifiques, ainsi que la diffusion de technologies industrielles, énergétiques et environnementales. En 2013, Sharp avait atteint un record de 44,4 %.

Deux ans avant Sharp, en 2011, la société américaine Solar Junction avait déjà sorti des batteries similaires, mais avec un rendement de 43,5%, dont les éléments avaient une taille de 5 sur 5 mm, et la mise au point était également réalisée par des lentilles, concentrant la lumière du soleil 400 fois. Les cellules solaires étaient des cellules à base de germanium à trois jonctions, et l’équipe prévoyait même de créer des cellules solaires à cinq et six jonctions pour mieux capturer le spectre. Les recherches sont toujours en cours au sein de l'entreprise.

Ainsi, les panneaux solaires fabriqués en combinaison avec des concentrateurs, qui, comme nous le voyons, sont produits en Europe, en Asie et en Amérique, ont le rendement record le plus élevé. Mais ces batteries sont principalement fabriquées pour la construction de centrales solaires au sol à grande échelle et pour une alimentation électrique efficace des engins spatiaux.

Un record a récemment été établi dans le domaine des panneaux solaires grand public conventionnels, abordables pour la plupart des personnes souhaitant les installer, par exemple sur le toit d'une maison.

À la mi-automne 2015, la société SolarCity d'Elon Musk a présenté les panneaux solaires grand public les plus efficaces, dont le rendement dépasse 22 %.

Cet indicateur a été confirmé par les mesures réalisées par le laboratoire Renewable Energy Test Center. L'usine de Buffalo fixe déjà un objectif de production quotidienne de 9 à 10 000 panneaux solaires, dont les caractéristiques exactes n'ont pas encore été communiquées. L’entreprise prévoit déjà d’approvisionner au moins 200 000 foyers par an avec ses batteries.

Le fait est que le processus technologique optimisé a permis à l'entreprise de réduire considérablement les coûts de production, tout en augmentant l'efficacité de 2 fois par rapport aux panneaux solaires au silicium grand public. Musk est convaincu que ses panneaux solaires seront les plus populaires parmi les propriétaires dans un avenir proche.

Je suis intéressé à rencontrer des gens qui sont constamment en recherche. Parmi eux se trouve mon collègue Alexander, passionné de véhicules électriques. Vous trouverez ici des informations sur ses développements et la constitution d'une flotte de véhicules électriques en Ukraine. Mais curieusement, outre la voiture électrique, il s’intéresse également aux panneaux solaires à haut rendement.

Après lui avoir posé une question, j'ai dû transpirer un peu, et voici ce qui en est ressorti.

Photomodules cristallins de silicium

L'efficacité des cellules des modules en 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 photovoltaïques avec un rendement de 22 % d'ici deux ans.

Les échantillons de laboratoire existants de cellules monocristallines montrent une productivité de 25 %, polycristallines - 20,5 %. L'efficacité maximale théorique des éléments à unijonction (p-n) en silicium est de 33,7 %. Bien que cet objectif n'ait pas été atteint, la tâche principale des fabricants, en plus d'augmenter l'efficacité des cellules, est d'améliorer la technologie de production et de réduire le coût des photomodules.

Les modules photo de Sanyo sont positionnés séparément, produits à l'aide de la technologie HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin layer) utilisant plusieurs couches de silicium, similaires aux cellules multicouches en tandem. 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 cellulaire le plus élevé parmi les modules cristallins en série à ce jour.

Cellules solaires à couche mince

Sous ce nom, plusieurs technologies différentes ont été développées, ce qui suit peut être dit sur leurs performances.

Aujourd'hui, il existe trois principaux types de cellules solaires à film inorganique : les films de silicium amorphe (a-Si), les films de tellurure de cadmium (CdTe) et les films de séléniure de cuivre, d'indium et de gallium (CuInGaSe2 ou CIGS).

L'efficacité des cellules solaires modernes à couches minces à base de silicium amorphe est d'environ 10 %, les photomodules à base de tellurure de cadmium - 10-11 % (fabricant : First Solar), à base de séléniure de cuivre-indium-gallium - 12-13 % (japonais modules solaires SOLAR FRONTIER) . Indicateurs d'efficacité des cellules en série : le CdTe a un rendement de 15,7% (modules MiaSole) et les cellules CIGS produites en Suisse - 18,7% (EMPA).

