Кратко обсъждане на видовете слънчеви клетки

Слънчевата енергия някога е била запазена територия на модерни космически кораби и някои фантастични джаджи, но това вече не е така. През последното десетилетие слънчевата енергия се трансформира от нишов енергиен източник в основен стълб на глобалния енергиен пейзаж.

Земята е непрекъснато изложена на приблизително 173 000 TW слънчева радиация, което е повече от десет пъти повече от средното глобално търсене на електроенергия.

[1] Това означава, че слънчевата енергия има способността да задоволи всички наши енергийни нужди.

През първата половина на 2023 г. производството на слънчева енергия представлява 5,77% от общото производство на електроенергия в САЩ спрямо 4,95% през 2022 г.

[2] Въпреки че изкопаемите горива (главно природен газ и въглища) ще представляват до 60,4% от производството на енергия в САЩ през 2022 г.,

[3] Но нарастващото влияние на слънчевата енергия и бързото развитие на технологиите за слънчева енергия заслужават внимание.

 

Видове слънчеви клетки

 

В момента има три основни категории слънчеви клетки (известни също като фотоволтаични (PV) клетки) на пазара: кристални, тънкослойни и нововъзникващи технологии. Тези три вида батерии имат своите предимства по отношение на ефективност, цена и продължителност на живота.

 

01 кристал

Повечето слънчеви панели на домашни покриви са направени от монокристален силиций с висока чистота. Този тип батерии са постигнали ефективност над 26% и експлоатационен живот над 30 години през последните години.

[4] Сегашната ефективност на битовите слънчеви панели е около 22%.

 

Поликристалният силиций струва по-малко от монокристалния силиций, но е по-малко ефективен и има по-кратък живот. По-ниската ефективност означава, че са необходими повече панели и повече площ.

 

Слънчеви клетки базирани на технология с много преходни галиев арсенид (GaAs), са по-ефективни от традиционните слънчеви клетки. Тези клетки имат многослойна структура и всеки слой използва различен материал, като индиево-галиев фосфид (GaInP), индиево-галиев арсенид (InGaAs) и германий (Ge), за да абсорбира различни дължини на вълната на слънчевата светлина. Въпреки че се очаква тези клетки с множество преходи да постигнат висока ефективност, те все още страдат от високи производствени разходи и незрели изследвания и разработки, което ограничава тяхната търговска осъществимост и практически приложения.

 

02 филм

Основният поток от тънкослойни фотоволтаични продукти на световния пазар са фотоволтаичните модули от кадмиев телурид (CdTe). Милиони такива модули са инсталирани по целия свят с пиков капацитет за генериране на електроенергия над 30 GW. Те се използват главно за производство на електроенергия в комунални услуги в Съединените щати. фабрика.

 

При тази тънкослойна технология соларен модул от 1 квадратен метър съдържа по-малко кадмий от никел-кадмиева (Ni-Cd) батерия с размер AAA. В допълнение, кадмият в соларните модули е свързан с телур, който е неразтворим във вода и остава стабилен при температури до 1200°C. Тези фактори намаляват токсичните опасности от използването на кадмиев телурид в тънкослойни батерии.

 

Съдържанието на телур в земната кора е само 0,001 части на милион. Точно както платината е рядък елемент, рядкостта на телура може значително да повлияе на цената на модул от кадмиев телурид. Въпреки това е възможно да се облекчи този проблем чрез практики за рециклиране.

Ефективността на модулите от кадмиев телурид може да достигне 18,6%, а ефективността на батерията в лабораторна среда може да надхвърли 22%. [5] Използването на допинг с арсен за замяна на допинг с мед, който се използва от дълго време, може значително да подобри живота на модула и да достигне ниво, сравнимо с кристалните батерии.

 

03 Нововъзникващи технологии

 

Нововъзникващите фотоволтаични технологии, използващи ултратънки филми (по-малко от 1 микрон) и техники за директно отлагане, ще намалят производствените разходи и ще осигурят висококачествени полупроводници за слънчеви клетки. Очаква се тези технологии да станат конкуренти на утвърдени материали като силиций, кадмиев телурид и галиев арсенид.

 

[6] Има три добре известни технологии за тънък слой в тази област: меден цинков калаен сулфид (Cu2ZnSnS4 или CZTS), цинков фосфид (Zn3P2) и едностенни въглеродни нанотръби (SWCNT). В лабораторни условия слънчевите клетки от меден индий-галиев селенид (CIGS) са достигнали впечатляваща пикова ефективност от 22,4%. Въпреки това възпроизвеждането на такива нива на ефективност в търговски мащаб остава предизвикателство.

