Тонкопленочные солнечные модули для сбора энергии внутри помещений в приложениях Интернета вещей

Стремительное развитие Интернета вещей (Интернет вещей) создало острую потребность в устойчивых источниках энергии для беспроводных сенсорных сетей и портативных электронных устройств. В этой статье представлены последние достижения в этой области. гибкие тонкопленочные кремниевые фотоэлектрические модули Изготовленные на полиимидных подложках, которые демонстрируют исключительные характеристики в условиях внутреннего освещения. Благодаря оптимизированным процессам плазменно-химического осаждения из газовой фазы (ПХВД) и стратегическим технологиям разработки материалов, эти лёгкие, гибкие солнечные модули достигают выдающихся результатов. Эффективность апертуры 9,1% при освещенности 300 люкс, сохраняя механическую прочность даже при тысячах циклов изгиба. Эта технология предлагает перспективное решение для питания автономных электронных устройств нового поколения без ограничений по замене батарей.Стремительное развитие Интернета вещей (Интернет вещей) создало острую потребность в устойчивых источниках энергии для беспроводных сенсорных сетей и портативных электронных устройств. В этой статье представлены последние достижения в этой области.гибкие тонкопленочные кремниевые фотоэлектрические модулиИзготовленные на полиимидных подложках, которые демонстрируют исключительные характеристики в условиях внутреннего освещения. Благодаря оптимизированным процессам плазменно-химического осаждения из газовой фазы (ПХВД) и стратегическим технологиям разработки материалов, эти лёгкие, гибкие солнечные модули достигают выдающихся результатов.Эффективность апертуры 9,1%при освещенности 300 люкс, сохраняя механическую прочность даже при тысячах циклов изгиба. Эта технология предлагает перспективное решение для питания автономных электронных устройств нового поколения без ограничений по замене батарей.

1 Введение: Революция в области фотоэлектрических систем в помещениях

Распространение устройств Интернета вещей и беспроводных сенсорных сетей выявило ограничения источников питания от батарей, которые требуют периодической замены и создают отходы для окружающей среды.Внутренняя фотоэлектрическая система (ИПВ)представляет собой революционный подход к сбору энергии, преобразуя окружающий свет от искусственных источников в непрерывную электроэнергию. В то время как обычные солнечные элементы оптимизированы для работы на открытом воздухе, для ИПВ требуются специализированные материалы и архитектура, способные эффективно работать в условиях низкоинтенсивного, спектрально ограниченного внутреннего освещения.

Гибкийгидрогенизированный аморфный кремний (a-Си:H)Тонкоплёночные солнечные элементы оказались особенно подходящими для применения в системах ИПВ благодаря высокому коэффициенту поглощения в видимом спектре, совместимости с низкотемпературной обработкой на пластиковых подложках и доказанной стабильности в условиях внутреннего освещения. Недавние достижения в технологиях осаждения и проектирования интерфейсов позволили значительно повысить эффективность преобразования энергии, сделав модули a-Си:H всё более конкурентоспособными для практических приложений Интернета вещей.

2 Инновации в области материалов и производства

2.1 Расширенная оптимизация процесса ПХВД

Производительность солнечных элементов a-Си:H критически зависит от качества поглощающего слоя, которое в основном определяется параметрами ПХВД. В данном исследовании исследователи использовали стандартную ПХВД-систему, работающую притемпература осаждения 190°Cс тщательным контролемкоэффициент разбавления водорода(R = H₂/SiH₄) от 2 до 40.

• Эффекты разбавления водорода: Соотношение водорода и силана поддерживалось чуть ниже порогового значения для образования микрокристаллической фазы, что оптимизировало соотношение между скоростью осаждения и качеством плёнки. Более высокие значения разбавления водородом (R=5) приводили к сжимающему напряжению плёнки (-4,33 ГПа), тогда как более низкие значения (R=2) приводили к небольшому растягивающему напряжению (+1,8 ГПа).

• Допинговая стратегия: Легирование p- и n-типа в-место достигалось с использованием триметилборана (ТМБ) и фосфина (ПХ₃) соответственно, что позволяло точно контролировать электрические свойства слоев переноса заряда.

2.2 Проектирование подложек и контактов

Устройства были изготовлены наполиимидные подложкиБыли выбраны благодаря их термостойкости, механической гибкости и совместимости с рулонными производственными процессами. Архитектура тыльного контакта была систематически оптимизирована путем сравнительного анализа различных материалов:

• Сравнение контактных материалов: Задние контакты из молибдена (Мо) продемонстрировали превосходную производительность по сравнению с прозрачными проводящими оксидами SnO₂:F, обеспечивая примерно на 20 мВ более высокое встроенное напряжение (Вби) благодаря улучшенному формированию контактов Шоттки со слоем a-Си:H p-типа.

  
  

  
  

• 

• Структура устройства: Оптимизированный стек состоял из заднего контакта Мо / слоев выводов a-Си:H / переднего контакта ZnO:Эл (АЗО), последовательно нанесенных на полиимидную подложку, с несколькими ячейками, монолитно интегрированными для формирования модулей размером 6×5 см².

  
  

  
  

Таблица: Оптимизированные параметры ПХВД для осаждения a-Си:H

3. Исключительная производительность в закрытых помещениях

3.1 Прорыв в эффективности при низкой интенсивности освещения

Оптимизированные гибкие модули продемонстрировали выдающуюся производительность в условиях внутреннего освещения, типичных для офисных помещений. При освещении флуоресцентными лампами спектра F12 и освещенности 300 люкс:

• Рекордная эффективность: Модули достигнутыЭффективность апертуры 9,1%и общая эффективность площади составила 8,7%, что представляет собой значительное улучшение по сравнению с предыдущими результатами (примерно 6%).