L'efficacité des cellules solaires individuelles à couches minces est beaucoup plus élevée, par exemple, les données sur les performances d'échantillons de laboratoire de cellules en silicium amorphe sont de 12,2 % (United Solar), les cellules CdTe sont de 17,3 % (First Solar), les cellules CIGS sont de 20,5 %. (ZSW). Jusqu'à présent, les convertisseurs solaires basés sur des couches minces de silicium amorphe sont en tête des volumes de production parmi d'autres technologies à couches minces - le volume du marché mondial des cellules en silicium à couches minces est d'environ 80 %, les cellules solaires à base de tellurure de cadmium représentent environ 18 % du marché. le marché, et le séléniure de cuivre-indium-gallium représente 2% du marché.

Cela est dû, tout d'abord, au coût et à la disponibilité des matières premières, ainsi qu'à une plus grande stabilité des caractéristiques que dans les structures multicouches. A noter que le silicium est l’un des éléments les plus répandus 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 (cellules CdTe) est toxique, même si la plupart des fabricants de tels panneaux solaires garantissent le recyclage complet de leurs produits.

Le développement ultérieur des convertisseurs photoélectriques basés sur des couches minces inorganiques est associé à l'amélioration de la technologie de production et à la stabilisation de leurs paramètres.

Et pourtant, sur la base de la stabilité des caractéristiques et du prix relativement bon marché, la préférence est donnée aux batteries solaires à base de silicium amorphe. Mais comme on le voit, leur efficacité ne dépasse pas 12,2 %.

De meilleurs résultats ont jusqu’à présent été obtenus dans des conditions de laboratoire. Un exemple est le développement des ingénieurs du Laboratoire national suisse des matériaux, de la science et de la technologie EMPA, qui ont réussi à atteindre un taux d'efficacité élevé (20,4%) en travaillant avec une nouvelle génération de panneaux solaires à couches minces. Les nouveaux panneaux sont basés sur des polymères flexibles fabriqués à partir du composé complexe CIGS ou cuivre-indium-gallium (di) séléniure (cuivre-indium-gallium-(di) séléniure).

L’une des questions les plus courantes qui se posent lorsqu’on décide d’installer des panneaux solaires pour un usage personnel est de savoir quels panneaux solaires sont les plus efficaces ? Cependant, cette formulation n’est pas tout à fait correcte. Tout d’abord, la réponse littérale à cette question n’a pas d’importance pour le consommateur moyen. Essayons de comprendre pourquoi ?

En fait, la question importante n’est pas de savoir comment choisir les panneaux solaires les plus performants, mais lesquels présentent le meilleur rapport qualité-prix. Si vous disposez d'un espace sur votre toit pour installer dix panneaux solaires et que vous avez le choix entre des panneaux solaires « A », qui sont légèrement plus efficaces mais deux fois plus chers que les panneaux solaires « B », alors très probablement, en termes d'économies, c'est plus Il est conseillé de choisir des panneaux de classe « B ». En bref, la tâche principale est de découvrir quelles options sont disponibles dans une situation particulière et d'analyser l'impact économique de chacune d'entre elles.
Dans tous les cas, si vous voulez vraiment connaître les panneaux solaires (ou modules solaires) les plus efficaces, certains d'entre eux sont répertoriés ci-dessous, ainsi que le fabricant et la valeur d'efficacité :

• panneaux solaires avec une efficacité de 44,4% de Sharp. Les modules solaires à concentration à trois couches du leader mondial des fabricants de cellules solaires sont très complexes et ne sont pas utilisés dans les bâtiments résidentiels ou publics car ils sont incroyablement coûteux. Fondamentalement, ces modules solaires ont trouvé une application dans l'industrie spatiale, où l'efficacité avec une taille et un poids relativement petits est d'une grande importance ;
• modules solaires avec un rendement de 37,9% produits par Sharp. Ces panneaux solaires à trois couches sont un analogue plus simple des précédents, à la différence qu'ils n'utilisent pas de dispositifs spéciaux pour concentrer la lumière du soleil sur le module. En conséquence, le prix de tels panneaux est inférieur au coût de ces dispositifs ;
• panneaux solaires avec une efficacité de 32,6% de l'Institut espagnol de recherche sur l'énergie solaire (IES) et de l'Université (UPM). Il s'agit de modules encore plus simples à deux couches avec un concentrateur solaire, mais leur utilisation dans des bâtiments résidentiels ou publics reste encore trop coûteuse.