[7] Тънкослойните клетки с оловен халид перовскит са привлекателна нововъзникваща соларна технология. Перовскитът е вид вещество с типична кристална структура с химическа формула ABX3. Това е жълт, кафяв или черен минерал, чийто основен компонент е калциев титанат (CaTiO3). Перовскитни тандемни слънчеви клетки на базата на силиций в търговски мащаб, произведени от британската компания Oxford PV, постигнаха рекордна ефективност от 28,6% и ще влязат в производство тази година.

[8] Само за няколко години перовскитните слънчеви клетки постигнаха ефективност, подобна на тази на съществуващите тънкослойни клетки от кадмиев телурид. В ранните изследвания и разработки на перовскитни батерии продължителността на живота беше голям проблем, толкова кратък, че можеше да се изчисли само в месеци.

Днес перовскитните клетки имат експлоатационен живот от 25 години или повече. Понастоящем предимствата на перовскитните слънчеви клетки са висока ефективност на преобразуване (повече от 25%), ниски производствени разходи и ниски температури, необходими за производствения процес.

 

Изграждане на интегрирани слънчеви панели

 

Някои слънчеви клетки са проектирани да улавят само част от слънчевия спектър, като същевременно позволяват на видимата светлина да преминава. Тези прозрачни клетки се наричат ​​чувствителни към багрило слънчеви клетки (DSC) и са родени в Швейцария през 1991 г. Новите резултати от научноизследователска и развойна дейност през последните години подобриха ефективността на DSC и може да не мине много преди тези слънчеви панели да бъдат на пазара.

 

Някои компании вливат неорганични наночастици в поликарбонатни слоеве стъкло. Наночастиците в тази технология изместват определени части от спектъра към ръба на стъклото, позволявайки по-голямата част от спектъра да премине. Светлината, концентрирана в ръба на стъклото, след това се използва от слънчеви клетки. Освен това в момента се проучва технология за нанасяне на перовскитни тънкослойни материали върху прозрачни соларни прозорци и външни стени на сградата.

 

Суровини, необходими за слънчева енергия

За да се увеличи производството на слънчева енергия, търсенето на добив на важни суровини като силиций, сребро, мед и алуминий ще се увеличи. Министерството на енергетиката на САЩ заявява, че приблизително 12% от световния металургичен силиций (MGS) се преработва в полисилиций за слънчеви панели.

 

Китай е основен играч в тази област, произвеждайки приблизително 70% от световните MGS и 77% от своите доставки на полисилиций през 2020 г.

 

Процесът на превръщане на силиций в полисилиций изисква много високи температури. В Китай енергията за тези процеси идва основно от въглища. Синдзян разполага с изобилие от въглищни ресурси и ниски разходи за електроенергия, а производството на полисилиций представлява 45% от световното производство.

 

[12]Производството на слънчеви панели изразходва приблизително 10% от среброто в света. Добивът на сребро се извършва предимно в Мексико, Китай, Перу, Чили, Австралия, Русия и Полша и може да доведе до проблеми като замърсяване с тежки метали и принудително преместване на местните общности.

 

Добивът на мед и алуминий също създава предизвикателства при използването на земята. Геоложката служба на САЩ отбелязва, че Чили представлява 27% от световното производство на мед, следвана от Перу (10%), Китай (8%) и Демократична република Конго (8%). Международната агенция по енергетика (МАЕ) смята, че ако глобалното използване на възобновяема енергия достигне 100% до 2050 г., търсенето на мед от соларни проекти ще се утрои почти.

[13] Заключение

 

Ще стане ли един ден слънчевата енергия наш основен енергиен източник? Цената на слънчевата енергия пада, а ефективността се подобрява. Междувременно има много различни начини за слънчева технология, от които да избирате. Кога ще идентифицираме една или две технологии и ще ги накараме наистина да работят? Как да интегрираме слънчевата енергия в мрежата?

 

Еволюцията на слънчевата енергия от специализирана към масова подчертава нейния потенциал да посреща и надхвърля нашите енергийни нужди. Докато кристалните слънчеви клетки в момента доминират на пазара, напредъкът в тънкослойната технология и нововъзникващите технологии като кадмиев телурид и перовскити проправят пътя за по-ефективни и интегрирани соларни приложения. Слънчевата енергия все още е изправена пред много предизвикателства, като въздействието върху околната среда от добива на суровини и затрудненията в производството, но в крайна сметка това е бързо развиваща се, иновативна и обещаваща индустрия.

 

С правилния баланс на технологичния напредък и устойчиви практики, растежът и развитието на слънчевата енергия ще проправят пътя към по-чисто, по-изобилно енергийно бъдеще. Поради това ще покаже значителен растеж в енергийния микс на САЩ и се очаква да се превърне в глобално устойчиво решение.