โมดูลโซลาร์เซลล์แบบฟิล์มบางสำหรับการเก็บเกี่ยวพลังงานภายในอาคารในแอปพลิเคชัน ไอโอที

การขยายตัวอย่างรวดเร็วของอินเทอร์เน็ตในทุกสิ่ง (ไอโอที) ก่อให้เกิดความต้องการอย่างเร่งด่วนสำหรับแหล่งพลังงานที่ยั่งยืนสำหรับเครือข่ายเซ็นเซอร์ไร้สายและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์พกพา บทความนี้นำเสนอความก้าวหน้าล่าสุดใน โมดูลโฟโตโวลตาอิคซิลิคอนแบบฟิล์มบางที่ยืดหยุ่นได้ ผลิตขึ้นบนพื้นผิวโพลีอิไมด์ ซึ่งแสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพที่โดดเด่นภายใต้สภาพแสงภายในอาคาร ด้วยกระบวนการสะสมไอเคมีที่ปรับปรุงด้วยพลาสมา (พีอีซีวีดี) ที่ได้รับการปรับแต่งให้เหมาะสมที่สุดและวิศวกรรมวัสดุเชิงกลยุทธ์ โมดูลพลังงานแสงอาทิตย์น้ำหนักเบาที่สามารถโค้งงอได้เหล่านี้จึงบรรลุผลสำเร็จที่โดดเด่น ประสิทธิภาพรูรับแสง 9.1% ที่ความสว่าง 300 ลักซ์ พร้อมรักษาความแข็งแรงเชิงกลจากการดัดงอหลายพันรอบ เทคโนโลยีนี้นำเสนอโซลูชันที่มีแนวโน้มดีสำหรับการขับเคลื่อนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อัตโนมัติรุ่นต่อไป โดยไม่ต้องเปลี่ยนแบตเตอรี่การขยายตัวอย่างรวดเร็วของอินเทอร์เน็ตในทุกสิ่ง (ไอโอที) ก่อให้เกิดความต้องการอย่างเร่งด่วนสำหรับแหล่งพลังงานที่ยั่งยืนสำหรับเครือข่ายเซ็นเซอร์ไร้สายและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์พกพา บทความนี้นำเสนอความก้าวหน้าล่าสุดในโมดูลโฟโตโวลตาอิคซิลิคอนแบบฟิล์มบางที่ยืดหยุ่นได้ผลิตขึ้นบนพื้นผิวโพลีอิไมด์ ซึ่งแสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพที่โดดเด่นภายใต้สภาพแสงภายในอาคาร ด้วยกระบวนการสะสมไอเคมีที่ปรับปรุงด้วยพลาสมา (พีอีซีวีดี) ที่ได้รับการปรับแต่งให้เหมาะสมที่สุดและวิศวกรรมวัสดุเชิงกลยุทธ์ โมดูลพลังงานแสงอาทิตย์น้ำหนักเบาที่สามารถโค้งงอได้เหล่านี้จึงบรรลุผลสำเร็จที่โดดเด่นประสิทธิภาพรูรับแสง 9.1%ที่ความสว่าง 300 ลักซ์ พร้อมรักษาความแข็งแรงเชิงกลจากการดัดงอหลายพันรอบ เทคโนโลยีนี้นำเสนอโซลูชันที่มีแนวโน้มดีสำหรับการขับเคลื่อนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อัตโนมัติรุ่นต่อไป โดยไม่ต้องเปลี่ยนแบตเตอรี่

