Krátká diskuze o typech solárních článků

Sluneční energie byla kdysi hájemstvím pokročilých kosmických lodí a některých fantastických přístrojů, ale to už neplatí. Během posledního desetiletí se solární energie proměnila ze specializovaného zdroje energie na hlavní pilíř globální energetické krajiny.

Země je nepřetržitě vystavena přibližně 173 000 TW slunečního záření, což je více než desetinásobek celosvětové průměrné spotřeby elektřiny.

[1] To znamená, že solární energie má schopnost pokrýt všechny naše energetické potřeby.

V první polovině roku 2023 tvořila solární energie 5,77 % celkové výroby elektřiny v USA, oproti 4,95 % v roce 2022.

[2] Ačkoli fosilní paliva (především zemní plyn a uhlí) budou v roce 2022 tvořit až 60,4 % výroby elektřiny v USA,

[3] Pozornost si ale zaslouží rostoucí vliv solární energie a rychlý rozvoj technologie solární energie.

 

Typy solárních článků

 

V současné době existují na trhu tři hlavní kategorie solárních článků (také známé jako fotovoltaické (PV) články): krystalické, tenkovrstvé a nové technologie. Tyto tři typy baterií mají své výhody z hlediska účinnosti, ceny a životnosti.

 

01 krystal

Většina domácích střešních solárních panelů je vyrobena z vysoce čistého monokrystalického křemíku. Tento typ baterie dosáhl v posledních letech účinnosti více než 26 % a životnosti více než 30 let.

[4] Současná účinnost solárních panelů v domácnostech je asi 22 %.

 

Polykrystalický křemík stojí méně než monokrystalický křemík, ale je méně účinný a má kratší životnost. Nižší účinnost znamená, že je potřeba více panelů a větší plocha.

 

Solární články založené na technologii multi-junction gallium arsenide (GaAs) jsou účinnější než tradiční solární články. Tyto buňky mají vícevrstvou strukturu a každá vrstva používá jiný materiál, jako je indium gallium fosfid (GaInP), indium gallium arsenid (InGaAs) a germanium (Ge), aby absorbovaly různé vlnové délky slunečního světla. I když se očekává, že tyto multijunkční buňky dosáhnou vysoké účinnosti, stále trpí vysokými výrobními náklady a nevyspělým výzkumem a vývojem, což omezuje jejich komerční proveditelnost a praktické aplikace.

 

film 02

Hlavním proudem tenkovrstvých fotovoltaických produktů na globálním trhu jsou fotovoltaické moduly z teluridu kadmia (CdTe). Po celém světě byly nainstalovány miliony takových modulů se špičkovou kapacitou výroby energie více než 30 GW. Používají se hlavně pro výrobu elektrické energie ve Spojených státech. továrna.

 

V této tenkovrstvé technologii obsahuje solární modul o ploše 1 metr čtvereční méně kadmia než nikl-kadmiová (Ni-Cd) baterie velikosti AAA. Kromě toho je kadmium v ​​solárních modulech vázáno na telur, který je nerozpustný ve vodě a zůstává stabilní při teplotách až 1 200 °C. Tyto faktory zmírňují toxická rizika používání teluridu kadmia v tenkovrstvých bateriích.

 

Obsah teluru v zemské kůře je pouze 0,001 ppm. Stejně jako je platina vzácným prvkem, vzácnost telluru může významně ovlivnit cenu modulu telluridu kadmia. Tento problém je však možné zmírnit pomocí recyklačních postupů.

Účinnost modulů teluridu kadmia může dosáhnout 18,6 % a účinnost baterie v laboratorním prostředí může přesáhnout 22 %. [5] Použití dopování arsenem jako náhrada dopingu mědi, které se používá již dlouhou dobu, může výrazně zlepšit životnost modulu a dosáhnout úrovně srovnatelné s krystalovými bateriemi.

 

03 Vznikající technologie

 

Rozvíjející se fotovoltaické technologie využívající ultratenké filmy (méně než 1 mikron) a techniky přímého nanášení sníží výrobní náklady a poskytnou vysoce kvalitní polovodiče pro solární články. Očekává se, že se tyto technologie stanou konkurenty zavedeným materiálům, jako je křemík, telurid kadmia a arsenid galia.

 

[6]V této oblasti existují tři známé technologie tenkých vrstev: sulfid mědi a zinku a cínu (Cu2ZnSnS4 nebo CZTS), fosfid zinku (Zn3P2) a jednostěnné uhlíkové nanotrubice (SWCNT). V laboratorním prostředí dosáhly solární články selenidu mědi a india a galia (CIGS) působivé maximální účinnosti 22,4 %. Zopakování takových úrovní účinnosti v komerčním měřítku však zůstává výzvou.