Il existe environ une douzaine d’autres types de panneaux solaires qui pourraient figurer sur cette liste. Certains d’entre eux ont un rendement très élevé mais sont très chers, tandis que d’autres sont assez bon marché mais ont un rendement très faible. Bien sûr, certains d’entre eux sont à la fois inefficaces et coûteux. Mais ils présentent néanmoins un certain intérêt pour la recherche. La clé, comme indiqué précédemment, est de trouver l’équilibre optimal entre coût et efficacité.
Il existe une opinion selon laquelle aujourd'hui, beaucoup moins de recherches scientifiques sont consacrées aux batteries solaires qu'aux cellules photovoltaïques, qui constituent la base de la technologie de production de cellules solaires - c'est à cela que consacrent leur temps aux scientifiques de nombreux instituts et universités mondiaux. Personne n'essaiera même de fabriquer une batterie solaire qui ne sera pas vendue en raison de la faible attractivité commerciale de ses composants - les modules solaires. Il existe aujourd'hui sur le marché de nombreux types différents de cellules solaires (plus précisément de modules solaires) provenant de divers fabricants. Jetons donc un œil aux leaders dans les différentes catégories :

• Les modules solaires d'Amonix, efficaces à 36 %, détiennent le record de performances globales. Cependant, ils sont fabriqués à l’aide d’appareils de concentration et ne sont pas utilisés à des fins domestiques ;
• les modules solaires avec un rendement de 21,5% de la société américaine Sun Power ont établi un record d'efficacité commerciale. Les modules solaires Sun Power SPR-327NE-WHT-D ouvrent la voie en matière d'efficacité lors des tests sur le terrain. Les modules solaires qui ont obtenu les deuxième et troisième places lors de ce test ont également été développés par Sun Power ;
• Les modules solaires à couches minces avec un rendement de 17,4 % de Q-Cells détiennent le record dans cette catégorie. Les panneaux solaires à couches minces sont largement utilisés, mais pas dans les bâtiments résidentiels. Q-Cells est une société allemande qui a déposé son bilan en 2012 et a ensuite été rachetée par la société coréenne Hanwha ;
• Les modules solaires à couches minces de conversion photovoltaïque au cadmium-tellure (CdTe) de First Solar, d'une efficacité de 16,1 %, sont leaders dans leur catégorie. Encore une fois, les cellules solaires basées sur de tels modules ne sont généralement pas utilisées à des fins domestiques, mais aident l'entreprise à maintenir une position élevée parmi les fabricants de cellules solaires. La société américaine FirstSolar était leader dans la production de panneaux solaires sur le marché américain et a pris la deuxième place du classement mondial l'année dernière. Malgré le rendement plutôt faible de 16,1 % dans cette catégorie, les modules solaires relativement bon marché de First Solar constituent le choix optimal pour de nombreuses industries ;
• Dernier exemple pour démontrer que la liste des panneaux solaires les plus performants est très longue et ne se limite pas aux exemples ci-dessus, on note les modules solaires flexibles avec un rendement de 15,5% de la société MiaSole, leader dans cette catégorie. Naturellement, pour certaines applications, il faut non seulement des panneaux solaires, mais aussi des panneaux solaires flexibles. Mais ce n'est probablement pas votre cas...

Pour résumer, nous vous conseillons de ne pas vous focaliser sur des avantages hypothétiques et non pertinents lors du choix de panneaux solaires adaptés à vos besoins. Oubliez d'essayer de choisir " panneaux solaires les plus efficaces" Recherchez des panneaux qui répondent clairement à un objectif spécifique, plutôt que d'essayer de trouver des panneaux solaires conçus pour les satellites de la NASA.
Le tableau, compilé par le Laboratoire national des énergies renouvelables des États-Unis, démontre clairement la grande variété de technologies de cellules solaires et les réalisations de chacune d'entre elles en termes d'efficacité.

Les panneaux solaires sont un système unique qui permet de convertir les rayons solaires en énergie électrique et thermique. La demande croissante de produits solaires est aujourd’hui déterminée par leur retour sur investissement rapide, leur durabilité et la disponibilité du liquide de refroidissement. Mais quelle tension les panneaux solaires peuvent-ils produire ? Lisez l'article sur l'efficacité des systèmes solaires et de quoi dépend leur efficacité.

Panneaux solaires à haut rendement : types de convertisseurs

L'efficacité des batteries solaires est une valeur égale au rapport entre la puissance électrique et la puissance des rayons solaires incidents sur le panneau de l'appareil. Les cellules solaires modernes ont un rendement allant de 10 à 45 %. Cette grande différence est due aux différences entre les matériaux utilisés et la conception des plaques de batterie.

Ainsi, les plaques de panneaux solaires peuvent être :

• Film mince ;
• Multi-jonction.

Ce dernier type de panneaux solaires est aujourd’hui le plus cher, mais aussi le plus productif. Cela est dû au fait que chaque jonction de la plaque absorbe des ondes d'une certaine longueur. Ainsi, l'appareil couvre tout le spectre de la lumière solaire. L'efficacité maximale des batteries à panneaux multijonctions obtenue en conditions de laboratoire est de 43,5 %.

Les experts en énergie affirment avec confiance que dans quelques années, ce chiffre atteindra 50 %. L’efficacité des plaques à couches minces dépend dans une large mesure du matériau dont elles sont constituées.