1 บทนำ: การปฏิวัติระบบโฟโตวอลตาอิกภายในอาคาร

การแพร่กระจายของอุปกรณ์ ไอโอที และเครือข่ายเซ็นเซอร์ไร้สายได้เน้นย้ำถึงข้อจำกัดของแหล่งพลังงานแบตเตอรี่ซึ่งต้องเปลี่ยนเป็นระยะๆ และก่อให้เกิดขยะต่อสิ่งแวดล้อมโฟโตวอลตาอิคส์ภายในอาคาร (ไอพีวี)นำเสนอแนวทางการเปลี่ยนแปลงในการเก็บเกี่ยวพลังงาน โดยแปลงแสงโดยรอบจากแหล่งกำเนิดเทียมให้เป็นพลังงานไฟฟ้าอย่างต่อเนื่อง แม้ว่าเซลล์แสงอาทิตย์แบบเดิมจะได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับการใช้งานกลางแจ้ง แต่ ไอพีวี จำเป็นต้องใช้วัสดุและสถาปัตยกรรมเฉพาะทางที่สามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพภายใต้แสงภายในอาคารที่มีความเข้มต่ำและจำกัดสเปกตรัม

ยืดหยุ่นได้ซิลิคอนอะมอร์ฟัสไฮโดรจิเนต (a-สิ:H)เซลล์แสงอาทิตย์แบบฟิล์มบางได้รับการพัฒนาขึ้นโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งาน ไอพีวี เนื่องจากมีค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงสูงในสเปกตรัมที่มองเห็นได้ ใช้งานได้กับกระบวนการที่อุณหภูมิต่ำบนพื้นผิวพลาสติก และมีความเสถียรที่ได้รับการพิสูจน์แล้วภายใต้สภาพแสงภายในอาคาร ความก้าวหน้าล่าสุดด้านเทคนิคการสะสมและวิศวกรรมอินเทอร์เฟซได้ช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการแปลงพลังงานอย่างมีนัยสำคัญ ทำให้โมดูล a-สิ:H มีศักยภาพในการแข่งขันมากขึ้นสำหรับการใช้งาน ไอโอที ในทางปฏิบัติ

2 นวัตกรรมวัสดุและการผลิต

2.1 การเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการ พีอีซีวีดี ขั้นสูง

ประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ a-สิ:H ขึ้นอยู่กับคุณภาพของชั้นดูดซับเป็นหลัก ซึ่งส่วนใหญ่ถูกกำหนดโดยพารามิเตอร์ พีอีซีวีดี ในการศึกษานี้ นักวิจัยใช้ระบบ พีอีซีวีดี มาตรฐานที่ทำงานที่อุณหภูมิการสะสม 190°Cด้วยการควบคุมอย่างระมัดระวังอัตราส่วนการเจือจางไฮโดรเจน(R = H₂/ซิห₄) ระหว่าง 2 ถึง 40

• ผลกระทบจากการเจือจางไฮโดรเจน:อัตราส่วนไฮโดรเจนต่อไซเลนถูกรักษาให้อยู่ต่ำกว่าเกณฑ์สำหรับการเกิดเฟสไมโครคริสตัลไลน์เล็กน้อย ซึ่งช่วยปรับสมดุลระหว่างอัตราการสะสมและคุณภาพของฟิล์มให้เหมาะสมที่สุด อัตราส่วนการเจือจางไฮโดรเจนที่สูงขึ้น (R=5) ส่งผลให้เกิดความเค้นฟิล์มอัด (-4.33 เกรดเฉลี่ย) ในขณะที่อัตราส่วนที่ต่ำกว่า (R=2) ทำให้เกิดความเค้นดึงเล็กน้อย (+1.8 เกรดเฉลี่ย)

• กลยุทธ์การใช้สารกระตุ้นการเจือปนชนิด p และ n ในสถานที่ทำได้โดยใช้ไตรเมทิลโบเรน (ทีเอ็มบี) และฟอสฟีน (พีเอช₃) ตามลำดับ ช่วยให้สามารถควบคุมคุณสมบัติทางไฟฟ้าของชั้นการขนส่งประจุได้อย่างแม่นยำ

2.2 วิศวกรรมพื้นผิวและการสัมผัส

อุปกรณ์ดังกล่าวถูกประดิษฐ์ขึ้นบนสารตั้งต้นโพลีอิไมด์เลือกใช้วัสดุนี้เนื่องจากมีเสถียรภาพทางความร้อน ความยืดหยุ่นเชิงกล และความเข้ากันได้กับกระบวนการผลิตแบบโรลทูโรล โครงสร้างการสัมผัสด้านหลังได้รับการปรับให้เหมาะสมอย่างเป็นระบบผ่านการวิเคราะห์เปรียบเทียบวัสดุต่างๆ:

• การเปรียบเทียบวัสดุสัมผัส:หน้าสัมผัสด้านหลังโมลิบดีนัม (โม) แสดงให้เห็นประสิทธิภาพที่เหนือกว่าเมื่อเทียบกับออกไซด์ตัวนำโปร่งใส สโนว์โอ₂:F โดยสร้างแรงดันไฟฟ้าในตัวที่สูงขึ้นประมาณ 20 มิลลิโวลต์ (วีบีไอ) เนื่องมาจากการสร้างหน้าสัมผัส ช็อตกี้ ที่ได้รับการปรับปรุงด้วยชั้น a-สิ:H ชนิด p

  
  

  
  

• 

• โครงสร้างอุปกรณ์:สแต็กที่ได้รับการปรับให้เหมาะสมประกอบด้วยชั้นสัมผัสด้านหลังของ โม / ชั้นพิน a-สิ:H / ชั้นสัมผัสด้านหน้าของ ซิงค์ออกไซด์:อัล (เอโซ) ที่สะสมตามลำดับบนพื้นผิวโพลีอิไมด์ โดยมีเซลล์หลายเซลล์ผสานรวมกันแบบโมโนลิธิกเพื่อสร้างโมดูลขนาด 6×5 ซม.²

  
  

  
  

ตาราง: พารามิเตอร์ พีอีซีวีดี ที่ได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับการสะสม a-สิ:H

3 ประสิทธิภาพที่โดดเด่นภายใต้สภาวะภายในอาคาร

3.1 ความก้าวหน้าด้านประสิทธิภาพที่ความเข้มแสงต่ำ

โมดูลที่มีความยืดหยุ่นและปรับให้เหมาะสมที่สุดนี้แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพที่โดดเด่นภายใต้สภาพแสงภายในอาคาร ซึ่งเทียบเท่ากับสภาพแวดล้อมสำนักงานทั่วไป ภายใต้แสงฟลูออเรสเซนต์สเปกตรัม F12 ที่ 300 ลักซ์:

• ประสิทธิภาพการบันทึก:โมดูลที่ประสบความสำเร็จประสิทธิภาพรูรับแสง 9.1%และประสิทธิภาพพื้นที่รวม 8.7% ซึ่งถือเป็นการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับผลลัพธ์ก่อนหน้า (ประมาณ 6%)

  
  

  
  

• ประสิทธิภาพที่เสถียรในทุกระดับความสว่าง:โมดูลรักษาประสิทธิภาพที่สม่ำเสมอในช่วงความสว่างกว้างตั้งแต่ 100 ถึง 5,000 ลักซ์ ซึ่งบ่งชี้ว่าไม่มีการสูญเสียแสงน้อยอย่างมีนัยสำคัญ

  
  

  
  

• ความแข็งแกร่งทางกล:อุปกรณ์สามารถทนต่อรัศมีการดัดโค้งน้อยเพียง 2 ซม. ได้ผ่านการดัดโค้งมากกว่า 800 รอบโดยไม่ทำให้ประสิทธิภาพลดลงอย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งเกินมาตรฐานอุตสาหกรรมไปมาก (โดยทั่วไปคือรัศมีการดัดโค้ง 5 ซม.)

  
  

  
  

3.2 ความน่าเชื่อถือและเสถียรภาพในระยะยาว

การทดสอบเร่งอายุยืนยันถึงเสถียรภาพที่ยอดเยี่ยมของโมดูลที่มีความยืดหยุ่นภายใต้การทำงานในร่มอย่างต่อเนื่อง:

• การเสื่อมสภาพที่เกิดจากแสง:อัตราส่วนการเจือจางไฮโดรเจนที่เหมาะสมที่สุดสามารถยับยั้งปรากฏการณ์ สเตเบลอร์-รอนสกี้ (ลักษณะการเสื่อมสภาพที่เกิดจากแสงของ a-สิ:H) ได้อย่างมีประสิทธิภาพ หลังจากรับแสงความเข้มสูง (3000 ลักซ์ สเปกตรัม F12 รวมถึงองค์ประกอบ ยูวี) เป็นเวลา 1,000 ชั่วโมง โมดูลแสดงผลน้อยกว่าพลังงานลดลง 10%-

  
  

  
  

• เสถียรภาพทางความร้อน:กระบวนการสะสมที่อุณหภูมิต่ำและความเข้ากันได้กับสารตั้งต้นโพลีอิไมด์ทำให้มั่นใจได้ถึงประสิทธิภาพที่เสถียรภายใต้อุณหภูมิภายในอาคารที่แตกต่างกันโดยทั่วไป

  
  

  
  

ตาราง: ลักษณะการทำงานของโมดูล a-สิ:H แบบยืดหยุ่นภายใต้สภาวะภายในอาคาร

4 การวิเคราะห์เปรียบเทียบกับเทคโนโลยี ไอพีวี อื่นๆ

เมื่อประเมินเทียบกับเทคโนโลยีโฟโตโวลตาอิกในร่มทางเลือก โมดูล a-สิ:H ที่ยืดหยุ่นได้จะแสดงให้เห็นข้อได้เปรียบที่ชัดเจน:

• ข้อดีเหนือซิลิคอนผลึก:a-สิ:H แสดงให้เห็นการจับคู่สเปกตรัมที่ดีกว่ากับแหล่งกำเนิดแสงในร่ม (โดยทั่วไปจะแข็งแกร่งในสเปกตรัมที่มองเห็นได้) เมื่อเปรียบเทียบกับซิลิกอนผลึก ซึ่งได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับสเปกตรัมแสงอาทิตย์แบบบรอดแบนด์

  
  

  
  

• เสถียรภาพที่เหนือกว่าเมื่อเทียบกับเทคโนโลยีใหม่ ๆ:แม้ว่าเพอรอฟสไกต์และโฟโตวอลตาอิกส์อินทรีย์จะมีประสิทธิภาพในห้องปฏิบัติการที่สูงกว่า (สูงถึง 40% ภายใต้แสงในร่ม) แต่ก็ต้องเผชิญกับความท้าทายที่สำคัญเกี่ยวกับเสถียรภาพในระยะยาวและข้อกำหนดการหุ้มห่อ

  
  

  
  

• ความพร้อมในการผลิต:เทคโนโลยี a-สิ:H ได้รับประโยชน์จากกระบวนการผลิตที่ได้รับการยอมรับและความสามารถในการปรับขนาดที่ได้รับการพิสูจน์แล้ว ซึ่งแตกต่างจากเทคโนโลยี ไอพีวี ใหม่ๆ ที่ยังคงอยู่ในระดับห้องปฏิบัติการเป็นหลัก

  
  

  
  

5 แอปพลิเคชันใน ไอโอที และเครือข่ายเซ็นเซอร์ไร้สาย

การผสมผสานระหว่างความยืดหยุ่น น้ำหนักเบา และการทำงานในที่แสงน้อยที่มีประสิทธิภาพทำให้โมดูลเหล่านี้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานอิเล็กทรอนิกส์อัตโนมัติต่างๆ:

• เครือข่ายเซ็นเซอร์ไร้สาย:การผสานรวมโมดูลโซลาร์เซลล์แบบยืดหยุ่นเข้ากับตัวเรือนเซ็นเซอร์หรือองค์ประกอบโครงสร้างโดยตรงช่วยให้สามารถทำงานได้อย่างต่อเนื่องโดยไม่ต้องเปลี่ยนแบตเตอรี่

  
  

  
  

• อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สวมใส่ได้:ความยืดหยุ่นทางกลช่วยให้สามารถรวมเข้ากับเสื้อผ้า นาฬิกาอัจฉริยะ และอุปกรณ์ติดตามทางการแพทย์ได้

  
  

  
  