[7] Tenkovrstvé články perovskitu z halogenidu olova jsou atraktivní nově vznikající solární technologií. Perovskit je druh látky s typickou krystalickou strukturou chemického vzorce ABX3. Jde o žlutý, hnědý nebo černý minerál, jehož hlavní složkou je titaničitan vápenatý (CaTiO3). Komerční perovskitové tandemové solární články na bázi křemíku vyrobené britskou společností Oxford PV dosáhly rekordní účinnosti 28,6 % a začnou se vyrábět letos.

[8]Během několika let dosáhly perovskitové solární články účinnosti podobné účinnosti stávajících tenkovrstvých článků z teluridu kadmia. V raném výzkumu a vývoji perovskitových baterií byla životnost velkým problémem, tak krátká, že ji bylo možné vypočítat pouze na měsíce.

Dnes mají perovskitové články životnost 25 a více let. V současné době jsou výhodami perovskitových solárních článků vysoká účinnost konverze (více než 25 %), nízké výrobní náklady a nízké teploty potřebné pro výrobní proces.

 

Stavba integrovaných solárních panelů

 

Některé solární články jsou navrženy tak, aby zachytily pouze část slunečního spektra a zároveň umožnily průchod viditelného světla. Tyto průhledné články se nazývají dye-sensitized solar cells (DSC) a zrodily se ve Švýcarsku v roce 1991. Nové výsledky výzkumu a vývoje v posledních letech zlepšily účinnost DSC a nemusí to trvat dlouho a tyto solární panely budou na trhu.

 

Některé společnosti napouštějí anorganické nanočástice do polykarbonátových vrstev skla. Nanočástice v této technologii posouvají konkrétní části spektra k okraji skla, čímž umožňují průchod většiny spektra. Světlo soustředěné na okraji skla je pak využito solárními články. Kromě toho se v současnosti studuje technologie nanášení tenkovrstvých materiálů perovskitu na průhledná solární okna a vnější stěny budov.

 

Suroviny potřebné pro solární energii

Pro zvýšení výroby solární energie poroste poptávka po těžbě důležitých surovin, jako je křemík, stříbro, měď a hliník. Americké ministerstvo energetiky uvádí, že přibližně 12 % světového křemíku metalurgické kvality (MGS) se zpracovává na polysilikon pro solární panely.

 

Čína je v této oblasti významným hráčem, který v roce 2020 vyrábí přibližně 70 % světového MGS a 77 % svých dodávek polysilikonu.

 

Proces přeměny křemíku na polysilikon vyžaduje velmi vysoké teploty. V Číně energie pro tyto procesy pochází hlavně z uhlí. Sin-ťiang má bohaté zdroje uhlí a nízké náklady na elektřinu a jeho výroba polysilikonu představuje 45 % celosvětové produkce.

 

[12]Na výrobu solárních panelů se spotřebuje přibližně 10 % světového stříbra. Těžba stříbra se vyskytuje především v Mexiku, Číně, Peru, Chile, Austrálii, Rusku a Polsku a může vést k problémům, jako je kontaminace těžkými kovy a nucené přesídlení místních komunit.

 

Těžba mědi a hliníku také představuje problémy s využíváním půdy. US Geological Survey uvádí, že Chile představuje 27 % celosvětové produkce mědi, následuje Peru (10 %), Čína (8 %) a Demokratická republika Kongo (8 %). Mezinárodní energetická agentura (IEA) věří, že pokud celosvětové využití obnovitelné energie dosáhne do roku 2050 100 %, poptávka po mědi ze solárních projektů se téměř ztrojnásobí.

[13]Závěr

 

Stane se sluneční energie jednou naším hlavním zdrojem energie? Cena solární energie klesá a účinnost se zlepšuje. Mezitím existuje mnoho různých způsobů solární technologie, ze kterých si můžete vybrat. Kdy identifikujeme jednu nebo dvě technologie a uvedeme je do provozu? Jak integrovat solární energii do sítě?

 

Vývoj solární energie ze speciální na hlavní proud zdůrazňuje její potenciál uspokojit a překročit naše energetické potřeby. Zatímco krystalické solární články v současnosti dominují na trhu, pokroky v tenkovrstvé technologii a nově vznikající technologie, jako je telurid kadmia a perovskity, dláždí cestu pro účinnější a integrované solární aplikace. Solární energie stále čelí mnoha výzvám, jako je environmentální dopad těžby surovin a úzká místa ve výrobě, ale koneckonců jde o rychle rostoucí, inovativní a perspektivní odvětví.

 

Se správnou rovnováhou technologického pokroku a udržitelných postupů vydláždí růst a rozvoj solární energie cestu pro čistší a hojnější energetickou budoucnost. Z tohoto důvodu vykáže významný růst v energetickém mixu USA a očekává se, že se stane globálním udržitelným řešením.