  
  

  
  

• Стабильная работа при любом уровне освещенности: Модули сохраняли постоянную эффективность в широком диапазоне освещенности от 100 до 5000 люкс, что свидетельствует об отсутствии существенных потерь при слабом освещении.

  
  

  
  

• Механическая прочность: Устройства выдерживают изгиб радиусом всего 2 см в течение более 800 циклов изгиба без существенного ухудшения характеристик, что значительно превышает отраслевые стандарты (типичный радиус изгиба 5 см).

  
  

  
  

3.2 Надежность и долгосрочная стабильность

Испытания на ускоренное старение подтвердили исключительную устойчивость гибких модулей при длительной эксплуатации в помещении:

• Деградация под воздействием светаОптимизированное соотношение разбавления водорода эффективно подавляло эффект Стеблера-Вронского (светоиндуцированная деградация, характерная для a-Си:H). После 1000 часов воздействия высокоинтенсивного освещения (3000 люкс, спектр F12, включая УФ-компоненту) модули показали менее10% снижение мощности.

  
  

  
  

• Термическая стабильность: Процесс низкотемпературного осаждения и совместимость с полиимидной подложкой гарантируют стабильную работу при типичных колебаниях температуры в помещении.

  
  

  
  

Таблица: Эксплуатационные характеристики гибких модулей a-Си:H в условиях помещения

4 Сравнительный анализ с другими технологиями ИПВ

При сравнении с альтернативными технологиями внутренней фотоэлектрической установки гибкие модули a-Си:H демонстрируют явные преимущества:

• Преимущества перед кристаллическим кремнием: a-Си:H демонстрирует лучшее спектральное соответствие с источниками света в помещении (обычно сильными в видимом спектре) по сравнению с кристаллическим кремнием, который оптимизирован для широкополосного солнечного спектра.

  
  

  
  

• Превосходная стабильность против новых технологий: Хотя перовскитные и органические фотоэлектрические элементы достигли более высокой лабораторной эффективности (до 40% при освещении в помещении), они сталкиваются со значительными проблемами, касающимися долговременной стабильности и требований к инкапсуляции.

  
  

  
  

• Зрелость производства: Технология a-Си:H выигрывает от отлаженных производственных процессов и проверенной масштабируемости в отличие от новых технологий ИПВ, которые в основном остаются в лабораторных масштабах.

  
  

  
  

5 приложений в Интернете вещей и беспроводных сенсорных сетях

Сочетание гибкости, малого веса и эффективной работы в условиях низкой освещенности делает эти модули идеально подходящими для различных автономных электронных приложений:

• Беспроводные сенсорные сети: Прямая интеграция гибких солнечных модулей в корпуса датчиков или конструктивные элементы обеспечивает непрерывную работу без необходимости замены батарей.

  
  

  
  

• Носимая электроника: Механическая гибкость обеспечивает конформную интеграцию в одежду, умные часы и устройства медицинского мониторинга.

  
  

  
  

• Интегрированные в здания приложения: Прозрачные и полупрозрачные варианты можно встраивать в окна, витрины и архитектурные элементы, одновременно вырабатывая электроэнергию для внутреннего освещения.

  
  

  
  

6 направлений будущего развития

Дальнейшие усовершенствования технологии гибких ИПВ a-Си:H ожидаются в рамках нескольких перспективных направлений исследований:

• Расширенное управление освещением: Интеграция наноструктурированных интерфейсов и светорассеивающих слоев может повысить эффективность захвата фотонов без увеличения толщины.

  
  

  
  

• Гибридные тандемные архитектуры: Сочетание a-Си:H с другими фотоэлектрическими материалами (например, с ячейками на основе перовскита) может оптимизировать спектральное использование, сохраняя при этом гибкость.

  
  

  
  

• Улучшение экономики производства: Разработка высокоскоростных процессов рулонного осаждения позволит снизить производственные затраты и обеспечит более широкое внедрение.

  
  

  
  

Заключение

Разработка эффективных гибких тонкоплёночных солнечных модулей a-Си:H на полиимидных подложках представляет собой важную веху в развитии технологий сбора энергии в помещениях. Благодаря оптимизированным процессам ПХВД, тщательной разработке интерфейсов и стратегическому выбору материалов эти модули достигают исключительной производительности в условиях внутреннего освещения, сохраняя при этом механическую прочность, необходимую для интеграции в устройства Интернета вещей и беспроводные сенсорные сети. По мере роста спроса на автономные электронные системы подобные передовые решения для сбора энергии будут играть всё более важную роль в обеспечении устойчивой и не требующей обслуживания работы в различных приложениях.

Ключевые слова:

1. Гибкие внутренние фотоэлектрические системы

   
   

2. солнечные элементы a-Си:H для Интернета вещей

   
   

3. Солнечные модули на полиимидной подложке

   
   

4. Сбор энергии внутреннего освещения

   
   

5. ПХВД-оптимизация тонкопленочного кремния

   
   

6. Эффективность фотоэлектрических систем при слабом освещении

   
   

7. Механическая гибкость солнечных элементов

   
   

8. Питание беспроводной сенсорной сети

   
   

9. Аморфный кремний в помещении

   
   

10. Производство фотоэлектрических систем методом рулонной печати