• แอปพลิเคชันแบบบูรณาการอาคาร:สามารถรวมรูปแบบโปร่งใสและกึ่งโปร่งใสเข้ากับหน้าต่าง จอแสดงผล และองค์ประกอบทางสถาปัตยกรรม ขณะผลิตพลังงานจากแสงภายในอาคารได้

  
  

  
  

6 ทิศทางการพัฒนาในอนาคต

คาดว่าจะมีการปรับปรุงเพิ่มเติมในเทคโนโลยี ไอพีวี a-สิ:H ที่ยืดหยุ่นผ่านช่องทางการวิจัยที่มีแนวโน้มดีหลายช่องทาง:

• การจัดการแสงขั้นสูง:การบูรณาการของอินเทอร์เฟซที่มีโครงสร้างระดับนาโนและชั้นกระเจิงแสงอาจเพิ่มประสิทธิภาพในการจับโฟตอนโดยไม่ต้องเพิ่มความหนา

  
  

  
  

• สถาปัตยกรรมแบบไฮบริดแทนเด็ม:การผสมผสาน a-สิ:H กับวัสดุโฟโตวอลตาอิกอื่นๆ (เช่น เซลล์ด้านบนของเพอรอฟสไกต์) จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการใช้สเปกตรัมในขณะที่ยังคงความยืดหยุ่นไว้ได้

  
  

  
  

• เศรษฐศาสตร์การผลิตที่ดีขึ้น:การพัฒนากระบวนการสะสมแบบโรลทูโรลความเร็วสูงจะช่วยลดต้นทุนการผลิตและเปิดให้มีการนำไปใช้อย่างแพร่หลายมากขึ้น

  
  

  
  

บทสรุป

การพัฒนาโมดูลเซลล์แสงอาทิตย์แบบฟิล์มบาง a-สิ:H ที่มีความยืดหยุ่นและมีประสิทธิภาพบนพื้นผิวโพลีอิไมด์ ถือเป็นก้าวสำคัญในเทคโนโลยีการเก็บเกี่ยวพลังงานภายในอาคาร ด้วยกระบวนการ พีอีซีวีดี ที่ได้รับการปรับแต่งให้เหมาะสม วิศวกรรมอินเทอร์เฟซที่พิถีพิถัน และการเลือกใช้วัสดุอย่างมีกลยุทธ์ โมดูลเหล่านี้จึงมีประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมภายใต้สภาพแสงภายในอาคาร ขณะเดียวกันก็ยังคงรักษาความแข็งแกร่งเชิงกลที่จำเป็นสำหรับการผสานรวมเข้ากับอุปกรณ์ ไอโอที และเครือข่ายเซ็นเซอร์ไร้สาย เนื่องจากความต้องการระบบอิเล็กทรอนิกส์อัตโนมัติยังคงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง โซลูชันการเก็บเกี่ยวพลังงานขั้นสูงดังกล่าวจึงมีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งยวดในการทำให้การใช้งานต่างๆ เป็นไปอย่างยั่งยืนและไม่ต้องบำรุงรักษา

คำสำคัญ:

1. โซลาร์เซลล์แบบยืดหยุ่นภายในอาคาร

   
   

2. เซลล์แสงอาทิตย์ a-สิ:H ไอโอที

   
   

3. โมดูลโซลาร์เซลล์พื้นผิวโพลีอิไมด์

   
   

4. การเก็บเกี่ยวพลังงานแสงภายในอาคาร

   
   

5. ซิลิกอนฟิล์มบางสำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพ พีอีซีวีดี

   
   

6. ประสิทธิภาพการทำงานของโฟโตวอลตาอิกในสภาพแสงน้อย

   
   

7. เซลล์แสงอาทิตย์แบบยืดหยุ่นเชิงกล

   
   

8. พลังเครือข่ายเซ็นเซอร์ไร้สาย

   
   

9. ประสิทธิภาพภายในอาคารของซิลิคอนอะมอร์ฟัส

   
   

10. การผลิตแผงโซลาร์เซลล์แบบโรลทูโรล