Ainsi, les batteries solaires à couches minces sont divisées dans les types suivants :

• Silicium;
• Cadmium.

Les batteries solaires les plus populaires pouvant être utilisées à des fins domestiques sont celles dotées de plaquettes de film de silicium. Le volume de ces appareils sur le marché est de 80 %. Leur efficacité est assez faible - seulement 10 %, mais ils sont abordables et fiables. L'indice d'efficacité est de plusieurs pour cent plus élevé pour les plaques de cadmium. Les films contenant des particules de séléniure, de cuivre, d'indium et de gallium ont un rendement plus élevé, égal à 15 %.

Qu’est-ce qui détermine l’efficacité des panneaux solaires ?

L'efficacité des convertisseurs photoélectriques est influencée par de nombreux facteurs. Ainsi, comme indiqué ci-dessus, la quantité d'énergie générée dépend de la structure du panneau convertisseur et du matériau de fabrication.

De plus, l’efficacité des onduleurs solaires dépend :

• Forces du rayonnement solaire. Ainsi, avec une diminution de l’activité solaire, la puissance des installations solaires diminue. Pour 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 équipés de dispositifs de refroidissement sont plus productifs : le chauffage des panneaux affecte négativement leur capacité à convertir l'énergie en courant. Ainsi, par temps glacial et clair, l'efficacité des batteries solaires est supérieure à celle par temps ensoleillé et chaud.
• L'angle d'inclinaison de l'appareil et l'incidence de la lumière solaire. Pour garantir une efficacité maximale, le panneau solaire doit être orienté directement vers le rayonnement solaire. Les modèles les plus efficaces sont ceux dont le niveau d'inclinaison peut être modifié par rapport à la position du Soleil.
• Conditions météorologiques. En pratique, il a été constaté que dans les régions où le temps est nuageux et pluvieux, le rendement des convertisseurs solaires est bien inférieur à celui des régions ensoleillées.

De plus, l’efficacité des convertisseurs solaires est également affectée par leur niveau de propreté. Pour que l'appareil fonctionne de manière productive, ses plaques doivent consommer autant de rayonnement solaire que 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, vous pouvez utiliser un tuyau avec une buse pour le nettoyage. L'inspection technique des éléments du convertisseur doit être effectuée tous les 3 à 4 mois.

Énergie solaire par mètre carré

Comme indiqué ci-dessus, en moyenne, un mètre carré de convertisseurs photovoltaïques génère 13 à 18 % de la puissance des rayons du soleil qui tombent sur lui. Autrement dit, dans les conditions les plus favorables, vous pouvez obtenir 130 à 180 W par mètre carré de panneaux solaires.

La puissance des systèmes solaires peut être augmentée en augmentant le nombre de panneaux et en augmentant la superficie des convertisseurs photovoltaïques.

Vous pouvez également obtenir plus de puissance en installant des panneaux plus efficaces. Cependant, le rendement plutôt faible (par rapport, par exemple, aux convertisseurs à induction) des cellules solaires disponibles constitue le principal obstacle à leur utilisation généralisée. Augmenter la puissance et l’efficacité des systèmes solaires est la tâche principale de l’énergie moderne.

Les panneaux solaires les plus efficaces : classement

Les convertisseurs solaires les plus efficaces aujourd'hui sont produits par Sharp. Les panneaux solaires à concentration à trois couches, haute puissance, ont un rendement de 44,4 %. Leur coût est incroyablement élevé et ils ne sont donc utilisés que dans l'industrie aérospatiale.

Les panneaux solaires modernes des entreprises suivantes sont les plus abordables et les plus efficaces :

• Solutions écologiques Panasonic ;
• Premier solaire ;
• MiaSole ;
• JinkoSolar ;
• Trina Solaire ;
• Vert Yingli ;
• René Sola;
• Solaire canadien.

Sun Power produit les onduleurs solaires les plus fiables avec un rendement de 21,5 %. Les produits de la société sont absolument populaires dans les installations commerciales et industrielles, juste derrière les appareils de Q-Cells.

Efficacité des panneaux solaires (vidéo)

Les panneaux solaires modernes, en tant que dispositifs de conversion d'énergie respectueux de l'environnement et dotés d'un liquide de refroidissement inépuisable, gagnent en popularité. Aujourd'hui déjà, les appareils équipés de convertisseurs photoélectriques sont utilisés à des fins domestiques (chargement de téléphones, tablettes). L’efficacité des installations solaires est encore inférieure à celle des méthodes alternatives de production d’énergie. Mais accroître l’efficacité des convertisseurs est la tâche principale de l’énergie moderne.